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7/24/2019 Dissertacao_Keurrie_Cipriano_Goes.pdf

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KEURRIE CIPRIANO GOES

UM MODELO PARA PREVISO DE VIDA FADIGA DE JUNTAS

SOLDADAS SUBMETIDAS A CARREGAMENTOS COMBINADOS

Dissertao apresentada Escola

Politcnica da Universidade de

So Paulo para a obteno do

Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica

So Paulo2010


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KEURRIE CIPRIANO GOES

UM MODELO PARA PREVISO DE VIDA FADIGA DE JUNTAS

SOLDADAS SUBMETIDAS A CARREGAMENTOS COMBINADOS

Dissertao apresentada Escola

Politcnica da Universidade de

So Paulo para a obteno do

Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica

rea de concentrao:

Engenharia Mecnica de Projeto deFabricao

Professor Orientador:

Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha

So Paulo2010


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Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sobresponsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador.

So Paulo, 07 de maio de 2010.

Assinatura do autor _____________________________________

Assinatura do orientador_________________________________

FICHA CATALOGRFICA

Goes, Keurrie CiprianoUm modelo para previso de vida fadiga de juntas solda -

das submetidas a carregamentos combinados / K.C. Goes. --ed.rev. -- So Paulo, 2010.

99 p.

Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidadede So Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrnica e deSistemas Mecnicos.

1. Fadiga dos materiais (Anlise) 2. Juntas soldadas 3. Ten-so dos materiais 4. Integridade estrutural 5. Mtodo dos ele-mentos finitos I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica.Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mec-nicos II. t.


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DEDICATRIA

Dedico este trabalho as duas Anitas da minha vida:

Minha filha e minha vov (in memoriam)E ao meu grande amigo e mentor Arnaldo Camaro


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AGRADECIMENTOS

A minha filha, meu amorzinho, que tanto me apia e entende (ou pelo menos tenta)

a ausncia da me, que durante meus estudos em casa me trazia chazinho e gua e

pedia para as amiguinhas no fazerem muito barulho, pois a me estava estudando.

A minha mame Josani e minha irm Kryslei, pelo apoio, pacincia, carinho e por

sempre acreditarem em mim. Ao meu vov Jos Cipriano, que me recebe com um

delicioso abrao, mesmo sabendo que perder seu sof e seu sossego durante o

final de semana. A Rose, meu brao direito e esquerdo, que cuidou de tudo

enquanto eu estudava e bagunava (muito).

Ao meu orientador Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha, pelo apoio, ensinamentos,

incentivo e confiana que depositou no meu trabalho.

Ao meu co-orientador e amigo Arnaldo Freitas Camaro, que com muita pacincia

me ajudou com seus ensinamentos sobre elementos finitos, fadiga e sobre a vida.

Uma pessoa fantstica, iluminada e amiga, um verdadeiro exemplo a ser seguido.Algum com quem sempre vale a pena tomar um caf quer seja no Otavio, na

Colombo, ou na padoca da esquina e que ao final sempre se leva um ensinamento

para o resto da vida.

A Luis Augusto Iba, meu compadre e grande amigo. Paidrinho da Anita, que fez as

vezes desta me, quando nos feriados eu ficava estudando e ele ia viajar com a

Anita.

Aos meus amigos que me fizeram fugir um pouco do projeto, para retomar um ar e

recomear tudo de novo, em especial a Julio Cezar (meu compadre e excelente

atacante, isso dito por ele), Larissa (no poderia escolher melhor madrinha para a

Anita), Fabola (a nova ex-solteira, amiga de infncia), Mary (anos e anos de uma

grande amizade), Dennis (pelos sorvetes que eu estou devendo), as amigas de

Santos: Bruna, Alexsandra, Ivane, Carla e Marly, pela delicadeza com a qual


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acolheram essa intrusa Paulistana, apesar de ser Santista de nascimento e ao

Daniel (saudade dos nossos papos nos corredores da ArM).

Aos amigos da primeira turma de engenharia mecnica noturno da Unesp de

Guaratinguet, em especial a Anchieta, Siqueira, Fernando e Anderson, o presente

trabalho no seria possvel sem uma boa base, conseguida atravs de uma boa

faculdade e de excelentes companheiros de turma.

A Maria Esther, que sempre acreditou que eu podia e que eu posso conseguir tudo o

que eu quiser inclusive terminar esta dissertao.

Aos amigos da ArvinMeritor, que tanto me apoiaram nesta aventura que foi fazer um

trabalho de mestrado, especialmente ao meu amigo Egdio Correia, por prorrogar os

prazos de entrega dos meus projetos enquanto era meu chefe e me auxiliar na reta

final deste trabalho, sendo imprescindvel para a concluso desta dissertao. Ao

grande amigo Juliano Rodrigues, por fazer todas as verses dos desenhos 3D tendo

muita pacincia com a autora. Ao amigo Jos Roberto dos Santos, uma pessoa

maravilhosa, que me presenteou com seus desenhos davincianos ao projetar odispositivo de fadiga (que foram vrios at chegarmos ao definitivo) e pelo suporte

nos testes de fadiga. Ao amigo Nivaldo Manzini, um gnio da instrumentao, que

me ensinou um pouco do muito que sabe, mesmo eu acabando com as colas do

laboratrio. Ao Marcelo Pinto, exmio soldador, que fez todas as soldas

manualmente e a Antonio Carlos Ferreira, um mestre na anlise metalrgica, que

analisou as amostras no laboratrio de metalurgia.

A ArvinMeritor pelo suporte dado a autora enquanto esta realizava o presente

trabalho; por ceder o laboratrio de ensaios mecnicos e o laboratrio de metalurgia

e por fornecer as amostras deste trabalho.

A USP que acolheu esta Unespiana de braos abertos.


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Que o teu trabalho seja perfeito para que, mesmo depois da tua morte,

ele permanea.

