Elementos de Máquinas: Aula 2 - Fixação Permanente e Soldagem

ELEMENTOS DE MÁQUINAS AULA 2 Elementos fixação permanente SOLDA Professor Prof Me Luiz Fernando Frezzatti Santiago ASSUNTOS ABORDADOS Elementos de fixação permanente SOLDA Características e considerações relacionadas a região soldada Algumas considerações para o dimensionamento de solda de filete e solda de topo Dimensionamento de solda para carregamento simétrico e excêntrico Utilização de inércia unitária e momento polar de inércia unitário para cálculo de composições de solda ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Uniões por solda Observações De acordo com Pfeil 2020 solda é um tipo de união por coalescência do material união química obtida pela fusão das partes adjacentes A energia necessária para provocar a fusão pode ser de origem elétrica química óptica ou mecânica Tipo de solda mais empregado na indústria são as de energia elétrica Solda manual por eletrodo revestido solda por arco submerso solda por arco elétrico com proteção gasosa com eletrodo consumível MIGMAG e solda por eletrodo não consumível TIG Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Uniões por solda Principais processos Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Soldagem com eletrodo revestido Soldagem ao arco submerso Soldagem com arame sólido e proteção gasosa Soldagem ao arco com arame tubular Soldagem ao arco com arame tungstênio Soldagem ao arco plasma Soldagem oxigás Soldagem por feixes de elétrons Soldagem a LASER Soldagem por pontos por resistência Soldagem de costura por resistência ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANTE Uniões por solda Eletrodo por arco voltaico Principais materiais utilizados nos eletrodos por arco voltaico são de açocarbono ou aço de baixa liga Eletrodos por revestimento são designados segundo a ASTM por expressões E70XY E Eletrodo 70 É a resistência da solda à ruptura em ksi X Número que se refere a posição de soldagem satisfatória 1 qualquer posição 2 somente posição horizontal Y Número que indica o tipo de corrente e de revestimento do eletrodo Principais tipos de eletrodos empregados na indústria são E60 60 ksi 415 MPa e E70 70ksi 485 MPa Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANTE Uniões por solda Eletrodo por arco voltaico Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANTE Uniões por solda Soldabilidade De acordo com Pfeil 2020 açoscarbono até 025 de C e 08 de Mn são soldáveis sem cuidados especiais Para teores superiores a 03 C é em geral é necessário fazer um preaquecimento e um resfriamento lento das uniões soldadas soldas sem esse tratamento apresentam pouco ductilidade Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Soldabilidade de vários metais Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Uniões por solda Observações Não importando qual processo de solda seja empregado a junta soldada deve ser considerada como uma região metalurgicamente não homogênea estendendose desde o metal base não aquecido passando pela zona afetada pelo calor ZAC até a região do metal de solda Essa não homogeneidade gera concentrações de tensões que devem ser levadas em conta principalmente em carregamento dinâmicos Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Uniões por solda Observações Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Zona afetada pelo calor Margem do filete transversal Final de solda de filete paralelo Margem da junta de topo em ângulo ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Classificações de solda por eletrodo quanto a posição de material de solda em relação ao material base Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Classificações quanto a posição das peças soldadas Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Solda por penetração total Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE De acordo com Collins 2019 estimamse que cerca de 85 das soldas industriais sejam soldas em filetes cerca de 10 soldas de topo e 5 sejam soldas especiais Iremos trabalhar no dimensionamento dos seguintes tipos de configuração de solda Solda de topo entalhe Solda de filete Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Solda de topo entalhe Solda de filete Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Considerações construtivas para o dimensionamento NBR 88002008 Solda de entalhe Altura da garganta t Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Considerações construtivas para o dimensionamento NBR 88002008 Solda de entalhe penetração parcial Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA DE TOPO Dimensionamento Um fator de concentração