cap2_soldadura2006

Manual de rgos de Mquinas I - Ligaes Soldadas - Rui V. Sitoe 2005 Pgina 34

Captulo 2: Ligaes Soldadas

Informaes gerais sobre ligaes

As peas de mquinas so unidas por vrios meios. Os meios para unir as peas chamam-se unies ou ligaes (ou junes).

As ligaes podem ser: - Fixas ou inamovveis (ou indissolveis) - Desmontveis ou amovveis

As junes inamovveis principais so: - Ligaes soldadas (ou ligaes por soldadura) - Ligaes rebitadas - Acoplamentos fixos (presso, colagem, etc.)

- As ligaes desmontveis so: - por parafusos - por chavetas - por veios e cubos canelados - ligaes por cavilhas - ligaes por presso - unies de eixos e veios, de vrios tipos

Ligaes Soldadas

As ligaes soldadas fazem parte do grupo das ligaes fixas (ou inamovveis) obtidas por meio de um processo de soldadura, no qual h uma interaco molecular entre materiais das peas unidas na zona soldada. H vrios processos de soldadura e vrias configuraes. Na maioria dos casos a soldadura feita com a fuso do material das peas a soldar ou do material adicional ou ambos.

As principais vantagens da soldadura so: - economia do material (ou baixo peso da ligao); - baixo gasto de trabalho; - simplicidade do processo de soldadura; - ausncia de rudos durante a soldadura; - homogeneizao do material das peas.

Os maiores inconvenientes das ligaes soldadas so: - deformaes trmicas durante a soldadura (e durante o arrefecimento); - dificuldade em soldar alguns materiais, considerados difceis de soldar; - a formao de uma zona de efeito trmico; - susceptibilidade ruptura da ligao na presena de vibraes; - controle de qualidade difcil e/ou caro.

A soldadura usada no s como meio de construo mas tambm como meio de reparao.


Processos de Soldadura

A soldadura pode ser feita por caldeamento (presso mtua, sem fuso), ou por fuso mtua. Na soldadura por caldeamento h aquecimento da unio at temperatura de soldadura e depois usam-se prensas ou martelos para exercer presso entre as peas aquecidas. O material da juno encontra-se num estado pastoso ou quase pastoso, para facilitar a ligao. A soldadura por atrito usa um efeito similar, em que as superfcies a soldar so friccionadas at atingirem uma dada temperatura e depois comprimidas at se fixarem. Existem soldaduras por presso sem aquecimento, que no tm relevncia para a presente abordagem. A soldadura de materiais plsticos por ultra-sons usa tambm o princpio da soldadura por atrito. Os tipos de soldadura em que s se aquecem as superfcies podem ter vantagens na reduo das tenses trmicas.

A soldadura por fuso pode ser obtida por vrios mtodos. H variadas fontes de calor para fundir os materiais: chama de gs (e.g., acetileno), fornalha, reaco qumica exotrmica (e.g., soldadura aluminotrmica), arco voltaico (e.g., a elctrodo consumvel), resistncia elctrica (e.g., por pontos), induo, atrito, raios electrnicos, raios luminosos (LASER) e outras. A soldadura autognea une entre si peas do mesmo material, fundindo os bordos numa dada zona, em princpio sem adio de material adicional. Geralmente, usa-se um material adicional que feito (quase) do mesmo material que o das peas a soldar. Assim, os materiais fundem simultaneamente, juntam-se e, ao resfriar, solidificam formando uma juno forte. A soldadura heterognea une entre si peas de materiais diferentes ou no, sem fuso dos bordos, usando material adicional de relativamente menor ponto de fuso. Na essncia, o metal adicional um aglutinante. A soldadura a gs usa uma mistura de oxignio com diversos combustveis gasosos. O acetileno permite obter temperaturas at 3100 C e o benzol at 2700 C. O hidrognio permite obter temperaturas at 2000 C e o gs de iluminao permite obter temperaturas at 1800 C. Na soldadura a gs a mistura em combusto funde uma poro de metal adicional, normalmente um fio ou vareta. As vezes usa-se este processo para fazer a soldadura directa de paredes finas, sem material adicional. Quando a chama da combusto tem muito oxignio pode ser usada para o corte a chama ou oxi-corte, um processo muito ligado soldadura por chama. Actualmente, emprega-se muito a soldadura por arco elctrico. Esta feita utilizando um arco voltaico capaz de elevar a temperatura na zona de fuso at 3500C. O material do elctrodo funde sob o efeito do arco voltaico e cai sobre a zona a soldar na forma de gotas. A soldadura elctrica pode ser usada para obter costuras de alta qualidade, com ou sem material adicional. s vezes usam-se atmosferas protectoras com gases mas comum o uso de elctrodos com revestimento ou o uso de soldadura com arco submerso. Quando no se usa material adicional o elctrodo feito de material infusvel ou por resistncia de contacto. A soldadura elctrica por resistncia consiste no aquecimento das superfcies de contacto das peas a soldar por meio da passagem de uma corrente elctrica que as aquece, seguido de compresso.