(Leonardo Da Vinci)


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RESUMO

O presente trabalho teve como objetivo desenvolver uma metodologia prtica e

confivel para previso de vida fadiga de juntas soldadas a cordo pelo processo

MIG/MAG, quando estas esto submetidas a carregamentos cclicos combinados. A

mxima tenso linear no p da solda, regio tpica de incio de trinca, conhecida

como hot spotfoi utilizada para prever a vida atravs do mtodo de Fadiga de Alto

Ciclo S x N (Tenso x Vida), largamente empregado em cdigos de projeto de

estruturas soldadas. O Mtodo dos Elementos Finitos foi utilizado para determinao

das tenses estruturais resultantes do carregamento e das descontinuidades

geomtricas presentes nos cordes de solda. A anlise de fadiga foi efetuada em

ambiente virtual, atravs de um software(programa) de fadiga capaz de importar as

tenses atuantes na regio da solda para cada carregamento, combinando-as e

obtendo assim a vida fadiga decorrente da somatria dos diferentes tipos de

carregamento ao qual a junta foi submetida. As propriedades monotnicas e cclicas

dos materiais da junta foram obtidas da literatura e de um extenso banco de dados

disponvel no softwarede fadiga. Estas propriedades foram ajustadas com base em

ensaios de laboratrio nas juntas investigadas. A medio ou modelagem das

tenses residuais inerentes ao processo de soldagem no fazem parte do escopo

deste trabalho. Contudo, os efeitos trmicos e metalrgicos resultantes do processo

de soldagem, como distores, tenses residuais, variaes microestruturais e

propriedades mecnicas foram considerados de forma indireta, atravs da correo

das curvas de fadiga nos corpos de prova investigados. Corpos de prova do tipo

tubo-placa foram submetidos a carregamentos cclicos combinados (flexo e toro)

de amplitude constante. O resultado da anlise virtual de durabilidade foi, portanto,calibrado com base nestes experimentos e curvas disponveis em cdigos de projeto

de fadiga como BS7608 e Eurocode 3. A aplicabilidade deste mtodo numrico-

experimental e suas contribuies para a garantia da Integridade Estrutural do

projeto de juntas soldadas so apresentadas. Seus desafios e melhorias so por fim

discutidos.

Palavras-chaves: fadiga, carregamento cclico combinado, integridade estrutural, hotspot, junta soldada, elementos finitos.


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ABSTRACT

The main purpose of this work is to develop a practical and robust methodology to

evaluate the fatigue life in seam weld joints fabricated with GMAW process when

subjected to combine cyclic loading. The maximum linear stress at the typical crack

initiation region, better known as hot spot stress, was used to calculate the fatigue life

through high cycle fatigue method S x N (Stress x Life), widely used in design codes

for the life assessment of welded structures. The Finite Element Method (FEM) was

used to obtain the structural stresses distribution due the external loading and

geometric discontinuities very common in seam weld joints. The fatigue analysis was

conducted in virtual environment. The FEM stress results from each loading were

imported to fatigue code FE-Fatigue and combined to perform the fatigue life

prediction. The monotonic and cyclic properties of the joint materials were obtained in

the literature and from the fatigue software database. These properties were adjusted

based on laboratory fatigue tests in the investigated welded joints configurations. The

measurement or modeling of the residual stresses resulted from the welded process

is not part of this work. However, the thermal and metallurgical effects, like distortions

and residual stresses, were considered indirectly through fatigue curves correctionsin the samples investigated. A tube-plate specimen was submitted to combine cyclic

loading (bending and torsion) with constant amplitude. The virtual durability analysis

result was calibrated based on these laboratory tests and design codes such as

BS7608 and Eurocode 3. The feasibility and application of the proposed numerical-

experimental methodology and contributions for the welded joints structural integrity

design are presented. The challenges and improvements are finally discussed.

Keywords: fatigue, combined cyclic loading, structural integrity, hot spot, welded joint,

finite elements.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Regio de uma junta soldada (adaptado de FUCHS & STEPHENS, 1980) .................................................................................................................................. 18

Figura 2 Integridade Estrutural ............................................................................... 19

Figura 3 Geometria das amostras: (a) tubo-placa circular, (b) tubo-placa retangular

.................................................................................................................................. 23

Figura 4 Parmetros do ensaio de fadiga biaxial realizado por Bckstrm et al

(1997) ........................................................................................................................ 25

Figura 5 Processos de Soldagem Adaptado de Messler (1999) ......................... 26Figura 6 Regies da ZAC de uma soldagem monopasse (NASCIMENTO, 2004) . 27

Figura 7 O defeito de entalhe numa junta T ........................................................... 28

Figura 8 O defeito de porosidade numa junta a topo ............................................. 29

Figura 9 Diagrama de corpo livre (BORESI; SCHMIDT e SIDEBOTTOM, 1993) ... 29

Figura 10 Tenses agindo em um plano do sistema de coordenadas ................... 30

Figura 11 Variao do limite de escoamento, do mdulo de elasticidade e do

coeficiente de expanso trmica de aos com a temperatura (OKUMURA eTANIGUCHI, 1982) ................................................................................................... 32

Figura 12 Distribuio de tenses residuais devidas a vnculos internos em juntas

soldadas a topo (OKUMURA e TANIGUCHI, 1982) .................................................. 33

Figura 13 Distribuio de tenses residuais devidas a vnculos externos em juntas

soldadas a topo (OKUMURA e TANIGUCHI, 1982) .................................................. 33

Figura 14 Relao entre as tenses residuais trativas e as distores de uma

chapa soldada (Adaptado de NITSCHKE-PAGEL, 2006) ......................................... 34

Figura 15 Concentrao de tenses numa junta do tipo T (a) e numa junta a topo

(b) .............................................................................................................................. 35

Figura 16 Exemplo de tenso nominal numa viga (NIEMI, 1995) .......................... 36

Figura 17 Tenso estrutural numa placa, composta pelas tenses de membrana e

de flexo (NIEMI, 1995)............................................................................................. 36

Figura 18 Tenso de hot spot(NIEMI, 1995) ......................................................... 37

Figura 19 Tenso de entalhe (notch) no p da solda, composta pelas tenses de

membrana, de flexo e pelo pico de tenso no linear (NIEMI, 1995) ...................... 37

Figura 20 Elementos em 1D, 2D e 3D, com ns. ................................................... 39


