CENTRO UNIVERSITRIO DA FEI EDSON SOARES SILVA

EVOLUO DOS PROCESSOS DE UNIO DOS COMPONENTES DE CARROCERIAS EM FUNO DO IMPACTO LATERAL

So Bernardo do Campo 2013

EDSON SOARES SILVA

EVOLUO DOS PROCESSOS DE UNIO DOS COMPONENTES DE CARROCERIAS EM FUNO DO IMPACTO LATERAL

Dissertao de Mestrado apresentada ao Centro Universitrio da FEI para obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia Mecnica, orientado pelo Prof. Dr. Roberto Bortolussi

So Bernardo do Campo 2013

Silva, Edson Soares Evoluo dos processos de unio dos componentes de carrocerias em funo do impacto lateral / Edson Soares Silva. So Bernardo do Campo, 2013. 103 f. : il.

Dissertao - Centro Universitrio da FEI. Orientador: Prof. Dr. Roberto Bortolussi.

1. Solda de carrocerias. 2. Unies hbridas. 3. Impacto lateral. I. Bortolussi, Roberto, orient. II. Ttulo.

CDU 621.791

DEDICATRIA

Ao grande amigo Paulo G. Nanini.

(in memoriam)

AGRADECIMENTOS

A realizao de um trabalho de mestrado no uma atividade solitria e no meu caso muitas pessoas contriburam de forma decisiva para que o desafio de produzir algo digno de apresentao fosse atingido.

Aos professores Dra. Adriana M. Catelli de Souza, Dr. Agenor de Toledo Fleury, Dr.

Gustavo A. B. Donato, Dr. Francisco Ambrzio Filho, Dr. Rodrigo Magnabosco, Dr. Sergio Delijaicov, que me apoiaram desde o primeiro contato para entrevista de admisso no programa de mestrado, passando pelo desafiante perodo de realizao dos crditos, at o momento da entrega da dissertao, agradeo por dedicarem tempo e pacincia me apoiando nas diversas ocasies onde pensei ter atingido o limite da minha capacidade e cada um, a sua maneira, me abriu novos horizontes e perspectivas de desenvolvimento.

Aos colegas Kriscia Elizabeth Rosa de Souza, Adilson Pessona, Alex P. Campanharo, Fabio Felpa, Fabio Graton Rossi, Felipe A. Frank, Fernando A. C. Machado, Gustavo Imbrizi

Prado, Henrique Capobianco de Almeida Soares, Leandro Veronezi Carnels, Marcos Roberto de Castro, Rodrigo Borrero de Oliveira, Sebastio Pedro Chagas, agradeo a

pacincia e dedicao nos diversos momentos em que abandonaram suas atividades para me socorrer na execuo dos testes, pesquisas, ou em discusses tcnicas que nortearam a realizao deste trabalho.

Agradeo Volkswagen do Brasil Ltda. na pessoa do Dr. Egon Feichter pelo apoio

material e intelectual incondicional dispensado, mesmo quando atividades do mestrado dificultavam minhas atribuies durante o trabalho.

Ao Sr. Antonio Carnielli Junior, que durante os ltimos trs anos, foi muito mais amigo do que chefe, agradeo pelo companheirismo, pelo apoio incondicional e pelos diversos momentos divertidos que vivemos juntos durante a realizao dos crditos do mestrado.

Ao meu orientador, Dr. Roberto Bortolussi, agradeo imensamente a liberdade, o apoio e confiana depositados, principalmente pelos longos perodos de afastamento devido

s atividades profissionais, mas que em nenhum momento duvidou da seriedade e ateno que dei a seus conselhos e orientaes para aprimorar o resultado do trabalho.

Agradeo Fernanda B. Silva, minha filha, pelo amor com o qual por diversas vezes me fez enxergar melhores caminhos a seguir na execuo do trabalho. minha filha, Natlia B. Silva, e minha esposa, Sueli B. Silva, que em funo da realizao do trabalho, tiveram

que em diversas ocasies abrir mo de minha companhia, mas sempre o fizeram com doura e amor.

Finalmente, aos meus pais, irmo e amigos, agradeo as demonstraes de apoio e orgulho por me verem neste momento da vida e carreira profissional dedicando tempo e esforo para aprimoramento intelectual.

Muito obrigado!

RESUMO

A proteo dos ocupantes de automveis em acidentes que envolvam impactos laterais despertou a ateno dos pesquisadores e engenheiros a partir da dcada de 1960 e, desde ento, fonte de interesse no desenvolvimento tecnolgico de materiais, processos de produo e mtodos construtivos de estruturas laterais de veculos, pois da integridade destas

estruturas durante o impacto depende a segurana dos ocupantes. A resistncia das colunas laterais de veculos definida principalmente por suas caractersticas geomtricas,

combinadas com resistncia dos materiais aplicados, alm da integridade das unies entre seus componentes. A dicotomia causada pela evoluo das regulamentaes de segurana veicular e contra emisses de poluentes tem forado o desenvolvimento tecnolgico das construes de carrocerias no sentido de aumentar sua resistncia para o bem da segurana dos ocupantes, e reduzir seu peso diminuindo consequentemente o consumo de combustveis fsseis e a emisso de poluentes. Neste trabalho investigou-se as caractersticas construtivas

de colunas estruturais de carrocerias de veculos pequenos para cinco passageiros, bem como a evoluo do uso de aos microligados, aos dual phase, aos estampados a quente e a eficcia da solda ponto por resistncia isoladamente e combinada com adesivo estrutural na unio dos componentes das colunas estruturais laterais de carroceria. A caracterizao da resistncia trao, variao de composio qumica e caracterizao microestrutural dos aos, a resistncia de unies por solda ponto das combinaes de materiais utilizados na

construo das colunas veiculares das dcadas de 1970, 1980/90 e 2000, a avaliao da resistncia de adesivos estruturais aplicados em unies hbridas (solda ponto + adesivo estrutural), e a determinao da sensibilidade taxa de deformao do adesivo estrutural, permitiram avaliar os fatores que viabilizaram a aplicao de unies hibridas na construo de colunas estruturais veiculares.

Palavras-chave: Solda de carrocerias. Unies hbridas. Impacto lateral.

ABSTRACT

Car accidents involving side impacts are since 1960s a preoccupation for researchers and engineers, since the car occupant injury protection related to this kind of impact were up to that period not properly addressed. The development of materials, production processes and body geometry definition, to improve the side impact safety, is a premise to be respected ever

since. The protection of vehicle occupants in case of an accident depends basically on the body structure integrity during the impact. The structure stiffness is defined mainly by its

geometry combined with the material mechanical properties, and the processes applied to join its components. The dichotomy created by the safety regulations combined with the emissions legislations forced the development of lighter and stronger body structures which improve the safety levels, and at the same time reduce fossil fuel consumption and consequently pollution. This work investigated the constructive characteristics of car body B-Pillars of small five passenger vehicles, the evolution of steel use beginning with microaloyed

steel, through dual phase steel, up to the hot stamped steel, the effectiveness of spot welding alone and combined with structural epoxy adhesives to join B-Pillar components. The determination of the stiffness, the chemical and the metallographic structure of the steels used in B-Pillar constructions in 1970, 1980/90 and 2000, and evaluation of the resistance of spot weld joining, alone and combined with epoxy adhesive, and the determination of the epoxy adhesive strain speed variation sensitivity gave the insights about the factors that directed to

the use of hybrid joining in the car body construction.

Key words: Body welding. Hybrid joints. Side impact.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Dureza e estimativa de resistncia trao das amostras de 22MnB5 ................. 53 Tabela 2 Resultados mdios dos ensaios de trao dos materiais metlicos ....................... 54 Tabela 3 Tenacidade dos tipos de aos. ............................................................................ 58 Tabela 4 Parmetros de solda. .......................................................................................... 60 Tabela 5 Tabela de resultados mdios dos ensaios das unies de chapas. .......................... 67 Tabela 6 Teste estatstico comparativo das unies soldadas. ............................................. 74 Tabela 7 Comparao do perfil de resistncia dos pontos de solda. ................................... 79 Tabela 8 - Medio de micro-dureza / resistncia a trao HX340LAD+DP780 .................. 81 Tabela 9 Medio de micro-dureza / resistncia trao HX340LAD + 22MnB5............. 82 Tabela 10 Medio de micro-dureza / resistncia trao DP780 + 22MnB5 ................... 83 Tabela 11 Dados dos ensaios do adesivo a baixa velocidade. ............................................ 88 Tabela 12 Dados dos ensaios do adesivo a alta velocidade. ............................................... 88

LISTA DE SMBOLOS

Q Energia de solda (J - Joule) I Corrente de solda (A - Ampere) R Resistncia a corrente eltrica do material a ser soldado ( - Ohm) t Tempo de aplicao de corrente de solda (ms - Milisegundos)

Rp0, 2 Limite de escoamento inferior conforme ABNT 6152 Rm Resistncia mxima a trao conforme ABNT 6152 A80 Alongamento percentual total na ruptura conforme ABNT 6152

Mdia dos dados obtidos em medies

Desvio padro dos dados obtidos em medies

Varincia dos dados obtidos em medies

Numero de amostras consideradas

Teste estatstico referente tabela de Student

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 - Esquema de teste de deformao de portas FMVSS 214. ..................................... 19 Figura 2 - Barreira deformvel FMVSS 214. ...................................................................... 21 Figura 3 - Diagrama de ensaio dinmico FMVSS 214. ........................................................ 22 Figura 4 - Diagrama de ensaios dinmico ECE R95. ........................................................... 23 Figura 5 - Diagrama de ensaio frontal parcial. ..................................................................... 23 Figura 6 - Comparao de sees transversais de colunas B. ............................................... 26 Figura 7 - Vistas explodidas de colunas B, comparao de pesos e deformaes. ................ 28 Figura 8 - Deformaes de colunas B em testes de impacto da FMVSS214. ........................ 29 Figura 9 - Esquema bsico de sistema de execuo de solda ponto por resistncia. ............. 30 Figura 10 - Microestrutura tpica de unio por ponto de solda. ............................................ 32 Figura 11 - Perfil de micro dureza Vickers de ponto de solda. ............................................. 33 Figura 12 -Diagrama de ruptura de solda ponto. .................................................................. 33

Figura 13 - Sees transversal e do permetro do ponto de solda.......................................... 34 Figura 14 - Ponto de solda rompido na zona termicamente afetada (ZAT). .......................... 35 Figura 15- Micro estrutura de ponto de solda DP600. .......................................................... 35 Figura 16 - Solda em overlapping. ................................................................................... 36 Figura 17 - Colagem entre paineis de portas. ....................................................................... 37 Figura 18 - Sentidos de esforos em juntas coladas. ............................................................ 38 Figura 19 - Colagem entre flanges de solda. ........................................................................ 39 Figura 20 - Diferenas de aplicao de materiais em carrocerias VW GOL. ....................... 40