H outros processos de soldadura tais como a soldadura a LASER, a soldadura por plasma, a soldadura aluminotrmica, a soldabrasagem e a infuso de metal fundido, cuja abordagem no ser feita por serem tpicos de disciplinas especializadas.

Os processo de juno de pes por fuso de material nos quais s se funde o material adicional (por exemplo, a soldabrasagem) no so soldaduras genuinas.


O calor da soldadura aquece as zonas vizinhas do cordo de soldadura podendo causar recristalizao e recozimento, com eventual reduo de propriedades mecnicas do material como o limite de resistncia e a dureza, para alm de causar efeitos termoqumicos. Por isso, a vizinhana do cordo de soldadura costuma ter piores caractersticas de resistncia que a mdia do material no aquecido. O cordo de soldadura em si, quando feito com material adicional apropriado, tipicamente mais resistente que o material bsico.

Como o calor da soldadura tem efeitos nocivos necessrio tomar precaues para evitar tenses residuais, contraces e empenamentos. Algumas das medidas so:

- evitar excesso de calor concentrado; - possibilitar a expanso trmica; - fazer o recozimento das peas soldadas num forno a 600C. - aquecer o material antes da soldadura at 100-150C, para aos com alto teor

de carbono, que so mais difceis de soldar; - pr-aquecer o ferro fundido at 200...300C; - usar, preferivelmente, vrios cordes finos em vez de um cordo grosso, do

ponto de vista do efeito trmico, especialmente em locais com baixa espessura.

As ligaes soldadas podem causar o surgimento de concentrao de tenses. Por isso, s vezes conveniente alisar o cordo de soldadura nas peas sujeitas a cargas cclicas, de forma a reduzir as tenses internas e aumentar a resistncia fadiga. Na soldadura, h dispositivos de fixao das peas que se destinam a facilitar o processo e reduzem a necessidade de maquinagem prvia da zona a soldar.

Classificao das ligaes soldadas

Os cordes de soldadura tanto podem ser de topo como angulares (tambm chamados de canto). Porm, a classificao mais comum das unies soldadas feita com base nas posies relativas das peas a soldar. Alguns tipos mais comuns so:

- ligao de topo (ou topo-topo) - ligao sobreposta - ligao com cobre-juntas (talas) - ligao em T e em ngulo


fig. 1

As soldaduras a topo suportam bem as cargas estticas e dinmicas e tm alta fiabilidade e simplicidade. Podem ser usadas para chapas e vigas contnuas de diversas espessuras.

Para peas finas no preciso trabalhar os rebordos, bastando aplicar o cordo de soldadura numa ou em duas faces. Quando os materiais a soldar so grossos (acima de 4 mm) pode-se preparar a parte da costura provendo chanfros. Este tipo de costura pode aplicar-se a peas com diferentes espessuras, mas quando h cargas cclicas convm maquinar o cordo de soldadura. A execuo de chanfros de transio entre peas de diferentes espessuras tambm aumenta a resistncia de ligao. Um outro procedimento para aumentar a resistncia da ligao a execuo de um cordo de soldadura oblquo.

fig. 2 - Cordo obliquo

Quando a espessura da pea grande os rebordos so trabalhados fazendo chanfros sucessivamente em V, em V, em K, em X, em U e em duplo U. As ligaes sobrepostas e com cobre-juntas podem ser feitas com cordes frontais ou laterais ou combinados. Tambm se podem utilizar ranhuras ou rebites de soldadura. O comprimento do cordo angular no deve ser inferior a 30 mm, para reduzir a influncia dos defeitos no inicio e fim da costura. O cateto da costura no deve ser inferior a 3 mm em peas com espessura no menor que 3 mm.


As ligaes com cobre-juntas so as que possuem menor resistncia mecnica. A cobre-junta unilateral deve ser aproximadamente (0,7 ... 1) (espessura das peas a ligar) e a bilateral aproximadamente (0,3 ... 0,5). As soldaduras nas cobre-juntas podem ser como nas ligaes sobrepostas. As ligaes em T so feitas em peas que se situam perpendicularmente, uma em relao a outra. As costuras para este tipo de ligao podem ser de topo ou angulares. Quando h cargas dinmicas prefervel usar um cordo cncavo. As ligaes com cordo unilateral suportam muito baixas cargas. A ligaes soldadas podem ser tanto para transmitir esforos como para garantir hermeticidade.

Clculo das Ligaes Soldadas

Para o clculo das ligaes soldadas que devem resistir a dados valores de esforos supe-se que:

a) O esforo uniformemente distribudo ao longo do cordo de soldadura b) A tenso est uniformemente distribuda ao longo de seco de trabalho.