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Figura 21 Uma viso geral da anlise de tenso em fadiga (Adaptado de Niemi,

1995) ......................................................................................................................... 42

Figura 22 Terminologia da tenso alternada. ......................................................... 44

Figura 23 Diagrama mestre para o ao AISI4340 (BANNANTINE; COMER;

HANDROCK, 1990) ................................................................................................... 44

Figura 24 Comparativo entre as equaes da tenso mdia (a-Soderberg, b-

Goodman, c-Gerber, d-Morrow) ................................................................................ 45

Figura 25 Curva S-N generalizada ......................................................................... 46

Figura 26 Medio da tenso de hot spotatravs da extrapolao da tenso

(adaptado de NIEMI, 1995) ....................................................................................... 47

Figura 27 Comparao da resistncia fadiga em juntas de canto de basemetlica, R = 0 (BRANCO; FERNANDES; CASTRO, 1986) ..................................... 50

Figura 28 Tipos de juntas soldadas, conforme BS153 (1972) ................................ 51

Figura 29 Curvas S x N, em funo do tipo de junta, propostas pela BS7608 (1993)

Legenda conforme figura 28. .................................................................................. 52

Figura 30 Classes de juntas cruciforme e T propostas pela norma Eurocode 3 .... 53

Figura 31 Classe de junta avaliada pelo mtodo hot spotcom carregamento

atravs da solda ........................................................................................................ 53Figura 32 Curvas S x N, em funo do tipo de junta, propostas pela Eurocode 3

(2005) ........................................................................................................................ 54

Figura 33 Comparao da vida fadiga para as diferentes classificaes de juntas

soldadas (Adaptado de FUCHS; STEPHENS, 1980) ................................................ 54

Figura 34 Geometria das amostras utilizadas ........................................................ 56

Figura 35 Nomenclatura utilizada no dimensional da junta .................................... 57

Figura 36 Microestrutura do material do tubo com ampliao de 500x .................. 59Figura 37 Microestrutura do material do flange com ampliao de 500x ............... 59

Figura 38 Microestrutura do material da solda com ampliao de 500x................. 60

Figura 39 Microestrutura da regio entre a solda e o material da ZAC do tubo com

ampliao de 100x .................................................................................................... 60

Figura 40 Micrografia do ensaio de dureza Knoop (500g) e distribuio de dureza

HRC ao longo da ZAC (b) Material do tubo (metal base) ....................................... 62

Figura 41 Micrografia do ensaio de dureza Knoop (500g) e distribuio de dureza

HRC ao longo da ZAC (b) Material do flange ......................................................... 63

Figura 42 Eixo diferencial de um veculo comercial ............................................... 64


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Figura 43 Malha de Elementos Finitos ................................................................... 66

Figura 44 Carregamento no modelo 3D ................................................................. 67

Figura 45 Curva x N do metal base (FAP7) e a corrigida (obtida em laboratrio) 68

Figura 46 Diagrama dos 5 passos bsicos para anlise de durabilidade ............... 68

Figura 47 Solda utilizada na junta tubo-placa ......................................................... 71

Figura 48 Montagem dos dispositivos (set up) ....................................................... 72

Figura 49 Dispositivos utilizados no Ensaio de Fadiga .......................................... 73

Figura 50 Ensaio de fadiga (a) e detalhe do dispositivo utilizado (b) ..................... 73

Figura 51 Posicionamento da Roseta (a) juntamente com a fiao e a proteo (b)

.................................................................................................................................. 74

Figura 52 Curva de calibrao da roseta localizada no LE (a) e no LD (b) da seoretangular .................................................................................................................. 75

Figura 53 Posicionamento das rosetas e fora aplicada ........................................ 76

Figura 54 Distribuio de tenses equivalentes no modelo de Elementos Finitos

para o carregamento de 18kN (a) e detalhe na regio crtica com indicao do ponto

onde foi medida a tenso (b) ..................................................................................... 78

Figura 55 Distribuio de tenses mximas principais no modelo de Elementos

Finitos para o carregamento de 18kN (a) e detalhe na regio crtica com indicaodo ponto onde foi medida a tenso (b) ...................................................................... 79

Figura 56 Distribuio de vida para a tenso equivalente (a) e detalhe na regio

crtica (b) ................................................................................................................... 84

Figura 57 Distribuio de vida para a tenso mxima principal (a) e detalhe na

regio crtica (b) ........................................................................................................ 85

Figura 58 Trinca aps o ensaio de resistncia fadiga sob carregamento de 18kN

(a) e localizao da trinca (2) Amostra 01 .............................................................. 87Figura 59 Trinca aps o ensaio de resistncia fadiga sob carregamento de 18kN

(a) e localizao da trinca (2) Amostra 02 .............................................................. 87

Figura 60 Foto da trinca e regies da junta soldada na amostra 01 ....................... 90

Figura 61 Regio de origem (a) e sentido de propagao (b) da trinca na amostra

01 .............................................................................................................................. 90

Figura 62 Micrografia da junta soldada na regio da trinca Amostra 01 ............. 91

Figura 63 Micrografia da junta soldada (a) apresentando a trinca principal (b) e

secundria (c) Amostra 02 ..................................................................................... 91


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Viso geral dos diversos testes conduzidos por diferentes pesquisadores

em placas de 3mm a 10mm de espessura. ............................................................... 23

Tabela 2 Constantes para curvas S x N bsicas. ................................................... 51

Tabela 3 Dimensional da junta em mm .................................................................. 56

Tabela 4 Composio qumica do material do tubo (em %) ................................... 57

Tabela 5 Composio qumica do material do flange ............................................. 58

Tabela 6 Dureza Brinell (HB) para as amostras 01 e 02 ........................................ 61

Tabela 7 Propriedades do cordo de solda apresentado na Figura 47 .................. 71

Tabela 8 Resultado da tenso hot spotatravs do ANSYS para o carregamento de

18kN .......................................................................................................................... 80

Tabela 9 Resultado da tenso equivalente analtica para o carregamento de 18kN

.................................................................................................................................. 81