de tensão deve ser levado em consideração em cargas dinâmicas impostas na solda Se as cargas são estáticas e os materiais são dúcteis um fator de concentração de tensão não é necessário Considerase como prática que a carga P irá gerar uma tensão de cisalhamento na área de solda Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜎 𝑘𝑓 𝑃 𝑡𝐿𝑤 𝜎 Tensão normal na área de solda P Carga trativa t Garganta da solda espessura da chapa Lw Coprimento efeitvo da solda ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA DE TOPO Dimensionamento Verificação em relação a carga atuante Para solda de topo de penetração total considerase a resistência do metal base ao escoamento Verificação Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜎 𝑘𝑓 𝑃 𝑡𝐿𝑤 06 𝑆𝑦 𝐶𝑠 𝜎 Tensão normal à área de solda P Carga trativa t Garganta da solda espessura da chapa Lw Coprimento efeitvo da solda 𝑆𝑦 Escoamento do metal base Cs Coeficiente de segurança Kf fator de concentração de tensão carga variável 𝐴𝑑𝑜𝑡𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑐𝑟𝑖𝑡é𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑙ℎ𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟çã𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑚𝑎𝑛𝑒𝑡𝑜 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento De acordo com Collins 2019 distribuição exata das tensões no filete são não lineares e difíceis de serem estimadas com precisão Tornase como prática comum conservativa basear as dimensões do filete de solda em função da tensão de cisalhamento média em cima da área da garganta da junta Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Considerações construtivas para o dimensionamento NBR 88002008 Solda de filete Área efetiva Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 𝐴𝑒𝑓 𝑡 𝑙𝑤 07 𝑏 𝑙𝑤 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Considerações construtivas para o dimensionamento NBR 88002008 Solda de filete Dimensões mínimas Dimensões máximas a considerar Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Para soldas carregadas simetricamente submetidas a carregamento transversal ou longitudinal Obs Para carregamentos dinâmicos um fator de concentração de tensão deve ser levado em consideração Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜏𝑤 𝑃 𝐴𝑒𝑓 𝑃 07 𝑏 𝐿𝑤 𝜏𝑤 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 na área da garganta do filete P Carga trativa compressiva ou cisalhante combinações t Garganta do filete t 07x b Lw Coprimento efeitvo da solda 𝐴𝑒𝑓 Area efetiva na garganta da solda ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Verificação em relação a carga atuante Para solda de filete assumese um cisalhamento na garganta atuando e sua verificação deve ser realizada com relação ao metal da solda Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜏𝑤 𝑃 𝐴𝑒𝑓 𝑃 07 𝑏 𝐿𝑤 06 𝑆𝑦𝑤 𝐶𝑠 𝜏𝑤 Tensão de cisalhamento na área da garganta da solda P Carga trativa compressiva ou cisalhante combinações Lw Coprimento efeitvo da solda 𝑆𝑦𝑤 Escoamento do metal da solda 𝑏 largura da perna da solda Cs Coeficiente de segurança Kf fator de concentração de tensão carga variável 𝐴𝑑𝑜𝑡𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑐𝑟𝑖𝑡é𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑙ℎ𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟çã𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑚𝑎𝑛𝑒𝑡𝑜 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento CARREGAMENTO EXCÊNTRICO se uniões múltiplas soldadas forem submetidas a um carregamento excêntrico uma tensão de cisalhamento adicional do tipo torção 𝜏𝑡 será desenvolvida na solda A tensão de cisalhamento devido a torção 𝜏𝑡 deve ser somada vetorialmente a tensão de cisalhamento direto 𝜏𝑤 no ponto crítico da solda a ser definido Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento 1º Passo Devese determinar o centroide do conjunto de soldas utilizando as equações Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝐴𝑖 𝑆ã𝑜 𝑎𝑠 áreas da gargante das soldas para varias soldas do conjunto 𝑥𝑖 𝑒 𝑦𝑖 são as coordenadas individuais do centroide de cada solda a posição de referência adotada ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento 2º Passo Cálculo da tensão de cisalhamento devido a torção em qualquer ponto i da região de cada solda a ser analisada Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Obs Para soma vetorial entre a componente do cisalhamento direto 𝜏𝑤 gerado pela carga P e o cisalhamento tipo torção 𝜏𝑡 devese achar as componentes em x e y da tensão de cisalhamento devido a torção para efetuarmos a soma vetorial com a componente do cisalhamento direto τti Tensão de