Para cordes do topo calcula-se a resistncia rotura tendo como altura de clculo a espessura do elemento mais fino da ligao.

Ligaes de topo

Para junes de topo bem constitudas, a parte mais fraca da ligao equivalente a uma seco da pea com largura da seco original da ligao, provavelmente na zona de efeito trmico, desde que o material da soldadura seja escolhido segundo as recomendaes. Sendo as peas sujeitas a uma fora F que gera traco ou compresso, ou sujeitas a um momento flector M que cria flexo, as tenses calculam-se por:

[ ]' == bF

AF

(SOL 1)

[ ]'6 2

==

bM

WM

onde: b e - so a largura e a espessura da juno;

[ ] - a tenso admissvel da ligao soldada. A relao entre [ ] e a tenso admissvel traco do material bsico o " coeficiente de resistncia" :

[ ][ ]trac '= (SOL 2)

O coeficiente de resistncia varia de 0,9 a 1, para casos gerais, mas pode ter outros valores consoante a qualidade da soldadura. Como a soldadura debilita a construo, pode-se reaver parte da resistncia original utilizando cordes inclinados, cujo comprimento maior que a largura das peas soldadas. Esta medida permite elevar a resistncia da ligao, o que corresponde ao aumento aparente da tenso admissvel na ligao.


fig.3 - Ligao de topo

A resistncia da ligao pode elevar-se at ser igual do material bsico, o que se expressa por:

[ ] = []trac ou =1,

onde: -

[]trac a tenso admissvel traco:

[ ]s

etrac

=

onde: - s o coeficiente de segurana das tenses, perto de 1,4 ... 1,6, para materiais

dcteis. - e o limite de fluncia (ou escoamento) do material.

Ligaes sobrepostas

Os cordes de soldadura podem ser normais (1, fig. 4), cncavos (2, fig. 4) ou convexos (3, fig. 4). Os cordes convexos so mais teis para ligar peas com espessuras diferentes mas provocam o surgimento de concentrao de tenses, devido variao brusca na forma da costura. Os cordes cncavos reduzem a concentrao de tenses e por isso so recomendados para cargas variveis. Tm melhor comportamento fadiga, devido transio suave de forma. Os cordes normais so os mais populares.

fig. 4 Cordes de canto normal (1), cncavo (2) e convexo (3)

As dimenses mais importantes da costura angular so:


- cateto k - altura (espessura) do cordo h; para o cordo normal: h= ksen 45 0,7k k 3mm j que 3mm; em geral k =

Os cordes de canto podem ser frontais (perpendiculares fora), laterais (ou de flanco, que so paralelos fora) ou inclinados. Em geral usam-se cordes combinados: frontais e laterais. Nos cordes laterais a distribuio das tenses no uniforme. H concentrao de tenses nas extremidades do cordo, sendo esta maior no contacto com a pea de seco mais fina, devido sua menor rigidez. A tenso no centro do comprimento do cordo menor que a mdia e no se recomenda que o cordo seja muito comprido. Deve-se observar o limite 50k .

O clculo de cordes de canto laterais pode ser feito considerando que a rotura se verifica sob efeito das tenses tangenciais, ao longo da espessura do cordo. A tenso tangencial de um par de cordes :

( ) [ ]'7,02 == kF

AF

(SOL 3)

Para um nico cordo: ( ) [ ]'7,0 == kF

AF

onde: - o comprimento da costura, sem considerar a existncia dos crateres (os

crateres so deformaes que se verificam no incio e fim da soldadura). 0,7 k - a altura (espessura) da seco na zona mais propensa a destruir-se.

fig. 5 -Tenses tangenciais no cordo

Quando se usam ranhuras para aumentar a resistncia da costura, estas so preenchidas com solda (fig.6). A largura da ranhura aproximadamente igual a 2 e se k = tem-se a tenso:

( ) [ ]'17,02 +== kF

AF

(SOL 4)


fig. 6 - Ligao sobreposta com ranhura

Quando as peas so assimtricas e possuem cordes de soldadura em lados (flancos) opostos convm ter em considerao a uniformizao das tenses nos cordes por meio de proviso de comprimentos proporcionais s fraces de carga suportada. A carga em cada cordo tanto maior quanto mais prximo este estiver do centro de gravidade da seco.

fig. 7 - Ligao de peas assimtricas com cordes laterias

1

2

2

1=

e

e (SOL5)

e1, e2 distncias desde o cordo ao centro de gravidade

Nestas condies, a tenso mdia dada por:

( ) [ ]'217,0 += kF

(SOL 6)

Quando as peas esto sujeitas a momentos, as tenses devidas a estes momentos distribuem-se de modo irregular ao longo das costuras (fig.8). A tenso proporcional ao raio-vector desde o centro de gravidade das costuras ao ponto considerado, no cordo de soldadura, e perpendicular a este raio. A irregularidade tanto maior quanto maior for a relao entre o comprimento do cordo e a distncia entre cordes, / b . A tenso mxima pode ser calculada utilizado a frmula:

PWT

=

onde: WP - o momento polar de resistncia dos cordes, nos planos de destruio.


fig. 8 - Peas sujeitas a momentos

Quando o comprimento do cordo menor que a distncia entre cordes possvel aproximar a direco das tenses a uma direco constante (fig. 8-b) e considerar que o momento balanceado pelo binrio de foras unidireccionais devidas a tenses tangenciais, de forma que a tenso resultante calculada por:

[ ]'7,0

=

bkT

(SOL 7)

Os cordes frontais (fig.9) tm a virtude de distribuir a tenso devida a foras de traco/compresso de maneira uniforme. Para fins de clculo de engenharia considera-se que os cordes frontais rompem devido a tenses tangenciais que se observam ao longo da seco correspondente espessura do cordo (m-m). As tenses tangenciais na zona de ruptura podem ser calculadas por:

[ ]'7,0

=

kF

(SOL 8)

fig. 9 - Cordes frontais

Como resultado das consideraes anteriores (por exemplo, frmulas 3 e 8), pode-se concluir que no clculo das costuras com cordes de canto no importa a direco da carga de traco/compresso. Para cordes inclinados a seco perigosa tambm definida como aquela que contm as espessuras dos cordes. Porm, tem-se o beneficio de um comprimento aumentado do cordo mas a frmula para o clculo da tenso continua sendo:

=

Fk0 7,

'

(SOL 9)


fig. 10 Cordo inclinado

Quando os cordes frontais so carregados por momentos a tenso distribui-se de modo proporcional distncia at ao centro de gravidade da costura (fig.11), similar distribuio de tenses normais na seco de uma barra sujeita a momentos flectores. Apesar de se registarem tenses normais na seco perigosa, o clculo feito tendo em vista a tenso tangencial. Para tal usa-se o momento axial de resistncia da costura na seco perigosa:

[ ]'27,06

==

bkT

WT

(SOL10)

fig. 11 - Cordo frontal carregado por um momento

Para cordes combinados (laterais e frontais) sujeitos a esforos de traco/ compresso (fig.12), uma vez que no h diferena na estrutura das frmulas de clculo, pode-se aglutinar o comprimento dos cordes e utilizar a frmula:

( ) [ ]'27,07,0 +== frontlatkF

kF

(SOL 11)

fig. 12 - Cordes combinados: frontais e laterais

Para esta soluo parte-se do princpio de que os cordes esto identicamente carregados. Mesmo no sendo uma suposio exacta, pode-se considerar que a aproximao razovel. Quando os cordes combinados (frontais e laterais) esto sujeitas a momentos preciso considerar a aco dos momentos nas diversas pores da juno e somar os efeitos para se obter o momento total. Assim:


fig. 13 Cordes combinados carregados por momento e fora

latfront TTT += (SOL 12)

onde: Tfront e Tlat - so os momentos nos cordes frontal e lateral, respectivamente. Os conceitos "frontal" e "lateral" so associados a uma fora de traco embora o momento tenha sentido giratrio. Para determinar os momentos componentes usa-se a combinao das seces perigosas, projectada com as respectivas espessuras (fig.14), com rotao em redor do centro de massas da rea combinada.

fig. 14 Combinao das seces perigosas dos cordes

(ver a frmula (SOL 10)):

67,0 2front

frontfrontk

T

=

e para lat menor que front pode-se usar a aproximao usada para a frmula (SOL 7):

frontlatlatlat kT = 7,0

Pressupondo que as tenses no cordo frontal so iguais s tenses no cordo lateral, ou seja que Tlatfront == e tendo em vista a frmula (SOL 12) acima tem-se:

latfrontfrontT kk

T +

=

7,06/7,0 2

(SOL 13) cicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicicici

A tenso tangencial sumria, resultante da aco conjunta da fora e do momento no deve superar a tenso admissvel:


= + F T'

(SOL 14)

Esta tenso surge num determinado ponto, supostamente no canto do cordo frontal onde as tenses devidas ao momento e as tenses devidas fora podem ser somadas aritmeticamente. Contudo, convm notar que se trata de uma aproximao.