Tabela 10 Resultado da tenso equivalente obtida experimentalmente ................ 82

Tabela 11 Comparativo entre os resultados de tenso equivalente no ponto

analisado para o carregamento de 18kN................................................................... 82Tabela 12 Resultado da vida fadiga atravs do FE-Fatigue para o ponto

analisado. .................................................................................................................. 86

Tabela 13 Resultados da vida fadiga para as amostras ensaiadas em laboratrio

.................................................................................................................................. 88

Tabela 14 Vida fadiga utilizando as normas BS7608 e Eurocode 3, para a tenso

de hot spotoriunda das diversas abordagens analisadas ......................................... 88


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LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Descrio Unidade

S Tenso Alternada MPa

N Nmero de Ciclos at ocorrer a falha ciclos

t Espessura m

Am Razo de amplitude -

F Fora axial N

V Fora cisalhante N

A rea da seo transversal m

As rea de penetrao de todas as soldas m

M Momento de flexo N.m

I Momento de Inrcia da seo transversal m

R Razo de tenso -

y Distncia do centride ao ponto em estudo m

[K] Matriz de rigidez N/m

u Deslocamento mKs Fator de concentrao de tenso -

0C Constante relacionada a tenso mdia da curvaSxN; -

d Nmeros de desvio padro abaixo da mdia -

m Inverso da inclinao da curva logSx logN -

E Mdulo de Young GPa

Sy Tenso de Escoamento MPa

Su Tenso de Ruptura MPaI Corrente Eltrica A

U Tenso Eltrica V

Q Insumo de Calor J/m

rDistncia do centro de gravidade do grupo de soldas ao ponto

de interesse da soldam

JMomento de inrcia polar do grupo de soldas em relao ao

centro de gravidade do grupo

m4

Ju Momento de inrcia polar unitrio m


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h Tamanho da solda m

I Momento de inrcia baseado na penetrao da solda m

Iu Momento de inrcia unitrio m

Deformao -

Tenso trativa MPa

nom Tenso Nominal MPa

s Tenso Estrutural MPa

m Tenso de Membrana MPa

b Tenso de Flexo MPa

VM Tenso Equivalente ou de Von Mises MPa

hs Tenso de Hot Spot MPa

ln Tenso de Entalhe MPa

nlp Tenso de Pico no Linear MPa

max Tenso Mxima MPa

min Tenso Mnima MPa

a Amplitude de Tenso MPa

m Tenso Mdia MPa

Variao de Tenso MPa

Desvio padro dologN -

Nmero de Poisson -

Velocidade de deposio m/s Tenso cisalhante MPa

' Cisalhamento primrio MPa

" Cisalhamento secundrio MPa


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LISTA DE ABREVIATURAS

ABCM Associao Brasileira de Engenharia e Cincias Mecnicas

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ABS Associao Brasileira de Soldagem

AISI American Iron and Steel Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

BS British Standard

EUR3 Norma Eurocode 3

HB Brinell Hardness (Dureza Brinell)

HRB Hardness Rockwell B (Dureza Rockwell B)

HRC Hardness Rockwell C (Dureza Rockwell C)

IIW International Institute of Welding

LD Lado Direito

LE Lado Esquerdo

MAG Metal Active Gas

MEF Mtodo dos Elementos FinitosMGAW Metal Gas Arc Welding

MIG Metal Inert Gas

SAE Society of Automotive Engineers

TIG Tungsten Inert Gas

ZAC Zona Afetada pelo Calor


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SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................................... 18

2 OBJETIVO ......................................................................................................... 21

3 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................... 22

3.1 FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS................................................................. 22

3.2 PROCESSOS DE SOLDAGEM ...................................................................... 25

3.2.1 Metalurgia na ZAC...................................................................................... 26

3.2.2 Defeitos na solda........................................................................................ 27

3.3 TENSO E TENSO RESIDUAL ................................................................... 29

3.3.1 Concentrao de tenses.......................................................................... 34

3.3.2 Tenses em Fadiga.................................................................................... 35

3.4 MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF) .............................................. 38

3.4.1 Passos na anlise por Elementos Finitos................................................ 40

3.4.2 Anlise das tenses na junta soldada utilizando o MEF........................ 40

3.5 ANLISE DE FADIGA .................................................................................... 41

3.5.1 Mtodo Tenso-Vida.................................................................................. 433.5.2 Anlise de Fadiga pela abordagem de tenso hot spot.......................... 46

3.5.3 Fadiga Multiaxial ........................................................................................ 48

3.6 TCNICAS DE MELHORIA DA RESISTNCIA FADIGA EM JUNTAS

SOLDADAS ............................................................................................................... 49

3.7 NORMAS DE FADIGA PARA JUNTAS SOLDADAS ...................................... 50

4 MATERIAIS E MTODOS ................................................................................. 55

4.1 AMOSTRAS ................................................................................................... 554.1.1 Geometria ................................................................................................... 55

4.1.2 Materiais...................................................................................................... 57

4.1.3 Parmetros de soldagem das amostras................................................... 64

4.2 ANLISE VIRTUAL ........................................................................................ 65

4.2.1 Anlise das tenses por Elementos Finitos............................................ 65

4.2.2 Anlise de Fadiga....................................................................................... 67

4.3 CLCULO ANALTICO DE TENSES ........................................................... 694.4 ENSAIO DE FADIGA ...................................................................................... 71


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4.4.1 Dispositivos e parmetros do ensaio de Fadiga..................................... 72

4.4.2 Calibrao do ensaio de Fadiga................................................................ 74

4.4.3 Determinao da tenso hot spot............................................................. 76

5 RESULTADOS E DISCUSSES ....................................................................... 77

5.1 TENSO ......................................................................................................... 77

5.1.1 Tenses atravs do MEF ANSYS........................................................... 77

5.1.2 Tenso analtica no p da solda............................................................... 80

5.1.3 Tenso experimental.................................................................................. 81

5.2 FADIGA .......................................................................................................... 83

5.2.1 Fadiga atravs do MEF FE-Fatigue........................................................ 83

5.2.2 Ensaio de Fadiga........................................................................................ 865.2.3 Fadiga atravs das normas BS7608 e Eurocode 3.................................. 88

5.3 ANLISE DA TRINCA POR MICROGRAFIA ................................................. 89

6 CONCLUSES .................................................................................................. 93

7 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................... 94

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .......................................................................... 95

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1 INTRODUO

A soldagem um dos processos de unio que alia flexibilidade e baixo custo, sua

utilizao est intrinsecamente ligada indstria em geral, indo desde a manuteno

de maquinrio at a soldagem de componentes em um nibus espacial.

