juntaecorte2004, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe juntaecorte2004 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! PMR-2202 Introdução a Manufatura Mecânica Processos de Junção e Corte Prof. Dr. Gilberto F. M. de Souza Agosto de 2004 1. Introdução ❚ Processos de junção são empregados para unir dois ou mais componentes, de forma que estes passem a apresentar um movimento de corpo rígido. ❚ O termo “processo de junção” é utilizado para definir um conjunto de métodos empregados para união de duas ou mais peças, tais como os diversos tipos de soldagem, rebitagem, fixação por parafusos e com o uso de adesivos. ❚ Neste texto emprega-se a classificação empregada pela AWS - American Welding Society para definir os processos de junção, os quais são classificados em três categorias: ❙ Soldagem; ❙ Adesivos; ❙ Parafusos e Rebites. ❚ Nesta aula serão analisados com maior profundidade os processos de soldagem, apresentados nos capítulos 27, 28, 29 e 30 do livro texto. ❚ Recomenda-se a leitura das seções associadas com o projeto e execução das uniões por adesivos e com o uso parafusos, apresentadas no Capítulo 30. 2. Soldagem ❚ Definição: “técnica empregada para a união de dois ou mais componentes de um sistema mecânico ou estrutural, conservando a continuidade física do material e portanto suas propriedades físicas e químicas.” ❚ Aplicações: componentes mecânicos, estruturas navais e oceânicas, tubulações, vasos de pressão, chassis e carrocerias de automóveis entre outros. eletrodos mat. de eletrodo de carvão adição de carvão mat . de o d adição " + = mat. de base mat. de base Processo Benardos Processo Zerener eletrodo consumivel revestido arame nú = eletrodo consumivel E Me mat. de base mat. de base Processo Slavianoff Processo Kjellberg ❚ Importância da soldagem como processo de junção: ❙ projetos de uniões simplificadas; ❙ redução do peso da estrutura soldada em relação ao peso de estruturas rebitadas e parafusadas; ❙ obtenção de estruturas estanques; ❙ eficiência mecânica da junta. 2.1. Classificação dos Processos de Soldagem ❚ Classificação segundo o processo físico: toma por base o mecanismo físico envolvido na soldagem: ❙ Soldagem por fusão: processo no qual as partes são fundidas por meio de energia elétrica ou química, sem aplicação de pressão; ❙ Soldagem por pressão: processo no qual as duas partes são coalescidas e pressionadas uma contra a outra; ❙ Brasagem: processo no qual as partes são unidas por meio de uma liga metálica de baixo ponto de fusão, não havendo fusão do metal base. 3.1. Soldagem a Arco Elétrico com Eletrodos Revestidos ❚ O eletrodo consiste em um arame de material com propriedades mecânicas, físicas e químicas compatíveis com as do metal base a ser soldado, coberto com um revestimento fundente, e que é consumido através de um arco gerado entre sua extremidade livre e o metal que se deseja soldar. O arco representa a fonte de energia que é utilizada para promover a fusão das partes. ❚ O revestimento transforma-se em escória, após a fusão, recobrindo e protegendo a poça de fusão da contaminação atmosférica. As principais funções do revestimento são: ❙ Estabilizar o arco e promover a transferência das gotas de metal fundente de modo estável; ❙ promover a formação de escória e de gases para proteger a poça de fusão; ❙ adicionar elementos de liga ao metal depositado, caso necessário. arame de solda alimentação “ fluxo metal E de solda fluxo granulado poça de fusão ❚ Capacidade do processo: tendo em vista que o fluxo é adicionado por efeito da gravidade, o processo é limitado ao uso na posição horizontal ou plana. Como os arames de enchimento normalmente apresentam grandes diâmetros, as correntes de soldagem são de elevada magnitude, o que proporciona penetração bastante profunda, associada a uma alta eficiência de deposição. 