Ligaes em T

As junes em T podem ser feitas com ou sem preparao das extremidades das peas a soldar (fig. 15). Quando se faz a preparao das extremidades na forma de K a juno comporta-se como uma juno de topo. Por isso, distinguem-se dois casos de clculo:

fig. 16 - Cordo de topo e de canto, respectivamente

[ ]'26 +

=

FM - para cordo de topo (SOL 15)

[ ]'2 7,027,026

+

=

kF

kM

- para cordo de canto (SOL 16)

A anlise das frmulas acima mostra que a tenso tangencial no cordo tem uma distribuio anloga da tenso normal ao longo da seco transversal da barra, devida ao mesmo momento. Os valores e (20,7k) so anlogos O clculo feito para a bissectriz m-m. Note-se que o comprimento do cordo ou largura da barra, mas no comprimento da barra. Quando uma seco tubular sujeita a um momento torsor conjugado com um momento flector (fig. 17) surgem tenses, tangenciais e normais que so combinados por meio do clculo de uma tenso equivalente. Se a seco tubular for soldada por um cordo de canto, a seco perigosa fica orientada ao longo da bissectriz da seco triangular formada pelo cordo de canto (direco m-m). Neste tipo de cordo as tenses perigosas so as tenses tangenciais. Por esta razo, as tenses normais provocados pelo momento flector so convertidas em tenses tangenciais correspondentes seco inclinada m-m.

A tenso tangencial na seco perigosa, devida ao momento torsor T calculada considerando que a seco perigosa da soldadura constitui uma seco anelar com largura 0,7k. Partindo do princpio de que a largura da seco perigosa muito pequena quando comparada com o dimetro do tubo, pode-se pressupor que a tenso ao longo de toda a seco anelar da soldadura uniforme. Assim sendo, pode-se idealizar uma fora


tangencial que simultaneamente igual ao produto da tenso tangencial pela rea da seco anelar e razo entre o momento torsor e o raio mdio da seco anelar. Isto permite escrever:

fig. 17-Seco tubular sujeita a um momento toror e flector

dTF

dkF

AF

WT

ttt

Tp

T

==2

;7,0

;pi

27,02

dkT

T

pi (SOL 17)

A anlise da equao permite discernir que o momento polar de resistncia tem o seguinte valor aproximado:

W k dp 0 7

2

2, pi

mas importante recordar que se considerou que a tenso uniforme e que a rea da seco anelar pode ser descrita por 0,7k(pidmed) (largura vezes permetro), onde o dimetro mdio dmed = 2

dD +. Sendo que D igual soma do dimetro interior e das

bissectrizes da seco transversal do cordo tem-se:

dkddmed += 7,0 ou dD

o que justifica a utilizao de "d" nas equaes analisadas. Visto que o momento axial de resistncia a metade do momento polar, as tenses devidas ao momento flector podem ser calculadas por:

27,042

dkM

WM

WM

PXM

==

pi (SOL 18)

As tenses devidas ao momento flector M e ao momento torsor T tm sentidos perpendiculares, apesar de surgirem na mesma seco m-m. Por isso, so somadas geometricamente, resultando na frmula:

[ ]'22 += MT (SOL 19)


Juntando as expresses (SOL 17) e (SOL 18), a condio de capacidade de trabalho pode ser reescrita como:

[ ]'222

7,0164

pi

+=

dkMT

Soldadura por Contacto

As soldaduras por contacto tanto podem ser por pontos como por cordes. A soldadura por contacto usa-se para unir peas delegadas, cuja relao entre espessuras no ultrapassa 3. Neste tipo de soldadura as peas a unir so comprimidas por meio de contactos elctricos que tanto podem ser pontas de dois elementos fixos como superfcies de rolos giratrios. A soldadura d-se por aquecimento localizado nas superfcies de contacto das peas comprimidas. O aquecimento provm da passagem de uma corrente elctrica de alta intensidade pela zona de contacto das peas, que forma uma resistncia elctrica. As soldaduras por contacto no devem ser carregadas por foras ou momentos que tendem a separar as peas na direco perpendicular s superfcies soldadas. So concebidas para suportarem cargas no plano da ligao. As soldaduras por contacto so muito utilizadas na fabricao de cabines de automveis. Nesta aplicao especfica, as soldaduras so vulgarmente feitas por robots, que tm a particularidade de executar soldaduras com qualidade consistente, alta velocidade e boa produtividade.

Soldadura por Pontos

Neste tipo de soldadura colocam-se costuras com forma aproximadamente circular em intervalos regulares. O dimetro recomendado de cada ponto :

d = 1,2 + 4 mm, para 3 mm d = 1,5 + 5 mm, para > 3 mm

As distncias entre pontos dependem de factores tecnolgicos e de carregamento. Geralmente empregam-se:

t d t d t d= = = 3 2 1 51 2; ; ,

As peas soldadas por pontos funcionam essencialmente com foras cisalhantes e o clculo da ligao feito considerando que a carga se distribui uniformemente pelos pontos. A tenso nos pontos :


fig.18 - Soldadura por pontos

pi

= =

FA

Fd z i42

'

(SOL20)

onde: z - o nmero de pontos de soldadura i - o nmero de planos de contacto

Quando a ligao soldada por pontos carregada por um momento no plano da juno o clculo feito com base em foras tangenciais em cada ponto, que dependem da distncia at ao centro de rotao.