Juntas metlicas, unidas por processos de soldagem, apresentam como

conseqncia deste processo, regies crticas, devido a variaes de rigidez,

concentradores de tenses geomtricas e altos gradientes de temperatura, que

resultam em distores, variaes microestruturais e de propriedades mecnicas e

tenses residuais. Todos estes efeitos esto presentes na ZAC, apresentada na

Figura 1, assim como as demais regies de uma junta soldada.

Figura 1 Regio de uma junta soldada (adaptado de FUCHS & STEPHENS, 1980)

Normalmente em uma estrutura soldada submetida a carregamento cclico o incio

da trinca se d na raiz ou no p da solda conforme apresentado na Figura 1.

Nesta imagem trs regies esto bem definidas: o metal base, o material da solda e

a ZAC. Estas trs regies possuem diferentes microestruturas, tenses residuais,

defeitos e propriedades mecnicas. Os estudos de fadiga com este tipo de estrutura

tm demonstrado que a integridade de um projeto depende entre outros fatores do

nvel de tenso que esta regio estar sujeita em trabalho (GOES et al, 2008).

O estudo da resistncia da junta tem como objetivo a anlise desses efeitos e sua

otimizao, visando evitar falhas prematuras por fadiga e garantir sua integridade e

desempenho, quando submetida s condies de servio. O escopo deste trabalho


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est inserido, portanto, dentro do campo da Integridade Estrutural, que pode ser

melhor entendida como a garantia da resistncia e desempenho de um produto,

atravs da combinao de trs fatores principais, como Geometria, Material &

Processoe Esforos & Condies de Servio.Estes fatores so ilustrados com o

auxlio do diagrama da Figura 2, onde os vrtices do tringulo so os principais

elementos da Integridade Estrutural.

Figura 2 Integridade Estrutural

A geometria envolve o projeto da junta, considerando a rigidez das peas unidas e a

concentrao de tenses. A avaliao do efeito da geometria somado ao

carregamento externo na Integridade Estrutural da junta ser efetuada atravs do

Mtodo de Elementos Finitos (MEF). O programa comercial ANSYS ser utilizado

para modelagem da junta e obteno da distribuio de tenses no modelo, devido

ao carregamento externo.Os esforos cclicos podem resultar na fadiga da junta que ser analisada atravs do

programa de Fadiga FE-Fatigue, integrado ao modelo de Elementos Finitos, validado

em laboratrio, atravs de ensaios de fadiga em corpos de prova.

Na regio da ZAC, o material utilizado, tanto no cordo de solda quanto no metal

base, e o processo fecham o tringulo da Integridade Estrutural. nesta regio onde

se encontra as tenses residuais trativas que impactam negativamente na vida

fadiga do material. Estas tenses podem ser estimadas atravs de mtodosnumricos, como o MEF, ou medidas por mtodos experimentais. A medio da


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tenso residual est fora do escopo do presente trabalho, mas ao utilizar as curvas

das diversas normas disponveis, as tenses residuais j so contempladas, pois

estas curvas so obtidas experimentalmente, considerando assim os efeitos que a

tenso residual ocasiona na vida fadiga do material. O presente trabalho validou a

metodologia aqui apresentada atravs de testes experimentais de vida fadiga,

onde a tenso residual e todos os efeitos do processo de soldagem esto inseridos

na curva de fadiga da junta.

importante salientar que para garantir a Integridade Estrutural de uma junta

soldada necessrio combinar adequadamente os trs fatores aqui citados. A

alterao em um destes deve ser seguida de uma verificao nos demais,

garantindo assim a efetiva Integridade Estrutural da junta soldada.Segundo Sonsino (2009), prever a vida fadiga de componentes soldados requer

uma adequada anlise das tenses atuantes na junta, bem como do mtodo de

anlise de fadiga, que diferem entre si pelo parmetro utilizado para descrever a

tenso (S) ou a deformao () atuante na junta e que ocasionam a vida fadiga

(N).

Sabendo que cada junta soldada tem um comportamento fadiga que depende dos

trs itens mencionados na Figura 2 conclui-se que a cada novo projeto um testelaboratorial deve ser realizado para validao do mesmo. Entretanto, testes

laboratoriais demandam tempo e seus custos so elevados, ocasionando

dificuldades para realizao dos mesmos, principalmente no ambiente industrial,

onde a reduo de custos um fator importante no projeto. O tamanho das peas

soldadas pode dificultar ou at impossibilitar a realizao dos testes laboratoriais,

como por exemplo, na indstria naval e na de veculos pesados (nibus, caminhes

e veculos fora de estrada como minerao). Visando minimizar estes problemas, opresente trabalho apresenta uma metodologia numrico-experimental que possibilita

a avaliao virtual das diversas configuraes de junta soldada, ainda na fase de

projeto, garantido a integridade do produto, com um nmero mnimo de prottipos,

atingindo assim o grande objetivo da indstria: reduo de custos e de tempo de

desenvolvimento.


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21

2 OBJETIVO

Geral: Compreender os fundamentos de fadiga em juntas soldadas.

Especfico: Desenvolver um procedimento numrico-experimental prtico e confivel

para previso de vida fadiga de juntas do tipo tubo-placa, unidas atravs do

processo de soldagem MIG/MAG, quando estas esto submetidas a carregamentos

cclicos combinados.


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3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS

A fadiga dos materiais um processo muito complexo, que ainda nos dias de hoje

no totalmente conhecido. O dano no material se inicia na estrutura cristalina e

torna-se visvel atravs da seqncia: deformao plstica, formao de micro-

trincas nas bandas de escorregamento, coalescncia das micro-trincas e finalmente

a propagao da trinca principal.