3.3. Soldagem a Arco Elétrico com Proteção Gasosa ❚ A região do arco elétrico e da poça de fusão são protegidas da contaminação atmosférica pelo gás alimentado pela tocha de solda. ❚ Os gases mais utilizados para esta finalidade são o hélio, o argônio, o dióxido de carbono (CO2) ou uma mistura destes gases. ❚ Os processos de soldagem com proteção gasosa podem utilizar os eletrodos consumíveis e os eletrodos não-consumíveis. Soldagem com Eletrodo Não-Consumível Fonte de oie Ter ❚ O processo MIG, que emprega gás inerte na proteção da poça de fusão, pode ser empregado na soldagem de qualquer tipo de material metálico, incluindo ligas não- ferrosas. Devido ao uso do gás inerte o custo é mais elevado. ❚ O processo MAG tem menor custo que o MIG, devido ao uso do CO2, sendo bastante empregado na soldagem de componentes de aço. ❚ Pode ter alimentação automática do arame e também do movimento da tocha. ❚ Custo do equipamento entre $1000 e $3000. ❚ O processo TIG emprega gás inerte para proteção da poça de fusão, usualmente hélio ou argônio (este é empregado preferencialmente), podendo ser utilizada uma mistura destes gases. ❚ A soldagem com o processo TIG pode ser executada sem material de enchimento, no caso de chapas finas. ❚ Gera uniões soldadas de elevada qualidade e com bom acabamento superficial, sendo recomendado para uniões soldadas em juntas estruturais críticas, com grande variedade de espessura. ❚ Empregado na soldagem do alumínio, magnésio e titânio entre outros. 4. Soldagem por Eletroescória  A soldagem por eletroescória é um processo no qual o coalescimento do metal-base e do metal de enchimento é provocado pelo calor gerado pelo efeito de resistência elétrica no interior de um escória em fusão. A mistura do metal-base com o material do eletrodo vai-se depositando no fundo da junta, delimitada pelas paredes do metal base e por duas sapatas de cobre, resfriadas a água. A máquina de soldar é mostrada na figura abaixo. carretel de arame material de adição fonte de corrente -H— oscilação comando da velocidade b ível do arado -—— tubo consumiív água de refrigeração metal de base Equipamento de Soldagem de Eletroescória  O processo é empregado para soldagem de seções de grandes espessuras na posição vertical. A eficiência do processo eletroescória é superior ao arco submerso, principalmente para chapas espessas, sendo muito usado na soldagem de equipamentos para a indústria química e naval. 6. Soldagem por Resistência  A soldagem por resistência é um processo no qual as peças a serem unidas são coalescidas pelo calor gerado por efeito de resistência elétrica, quando se passa uma corrente através de um circuito elétrico do qual fazem parte as peças em referência.  As partes a serem unidas são mantidas em contato sob pressão.  O processo é bastante utilizado na soldagem de chapas finas, sendo subdividido em dois métodos: soldagem por pontos e soldagem por costura. 6.1. Soldagem por Pontos ❚ Chapas sobrepostas são mantidas em contato por meio de dois eletrodos de cobre, e uma corrente bastante intensa percorre o circuito elétrico em um reduzido intervalo de tempo. ❚ Passagem de corrente provoca liberação de calor na interface das chapas. ❚ As superfícies são fundidas e a pressão entre elas implica na formação do ponto de solda. eletrodos Ponto de solda ❚ Como o método dispensa o uso da energia elétrica, este é muito empregado em trabalhos de campo, principalmente em atividades de reparo. ❚ As características da chama oxiacetilênica variam com a relação da mistura oxigênio- acetileno, sendo classificada em três tipos: carburizante ou carbonetante (excesso de acetileno), neutra (relação 1:1) e oxidante (excesso de oxigênio). Tipos de Chama Oxiacetilênica (a) Neutral flame (b) Oxidizing flame 2100 ºC (3800 “F) Outer envelope 5 d 1260 “C (2300 E) (small and narrow) Inner cone Inner cone Outer , (pointed) 3040-3300 ºC (5500-6000 “F) envelope (c) Carburizing (reducing) flame Acetylene feather Bright luminous Blue envelope inner cone ❚ Na combustão do acetileno, supondo-se a formação de chama neutra, ocorrem as seguintes reações no cone interno e no invólucro externo: OHOH COOCO HCOOHC 222 22 2222 22 22 2    Cone interno Invólucro externo = (a) “a Ve o Mixer Tp bh Enlarged (b) view Oxygen — > EB Mixing chamber Acetylene Torch head Oxygen Union nut Mixer (e) Gas regulators H / oses Gas control 3 valves Welding torch ” Oxygen =. Welding (4 cylinder tip > Combustible Flame gas cylinder Tip ❚ Capacidade do processo: O processo é basicamente manual, sendo portátil, e economicamente atrativo para lotes de reduzido número de peças. Aplicável na soldagem de um grande número de materiais metálicos, tais como aço carbono, níquel, cobre, bronze, latão e ferro fundido. Deve-se regular o tipo de chama em função do material a ser soldado. 8. Brasagem ❚ Processo de soldagem no qual a união é excutada por meio de uma liga metálica, de ponto de fusão mais baixo que o do metal-base, sendo a junta preenchida por efeito capilar. ❚ O metal-base não se funde no processo de soldagem. ❚ Para que a ação capilar seja eficiente é necessário que o metal de enchimento tenha uma boa fluidez e que a folga existente na junta seja reduzida, entre 0,05 e 0,13 mm. FIGURE 30.1 (a) Brazing and (b) braze welding operations. (a) (b) Base metal -- Brass filler metal jo Base metal Filler 7 metal TABLE 30.1 Typical Filler Metals for Brazing Various Metals and Alloys Brazing temperature, Base metal Filler metal (C) Aluminum and its alloys Aluminum-silicon 570-620 Magnesium alloys Magnesium-aluminum 580-625 Copper and its alloys Copper-phosphorus 700-925 Ferrous and nonferrous (except aluminum Silver and copper alloys, 620-1150 and magnesium) copper- phosphorus Iron-, nickel-, and cobalt-base alloys Gold 900-1100 Stainless steels, nickel- and cobalt-base alloys Nickel-silver 925-1200 ❘ Brasagem por resistência elétrica: utliza o calor gerado por uma resistência elétrica; ❘ Brasagem em banhos: utiliza um banho químico que provoca a fusão do metal de enchimento; ❘ Brasagem com ferro de soldar: utiliza um ferro de soldar apropriado para a fusão do metal de enchimento. ❚ Capacidade do processo: o processo de brasagem (solda forte) é empregado quando há necessidade de execução de uniões com geometrias complexas, ou para união de materiais com diferentes composições químicas. A união apresenta distorção reduzida. ❚ A resistência da junta é dependente do projeto geométrico da junta e da adesão entre o metal de enchimento e o metal base. Para garantir esta adesão as superfícies precisam estar livres de contaminates. água de refrigeração bocal cerâmico ❚ O processo apresenta grande concentração de energia, pode-se empregar uma maior velocidade de soldagem, permitindo a execução de uniões soldadas com menor distorção. ❚ Custo do equipamento entre $3000 e $6000. ❚ Pode ser empregado na soldagem dos aços, alumínio e titânio, com ou sem o uso de arame de enchimento. 10. Descontinuidades em Juntas Soldadas ❚ Apesar dos inúmeros avanços ocorridos nas técnicas de soldagem de estruturas e de componentes mecânicos, ainda não se pode considerar uma junta soldada como uma área livre de defeitos. ❚ A aplicação de um ciclo térmico localizado causa variações na estrutura metalúrgica do metal-base na região do cordão de solda. ❚ O próprio cordão de solda pode apresentar defeitos, associados com o procedimento de soldagem. 10.2. Descontinuidades em Juntas Soldadas ❚ Uma junta soldada pode apresentar descontinuidades físicas causadas pela aplicação do ciclo térmico localizado associado a variações da estrutura metalúrgica na região da solda. ❚ Estas descontinuidades podem ser causadas pela utilização de um procedimento de soldagem inadequado, incluindo o uso de soldadores não qualificados. 