As soldaduras por pontos so caracterizadas por alta concentrao de tenses e por isso so desaconselhveis para peas que funcionam com cargas variveis. So usadas para soldar, por exemplo, revestimentos e carcaas.

Soldadura por Cordo (por rolos)

Na soldadura por cordo, a zona de juno aproximadamente contnua. Tem menor concentrao de tenses que na soldadura por pontos. A tenso tangencial no cordo :

fig.19 - Soldadura por rolos

=

Fb

'

(SOL 21)

Clculo de resistncia a cargas variveis


Quando as tenses a que as ligaes soldadas so submetidas so de carcter cclico deve-se reduzir a tenso admissvel de clculo, ' 'e . Para tal multiplica-se o valor da tenso admissvel por um coeficiente definido por:

( ) ( ) 12,06,02,06,01

=

RKK efef

(SOL 22)

onde: R ouminmax

min

max

=

o coeficiente de assimetria do ciclo

Kef - o coeficiente efectivo de concentrao das tenses

Os sinais superiores so para tenses normais, quando o valor absoluto da tenso de traco supera o da tenso de compresso. Tambm se usam para tenses tangenciais. Os sinais inferiores so para os casos em que as tenses normais de compresso superam as de traco, em valor absoluto. Quando resulta maior que 1 faz-se = 1. Isto pode ocorrer para ciclos com reverso cujo coeficiente de assimetria tem um valor grande.

Recomendaes para Soldadura

* Os aos com alto teor de carbono e aos de liga podem rachar facilmente aps a soldadura. O ferro-fundido requer condies determinadas para se produzir uma costura resistente (pr-aquecimento, alvio de tenses).

* As costuras devem ser colocadas de modo a estarem sujeitas, preferivelmente, a solicitaes simples (ou s traco, ou s toro, etc.) * Convm evitar as mudanas bruscas de forma na zona da costura. Sempre que possvel, as unies de peas com espessuras diferentes devem ser feitas com centragem das peas ou com biselamento da pea mais grossa at espessura da pea mais fina.

* O revenimento, pr-aquecimento das peas a soldar, alisamento do cordo e a martelagem podem ser usados para melhorar a resistncia das peas soldadas * prefervel o uso de cordes finos e longas ao uso de cordes curtos e grossos. Os ltimos so mais caros pois gastam mais solda, provocam maiores concentraes de tenses e aumentam o nmero de crateres.

* A maquinagem das peas anterior soldadura deve ser evitada deve-se utilizar dispositivos de posicionamento, excepto em casos devidamente justificados. A maquinagem aps a soldadura alivia tenses. * Os cordes no devem ter espessura menor que 3 mm. Nos cordes angulares(de canto), as espessura do cordo no deve superar 70% da menor espessura das peas ligadas. * Convm tomar precaues para possibilitar dilataes e concentraes trmicas e evitar o cruzamento de cordes de soldadura * Quando no possvel aliviar as tenses residuais devidas a concentrao trmicas, as seces transversais devem ser capazes de suportar esforos de traco


superiores aos esforos devidos s cargas externas, ou seja, preciso aumentar a resistncia das peas de forma que estas possam tambm tolerar as tenses internas devidas soldadura.

* Nas peas sujeitas a compresso que estejam bem apoiadas e transmitam o esforo de compresso directamente s peas conjugadas por empuxo, o cordo de soldadura pode ter apenas 1/10 da resistncia fora de compresso. * Os elctrodos revestidos melhoram a resistncia fadiga. * As soldaduras de peas que funcionam ao ar livre, sujeitas corroso por fenmenos climticos e ambientais, devem ser feitas com cordo contnuo, para serem estanques (assim evita-se a penetrao e acumulao da humidade e outras substncias entre as peas unidas).

* Os comprimentos dos cordes do topo contnuos devem ocupar toda a extenso da justaposio. Nas ligaes de topo descontnuas, o comprimento de cada troo do cordo deve ser, pelo menos, 4 vezes a espessura do elemento mais fino a ligar; o intervalo entre dois troos no deve superar 12 vezes a mesma espessura. * O comprimento dos cordes angulares (de canto) descontnuos, em cada troo, no deve ser inferior a 4 vezes a espessura do elemento mais fino a ligar; o intervalo entre troos de solda no deve ser superior a 16 vezes a mesma espessura (para ligaes sujeitas a esforos) ou 24 vezes (para ligaes sujeitas traco). * Nos elementos sujeitos flexo, os cordes de soldadura devem ser colocadas to prximo quanto possvel dos apoios, de forma a reduzir o valor do momento flector na costura. * Quando se usam cordes angulares o comprimento do cordo reduzido devido formao de crateres nas extremidades. Por isso, necessrio subtrair os comprimentos dos dois caracteres, cada qual avaliado como sendo de cordo. Os crateres podem ser eliminados usando peas de extenso no incio e fim do cordo ou outros meios.