A fadiga de juntas soldadas ainda mais complexa. A soldagem afeta o material

atravs do processo de aquecimento e subseqente resfriamento, ocasionado pelo

processo de fuso que adiciona o material da solda (para soldas com adio de

material), resultando em materiais no homogneos e diferentes (FRICKE, 2003).

Somado a isto, a solda usualmente no perfeita, contendo incluses, poros,

cavidades, etc. O perfil entre a solda e o metal base provoca descontinuidades

geradoras de alta concentrao de tenses. Por ltimo, as tenses residuais e asdistores devido ao processo de soldagem afetam o comportamento fadiga.

Diversos autores tm abordado o assunto de fadiga em juntas soldadas, mas

quando o material submetido a carregamento combinado, pode-se citar, segundo

Bckstrm (2003): Kouba & Stallmayer (1959), Gurney & Woodley (1962) e

Braithwaite (1964) como os precursores neste assunto.

Uma viso geral dos testes conduzidos por pesquisadores que utilizaram amostras

semelhantes as do presente trabalho (tubo-placa) apresentado na Tabela 1.Yung e Lawrence (1986), Siljander; Kurath e Lawrence (1992), Sonsino (1995, 1997)

e Razmjoo (1996) realizaram testes de fadiga biaxial em amostras soldadas do tipo

tubo-placa circular (Figura 3a), as amostras foram fabricadas em ao ASTM A519

com o tubo sem costura. Todas as amostras apresentaram falha no p da solda,

quando submetidas a carregamento combinado proporcional das tenses de flexo

e de toro.


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Tabela 1 Viso geral dos diversos testes conduzidos por diferentes pesquisadores em placas de3mm a 10mm de espessura.

Pesquisador

Quantidade de amostras em cada teste

Flexo e ToroProporcional

Flexo e ToroNo Proporcional

Yung e Lawrence (1986) 11 0

Siljander; Kurath e Lawrence (1992) 10 10

Sonsino (1995, 1997) 20 20

Razmjoo (1996) 7 7

Bckstrm et al (1997) 9 4

Total 57 41

(a) (b)

Figura 3 Geometria das amostras: (a) tubo-placa circular, (b) tubo-placa retangular

Os testes realizados por Yung e Lawrence (1986) apresentaram vida fadiga entre

1E104e 2E106ciclos. Os dados experimentais foram correlacionados utilizando as

amplitudes de tenso de flexo local, tenso equivalente local e tenso mxima

principal local. A melhor correlao dos dados de testes foi obtida quando a tenso

cisalhante foi includa na anlise.

Siljander; Kurath e Lawrence (1992) incluram no trabalho o carregamento no

proporcional. Os resultados dos testes foram correlacionados utilizando vrios

parmetros de fadiga multiaxial baseados na tenso local. As tenses locais foram

obtidas atravs do MEF. Siljander concluiu que os resultados dos testes, tanto para

carregamento proporcional quanto para no proporcional, era melhor correlacionado

utilizando o modelo de tenso cisalhante equivalente de Findley.


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24

Sonsino (1995, 1997) trabalhou com carregamento proporcional e no proporcional.

Todas as amostras passaram por processo de alvio de tenses (trmico) e falharam

no p da solda, apresentando vida entre 1E104e 4E106ciclos. Para o carregamento

no proporcional a tenso mxima principal ou a tenso de Von Mises no foram

relevantes, sendo apresentada uma nova proposta chamada de tenso equivalente

efetiva (EESH effective equivalent stress). Neste novo mtodo a trinca se inicia

pela tenso cisalhante e envolve o clculo da interao de todas as componentes da

tenso cisalhante da superfcie no p da solda, tal metodologia vlida somente

para carregamento no proporcional, que no faz parte do escopo do presente

trabalho.

As amostras investigadas por Razmjoo (1996) apresentaram vida fadiga entre1E105 e 1E107 ciclos. Quando as amostras foram submetidas a carregamento de

flexo apenas ou combinado de flexo e toro a trinca iniciou-se no p da solda e

quando foram submetidas a toro apenas, a falha iniciou-se na garganta da solda.

A tenso mxima principal foi o melhor critrio para carregamento proporcional que o

critrio de Von Mises. Para o carregamento no proporcional nenhum dos mtodos

analisados foram satisfatrios. Razmjoo sugeriu que a tenso mxima principal pode

ser usada para o carregamento no proporcional desde que um fator extra desegurana de 1.7 seja utilizado nas curvas S x N oriundas da norma BS5400 ou

BS7608 (1993).

Bckstrm et al (1997) realizaram testes de fadiga biaxial em amostras soldadas do

tipo tubo-placa retangular (Figura 3b) na condio de como soldadas. O tubo foi

fabricado atravs de conformao mecnica e unido em apenas um dos lados,

conforme apresentado na Figura 4, que tambm ilustra os parmetros do ensaio

realizado por Bckstrm et al (1997). Quando as amostras foram submetidas acarregamento de flexo apenas ou de flexo e toro combinados a trinca iniciou no

p da solda. Nos testes de toro apenas, a falha ocorreu no tubo, no raio externo

da seo retangular. A vida fadiga apresentou resultados entre 1E104 e 2E106

ciclos. A tenso de hot spot foi comparada com uma abordagem que emprega

conceitos do plano crtico como um parmetro de falha. Concluiu-se que o plano

crtico apresentou uma melhor correlao dos dados que a tenso principal. Para

uma melhor abordagem sobre este tema, vide Bckstrm et al (1997).


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25

Figura 4 Parmetros do ensaio de fadiga biaxial realizado por Bckstrm et al (1997)

3.2 PROCESSOS DE SOLDAGEM

Segundo Okumura e Taniguchi (1982), a unio de dois ou mais materiais metlicos

conhecida desde as eras pr-histricas, mas foi o advento da eletricidade que deu o

impulso necessrio para que o processo de soldagem tornar-se to importante

quanto o atualmente.