Figura 21 - Indicao do limite de escoamento. .................................................................. 43 Figura 22 - Processo de estampagem a quente. .................................................................... 44 Figura 23 - Pndulo de ensaio conforme DIN EN ISO 11343. ............................................. 46 Figura 24 - Materiais do estudo experimental. ..................................................................... 48

Figura 25 - Composio qumica das amostras. ................................................................... 49 Figura 26 - Composio qumica das amostra. ..................................................................... 49 Figura 27 - Foto microgrfica do ao HX340LAD. ............................................................. 51 Figura 28 - Foto microgrfica do ao DP780. ...................................................................... 51 Figura 29 - Foto microgrfica do ao 22MnB5 aps tratamento trmico. ............................. 51 Figura 30 - Padro de corpo de prova para ensaio de trao ASTM ..................................... 52 Figura 31 - Resultado comparativo dos ensaios de trao dos materiais metlicos. .............. 54 Figura 32 - Diagrama tenso por deformao de ao microligado HX340L ......................... 55

Figura 33 - Diagrama tenso por deformao de ao Dual Phase DP780 .......................... 55 Figura 34 - Diagrama tenso por deformao de ao 22MnB5 Base .................................... 56 Figura 35 - Diagrama tenso por deformao de ao 22MnB5 Temperado .......................... 56 Figura 36 - Diagrama tenso por deformao comparativa entre amostras dos aos ............. 57 Figura 37 - Fotos dos corpos de prova do ensaio de trao conforme ASTM E8/E8M ......... 57 Figura 38 - Diagrama fora por deslocamento comparativo dos aos investigados. .............. 58 Figura 39 - Dados tcnicos do adesivo................................................................................. 59 Figura 40 - Tipos de corpos de prova para ensaios de trao. ............................................... 59 Figura 41 - Corpo de prova soldado. .................................................................................... 60 Figura 42 - Corpo de prova soldado e colado. ...................................................................... 60 Figura 43 - Soldagem dos corpos de prova. ......................................................................... 61 Figura 44 Esquema de execuo de endentaes .............................................................. 62 Figura 45 - Corpo de prova colado. ..................................................................................... 63 Figura 46 - Preparao dos corpos de prova colados. ........................................................... 64 Figura 47 - Montagem para determinao da sensibilidade a deformao do adesivo........... 64 Figura 48 - Esquema de integrao pelo mtodo do trapzio................................................ 65 Figura 49 - Resultados dos ensaios de trao das unies soldadas / soldadas e coladas. ....... 67 Figura 50 - Detalhe das unies soldadas rompidas HX340LAD + DP780. ........................... 68 Figura 51 - Diagrama do ensaio de trao HX340LAD +DP780 (soldado). ......................... 69 Figura 52 - Diagrama do ensaio de trao HX340LAD +DP780 (solda+Cola). .................... 69 Figura 53 - Detalhe das unies soldadas rompidas HX340LAD + 22MnB5. ........................ 70 Figura 54 - Diagrama do ensaio de trao HX340LAD +22MnB5 (soldado). ...................... 71 Figura 55 - Diagrama do ensaio de trao HX340LAD +22MnB5 (solda+Cola). ................. 71 Figura 56 - Detalhe das unies soldadas rompidas DP780 + 22MnB5. ................................ 72 Figura 57 - Diagrama do ensaio de trao DP780+22MnB5(soldado). ................................. 73 Figura 58 - Diagrama do ensaio de trao DP780+22MnB5 (solda+Cola). .......................... 73 Figura 59 - Esforo de arrancamento do adesivo estrutural. ................................................. 74 Figura 60 - Unio soldada HX340LAD DP780 (20X). ..................................................... 75 Figura 61 - Unio soldada HX340LAD DP780 (200X). ................................................... 76 Figura 62 - Unio soldada HX340LAD TL4255 (20X). .................................................... 76 Figura 63 - Unio soldada HX340LAD TL4255 (200X). .................................................. 77 Figura 64 - Unio soldada DP780 TL4255 (20X). ............................................................ 77 Figura 65 - Unio soldada DP780 TL4255 (200X). .......................................................... 78 Figura 66 - Pontos de solda executados DP780 com 22MnB5. ............................................ 78

Figura 67 Indentaes de microdureza HX340LAD DP780 ........................................... 81 Figura 68 - Indentaes de microdureza HX340LAD 22MnB5......................................... 82 Figura 69 - Indentaes de microdureza DP780 22MnB5 ................................................. 83 Figura 70 Perfis de resistncia a trao dos pontos de solda. ............................................. 84 Figura 71 - Diagrama de medio de acelerao e velocidade calculada. ............................. 85 Figura 72 - Diagrama de medio de acelerao e fora. ..................................................... 86 Figura 73 - Diagrama de fora por tempo do ensaio de trao de alta velocidade. ................ 86 Figura 74 - Diagrama de fora por tempo do ensaio de trao de baixa velocidade. ............. 87

Figura 75 - Ponto de solda em flange de carroceria. ............................................................. 90 Figura 76 - Comparao de dimenses de veculos. ............................................................. 91 Figura 77 - Detalhe da ruptura do adesivo em corpo de prova. ............................................. 92 Figura 78 - rea adesivada de unio hibrida de coluna B..................................................... 93 Figura 79 - Barreira de impacto lateral IIHS. ....................................................................... 94 Figura 80 - Simulao de impacto lateral para deslocamento de 100mm. ............................. 95

SUMRIO

1 INTRODUO .......................................................................................................... 17 2 OBJETIVO ................................................................................................................. 18

3 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................... 19 3.1 Resistncia das estruturas de carroceria contra impactos laterais ........................... 19

3.2 Construo de colunas B de carrocerias automotivas ............................................. 25

3.3 Processos de unio das chapas............................................................................... 29

3.3.1 Solda ponto por resistncia............................................................................. 29

3.3.2 Solda ponto por resistncia associada a adesivos estruturais ........................... 37

3.4 Caractersticas dos materiais de construo de colunas de carrocerias ................... 39

3.4.1 Materiais utilizados em construo de carrocerias .......................................... 39

3.4.2 Aos micro ligados ........................................................................................ 41

3.4.3 Aos Dual Phase ........................................................................................... 42

3.4.4 Aos para estampagem a quente ..................................................................... 44

3.4.5 Adesivo estrutural .......................................................................................... 46

4 MATERIAIS E MTODOS ........................................................................................ 48 4.1 Escolha dos materiais para pesquisa ...................................................................... 48

4.2 Determinao da composio qumica dos materiais metlicos envolvidos. ........... 49

4.3 Determinao da estrutura metalogrfica dos materiais metlicos envolvidos ........ 50

4.4 Medio da resistncia trao dos materiais metlicos envolvidos ...................... 52

4.5 Composio qumica e propriedades mecnicas do adesivo ................................... 59

4.6 Mtodo de levantamento da resistncia a trao de unies ..................................... 59

4.7 Mtodo de determinao da resistncia atravs da micro dureza ............................ 62

4.8 Mtodo de determinao da sensibilidade taxa de deformao ............................ 62

4.9 Mtodo de integrao matemtica dos dados ......................................................... 65

4.10 Teste estatstico dos resultados de ensaios de trao .......................................... 65

5 RESULTADOS ........................................................................................................... 67

5.1 Ensaio de trao de unies .................................................................................... 67

5.2 Anlise metalogrfica das unies soldadas ............................................................ 75

5.3 Determinao da resistncia nas regies da solda ponto (ZF, ZAT, MB) ............... 79

5.4 Sensibilidade taxa deformao do adesivo .......................................................... 84

6 DISCUSSO DOS RESULTADOS ............................................................................ 89

6.1 Resistncia dos materiais metlicos ....................................................................... 89

6.2 Anlise das unies e comparao com a construo automotiva ............................ 90

6.3 Ensaios de resistncia de unies adesivadas .......................................................... 91

6.4 Desenvolvimentos futuros para aplicao de aos de ultra alta resistncia ............. 95

7 CONCLUSO ............................................................................................................ 97

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1 INTRODUO

A evoluo tecnolgica estrutural dos automveis tem sido impulsionada nas trs

ltimas dcadas basicamente pela necessidade de aprimoramento da proteo aos ocupantes e reduo da emisso de poluentes.

Estes dois objetivos so em grande medida concorrentes, pois a reduo da emisso de poluentes pressupe a reduo da queima de combustveis fsseis, o que demanda veculos

mais leves; por outro lado, o aumento da proteo dos ocupantes exige que as estruturas das carrocerias sejam mais resistentes contra impactos, o que resulta em construes mais robustas e dependendo da tecnologia aplicada, mais pesadas.

As exigncias legais e comerciais para o desenvolvimento de veculos mais seguros contra impactos frontais teve como consequncia a necessidade de aprimoramento na estrutura dos veculos de modo global, uma vez que, o choque entre veculos no est restrito apenas a impactos frontais.

Particularmente o impacto lateral, que para os ocupantes apresenta grande severidade

demandou o desenvolvimento de estruturas, especialmente, dedicadas ao aumento da proteo dos passageiros e ao funcionamento adequado dos sistemas de air-bags laterais.

O aprimoramento das tecnologias de desenvolvimento de estruturas veiculares com a aplicao de clculos estruturais mais precisos indicou a necessidade de desenvolvimento de novos materiais, mais resistentes e com propriedades especficas tanto para seu processamento como aplicao.

A evoluo dos materiais, por sua vez, criou novas possibilidades e necessidades que tambm demandaram, em certo momento, a evoluo, e em outros, a revoluo dos processos

produtivos tanto na rea de conformao como na unio dos componentes de carrocerias, especialmente nas regies estruturais.

As relaes entre os diversos aspectos que influenciam no desempenho apropriado das estruturas veiculares, em particular das colunas laterais, mas comumente denominadas na

indstria automobilstica como colunas B, justificam o estudo dos materiais, mtodos de desenvolvimento e processos de fabricao aplicados na produo destas estruturas.

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2 OBJETIVO

O objetivo deste trabalho investigar atravs de ensaios de resistncia mecnica a evoluo dos materiais, a evoluo nos mtodos construtivos e os fatores que determinaram a aplicao de juntas hibridas desde o advento das normas que regem os requisitos para homologao de veculos atravs de impactos laterais.

A investigao experimental envolveu a avaliao das propriedades de resistncia dos

aos utilizados nas construes de colunas laterais a partir do uso de aos micro ligados at a introduo dos aos de alta resistncia estampados a quente.

Por serem determinantes no desempenho das estruturas, so investigados tambm os mtodos de unio destes componentes, que envolvem o processo de unio por solda a ponto e o uso de adesivos estruturais combinados com a solda ponto.