cisalhamento devido a torção ri Raio a partir do centroide do conjunto de soldas até o ponto i da solda analisada Jj Momento polar de inércia da junta soldada conjunto de soldas analisada T Torque gerado a partir a excentricidade e em relação a carga P ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento 3º Passo Cálculo do momento polar de inércia da junta soldada pode ser calculado aplicandose o teorema dos eixos paralelos Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha J0i Momento polar de inércia de cada solda do conjunto em torno do seu centroide ri Raio a partir do centroide do conjunto de soldas até o ponto da solda analisada Jj Momento polar de inércia da junta soldada conjunto de soldas analisada 𝐴𝑖 𝑆ã𝑜 𝑎𝑠 áreas da gargante das soldas para varias soldas do conjunto 𝐽𝑜𝑖 𝐴𝑖𝐿𝑤𝑖 2 12 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento De forma semelhante ao dimensionamento por cisalhamento um junta soldada pode ser solicitada por momento fletor em relação a qualquer um dos eixos ortogonais que passam pelo centroide Considerase que a tensão de cisalhamento sob a junto será Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha τbi Tensão de cisalhamento devido ao momento fletor consideração ci Distância do centroide do conjunto de soldas até o ponto crítico da solda analisada Ij Momento de inércia da junta soldada conjunto de soldas analisada M Momento fletor atuando na junta soldada ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Tanto o momento polar de inércia Jj quanto a inércia de uma área podem ser definidos em termos de um momento de inércia unitário Ju 𝑜𝑢 Iuque se relacionam com espessura da solda t que podem ser definidas como t0707xs Assim podemos escrever Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Obs Os valores das inércias unitárias para algumas configurações de solda apresentamse nos próximos slides na Tabela 1314 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE SOLDA EM FILETE Dimensionamento Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Algumas observações segundo Collins2019 1º Tente configurar o conjunto de soldado proposto de modo que as soldas possam ser colocadas onde sejam mais efetivas Por exemplo a colocação de cordões simétricos com relação ao centroide tende a maximizar o momento polar de inércia e reduzir as tensões de cisalhamento devido a torção 2º Encontre o centroide da junta e o momento polar de inércia ao redor do centroide do conjunto soldado 3º Selecione pontos críticos potenciais Normalmente esses ocorrem no final e nas bordas da solda que são mais distantes do centroide da junta 4º Utilize as equações vistas anteriormente para o cálculo das tensões de cisalhamento na junta Caso hajam cargas dinâmicas deve utilizar concentradores de tensão nas expressões 5º Compare a maior tensão de cisalhamento resultante com a tensão de cisalhamento permitida em projeto resolva a equação para o tamanho s da perna da solda Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Exemplo 01 Uma chapa de aço A36 de 12mm de espessura está sujeita à tração axial de 40kN A chapa está ligada a uma outra chapa 12 mm formando um perfil por meio de solda Dimensionar a solda para duas situações a Solda em filete Solda por entalhe topo Usar um eletrodo E60 em ambas aplicações Aplicar Cs20 e modo de falha por energia de distorção Fonte Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de acordo com a NBR 88002008 A B ELEMENTOS DE FIXAÇÃO PERMANENTE Exemplo 02 Desejase soldar uma chapa lateral de aço 1020 espessura 516 in a uma coluna de aço 1020 conforme as especificações da Figura 1 A chapa lateral deve suportar um carga estática vertical de 6000 lbf 267kN aplicado a uma distância horizontal de 5 in da aresta da coluna Determine a dimensão do filete de solda comprimento s da pernas que deve ser utilizado se todas as soldas tem a mesma dimensão e um fator de segurança de projeto igual 2 foi selecionado Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha BIBLIOGRAFIA BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 8 ed Porto Alegre AMGH 2011 1084 p MELCONIAN Sarkis Elementos de máquinas9 ed rev São Paulo Livros Érica 2008 376 p ISBN 9788571947030 COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Rio de Janeiro LTC c2006 xx 740 p ISBN 9788521614753 NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada 4 ed Porto Alegre Bookman 2013 1028 p ISBnN 9788582600221 MOTT Robert L Elementos de máquina em projetos mecânicos 5 ed São Paulo Pearson 2015 Pfeil Walter Estruturas de aço dimensionamento prático de Acordo com a Norma NBR 88002008 8ed Rio de Janeiro LTC 2009