* Os cordes inclinados em relao direco do esforo no s conferem transio suave da carga de uma pea outra como tambm permitem obter maiores comprimentos e, por conseguinte, menores valores de tenso. * As costuras de topo so preferveis. Para as executar em peas grossas preciso preparar as superfcies a soldar, fazendo chanfros. As formas dos chanfros dependem da espessura.


Coeficiente efectivos de concentrao das tenses - Soldadura por resistncia de contacto

Kef, para Juno Marca de ao Estado/condio Espessura,

em mm agregativa de trabalho Soldadura por pontos (valores entre parnteses para soldadura por rolos)

Ao 10 Ao 30CA Liga dura BT1

Liga de alumnio 16T

Normalizado Revenido nas condies de fornecimento Idem

3+3 1,5 + 1,5 1,5 +1,5

1,5+1,5

1,4(1,25) 1,35

2,0(1,3)

2,0(1,3)

7,5(5) 12

10(5)

5(2,25)

Soldadura por contacto (unies de topo)

Ao ao carbono Ao com alto teor de elementos de liga e ligas de alumnio

-

-

-

-

1,2

1,2 ...1,5

Coeficiente efectivos de concentrao das tenses K para ligaes soldadas

Elemento de clculo Ao com baixo teor de carbono tipo CT 3

ao com baixo teor de elementos de liga, tipo 15XCHA

Metal bsico, no lugar de transio da juno de topo

Metal bsico, no lugar de transio com, cordo frontal

Metal bsico, no lugar de transio com, cordo lateral (de flanco)

Junes de topo com penetrao completa do cordo de soldadura

Junes com cordes de canto frontais

Junes com cordes de canto laterais (de flanco)

1,5

2,7

3,5

1,2

2,0

3,5

1,9

3,3

4,5

1,4

2,0 (2,5)

4,5


Tenses admissveis para soldadura

Tenses admissveis na costura Tipos de processos tecnolgicos de soldadura Traco

[ ]t Compresso

[ ]c Cisalhamento

[ ] Soldadura automtica sob camada protectora, soldadura manual com elctrodo 42A e 50A, soldadura por contacto

[]t []t 0,65[]t

Soldadura manual a arco com elctrodo 42 e 50, soldadura a gs 0,9[]t []t 0,6[]t Soldadura por pontos e por rolos - - 0,5[]t

Nota: [ ]s

et

= - a tenso admissvel traco, para o material das peas soldadas,

sob carga esttica. Para construes metlicas o coeficiente de segurana s 1,4 ... 1,6.


Problemas

Problema 1 (cordes de canto):

Calcular a ligao soldada para um tubo cuja extremidade se fixa a uma parede por meio de cordes de canto:

d = 100 mm; = 5mm; T = 8103 Nm; M = 5103 Nm

As cargas aplicadas so estticas e o material do tubo ao CT3, cujo limite de fluncia e = 220 MPa. A soldadura feita com elctrodo 42A e manual.

Esquema:

Soluo: Uma vez que a pea est sob o efeito de tenses tangenciais de sentidos perpendiculares, deve-se fazer a soma geomtrica das tenses e comparar com a tenso admissvel. Assim, a condio de resistncia expressa por:

[ ]'22 += MT

Calcula-se a tenso admissvel por ' , ,,

= = 0 65 0 651 5

95te MPa

Usa-se s=1,5 porque o limite de fluncia indica que se trata de um material dctil.

As tenses devidas aos momentos torsor e flector so, respectivamente:

kkdkT

T

2

2

3

21028,7

1007,01082

7,02

=

=

pipi (frmula 17)

kkdkM

M

2

2

33

2101,9

1007,0101054

7,04

=

=

pi (frmula 18)

Assim, a tenso sumria dada por:

[ ] MPakkMT

951065,111,928,710 '2

222

22==+=+=


ou seja: k 12,3 mm.

V-se que para a construo escolhida tem-se uma condio de resistncia da juno que exige um cordo com cateto superior espessura do tubo pois k > . Esta situao no muito conveniente. Por isso, so comuns as junes por soldadura de topo, com cantos trabalhados.

Problema 2 (ligao por resistncia de contacto, por pontos):

Calcular um juno soldada, do tipo de contacto e por pontos: A fora aplicada F= 5 kN e a espessura = 4 mm. O material ao 10, com limite de fluncia de 200 MPa. A carga aplicada alternada, com ciclo simtrico (R=-1).