As investigaes experimentais foram orientadas pelos mtodos construtivos utilizados para fabricao de veculos da classe A0, ou seja, veculos pequenos para cinco passageiros, que foram homologados atendendo os requisitos das normas internacionais para

impacto lateral vigente poca de seu lanamento no mercado.

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3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Resistncia das estruturas de carroceria contra impactos laterais

O desenvolvimento de automveis mais seguros tem sido um dos principais motivadores no aprimoramento da tecnologia de construo de carrocerias que aumentem o nvel de proteo dos ocupantes em acidentes.

Seja atravs da introduo de normas de homologao restritivas, ou com a divulgao, por institutos independentes, dos resultados dos testes de veculos para influenciar na deciso de compra ou os valores de seguro, o tema segurana veicular passou a

figurar como premissa bsica no desenvolvimento de veculos. A vulnerabilidade dos passageiros com relao a impactos laterais foi evidenciada por

pesquisadores nos Estados Unidos no final da dcada de 1960 (DOT HS 809 004 NHTSA/99).

Com base nos resultados de pesquisa de segurana veicular existentes na poca, foi elaborada a primeira verso da norma da Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS) 214 (Figura 1), que exigia das portas dos veculos resistncia em nveis pr-determinados de esforos em ensaios de deformaes em laboratrio.

Figura 1 - Esquema de teste de deformao de portas FMVSS 214. Fonte: Autor adaptado de FMVSS 214 Static, 1992, p. 12.

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O ensaio previsto na norma FMVSS 214 esttico foi o pioneiro em determinar requisitos mnimos para a homologao de veculos novos de peso bruto de at 10000 lbs

(4536 kg) a partir de 1974. O procedimento de ensaio previa a aplicao de fora nas portas laterais dianteiras

atravs de uma sonda acionada por sistema hidrulico, de forma que o trabalho de deformao atingisse valores mnimos para determinados nveis de deformao.

Os requisitos da norma FMVSS 214 indicavam que a porta deveria resistir no mnimo 10008 N a 152,4 mm, 15569 N a 304,8 mm e um pico de carga de no menor que 31139 N ou duas vezes o peso total do veculo em ordem de marcha, o que for menor, antes da falncia total da estrutura.

A alternativa tcnica encontrada pela indstria automobilstica para atender aos requisitos da norma foi introduo de barras de impacto lateral, tubulares ou estampadas, fabricadas com aos temperados com resistncia a trao superior a 1000 MPa.

Apesar de no fornecerem a proteo esperada aos ocupantes, as barras contra

impactos laterais demonstraram-se eficientes em relao a impactos contra obstculos fixos como indicaram os dados de acidentes nos Estados Unidos de 1982, conforme relatrio da National Highway Traffic Safety Administration NHTSA (DOT HS 809 004 NHTSA Technical Report, p. 14).

Com o intuito de aumentar a proteo aos passageiros contra impacto lateral veculo contra veculo, foi adotada em 1994 uma nova edio da norma FMVSS 214, na qual foram mantidas todas as exigncias anteriores para ensaios estticos, e acrescentados novos requisitos quanto a ensaios dinmicos.

A configurao do ensaio estabelecido pela norma FMVSS 214 determinava o uso de uma barreira mvel, com face de contato deformvel em estrutura de alumnio com nveis de absoro de energia pr-definidos (Figura 2).

21

Figura 2 - Barreira deformvel FMVSS 214. Fonte: Autor adaptado de NHTSA FMVSS 214 dynamic, 2006, p. 17.

A energia gerada pelo impacto da barreira mvel de 1461 4,5 kg (Figura 3), que em movimento oblquo colide com o veculo a 54 km/h, deveria ser absorvida pela estrutura do veculo, e no impor aos manequins biomtricos esforos na cabea, no trax e na plvis superiores aos nveis pr-determinados pela norma.

22

Figura 3 - Diagrama de ensaio dinmico FMVSS 214. Fonte: Autor adaptado de NHTSA FMVSS 214 dynamic, 2006, p.43.

Para atender aos requisitos dos ensaios estticos e dinmicos determinados pela norma FMVSS 214, a indstria automobilstica utilizou durante as dcadas de 1970 e 1980 a combinao tecnolgica da unio de reforos localizados nas colunas de portas, e uso barras de impacto de alta resistncia dentro das portas.

Em 1998 a comunidade europeia introduziu a exigncia da execuo de teste de impacto lateral conforme a norma ECE R95 para a homologao de veculos novos.

Esta regulamentao previa a execuo de teste de impacto lateral com barreira mvel deformvel, de 950 kg a 50 km/h contra as laterais do veculo, e tambm o impacto contra um poste de dimetro igual a 254 mm a 29 km/h (Figura 4).

23

Assim como no teste executado nos Estados Unidos, os testes europeus determinam o xito ou no de um dado veculo em cumprir os requisitos com base no atendimento dos

ndices biomecnicos.

Figura 4 - Diagrama de ensaios dinmico ECE R95. Fonte: Safety Companion 2011, p. 20.

A introduo do impacto frontal parcial na dcada de 90, no qual os veculos so arremessados contra uma barreira deformvel fixa, influenciou no aumento das exigncias

das normas de teste de impacto lateral (Figura 5). O teste de impacto contra 40% da poro frontal dos veculos a 40 km/h (FMVSS

208), e 56 km/h (ECE R94), resultou em construes mais rgidas da regio frontal, causando em contrapartida a necessidade de aumento da resistncia lateral dos veculos, pois a determinao a resistncia da barreira de impacto lateral baseada na resistncia da regio

frontal dos veculos.

Figura 5 - Diagrama de ensaio frontal parcial. Fonte: Safety Companion 2011, p. 16.

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A criao dos critrios de classificao de carros novos a partir de avaliaes mais severas e detalhadas dos dados dos manequins biomtricos demandou uma nova abordagem

da indstria automobilstica, em relao segurana dos ocupantes. Os critrios mais severos definidos por institutos independentes ligados a automveis

clubes, institutos representantes de seguradoras, associaes de medicina do trnsito e a Federao Internacional de Automobilismo, determinaram a criao em diversos pases do

programa de classificao de veculos novos New Car Assessment Program (NCAP). Os programas NCAP (Euro NCAP, US NCAP, S NCAP, Latin NCAP), categorizam

os veculos em classes que vo de zero a cinco estrelas, com base em avaliaes dos resultados de ndices biomecnicos, valores de deformao em determinadas regies consideradas crticas, e critrios de salvamento de vtimas de acidentes, alm de considerarem, em alguns pases, a proteo para crianas e pedestres.

As classificaes dos veculos testados so divulgadas abertamente ao pblico, e apesar de no afetarem a homologao do veculo para venda, determinam a imagem que o

pblico ter de determinado produto, e da marca a ele atrelada. Por este motivo, estes critrios so, ao mesmo tempo, usados pelas indstrias como apelo mercadolgico quando

apresentam resultados positivos comparativamente aos concorrentes. Em relao ao desenvolvimento das estruturas das carrocerias frente a este novo

cenrio, a indstria automobilstica passou a enfrentar novos desafios como consequncia direta do seu aprimoramento.

Antes da introduo de sistemas de air-bags as estruturas veiculares eram dimensionadas para se deformarem absorvendo a energia do impacto, tendo como limite a

zona de proteo dos ocupantes. A introduo de air-bags obrigou que o processo de deformao das carrocerias

durante o impacto tivesse que ser modulado, para que houvesse sincronismo entre o tempo de expanso do sistema e o encontro do ocupante com a bolsa do air-bag.

Sistemas de air-bags tem um volume que ocupam o espao entre o passageiro e as partes internas do veculo durante o impacto, e devem se expandir completamente em menos

de 30 ms aps o choque para que o benefcio esperado pelo uso de sistemas de amortecimento seja atingido. No deve haver contato do passageiro antes que o air-bag esteja totalmente inflado, caso contrrio, haveria soma ao invs de absoro de energia durante o contato entre passageiro e air-bag.

Um efeito colateral indesejado do aprimoramento dos sistemas de proteo aos ocupantes foi o aumento de sobreviventes com ferimentos graves nos membros inferiores.

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A consequncia direta foi que no s portas, colunas e longarinas deveriam resistir aos impactos, mas tambm a regio dos membros inferiores e a plvis deveriam ser

protegidas. Estudo sobre fatores que influenciam a ocorrncia de leses nas regies plvicas e

torcica em impactos laterais indicam que h uma relao direta entre a ocorrncia e a gravidade das leses e o grau de intruso na regio das portas (TENCER et al., 2005, p. 292; SCHIFF et al., 2008, p. 389).

Com o desafio de aumentar a resistncia do habitculo, sincronizar o funcionamento

dos sistemas de air-bags estrutura, e ao mesmo tempo reduzir o peso da carroceria, a indstria automobilstica desenvolveu, em parceria com seus fornecedores de chapas metlicas, novos materiais e sistemas de montagem que permitiram a produo de veculos mais leves, mais resistentes, e mais seguros.

3.2 Construo de colunas B de carrocerias automotivas

A resistncia mecnica das colunas laterais de carrocerias automobilsticas, antes das regulamentaes contra impacto lateral, limitava-se a garantir a durabilidade e funcionalidade do veculo em seu uso normal.

Os critrios de homologao baseados nos ndices dos manequins biomtricos em

ensaios de impacto lateral alteraram a orientao construtiva dos veculos. Estruturas que eram baseadas na soma de resistncia mecnica obtida por meio de adio de reforos foram

substitudas gradualmente por solues tcnicas mais sofisticadas, mas que eram limitadas, pelo nvel de desenvolvimento tecnolgico dos materiais metlicos e processos de produo existente poca.

As dimenses das colunas laterais, especialmente nos carros mdios e pequenos para cinco passageiros, no se alteraram muito no decorrer do tempo, pois se por um lado as dimenses externas dos veculos no devem ser aumentadas para no mud-los de classe, por outro lado, as medidas internas devem preservar o conforto dos usurios.

Uma avaliao da evoluo das larguras das colunas desde a dcada de oitenta do sculo passado (modelo A), passando pela dcada de noventa (modelo B) e os veculos atuais (modelo C), indica que a largura destas estruturas varia entre 66 mm e 73 mm (Figura 6).

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Figura 6 - Comparao de sees transversais de colunas B. Fonte: Autor.

Antes do advento da aplicao do clculo de elementos finitos no desenvolvimento de carrocerias, o enrijecimento das estruturas era baseado no clculo do momento de inrcia, que indicava o quanto a seo transversal deveria aumentar para atingir os objetivos de rigidez.