Os processos de soldagem podem ser classificados, segundo Chiaverini (1986), em:

processos por fuso e processos de presso, Okumura e Taniguchi (1982)acrescentam o processo de brasagem e Messler (1999) prope uma classificao

baseada na diviso entre processos com presso e os sem presso, incluindo neste

ltimo a soldagem a laser. A Figura 5 apresenta os principais processos de

soldagem, sendo identificado o utilizado no presente trabalho: processo MIG/MAG.

A regio da solda obtida pelo processo MIG/MAG possui trs regies distintas,

apresentadas na Figura 1, sendo que a trinca se inicia geralmente no p ou na raiz

da solda, regio esta pertencente ZAC.


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26

Figura 5 Processos de Soldagem Adaptado de Messler (1999)

3.2.1 Metalurgia na ZAC

As propriedades da ZAC so afetadas pelo tipo de estrutura formada e pelos ciclos

trmicos que ocorrem durante a soldagem. Os fatores de maior importncia que

provocam mudanas na microestrutura, afetando as propriedades da zona da solda,

so: a mxima temperatura atingida no aquecimento e a velocidade de resfriamento

no intervalo compreendido entre 800C e 500C. Segundo Okumura e Taniguchi

(1982), conforme a velocidade de resfriamento possvel ocorrer as seguintes

mudanas na seqncia apresentada:

Martensita Bainita acicular Bainita em forma de placas ferrita+perlita

(M) (F+P)

Durante um ciclo trmico, o tempo de resfriamento, em uma determinada faixa de

temperatura, influi muito no desempenho da junta soldada, principalmente no que se

refere s fraturas. A partir das curvas de ciclo trmico para todos os pontos ao longo


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27

da junta possvel obter as temperaturas mximas, atingidas em funo das

distncias ao centro da solda, esta funo chama-se repartio trmica e atravs

dela que percebe-se a relao entre a microestrutura da ZAC e a distncia ao centro

da solda. A Figura 6 apresenta as subdivises da ZAC formadas em funo do

gradiente de temperatura gerado pelo processo de soldagem monopasse.

Figura 6 Regies da ZAC de uma soldagem monopasse (NASCIMENTO, 2004)

Segundo Nascimento (2004), a ZAC pode ser subdividida nas seguintes regies:

Regio de Crescimento de Gro; Regio de Refino de Gro; Regio Intercrtica

(tambm conhecida como parcialmente transformada) e Regio Subcrtica (tambmconhecida como regio de esferoidizao de carbonetos).

3.2.2 Defeitos na solda

A soldagem um mtodo que requer um bom conhecimento e exige boa habilidadedo soldador, quando realizada manualmente. Em funo do mtodo e do prprio


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processo de soldagem, a solda apresenta diversos defeitos, alguns visveis e outros

mais difceis de serem detectados. Dentre os defeitos principais da solda, pode-se

citar, segundo Gustafsson e Saarinen (2007):

Entalhes so criados durante o processo de soldagem quando o metal base

fundido, formando um pequeno desnvel no p da solda, como apresentado

na Figura 7;

Penetrao incompleta ocorre quando a espessura da solda inferior

espessura calculada em projeto, diminuindo a resistncia da junta. Tambm

ocorre quando a profundidade da solda no metal base insuficiente para

garantir a resistncia da junta;

Falha na fuso uma rea onde o material da solda e o metal base no so

suficientemente unidos. Esta falha depende do equipamento de soldagem ou

do prprio soldador, quando realizada a mo.

Porosidade A porosidade numa solda ocorre quando gases ficam presos na

solda durante o processo de soldagem (Figura 8). Os gases presentes no

metal so alterados com a temperatura e podem criar as porosidades quando

a solda resfriada. Alguns mtodos de soldagem possuem gases de proteo

e a alterao no fluxo dos mesmos tambm pode ocasionar o defeito deporosidade.

Incio e fim da solda Este tipo de defeito ocorre quando o incio da solda

sobreposto pelo final da solda. Os pontos de incio e trmino da solda

possuem alta concentrao de tenses e quando so sobrepostos essa

concentrao aumenta, podendo ocasionar numa diminuio da vida fadiga

devido ao incio da trinca se iniciar neste ponto.

Figura 7 O defeito de entalhe numa junta T


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29

Figura 8 O defeito de porosidade numa junta a topo

Os defeitos de soldagem contribuem negativamente para a vida fadiga da junta,

que para ser analisada depende da tenso atuante na junta e das tenses residuais

oriundas do processo de soldagem.

3.3 TENSO E TENSO RESIDUAL

Para entender o fenmeno da fadiga essencial entender as componentes de um

estado de tenso. Segundo Zahavi (1992), tenso a fora interna por unidade de

rea de um corpo reagindo contra um carregamento aplicado. O diagrama de corpo

livre apresentado na Figura 9 mostra as diversas foras que atuam em cada face do

cubo.

Figura 9 Diagrama de corpo livre (BORESI; SCHMIDT e SIDEBOTTOM, 1993)

Para o corpo em equilbrio, tem-se o seguinte tensor de tenses (equao 1).


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30

=

zzyzxz

yzyyxy

xzxyxx

(1)

Onde possvel observar que so necessrias seis componentes de tenso para

descrever o estado de tenses de um ponto num determinado corpo.

As tenses num plano oblquo do sistema cartesiano, apresentadas na Figura 10,

so obtidas atravs das equaes de 2 a 5 e a resultante das tenses cisalhantes

neste mesmo ponto, atravs da equao 6 (TIMOSHENKO e GOODIER, 1982).

Figura 10 Tenses agindo em um plano do sistema de coordenadas

=

sin0cos

cossincossinsin

coscossinsincos

333231

232221

131211

aaa

aaa

aaa

(2)

)(2 213131112111

2

31

2

21

2

11'

aaaaaaaaa

yzxzxy

zyxx

+++++=

(3)

)(

)()(

32111231

2231322112212211

323122211211''

aaaa

aaaaaaaa

aaaaaa

zx

yzxy

zyxyx

++

++++

++=

(4)


32/100

31

)(

)()(

33111331

2331332113212311

333123211311''

aaaa

aaaaaaaa

aaaaaa

zx

yzxy

zyxzx

++

++++

++=

(5)

2

''

2

''' zxyx += (6)

Conhecendo as tenses x , y e xy possvel determinar as tenses principais

em um determinado ponto de um plano. A tenso mxima principal obtida atravs

da equao 7, assim como a mnima atravs da equao 8 e o ngulo entre a

tenso mxima principal e o eixo x pela equao 9.