Esquema: ( ver fig. 18)

Resoluo:

Uma vez que a ligao no tem dimenses, primeiro calcula-se a largura das chapas "b" considerando a debilitao na zona de soldadura. Este clculo feito com base na resistncia das peas traco, na presena de carga cclicas. Escolhendo um coeficiente de segurana s=1,6 obtm-se a tenso admissvel traco, para peas comuns:

[ ] MPas

et 1256,1

200===

Uma vez que as peas so soldadas e debilitadas pela presena de cargas cclicas, usa-se a frmula (SOL 22), para um coeficiente efectivo de concentrao de tenses Kef = 7,5 (tabelado) e obtm-se:

( ) ( ) ( ) 111,012,05,76,02,05,76,01

+=

Ento, a tenso admissvel de clculo para as peas soldadas sob carga cclica :

[ ] [ ] MPat 89,13111,0125 ===

Daqui obtm-se:

[ ] mmFb 90

89,1345000

=

=

=

Obtidas as dimenses das peas, calculam-se os parmetros (dimenses e nmero de pontos) da soldadura. Das recomendaes:

mmd 11545,155,1 =+=+= mmdtmmdt 175,1;222 21 === mmdt 333 ==


O nmero de pontos por fila pode ser pr-avaliado por:

7,2133

1729012 2' =+=+=t

tbz

Escolhe-se um nmero de 3 pontos por fila, dispostos em 2 filas, com a proviso de um ligeiro aumento na largura das chapas, de forma a cumprir com as recomendaes para t2. Assim, para as duas filas tem-se z=6 pontos, nmero para o qual se faz o clculo testador pela frmula (SOL 20):

[ ]'24 pi == izdF

AF

onde: MPa

izdF

AF 77,8

1611500044

22 =

=

==

pipi

A tenso tangencial admissvel para este tipo de juno (da tabela):

[ ] [ ] MPat 94,6111,01255,05,0' ===

Como se v, a condio de resistncia ' no se cumpre. Portanto, preciso aumentar a largura das chapas de modo a fazer 4 pontos por fila ou fazer uma juno com trs filas de trs pontos por fila (9 pontos no total). Este problema mostra o quo mal funcionam as junes soldados por pontos na presena de cargas alternadas.

Problema 3 (comparao de dois tipos de cordes):

Uma barra horizontal com 20 mm de espessura e 50 mm de altura feita de um ao com e = 400 MPa. Est encastrada numa parede sob efeito de um peso na extremidade livre que provoca uma flexo tal que a barra comea a deformar-se plasticamente. Decide-se que se deve encurtar a barra e sold-la parede. Considerando apenas a flexo, calcule os comprimentos mximos permissveis para a barra soldada a gs a) com cordes de topo e b) com 2 cordes de canto laterais cujo cateto de 7,14 mm.

Resoluo:

Primeiro calcula-se a o peso que causa a deformao da barra de seco rectangular, no considerando a tenso devida ao corte:

ehF

hM

=

=

= 2266

ou seja NhF e 3333100065020400

6

22

=

=

=

a) A tenso admissvel para a ligao soldada com cordo de topo :


Pea 1

Pea 2

[ ] [ ] MPaet 2405,14009,0

5,19,09,0 ====

Assim, para a barra encurtada conhecem-se a fora, a tenso admissvel e a seco transversal pelo que o comprimento mximo da barra soldada pode ser calculado partindo do valor admissvel do momento flector (frmula 15, considerando apenas a flexo):

[ ]'2 12 66

=

=

hF

hM

ou seja: [ ] mmFh 600

333365020240

6

22'

1 =

=

b) Para um par de cordes de canto laterais o procedimento similar mas parte-se da frmula 16 e altera-se o valor da tenso admissvel:

[ ]'222 7,026

7,026

=

=

hkF

hkM

ou seja:

[ ] mmF

hk 20033336

5014,77,0216067,02 22

'

2

=

Concluso:

V-se que os dois cordes de canto apenas permitem 1/3 da resistncia do cordo de topo.

Problema 4 (ligao topo a topo: coeficiente de resistncia):

Problema 4. Uma pea sujeita traco tem largura de 50 mm e espessura de 5 mm. Qual ser a largura necessria para a pea manter a resistncia se for soldada com um cordo de topo de m qualidade, cujo coeficiente de resistncia 0,83 ?

Esquema:

Dados: b = 50 mm = 5 mm Cordo de topo = 0.83

Pedido: b

Clculos :

F F = (1)

Pea 1 [ ]

AF

trac = [ ] AF trac = ; bA =

Pea 2


[ ]AF

trac

= [ ] AF trac = ; bA =

Usando a equao (1) obtem-se:

[ ] [ ] bb tractrac = ou seja : [ ][ ]tractrac

bb

=

Como [ ][ ]tractrac

= obtm-se:

bb

= bb =

83.050b = 60.02mmb =

60mmb = (normalizado)

Problema 5 (ligao topo a topo):

Calcular um juno soldada, para duas peas unidas por cordes de topo, sendo a espessura das peas = 8 mm. O material ao 10, com limite de fluncia de 200 MPa. A soldadura a gs. A fora aplicada F = 10 kN e esttica. (a ser resolvido como exerccio individual)

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