Este mtodo no permitia a avaliao quantitativa precisa do aumento de resistncia obtido, mas sim a avaliao qualitativa baseada no acrscimo relativo do momento de inrcia

da regio estudada, seja pela mudana de geometria, aumento da espessura das chapas, ou adio de reforos.

Alm disso, no se levava em considerao as propriedades de resistncia mecnica dos materiais aplicados na construo. Para a validao do conceito eram necessrios testes de impacto lateral na fase de desenvolvimento de prottipos.

Os exemplos de sees transversais apresentados neste trabalho indicam o crescimento dos valores de momento de inrcia em trs modelos de mesma classe de veculo para cinco passageiros.

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No modelo A, o momento de inrcia de 4,26x105 mm4 foi atingido com a aplicao de uma geometria convencional, onde reforos de 1,50 mm e 1,00 mm de espessura se somam superfcie externa da coluna com espessura de 0,70 mm.

O momento de inrcia de 5,95x105 mm4 do modelo B foi obtido principalmente atravs do aumento das espessuras dos reforos para 2,25 mm e 1,75 mm, uma vez que a geometria principal da estrutura (largura vs. comprimento) no se alterou significativamente.

No modelo C, tambm houve aumento do momento de inrcia, mas neste caso isso ocorreu basicamente por otimizao de geometria, pois as espessuras dos reforos foram

reduzidas para 2,00 mm e 1,4 mm. O aumento do momento de inrcia chegou ao seu limite quando a espessura dos reforos e a resistncia dos aos no permitia aumentos adicionais de espessura ou profundidade de estampagem (modelo B), onde j se aplicava aos de ultra-alta resistncia (780 MPa, 3 mm).

No modelo C a utilizao de aos dual-phase combinados com aos 22MnB5 estampados a quente permitiu que tanto a barreira da profundidade de estampagem como o da

resistncia dos materiais aplicados fosse ultrapassada. A aplicao de aos estampados a quente, que viabiliza maior profundidade de

estampagem e reduo da espessura sem perda de resistncia, permitiu a elevao do momento de inrcia para 7,22 x105 mm4, mas o grande salto de qualidade na estrutura foi obtido pelo aumento da resistncia do reforo interno da coluna para valores da ordem de 1300 MPa.

A introduo dos mtodos construtivos baseados em clculos de elementos finitos sofisticou a elaborao da geometria das estruturas, permitindo que os engenheiros, atravs

dos resultados obtidos pelos programas de simulao, considerassem parmetros mais precisos acerca da geometria da estrutura e tambm avaliassem se as propriedades de resistncia mecnica dos materiais e mtodos de unio envolvidos nas construes eram suficientes para atingir os resultados desejados nos ensaios de impacto.

Como as simulaes de elementos finitos permitem uma avaliao precisa sobre o comportamento da estrutura em ensaios de impacto, os testes em prottipos tornaram-se, em

sua maioria, desnecessrios para avaliao da estrutura da carroceria. Testes de homologao ainda so necessrios para atendimento aos requisitos legais, mas o trabalho de desenvolvimento pode ser feito basicamente de forma virtual.

A comparao dos resultados de ensaios de impacto conforme a norma FMVSS214 das trs estruturas avaliadas indica que o aumento de resistncia estrutural da coluna B proporcionou uma reduo significativa das deformaes aps o impacto (Figura 7).

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Figura 7 - Vistas explodidas de colunas B, comparao de pesos e deformaes. Fonte: Autor.

Outro aspecto decorrente da evoluo dos materiais foi a mudana na tendncia de aumento de peso para ganho de resistncia.

Tomando-se como base o modelo A, que atinge o peso de 4,69 kg por conjunto, e deformao no teste de impacto lateral da ordem de 240 mm, verifica-se que o aumento de peso para ganho de resistncia no modelo B resultou em um conjunto com 7,83 kg e deformao de 150 mm. A mudana de tecnologia com a aplicao dos aos estampados a quente elevou o peso do conjunto para 8,73 kg, entretanto reduziu a deformao no ensaio de impacto lateral para 80 mm, conforme indicado na Figura 8; ou seja, o salto tecnolgico permitiu o aumento de resistncia para garantir a segurana dos ocupantes, sem aumento de peso na mesma proporo.

A reduo da deformao nos ensaios de impacto lateral de 240 mm para 80 mm, ou seja, uma reduo de deformao para 66,6% foi obtida atravs de aplicao de novas tecnologias de projeto, construo e materiais combinadas, o que elevou o peso do conjunto coluna B de 4,69 kg para 8,73 kg, ou seja, aumento de peso de 86,1%. O aumento de peso comparado reduo de deformao mostra um grande avano tecnolgico cumprindo o objetivo de aumento da resistncia com o menor impacto possvel no peso da estrutura (KARBASIAN et al., 2010, p. 2103; KUMAR et al., 2007, p. 270).

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Figura 8 - Deformaes de colunas B em testes de impacto da FMVSS214. Fonte: Autor

3.3 Processos de unio das chapas

3.3.1 Solda ponto por resistncia

O processo de solda ponto por resistncia foi patenteado nos Estados Unidos da Amrica por Mr. Elihu Thomson sob o nmero 1.097.895 em 26 de maio de 1914, e vem desde ento recebendo aprimoramentos tecnolgicos, o que o torna o mtodo mais aplicado isoladamente ou em conjunto com adesivos estruturais na unio de peas metlicas de carrocerias automotivas (WOLLF, 2008, p. 3).

A solda a ponto por resistncia consiste basicamente na fuso da regio de contato entre duas ou mais chapas sobrepostas, que sob a presso gerada pela fora com a qual os eletrodos as comprimem, se fundem em funo da energia produzida pela passagem de corrente eltrica entre os eletrodos (Figura 9).

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Figura 9 - Esquema bsico de sistema de execuo de solda ponto por resistncia. Fonte: Autor

O manual da American Welding Society, assim como os manuais de processo dos

fabricantes de equipamentos de solda indicam os parmetros para execuo do processo de soldagem de forma a executar pontos de solda no menor tempo possvel, visando otimizao

do ciclo de produo seriada, mas que garantam a qualidade da unio soldada. A energia necessria para a execuo da solda regida pela lei de Joule (equao 1).

( (1) Onde (Q) a energia produzida pela passagem de corrente eltrica (I), atravs dos

materiais a serem soldados, consequncia da resistncia eltrica (R) dos materiais e sua interao por determinado tempo (t).

Para que a estrutura da unio soldada obtida apresente caractersticas metalogrficas e de resistncia adequadas, o ciclo de cada ponto de solda definido segundo os seguintes

parmetros:

a) Pr-presso (daN)1; b) Pulso de solda (kA/ciclos) c) Reteno (ms).

1 A terminologia pr-presso, comumente utilizada na indstria, refere-se na verdade fora aplicada entre as

chapas a serem soldadas, isto explica a unidade de medida em daN.

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No ciclo de pr-presso, as chapas a serem soldadas so pressionadas com fora suficiente para que o processo de passagem de corrente ocorra de forma pontual entre os

eletrodos, e pode variar de 170 daN para chapas 0,5 mm de espessura, at 1150 daN para chapas galvanicamente zincadas de 3 mm de espessura (http://www.duering-schweisstechnik.de).

No ciclo de pulso de solda ocorre a aplicao da corrente eltrica que determina a

fuso do material. Em equipamentos modernos, com controle eletrnico, a corrente eltrica modulada de forma a considerar a variao da resistncia eltrica do material em funo do

aumento de temperatura (CALLISTER, 2006, p. 362), e aumento da rea de contato com os eletrodos, pois a corrente ser proporcional ao comprimento do condutor e inversamente proporcional rea de passagem da corrente (CALLISTER, 2006, p. 356).

Os parmetros de corrente de solda (kA) e tempo de aplicao (ciclos) conforme especificao do fornecedor de equipamentos de solda ponto Dring Schweisstechnik GmbH podem variar de 8 kA a 20 kA e de 2 a 50 ciclos respectivamente para o mesmo intervalo de espessuras de chapas indicado acima.

A ltima fase na execuo do ponto de solda dedicada a reteno da presso dos

eletrodos sobre a unio, para que o sistema de refrigerao do equipamento de solda retire o calor da unio soldada a taxas elevadas, o que proporciona na regio de fuso de solda a formao de uma microestrutura martenstica (LIAO, et al., 2010, p. 342; PURANVARI et al., 2010, p. 3649).

A anlise de uma regio unida por solda ponto indicar trs tipos distintos de microestrutura (Figura 10):

a) Regio de fuso (ZF) b) Regio termicamente afetada (ZAT) c) Material base (MB)

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Figura 10 - Microestrutura tpica de unio por ponto de solda. Fonte: Autor adaptado de Xin Sun et al., 2007, p. 359.

A resistncia da unio soldada funo da resistncia dos materiais a serem unidos

(MB) e da correo dos parmetros definidos para o processo de soldagem, pois estes parmetros definiro o dimetro do ponto de solda (ZF) e da zona termicamente afetada (ZAT).

As regies tpicas de um ponto de solda so configuradas a partir das transformaes de fase que ocorrem no processo de aquecimento e resfriamento na formao do ponto, apresentam diferentes nveis de dureza e consequentemente resistncia mecnica (XIN SUN et al., 2007, p. 359).

Um dos processos utilizados para avaliao da resistncia das regies de um ponto de

solda a medio de dureza da seo transversal, tomando-se como referncia o centro do ponto de solda, e estimando a resistncia a trao a partir de dados normalizados.

Um ponto de solda tpico apresenta zona de fuso (ZF) com maior resistncia que o material base e a zona termicamente afetada (ZAT) com resistncia que decresce do valor atingido na zona de fuso (ZF) at o valor de resistncia do material base (MB) (Figura 11).

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Figura 11 - Perfil de micro dureza Vickers de ponto de solda. Fonte: Autor adaptado de Xin Sum et al., 2007 , p. 359.

A avaliao da resistncia de unies soldadas atravs do dimetro da regio de fuso (XIN SUN et al., 2007, p. 357), indica que esta a dimenso mais crtica para determinao da resistncia da unio, mas no a nica.

Tanto os manuais de solda como os estudos pesquisados neste trabalho indicam que

unies soldadas feitas com parmetros de solda adequados com chapas de ao com espessuras que variem entre 0,5 mm e 3 mm, que so as mais comumente usadas na construo de carrocerias automotivas, atingem o maior pico de carga quando se rompem em torno do ponto de solda (XIN SUN et al., 2007, p. 357; M. PURANVARI et al., 2010, p. 3651).

Isto compreensvel quando se analisa o processo de ruptura de um ponto de solda como sendo a competio entre o dimetro do ponto, e a carga de cisalhamento imposta

unio em situaes de trao (Figura 12).