10.2.1. Porosidade ❚ É caracterizada pela presença de pequenos poros, com formato esférico, no interior do cordão de solda. ❚ Estes poros são causados por: ❙ devido a presença de gases liberados durante a fusão; ❙ pela ocorrência de reações químicas durante a soldagem; ❙ pela presença de contaminantes. Causas ❚ falta de limpeza; ❚ eletrodo com revestimento úmido; ❚ elevada magnitude de corrente de soldagem; ❚ resfriamento muito rápido, impedindo o escape de gases. Correções ❚ limpeza da junta soldada antes e durante a soldagem, removendo contaminantes; ❚ manter o eletrodo seco; ❚ seleção correta dos eletrodos; ❚ melhorar as condições de soldagem, com pré- aquecimento da união soldada ou aumento do insumo de calor; ❚ redução da velocidade de soldagem. 10.2.3. Falta de Fusão e Penetração Causas ❚ velocidade de avanço elevada; ❚ diâmetro de eletrodo inadequado; ❚ preparação do chanfro inadequada; ❚ corrente de soldagem baixa. Correções ❚ mudança da geometria da junta soldada e do tipo de eletrodo; ❚ alteração do procedimento de soldagem; ❚ aumento do insumo de calor. (b) Weld Weld . . Incomplete fusion from oxide or dross at the center of a joint, especially in aluminum Base Metal (e) Weld Incomplete fusion in fillet welds. B is often termed 'bridging' Incomplete fusion in a groove weld 10.2.4. Perfil de Solda ❚ O perfil de solda influencia a aparência e a resistência mecânica do cordão de solda. ❚ Podem ser classificados em três tipos: ❙ cordão sem reforço, causado pelo preenchimento inadequado da junta soldada; ❙ mordedura, caracterizada pela presença de um sulco nas laterais do cordão de solda, causando redução na vida em fadiga da junta; ❙ reforço do cordão de solda sobre o metal base, causado por procedimento de soldagem inadequado. (a) (b) Toe crack - e) Base metal - Transverse cracks Underbead crack ; Pai A Longitudinal cracks Base metal Base metal “Toe crack Causas ❚ presença de gradientes de temperatura que causam tensões térmicas na junta; ❚ diferentes taxas de contração na junta; ❚ fragilização da junta soldada por segregação ou por hidrogênio; ❚ restrição ao processo de contração da junta Correções ❚ mudança na geometria da junta, para reduzir as tensões associadas ao resfriamento; ❚ mudança dos procedimentos e seqüência de soldagem (execução de cordões curtos); ❚ pré-aquecer a junta soldada; ❚ pós-aquecimento da junta, para evitar rápido resfriamento. 10.2.6. Tensões e Deformações Residuais ❚ Tendo em vista que a soldagem é caracterizada por um ciclo de aquecimento e resfriamento localizado, ocorrem expansões e contrações na região do cordão de solda, que não ocorrem em outras áreas do metal-base. ❚ Estas expansões e contrações localizadas causam as tensões e deformações residuais. ❚ Em estruturas soldadas esta distribuição é complexa e é influenciada pela rigidez das mesmas. ❚ A qualificação de um procedimento de soldagem envolve: ❙ qualificação dos materiais, prevista para verificar as propriedades dos materiais base e de enchimento a serem empregados na junta; ❙ qualificação da sequência de soldagem, destinada a qualificar a especificação do procedimento de soldagem, compreendendo a soldagem de amostras, os ensaios e exames de corpos de prova retirados das amostras; ❙ qualificação do desempenho, prevista para determinar a habilidade dos soldadores para execução de soldas sem defeitos. ❚ Executam-se ensaios destrutivos e não-destrutivos para qualificar uma junta soldada. ❚ Os ensaios destrutivos tem por objetivo descrever a resistência mecânica da junta soldada, envolvendo ensaios de tração, flexão, dureza e de resistência à fratura. Adicionalmente verifica-se resistência à corrosão e à fluência. ❚ Executam-se também análises metalúrgicas, para caracterizar a estrutura da zona termicamente afetada e do metal de solda. ❚ Os ensaios não-destrutivos, empregados com o objetivo de detectar