Figura 12 -Diagrama de ruptura de solda ponto. Fonte: Autor adaptado dePouranvari, 2010, p. 3650.

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Tomando como exemplo a soldagem de duas chapas de baixo teor de carbono de 1 mm de espessura, aplicando-se corretamente os parmetros de solda indicados pelo

fabricante do equipamento de solda (por ex.: Dring Schweisstechnik GmbH), obtem-se pontos de solda com dimetro de 6mm, de um material que teria o dobro da dureza do material base (MUKHOPADHAYAY et al., 2008; p. 2001; XIN SUN et al., 2007; p. 359; POURANVARI et al., 2010. P. 3648), ou seja, resistncia a trao muito superior ao do material base (CALLISTER, 2006, p. 161).

A seo transversal do ponto de solda de dimetro igual a 6 mm equivale a 28,3mm (.r2), enquanto que a rea em torno do ponto de solda em cada chapa soldada equivale a 18,8mm (2..r.espessura da chapa) (Figura 13).

Figura 13 - Sees transversal e do permetro do ponto de solda. Fonte: Autor.

Mesmo sendo complexo o sistema de ruptura que se dar em torno do ponto de solda, por envolver trao, compresso e cisalhamento combinados, a rea e a resistncia menores

da zona termicamente afetada (ZAT) em torno do ponto de solda indica que a maior probabilidade de ruptura do ponto se d em torno da zona de fuso (ZF) de uma das chapas soldadas, e no na seo transversal do ponto de solda (Figura 14).

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Figura 14 - Ponto de solda rompido na zona termicamente afetada (ZAT). Fonte: Autor.

A taxa de resfriamento decorrente do processo de solda ponto superior a 2000C/s determina, como j mencionado, a formao de estrutura martenstica na zona de fuso com alta probabilidade de formao de micro trincas e falhas estruturais, como indicado na pesquisa com aos DP600 (MA et al., 2008, p. 338), ou at em aos baixo carbono como o AISI 1080 (Pouranvari et al., 2010, 1391).

Em aos de alta resistncia, a frao em massa de estrutura martenstica no ponto de solda aumenta devido ao maior teor de carbono existente no material, e a probabilidade de

ruptura do ponto de solda da zona afetada termicamente (ZAT) se altera para a regio de fuso do ponto de solda (ZF), em funo de vazios que se formam na lentilha de solda durante o resfriamento do material (Figura 15).

Figura 15- Micro estrutura de ponto de solda DP600. Fonte: Autor adaptado de MA et al., p. 336.

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O resfriamento acelerado do material na zona de fuso combinado com a retirada da presso dos eletrodos antes da solidificao total do material na zona de fuso aumentam a

probabilidade de ocorrncia de trincas e vazios, que pode ser minimizada atravs do controle mais preciso dos parmetros de soldagem (pr-presso, pulso de solda, e reteno), entretanto os dois primeiros fatores dependem sobremaneira do ajuste entre as peas a serem soldadas, pois em havendo desajuste, parte da pr-presso ser usada para aproximar as peas alterando totalmente os parmetros do processo, e consequentemente gerando uma unio com defeitos facilitadores de ruptura (WOLLF, 2008, p. 8).

Como o processo de solda ponto depende de um ajuste perfeito entre as superfcies de contato das chapas para atingir valores timos de resistncia, a indstria automobilstica teve de desenvolver mtodos para minimizar os efeitos negativos que eventuais desajustes entre as chapas pudessem causar no processo de unio.

A soldagem em dispositivos automticos com sujeio das peas por alicates, ou a definio de ordens de montagem da menor para a maior espessura so alternativas para

minimizar as consequncias que os desajustes das peas trazem para o processo de solda. A solda em overlapping para unies com mais do que duas chapas (Figura 16), um

exemplo de construo alternativa desenvolvida para evitar que o efeito springback do processo de estampagem cause deficincia na soldagem a ponto (HOSFORD, 2007, p. 195).

Trata-se de uma alternativa interessante, mas demanda cuidados no que se refere forma dos recortes para reduo da quantidade de chapas a serem unidas por cada ponto, e

eventualmente h necessidade de comandos variveis nos equipamentos de solda devido soma das espessuras das chapas no ser constante.

Figura 16 - Solda em overlapping. Fonte: Autor.

O aumento da resistncia mecnica das chapas usadas nas construes de carroceria automotiva trouxe como consequncia a necessidade do aumento da resistncia entre suas

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unies, o que no seria obtido somente com o aprimoramento do processo de solda, apesar de todos os esforos tecnolgicos.

3.3.2 Solda ponto por resistncia associada a adesivos estruturais

A combinao do processo de solda com a aplicao de adesivos estruturais nas regies, onde a unio entre os componentes se mostra mais crtica em situaes de esforos localizados, foi a sada encontrada pelos engenheiros para aumentar a resistncia das unies

de componentes das carrocerias. O uso de adesivos em veculos teve sua aplicao inicial na unio entre painis

internos e externos das portas. Esta aplicao tinha basicamente o objetivo de diminuir a possibilidade de corroso

nas regies de grafagem, e como efeito colateral positivo aumentava a resistncia da unio entre as chapas (Figura 17).

Figura 17 - Colagem entre paineis de portas. Fonte: Autor.

Funcionando como selante, o adesivo ocupa o espao entre as chapas evitando que a umidade relativa do ar causasse, atravs da condensao, a formao de atmosfera corrosiva

entre os painis, provocando a corroso em frestas (CALLISTER, 2006, p. 516). Os fatores que contribuem para formao de corroso nestas regies, tais como;

superfcie de corte das chapas sem a proteo galvnica, temperaturas elevadas, rebarbas remanescentes do processo de corte ou soldagem e umidade so eliminados ou neutralizados pela a aplicao do adesivo.

Estes adesivos no se prestavam a funo principal de aumento de resistncia, pois

eram a base de PVC com coeficiente de alongamento acima de 200% (DIN 53504), e resistncia trao mxima entre 5,0 a 7,5 MPa.

A introduo de adesivos de base epxi com coeficiente de alongamento menores que 5% (DIN EN ISO 527-1) e nveis de resistncia a trao superiores a 30 MPa, conferiu ao

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adesivo a funo principal de aumento da resistncia nas unies, viabilizando sua aplicao em outros tipos de unio, como por exemplo: unies de flanges em regies com concentrao

de tenso devido s solicitaes causadas por impactos. A anlise comparativa de unies soldadas e unies coladas e soldadas indicou

aumento na resistncia a trao e aumento da frequncia natural da estrutura devido melhor distribuio de carga na unio soldada e colada (SILVA et al., 2011, p. 17).

O sucesso na aplicao de adesivos no depende somente de sua resistncia mecnica, mas tambm das condies de contorno que envolvem o processo de colagem.

As superfcies de contato devem ser limpas; a camada de adesivo deve ser delgada, no caso dos adesivos estruturais automotivos entre 0,4 mm e 0,8 mm (ARENAS et al., 2009, p. 164). Este valor perfeitamente compatvel com as especificaes de planicidade de flanges de solda, que nas construes avaliadas tem tolerncias de superfcie de 0,5 mm, o que na pior condio de afastamento determinar espessura do adesivo de 1 mm.

A geometria da unio deve privilegiar o esforo de cisalhamento, uma vez que juntas adesivadas no funcionam adequadamente quando solicitadas no sentido de desplacamento (Figura 18).

Figura 18 - Sentidos de esforos em juntas coladas. Fonte: Autor.

A resistncia mecnica proporcionada pelos adesivos estruturais est ligada

sensibilidade ao deslocamento apresentada pelos polmeros (CANEVAROLO, 2006, p. 207). Em condies de impactos, os deslocamentos decorrentes das deformaes que

absorvem a energia ocorrem em curtos intervalos de tempo, em ensaios de impacto menos de 0,2 seg. Portanto, principalmente nestas situaes que a sensibilidade deformao dos adesivos contribui para aumento da resistncia da estrutura.

Nas regies de flanges da carroceria o adesivo estrutural trabalha em conjunto com os pontos de solda aumentando a resistncia da regio de forma significativa pois, ao invs de trabalhar de forma discreta, como cada ponto de solda, o adesivo age de forma integrada por

toda rea adesivada (Figura 19), contribuindo para a resistncia da estrutura e evitando o incio da ruptura dos pontos de solda (AGNIESZKA et al., 2007, p. 157).

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Figura 19 - Colagem entre flanges de solda. Fonte: Autor.

A aplicao de adesivos estruturais para formao de unies hbridas, ou seja, solda ponto combinada com adesivo, executada ainda no processo de armao dos subconjuntos da carroceria, antes do processo de soldagem.

Uma vez sobrepostas e pr-fixadas com dispositivos de montagem, so executados os pontos de solda dos conjuntos de peas.

A cura final do adesivo ocorre durante o processo de pintura, onde a carroceria, aps passagem pela lavagem e aplicao de pr-tratamento anticorrosivo, aquecida temperatura

superior a 140C, por pelo menos 30 minutos. Para produo em srie prefere-se a aplicao automtica, por ser mais estvel quanto

ao volume de adesivo e velocidade de aplicao, portanto mais segura. Para produtos de baixo volume utiliza-se a aplicao semiautomtica com uso de

bombas e pistolas manuais.

A maioria dos adesivos de alta resistncia de base epxi necessita de aquecimento prvio at 40C para aplicao, por causa da sua alta viscosidade em temperatura ambiente.

3.4 Caractersticas dos materiais de construo de colunas de carrocerias

3.4.1 Materiais utilizados em construo de carrocerias

A utilizao de chapas de ao na construo de carrocerias desde os primrdios da indstria automobilstica, e ser por tempo ainda indeterminado, a alternativa econmica e tecnicamente recomendvel, uma vez que no existem no mercado materiais com as

propriedades mecnicas equivalentes s do ao a custos competitivos, principalmente para veculos de produo em larga escala.

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O estudo das consequncias do uso do alumnio para construo de carrocerias no final da dcada de 1990, principalmente para reduo de peso e emisso de CO2, indicava que a indstria do ao reagiria para manter sua competitividade, desenvolvendo materiais que atravs do ganho de resistncia mecnica competiriam com o alumnio em desempenho, uma vez que a vantagem de custo em favor do ao nunca foi ameaada (CARLE, 1999, p. 271).

O tempo demonstrou que a indicao estava correta, e o desenvolvimento de aos

especiais denominados Advanced High Strength Steels (AHSSs), e Ultra High Strength Steels (UHSSs) estabeleceu um novo patamar de resistncia dos aos aplicados na construo de carrocerias, e o uso de materiais alternativos ao ao para produo em larga escala ainda no foi viabilizado.

A aplicao de ao na construo de carrocerias, em especial nos reforos estruturais, demanda a escolha do material com as propriedades adequadas funo a ser exercida e ao processo produtivo planejado.

Exemplos divulgados pela indstria ilustram como cada componente em determinadas

funes requerem solues diferenciadas para atender requisitos de qualidade de superfcie, como nos painis de teto, tampas e portas, ou ento elevada resistncia mecnica como os

materiais escolhidos para longarinas, travessas e colunas de portas (Figura 20).

Figura 20 - Diferenas de aplicao de materiais em carrocerias VW GOL. Fonte: Volkswagen do Brasil Ltda.

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No caso das estruturas dedicadas proteo dos ocupantes contra impactos, a aplicao de aos estruturais exigiu evolues tecnolgicas que ocorreram paralelamente na

indstria siderrgica e nas montadoras. A aplicao de aos micro ligados, que por suas propriedades favoreciam a

estampabilidade com ndice de alongamento mnimo A80 de 24%, tinha por objetivo viabilizar a geometria de estampagem profunda das peas, pois na dcada de 1970 os requisitos legais contra impacto lateral ainda se restringiam a avaliao, em laboratrio, da intruso nas portas, como j mencionado.

A partir da introduo dos testes de impactos laterais na dcada de 1980, as colunas laterais passaram a ser construdas com reforos em aos dual phase, com maior resistncia mecnica devido a sua estrutura metalogrfica, mas que apresentavam restries ao processo de estampagem profunda devido a reduo do ndice de alongamento A80 para valores abaixo de 20%.

A soluo para o aumento da resistncia das colunas estruturais combinada

necessidade de reduo de peso das carrocerias foi a introduo dos aos estampados a quente na construo destes componentes.

Estes materiais permitiam o aumento da resistncia do componente pronto em at trs vezes os valores obtidos com os aos dual phase, com menores restries profundidade de estampabilidade, uma vez que no processo de estampagem a quente o material conformado em uma condio de maior plasticidade pela alta temperatura em que levado ferramenta.

A aplicao de mtodos para tomada de deciso como o Quality Function Deployment (QFD) ou Analytical Hierarchy Process, nos quais parmetros quantitativos e qualitativos orientam a escolha entre diversos materiais para uma determinada aplicao, indicaram que, pelo menos para as colunas estruturais de veculos, o ao ainda a melhor alternativa (MAYYAS, 2011, p. 2779).

3.4.2 Aos micro ligados

A evoluo da metalurgia de produo em srie, em conjunto com as necessidades de melhorias nos processos produtivos da indstria automobilstica, resultou no

desenvolvimento de aos de ligas especiais chamados aos micro ligados, que so os indicados para determinadas aplicaes em construes de carrocerias (WAGENER, 1997, p. 343).

Estes aos, que tem em sua composio a adio controlada de elementos qumicos, tais como nibio (Nb), titnio (Ti), vandio (V), resultam em materiais que apresentam

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modificaes em suas propriedades mecnicas, que favorecem seu processamento e aplicao.

A adio de Nb, Ti e V na liga aumenta os limites de alongamento, permitindo a produo de formas mais profundas em processo de estampagem, o que necessrio para conformao de perfis com grande profundidade de estampagem, como os perfis de colunas B de veculos, por exemplo.

Os aos micro ligados especificados na norma DIN EN 10346 que apresentam resistncia trao variando de 380 MPa a 590 MPa so indicados para estampagem profunda, portanto indicados para construo de perfis estruturais como longarinas e colunas de portas.

3.4.3 Aos Dual Phase

Aos dual phase (DP) classificados internacionalmente como advanced high strength steels (AHSS), foram desenvolvidos na dcada de 1930 e tiveram grande evoluo a partir da dcada de 1970 devido a necessidade da indstria automobilstica de aos com maior resistncia mecnica, e que ao mesmo tempo apresentassem qualidade de estampabilidade elevada.

Conforme a norma DIN EN 10346 estes aos apresentam resistncia mecnica que varia de 450 MPa at 980 MPa e alongamento A80 que varia de 27% a 10% respectivamente.

Os aos dual phase so produzidos a partir do recozimento em temperatura intercrtica de aos compostos de austenita e ferrita, e posterior resfriamento forado para

obter a proporo desejada de martensita em sua microestrutura (KUMAR et al., 2007, p. 270).

Este tipo de ao apresenta duas fases bem definidas constitudas de ilhas dispersas de martensita (18 a 25%) e bainita em uma matriz de ferrita, e sua principal caracterstica a elevada resistncia mecnica para limites de escoamento relativamente altos quando comparado ao de aos baixo carbono (SARWAR et al., 2002, p. 274).

Na pesquisa realizada por (QU et al., 2008, p. 101 ) utilizando um ao DP laminado a frio de 1,7 mm de espessura e resistncia trao de 600 MPa, foi demonstrado que a expanso da frao martenstica imprime alteraes nas propriedades mecnicas do ao, aumentando sua resistncia trao.

Os aos dual phase apresentam caractersticas especiais para soldabilidade, nem sempre vantajosas, apesar de sua maior resistncia.

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A frao martenstica e componentes de liga fazem com que este tipo de ao necessite de maior fora de compresso dos eletrodos de solda e menor corrente de solda devido s

maiores dureza e resistividade eltrica respectivamente (WOLF, 2008, p. 34). Uma particularidade dos aos dual phase a passagem do limite de proporcionalidade

para fase de deformao plstica sem apresentar o patamar de escoamento contnuo. Este comportamento decorrente da transformao de austenita em martensita

durante a tmpera em gua, o que causa aumento de volume (cerca de 4%), causando deformaes plsticas na matriz ferrtica e aumentando o volume de discordncias que

impedem a formao das atmosferas de Cottrell, que so responsveis por caracterizar a fora de limite de escoamento (BHAGAVATHI, 2010, p. 3).

A Figura 21 indica a caracterstica de ensaios de trao de um ao baixo carbono micro ligado (1), e um ao dual phase (2).

Figura 21 - Indicao do limite de escoamento. Fonte: Autor.

Outra caracterstica de interesse para a indstria automobilstica que a formao de microestrutura com menor potencial eletrodinmico (ferrita / martensita) ao invs de (ferrita / perlita), confere aos aos dual phase maior resistncia corroso (BHAGAVATHI, 2010, p. 5).

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3.4.4 Aos para estampagem a quente

Os aos para estampagem a quente so classificados internacionalmente como ultra high strength steels (UHSS), e foram desenvolvidos e patenteados pela empresa sueca Plannja em 1977. Desde ento, para atender s exigncias de reduo de peso e aumento de resistncia mecnica, vrias montadoras adotaram seu uso em posies estratgicas das carrocerias (KARBASIAN et al., 2010, p. 2103).

Por no encontrar referncias normalizadas para especificao tcnica de aos para estampagem a quente, foi adotada neste trabalho a norma Volkswagen VW TL4225 que define os parmetros tcnicos para liberao de componentes produzidos com ao 22MnB5 especial para estampagem a quente.

Este material apresenta resistncia mxima trao de 1300 MPa a 1650 MPa. e alongamento mnimo A80 igual a 4,5% aps tratamento trmico.

O alto grau de conformabilidade que o ao 22MnB5 apresenta em altas temperaturas, permite a conformao de peas com geometria relativamente complexa, com estrutura final

martenstica e espessura reduzida, alm de melhor preciso geomtrica devido a reduo do efeito springback (LIU et al., 2010, p. 223).

Dois processos de estampagem a quente so aplicados pela indstria automotiva, o direto e o indireto (Figura 22).

Figura 22 - Processo de estampagem a quente. Fonte: Autor adaptado de H Karbasian et al., 2010 p 2104.

No processo direto a chapa aquecida e ento prensada em ferramenta refrigerada, o que provocar o resfriamento rpido do produto gerando uma microestrutura martenstica.

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No processo indireto, a conformao do produto se d temperatura ambiente em processo de estampagem convencional e a transformao martenstica se faz no produto j conformado em uma operao de calibrao.

A reviso bibliogrfica efetuada por (KARBASIAN et al., 2010, p. 2104 - 2116) indica as fases e particularidades a serem observadas na configurao de processos de estampagem a quente;

a) Material base b) Tratamentos superficiais da chapa c) Ciclo de aquecimento d) Tipos de fornos e) Caractersticas do ferramental f) Transformaes de fase g) Qualidade do tratamento resultante h) Aspectos sobre proteo contra corroso i) Aspectos de soldabilidade

O processo de estampagem direta apresenta vantagens ao necessitar de um ferramental nico, reduzindo relativamente o investimento necessrio, e apresentar um ciclo de produo menor; entretanto, aspectos construtivos do componente, tais como furos ou contornos especficos devem permitir sua aplicao, pois o ps-processamento s possvel

atravs de operaes de corte a laser, jato de gua ou corte a quente devido a alta resistncia do material (KARBASIAN et al., 2010, p. 2114).

A estampagem a quente de chapas sem proteo superficial gera formao de xidos durante o processo de austenitizao e tmpera, o que ocorre principalmente com o contato da chapa com o ar ao ser retirada do forno a cerca de 900C (MORI, 2009, p. 267).

Como a carroceria deve ser enviada para o processo de pr-tratamento anticorrosivo e

de pintura isenta de xidos, h a necessidade de eliminao destes antes da montagem do componente estampado a quente, para evitar que mesmo entre flanges de soldagem existam

resduos causadores de corroso decorrentes do processo de estampagem. O uso de chapas previamente galvanizadas no vivel, devido a temperatura de

fuso do zinco ser muito inferior temperatura de autenitizao do ao, o que causaria a destruio do tratamento superficial dentro do forno antes do processo de estampagem.

Alternativamente ao processo de limpeza dos xidos por jateamento aps a estampagem, foi desenvolvido o tratamento superficial de Al-Si (10% Si, 3% Fe e 87% Al),

46

que nas condies especficas do processo de austenitizao gera uma camada protetora que evita a formao de xidos na superfcie da pea (KARBASIAN et al., 2010, p. 2104).

3.4.5 Adesivo estrutural

Os adesivos utilizados na indstria automobilstica para aumento da resistncia de

regies estruturais so normalmente de base epxi classificados quanto a sua resistncia conforme a norma DIN EN ISO 11343, a qual descreve os parmetros de testes de desplacamento de corpos de prova colados em ensaio de impacto em pndulo especfico (Figura 23).

Figura 23 - Pndulo de ensaio conforme DIN EN ISO 11343. Fonte: Volkswagen AG.

Neste ensaio, o valor mdio de energia absorvida de cinco amostras deve ser avaliado comparativamente, pois no h valor normalizado a ser respeitado.

A importncia deste ensaio na qualificao do adesivo estrutural deve-se alta sensibilidade taxa de deformao apresentada pelos adesivos, quando comparada aos metais.