defeitos na junta soldada, envolvem a inspeção visual, radiográfica, por líquido penetrante, por ultrasom ou por partículas magnéticas. ❚ A seleção de um procedimento de soldagem deve ser baseada na análise dos seguintes pontos: ❙ características do materiais a serem soldados; ❙ geometria dos componentes mecânicos ou estruturais a serem soldados, incluindo espessura e tamanho; ❙ requisitos de operação da junta, tais como tipo de carregamento e magnitude das tensões geradas; ❙ localização e facilidade de acesso à junta soldada; ❙ requisitos de aparência do cordão de solda; ❙ custos envolvidos na preparação do chanfro, na própria soldagem, e no pós-processamento da união soldada. 12. Qualidade na Execução de uma União Soldada ❚ Visando a garantia de obtenção de um cordão de solda em conformidade com os requistos de projeto de uma estrutura, devem ser aplicados procedimentos de controle de qualidade em três fases do processo de soldagem, os quais são: ❙ Antes da soldagem; ❙ Durante a soldagem; ❙ Após a soldagem. 12.1. Inspeção antes da Soldagem ❚ Verificar ambiente de trabalho; ❚ Materiais e equipamentos: estado do materiais de consumo, estado da fonte e acessórios; ❚ Fabricação e montagem: geometria do chanfro, limpeza da superfície de soldagem, pré- aquecimento. 12.2. Inspeção durante a Soldagem ❚ Verificação da sequência de soldagem; ❚ Corrente, tensão e velocidade de soldagem; ❚ Temperatura inter-passes; ❚ Limpeza dos cordões para remoção de escória e verificação superficial das camadas intermediárias; ❚ Verificação do eletrodo. 13. Segurança na Soldagem ❚ Problemas: radiações perigosas ( ultravioleta e radiação visível), gases de soldagem, choque elétrico, salpicos ; ❚ Meios de proteção: óculos, máscaras, isolação do local de soldagem com cortinas protetoras; ❚ Uso de alicates (tocha, porta-eletrodo) isolantes; ❚ Ventilação, e caso esta não seja eficiente, utilizar respiradores; ❚ Protetores da pele, como luvas, aventais e polainas, sapatos de segurança. 14. Comparação entre Alguns Processos de Soldagem TABLE 27,1 General Characteristics of Fusion Welding Processes Skill Cost of Joining level Welding Current Distor- equip- process Operation Advantage required position type tion* ment Shielded metal-are Manual Portable High AI ac, de lto2 - Low and flexible Submerged arc Automatic High Low to Flat and ac, de Ito2 Medium deposition medium horizontal Gas metal-arc Semiautomatic Most Low to al de 2103 Medium or automatic metals high to high Gas tungsten-arc Manual or Most Low to Al ac, de 2t03 Medium automatic metals high Flux-cored are Semiautomatic High Low to Al de ito3 Medium or automatic deposition high Oxyfuel Manual Portable High Al — 2104 Low and flexible Electron-beam, Semiautomatic Most Medium AM — 3to5 High Laser-beam or automatic metals to high . *], highest; 5, lowest. Comparação entre processos de soldagem a arco elétrico para ligas metálicas ❚ Para iniciar o corte, o ponto inicial é aquecido até uma temperatura compreendida entre 800 e 900 oC, instante em que um jato de oxigênio, a alta pressão, é dirigido àquele ponto, provocando a sua oxidação e formando óxido de ferro. Como seu ponto de fusão é baixo, o óxido formado é expelido da região de corte, prosseguindo a operação em direção ao trecho seguinte. ❚ O processo pode ser empregado para cortar chapas de até 350 mm, podendo ser empregado para reparos submersos. (db) Workpiece “A Torch Drag lines Thickness 15.2. Corte a Arco Elétrico ❚ Baseia-se no mesmo princípio do processo de soldagem a arco elétrico. Pode ser classificado em três tipos: goivagem a arco elétrico, corte a plasma e corte a laser. ❚ Na goivagem a arco elétrico o calor é gerado através de um arco elétrico, formado entre um eletrodo de carvão e a peça soldada, sendo que a remoção do material fundido é feita através de um fluxo de ar comprimido pelo interior do eletrodo.