Enquanto para metais o coeficiente que determina a taxa de sensibilidade deformao a temperatura ambiente se situa entre 0 e 0,03 (HOSFORD, 2007, p52), os

47

adesivos estruturais de base epxi apresentam valores de resistncia trao crescentes, com valores que podem at dobrar a resistncia a trao em funo da taxa de deformao

aplicada durante um impacto (CANEVAROLO, 2006, p. 206). A composio qumica exata dos adesivos propriedade intelectual do fabricante e

no divulgada, e suas propriedades mecnicas so normalmente relacionadas a normas especficas escolhidas por cada fabricante, de forma que no fcil a comparao direta entre

produtos de fabricantes diversos. Atualmente os adesivos estruturais utilizados um unies de colunas de porta de

carrocerias tem tenso de ruptura ente 30 MPa e 40 MPa.

48

4 MATERIAIS E MTODOS

4.1 Escolha dos materiais para pesquisa

A escolha dos materiais metlicos e do adesivo estrutural para a execuo da investigao experimental orientou-se pelos tipos de materiais usados na indstria automobilstica, mais especificamente na Volkswagen do Brasil Ltda.

Estes materiais so ou foram utilizados na construo de colunas de portas em

veculos classe A0, ou seja, veculos pequenos para cinco passageiros. A designao tcnica normatizada dos materiais escolhidos para a pesquisa indicada

na Figura 24.

Item Material Especificao Espessura / Tipo 1 Ao HX340 LAD DIN EN 10346 0,9 mm 2 Ao DP 780 DIN EN 10346 2,0 mm 3 22MnB5 VW TL42552 1,9 mm 4 Adesivo estrutural base epxi Sika Power 492 -

Figura 24 - Materiais do estudo experimental. Fonte: Autor

O ao HX340 LAD um ao micro ligado, indicado para construes mecnicas estruturais e usado normalmente em peas de carroceria de estampagem profunda ou geometria complexa devido a raios pequenos e profundos.

O ao DP780 um ao dual phase indicado para aplicaes estruturais de alta resistncia, utilizado em construes de colunas, longarinas e reforos localizados em regies de ligao de componentes estruturais.

O ao 22MnB5 um ao especialmente desenvolvido para estampagem a quente. Em estado de fornecimento semelhante a aos baixo carbono dual phase no que se refere a sua composio qumica, entretanto, quanto austenitizado e temperado no processo de estampagem a quente, atinge alto nvel de resistncia mecnica devido a transformao martenstica.

Os valores de resistncia a trao especificados, assim como os obtidos nos ensaios de

trao conforme a norma ASTM E8/E8M 09, so indicados em conjunto nos resultados dos ensaios das amostras.

Os materiais metlicos utilizados foram obtidos do fornecedor ArcelorMittal Brasil, no estado de entrega montadora, exceto o ao 22MnB5 que no disponvel no momento

2 A norma VW TL4255 uma especificao da Volkswagen AG, editada internamente em maio de 2006 para

especificar as caractersticas de fornecimento de chapas de ao 22MnB5 para aplicaes de estampagem a quente.

49

no Brasil e foi cedido pela empresa SSAB Swedish Steel a partir de sua fbrica em Borlnge na Sucia.

O adesivo estrutural Sika Power 492, importado da Alemanha, foi cedido pela empresa SIKA Group em bisnagas de 300 ml para aplicao com pistola pneumtica manual.

4.2 Determinao da composio qumica dos materiais metlicos envolvidos.

A determinao da composio qumica dos materiais foi executada atravs de espectrometria de emisso atmica, conforme procedimento ASTM E1915 e E1097.

Para os materiais HX340 LAD e DP780 ensaios foram executados no centro de pesquisas qumicas do Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais da Fundao Educacional Inaciana Pe. Saboia de Medeiros FEI, e do material 22MnB5 executado no laboratrio de materiais da Volkswagen do Brasil Ltda.

Os ensaios de espectrometria de emisso atmica indicaram as composies qumicas dos materiais metlicos apresentados nas Figura 25 e Figura 26.

Amostra Elementos (%) em massa Fe C Si S Mn Cr+Mo Al Nb+Ti HX340LAD 97,07 0,16 0,38 0,02 2,30 0,041 0,023 -

DIN EN 10346 Balano

Max. 0,11

Max. 0,50

Max. 0,025

Max. 1,00 N/A N/A N/A

DP780 98,09 0,24 0,27 0,001 1,18 0,17 0,050 0,036 DIN EN 10346 N/A

Max. 0,18

Max. 0,80

Max. 0,015

Max. 2,50

Max. 1,00

2,00 Max. 0,15

Figura 25 - Composio qumica das amostras. Fonte: Autor / centro de pesquisas qumicas do Centro Universitrio da FEI

Amostra Elementos (%) em massa Fe C Si Mn Cr Mo 22MnB5 98,13 0,25 0,26 1,10 0,16 0,08 TL4255 Balano 0,20 a 0,25 0,15 a 0,40 1,10 a 1,40 0,35 0,35 Amostra P S Ti Al B

22MnB5 0,012

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O ao DP780 apresenta desvio de 0,06% na composio de C (desvio permitido de 0,02%)

Os desvios no percentual em massa de C na composio dos aos HX340LAD e DP780 no indicam mudana significativa em suas caractersticas de resistncia ou de processamento, pois em ambos os casos, o percentual de C est abaixo de 0,25%, o que ainda os inclui na classe de aos de baixo teor de C em sua composio (CALLISTER, 2006, p. 397-398).

Considerando que estes materiais foram produzidos no Brasil e que conforme a norma

NBR 10735 o percentual mximo de C pode atingir 0,2, em relao a este componente qumico no h desvio em relao especificao brasileira.

A mesma norma especifica que outros elementos qumicos podem ser adicionados liga para atendimento das propriedades mecnicas sem especificar limites.

O ao 22MnB5 no apresentou desvios em relao especificao adotada.

4.3 Determinao da estrutura metalogrfica dos materiais metlicos envolvidos

As caractersticas metalogrficas dos materiais metlicos envolvidos foram examinadas em microscpio Olympus BX60M com ampliao 1000X atravs do programa de computador de aquisio de imagens Analysis Image Processing Olympus.

Esta avaliao se fez necessria para certificar qual o tipo de estrutura metalogrfica dos materiais estaria envolvida nos processos de unio por solda a ponto.

A preparao dos corpos de prova para anlise metalogrfica seguiu as seguintes etapas:

a) Embutimento dos materiais em baquelite b) Lixamento com prato 120 em gua por 2 minutos c) Polimento para 9 por 3 minutos d) Polimento para 3 por 20 minutos e) Polimento para 1 por 5 minutos f) Ataque com Nital 3% Preparao executada em politriz Struers Tegra POL-15.

Ensaio realizado no laboratrio de materiais da Volkswagen do Brasil Ltda. As caractersticas metalogrficas dos aos com ampliao de 1000 vezes so

indicadas nas imagens a seguir. As indicaes longitudinal e transversal referem-se ao sentido de laminao das

amostras informadas pelo fornecedor no ato da entrega.

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O ao HX340 LAD apresentou estrutura ferrtica com pequenas incluses, no indicando orientao dos gros decorrente o sentido de laminao (Figura 27).

Figura 27 - Foto microgrfica do ao HX340LAD. Fonte: Enga. Kriscia E. R. de Souza / MTC Volkswagen do Brasil Ltda.

O ao DP780 apresenta matriz ferrtica com ilhas dispersas de martensita

caracterstica de aos dual phase e clara indicao do sentido de laminao (Figura 28).

Figura 28 - Foto microgrfica do ao DP780. Fonte: Enga. Kriscia E. R. de Souza / MTC Volkswagen do Brasil Ltda.

O ao 22MnB5 aps tratamento trmico apresentou estrutura martenstica grosseira (Figura 29).

Figura 29 - Foto microgrfica do ao 22MnB5 aps tratamento trmico. Fonte: Enga. Kriscia E. R. de Souza / MTC Volkswagen do Brasil Ltda.

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4.4 Medio da resistncia trao dos materiais metlicos envolvidos

A caracterizao dos ndices de resistncia trao dos materiais metlicos foi

executada atravs de ensaios de trao, em corpos de prova de dimenses conforme ASTM E8/E8M 09, tipo chapa (Figura 30).

G 50,0mm

W 12,5mm

T Espessura

R 12,5mm

L 200mm

A 57mm

B 50mm

C 20mm

Figura 30 - Padro de corpo de prova para ensaio de trao ASTM Fonte: ASTM E8/E8M-09

A preparao dos corpos de prova envolveu corte por jato de gua para evitar que tenses residuais decorrentes de processo de corte por cisalhamento influenciassem nos resultados obtidos.

Conforme especificado na norma DIN EN 10346 e VW TL 4225, as amostras para ensaio de trao foram preparadas no sentido transversal ao sentido de laminao.

Por orientao da norma, utiliza-se o sentido transversal ao sentido de laminao para ensaios de trao, a favor da segurana da construo.

Esta orientao adotada na Volkswagen, pois o sentido de laminao tem relao direta com a resistncia fadiga das chapas laminadas e, quando possvel, adota-se o sentido

longitudinal de laminao para o posicionamento da chapa para que esforos de fadiga no componente sejam perpendiculares ao sentido de laminao.

Para determinao das caractersticas de resistncia do material 22MnB5 no estado processado, ou seja, temperado no processo de estampagem a quente, corpos de prova com as mesmas dimenses dos utilizados nos ensaios de trao conforme ASTM E8/E8M 09 foram tratados termicamente de acordo com as seguintes etapas:

a) Decapagem para remoo qumica do revestimento de alumnio/silcio (AlSi). b) Pr-aquecimento: 400C (60). c) Austenitizao: 930C (10). d) Martmpera: 160C (3). e) Resfriamento final: ao ar

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A resistncia trao obtida atravs do tratamento trmico foi estimada com base nos resultados de medio da dureza superficial dos corpos de prova (CALLISTER, 2006, p. 161).

Apesar da impreciso relacionada a este mtodo, este recurso foi utilizado para verificao da eficcia do tratamento trmico de forma simplificada, antes dos ensaios de trao planejados.

Os valores de dureza Rockwell foram obtidos atravs de medio em durmetro Microtest 3212B conforme norma ABNT NM ISO 6507-1 e comparados os valores obtidos com a tabela de correlao da norma DIN EN ISO 18265 no laboratrio de materiais da Volkswagen do Brasil Ltda. (Tabela 1). Tabela 1 Dureza e estimativa de resistncia trao das amostras de 22MnB5

Amostra Dureza (HRC) Tenso (MPa) 26 46 1485 27 44 1420 30 42 1320 31 46 1485 32 44 1420 33 42 1320

Mdia 1408 Desvio da amostra (s) 74

Especificao Rm = 1300 a 1600 MPa Fonte: Autor

Os resultados indicaram que o processo de tratamento trmico produziu amostras com

resistncia compatvel especificada para o material 22MnB5 aps processo de estampagem a quente.

Para certificao dos valores de resistncia dos materiais escolhidos, foram realizados ensaios em mquina de trao universal conforme ASTM E8/E8M, determinados mdia e

desvio padro da amostra, e comparados com a especificao do referido material (Tabela 2).

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Tabela 2 Resultados mdios dos ensaios de trao dos materiais metlicos Material tipo 1 (HX340 LAD) 479 1,8 MPa Especificao DIN EN 10346 Rm = 410 MPa 510 MPa

Material tipo 2 (DP780) 894 17,3 MPa Especificao DIN EN 10346 Rm = 780 MPa mnimo

Amostra tipo 3 (22MnB5) 638 / 7,0 MPa (base) Especificao VW TL4225 Rm = 500 MPa 700 MPa

Amostra tipo 4 (22MnB5) 1536 / 13,8 MPa (temperado) Especificao VW TL4225 Rm = 1300 MPa 1650 MPa Fonte: Autor

A comparao do resultado mdio de cinco amostras para cada tipo de material contra sua especificao indicou que todos os materiais correspondem a especificao tcnica de

resistncia trao. Os resultados mdios dos ensaios, assim como os valores mnimos e mximos so

indicados abaixo (Figura 31).

Figura 31 - Resultado comparativo dos ensaios de trao dos materiais metlicos. Fonte: Autor.

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Os diagramas a seguir caracterizam os ensaios de trao dos materiais metlicos (Figura 32, Figura 33, Figura 34, Figura 35), e a Figura 36 indica comparativamente o comportamento de cada tipo de material utilizado na pesquisa no ensaio de trao.

Figura 32 - Diagrama tenso por deformao de ao microligado HX340L Fonte: Autor

Figura 33 - Diagrama tenso por deformao de ao Dual Phase DP780 Fonte: Autor.

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Figura 34 - Diagrama tenso por deformao de ao 22MnB5 Base Fonte: Autor

Figura 35 - Diagrama tenso por deformao de ao 22MnB5 Temperado Fonte: Autor

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Figura 36 - Diagrama tenso por deformao comparativa entre amostras dos aos Fonte: Autor.

Os corpos de prova foram fotografados aps os ensaios (Figura 37).

Figura 37 - Fotos dos corpos de prova do ensaio de trao conforme ASTM E8/E8M Fonte: Autor

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Os ensaios de trao conforme ASTM E8/E8M 09 foram conduzidos no laboratrio de materiais da FEI, em mquina de trao universal MTS 810 Material Test System, com velocidade de ensaio de 5 mm/min.

Para efeito de comparao das propriedades de absoro de energia dos materiais aplicados nas estruturas investigadas neste trabalho, relevante para aplicao em colunas laterais de veculos, foram calculados os valores de tenacidade das amostras de HX340LAD,

DP780 e 22MnB5 temperado (Tabela 3), determinando-se a rea sob os diagramas de ensaio de trao (fora x deslocamento) at o ponto de ruptura de uma amostra de cada tipo de ao (Figura 38). Tabela 3 Tenacidade dos tipos de aos. Material HX340LAD DP780 22MnB5 Temp Espessura 0,9 mm 2,0 mm 1,9 mm Tenacidade 8850 Nm 22500 Nm 11440 Nm Fonte: Autor

Figura 38 - Diagrama fora por deslocamento comparativo dos aos investigados. Fonte: Autor

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4.5 Composio qumica e propriedades mecnicas do adesivo

A composio qumica do adesivo Sika Power 492 propriedade intelectual protegida da empresa Sika Automotive GmbH, e no foi investigada no mbito desta pesquisa.

As caractersticas tcnicas do adesivo publicadas pelo fabricante esto indicadas abaixo (Figura 39).

Informaes tcnicas do adesivo SikaPower 492: Base qumica Epxi

Densidade antes / aps cura 1,30 / 1,35 kg/l Temperatura de aplicao 50C 60C

Tempo e temperatura de cura 20min / 75C Resistncia a trao (ISO 527) 30 MPa (2mm/min)

Alongamento para ruptura 8% TGV (Temperatura de transio vtrea) 105C

Figura 39 - Dados tcnicos do adesivo. Fonte: Catlogo tecnico da empresa Sika Automotive GmBH.

Os ensaios de trao conduzidos para avaliao da sensibilidade taxa de deformao

confirmaram a resistncia trao do adesivo em trao a baixa velocidade. Os resultados dos ensaios de trao do adesivo so apresentados em conjunto com os

dados dos ensaios de trao com alta taxa de deformao para determinao da sensibilidade do adesivo taxa de deformao.

4.6 Mtodo de levantamento da resistncia a trao de unies

Para avaliar comparativamente a resistncia das unies de chapas em relao evoluo da resistncia mecnica dos materiais aplicados nas construes automobilsticas, foram preparados corpos de prova para ensaios de trao (Figura 40).

Tipo Material A Material B Solda Adesivo 1 HX340LAD DP780 Sim No 2 HX340LAD DP780 Sim Sim 3 HX340LAD 22MnB5 Sim No 4 HX340LAD 22MnB5 Sim Sim 5 DP780 22MnB5 Sim No 6 DP780 22MnB5 Sim Sim

Figura 40 - Tipos de corpos de prova para ensaios de trao. Fonte: Autor.

A definio das dimenses dos corpos de prova de 1 a 6 visou garantir que o ponto de solda fosse posicionado em relao borda da chapa a uma distncia maior do que nos flanges soldados em colunas de veculos (de 15 mm a 18 mm), para evitar que a resistncia da seco transversal do corpo de prova viesse a influenciar a resistncia do ponto de solda e, portanto no mais comparvel a construo da estrutura automobilstica.

60

O processo de solda foi executado em mquina de solda Dring X215 / 75 kVA com eletrodos semiesfricos com dimetro de 16 mm, na rea de construo de prottipos da Volkswagen do Brasil Ltda.

Os parmetros de soldagem utilizados respeitaram a definio indicada no manual do fabricante do equipamento de solda (Tabela 4).

Visando manter a comparabilidade dos resultados foram mantidas as dimenses para

os corpos de prova soldados e colados (Figura 41 e Figura 42). Tabela 4 Parmetros de solda.

Espessuras (mm)

Tempo de Pr-Presso 1 solda

1 Refrig. 2 solda

Tempo de Ps-presso

Fora dos eletrodos

0,9 x 1,9 1000 ms 100 ms / 5 kA 20 ms 500 ms /

6 kA 1000 ms 2 kN

0,9 x 2,0 1000 ms 100 ms / 5 kA 20 ms 500 ms /

6 kA 1000 ms 2 kN

1,9 x 2,0 1000 ms 100 ms / 3 kA 50 ms 600 ms /

5 kA 1000 ms 2 kN Fonte: Autor

Figura 41 - Corpo de prova soldado. Fonte: Autor.

Figura 42 - Corpo de prova soldado e colado. Fonte: Autor.

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Seguindo o padro utilizado na indstria automobilstica e resultados experimentais da investigao de ARENAS et al. (2009, p.163), a espessura do adesivo entre chapas foi mantida entre 0,4 mm e 0,8 mm, por ser este o intervalo que apresenta maior resistncia a trao.

A rea de aplicao do adesivo foi assegurada com o uso de proteo sobre as chapas nas regies onde o adesivo no deveria atuar, e o comprimento total dos corpos de prova

assegurado com a utilizao de dispositivo de montagem dos corpos de prova (Figura 43).

Figura 43 - Soldagem dos corpos de prova. Fonte: Autor.

O ponto de solda foi efetuado sobre a superfcie com adesivo, porm antes da cura, obedecendo a ordem do processo de montagem de carrocerias na indstria.

A cura do adesivo foi obtida em estufa com circulao de ar com temperatura de 80C por 20 minutos.

Para evitar que o desalinhamento do esforo de trao em relao ao centro da unio

gerasse momento e consequentemente esforo de flexo na unio, foram soldados calos nas extremidades dos corpos de prova para todos os ensaios entre unies. Este recurso tambm foi utilizado por outros pesquisadores (XIN SUN et al., 2007, p.360; Wolff , 2008, p. 43).

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A verificao da influncia da adio de adesivo na variao da resistncia das unies soldadas foi efetuada atravs da aplicao do teste estatstico de hiptese de duas

distribuies e varincias desconhecidas com significncia de 5%.

4.7 Mtodo de determinao da resistncia atravs da micro dureza

A resistncia mecnica dos materiais metlicos nas trs partes caractersticas de

pontos de solda, ou seja, zona de fuso (ZF), zona afetada termicamente (ZAT), e material base (MB), pode ser determinada pelo levantamento de perfil de micro dureza da regio soldada.

Esta tcnica validada pela proporcionalidade entre a dureza do material e o limite de resistncia trao (CALLISTER, 2006, p. 160-161).

Portanto, foram determinados os perfis de micro dureza Vickers conforme norma

ABNT NM ISO 6507-1, e comparados os valores obtidos com a tabela de correlao da norma DIN EN ISO 18265 em durmetro Microtest 3212B no laboratrio de materiais da Volkswagen do Brasil Ltda.

Figura 44 Esquema de execuo de endentaes Fonte: Autor

4.8 Mtodo de determinao da sensibilidade taxa de deformao

Para investigar a sensibilidade taxa de deformao do adesivo foram realizados testes de trao em atuador hidrulico com variao da velocidade de afastamento dos cabeotes de fixao do corpo de prova.

Em funo da disponibilidade e por ter resistncia a trao suficiente para garantir a

realizao dos ensaios de trao do adesivo, o material metlico escolhido para execuo destes ensaios foi o ao micro ligado HX340LAD.

As dimenses dos corpos de prova foram reduzidas para aumentar a resistncia relativa do adesivo ao da espessura da chapa utilizada no ensaio.

63

A preparao dos corpos de prova seguiu a seguinte sequncia: a) Preparao das chapas com material (Figura 45). b) Colagem dos corpos de prova. c) Cura do adesivo em estufa a temperatura de 80C por 20 minutos.

Para garantir as dimenses da rea adesivada entre as chapas, as regies adjacentes superfcie a ser colada foram protegidas com fita adesiva, e as chapas foram montadas em um dispositivo que orientou posicionamento nas dimenses estabelecidas para os corpos de prova

(Figura 46). Tambm nesta montagem foram colados calos nas extremidades dos corpos de prova

para evitar desalinhamento do esforo de trao em relao rea colada, a exemplo do que foi executado nos ensaios de trao dos corpos de prova soldados.