2

2

122

xy

yxyx

+

+

+= = (7)

2

2

2

22

xy

yxyx

+

+=

2

+= (8)

02sin

22tan

x

=

xy

y

xy

(9)

Aps uma breve introduo sobre tenses possvel definir tenso residual, que

segundo Masubushi (1980), so as tenses que podem existir num corpo se todas

as cargas externas forem removidas. Podem ocorrer quando um corpo sujeito amudanas bruscas e no uniformes de temperatura, conhecidas como tenses

trmicas, devido a transformaes de fase ou efeitos mecnicos que resultem em

deformaes plsticas.

As tenses residuais na soldagem podem ser divididas em trs modelos:

Tenses de restrio - so caracterizadas pelo processo ao qual o metal base

submetido, ou seja, o metal aquecido e resfriado em seguida, causando

expanses trmicas e contraes do material. Como estes efeitos sorestringidos pelas regies frias adjacentes, h a produo de tenses de


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32

soldagem. Por outro lado, o limite de escoamento do metal baixa com o aumento

de temperatura (conforme Figura 11), como resultado, o metal deformado

plasticamente na zona de soldagem. Segundo Okumura e Taniguchi (1982), esta

deformao permanecer parcialmente, aps se completar a soldagem, e entrar

em equilbrio elstico com a zona adjacente, produzindo-se ento as tenses

residuais.

Figura 11 Variao do limite de escoamento, do mdulo de elasticidade e do coeficiente deexpanso trmica de aos com a temperatura (OKUMURA e TANIGUCHI, 1982)

Tenses microestruturais o tipo de transformao microestrutural e o tempo em

que ocorre a mesma so de fundamental importncia para este tipo de tenso

residual.

Tenses de espessura o gradiente de resfriamento ao longo da espessura da

chapa influencia diretamente a produo de tenses residuais.

Ainda segundo Okumura e Taniguchi (1982), as tenses residuais podem ser

divididas, geralmente, em dois grupos: as de vnculos internos e as de externos. Aprimeira so tenses auto-equilibradas, geradas pelo aquecimento e resfriamento

local de um membro estrutural no vinculado externamente e a segunda so

tenses residuais geradas pela ao restritiva de vnculos externos. A Figura 12 e a

Figura 13 apresentam exemplos tpicos desta diviso.


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33

Figura 12 Distribuio de tenses residuais devidas a vnculos internos em juntas soldadas a topo(OKUMURA e TANIGUCHI, 1982)

Figura 13 Distribuio de tenses residuais devidas a vnculos externos em juntas soldadas a topo(OKUMURA e TANIGUCHI, 1982)

A Figura 14 sintetiza a relao entre as distores (empenamentos) e a tenso

residual trativa na ZAC de uma chapa de ao soldada, onde pode-se prever os tipos

de problemas incorrentes, ainda na fase de projeto.

Percebe-se que as tenses residuais trativas sofrem aumento com uma maior

rigidez, espessura, mdulo de elasticidade e tenso de escoamento da chapa, em

contrapartida, o aumento de distores provocado quando as mesmas

propriedades anteriores so reduzidas. Com o cordo de solda ocorre o inverso, ao

aument-lo tem-se o aumento das distores e ao diminu-lo aumenta-se as tenses

residuais trativas.


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34

Figura 14 Relao entre as tenses residuais trativas e as distores de uma chapa soldada(Adaptado de NITSCHKE-PAGEL, 2006)

As tenses residuais podem ser obtidas atravs do MEF ou medidas

experimentalmente, onde pode ser citado difrao de raios-X, ultra-som e os

mecnicos, como por exemplo, o de extensometria eltrica, conhecido como furo

cego.

Para uma abordagem mais detalhada do mtodo de difrao de raios-X, vide norma

SAEJ784a (1971) e os trabalhos de Silva (2005), Noyan e Cohen (1987) e SAE72-

0242 (1972), j o mtodo de ultra-som descrito por Tanala et al (1995) e o de furo-

cego pela norma ASTM 837-95 (1995) e pelos trabalhos de Gomes (1990) e Grant et

al (2002).

3.3.1 Concentrao de tenses

Solda e detalhes soldados contm reas de alta concentrao de tenses. Juntas

soldadas transferem foras de um elemento para outro atravs da prpria solda,

conforme apresentado na Figura 15. Esta mudana de direo e conseqentemente

da rea resulta em concentrao de tenso. A geometria da junta tambm contribui

no fluxo de tenso, como pode ser observado na Figura 15a para uma junta do tipoT e na Figura 15b para uma junta a topo.


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(a) (b)

Figura 15 Concentrao de tenses numa junta do tipo T (a) e numa junta a topo (b)

A trinca de fadiga inicia-se na regio com alta concentrao de tenses. Na junta

soldada, devido a seu perfil, h a ocorrncia de concentrao de tenses

geomtrica, onde o fluxo no elemento ou no detalhe perturbado pela mudana na

geometria e, em alguns casos, na rigidez da junta.

O projeto da junta tem papel fundamental para minimizar a concentrao de tenses,

podendo assim melhorar a vida fadiga da junta soldada.

3.3.2 Tenses em Fadiga

As tenses utilizadas na anlise de fadiga so oriundas de carregamentos, peso

morto, vento, neve, onda, acelerao, vibraes, etc.

Segundo Niemi (1995), na anlise de fadiga em juntas soldadas so utilizadas as

seguintes categorias de tenses:

Tenso nominal Tenso estrutural (hot spot)

Tenso de entalhe (notch)

A escolha da categoria de tenso depende do mtodo utilizado para expressar os

dados de vida fadiga.

A tenso nominal (nom) geralmente calculada utilizando frmulas simples, como a

abaixo:

yI

M

A

Fnom +=

(10)


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36

Um exemplo de tenso nominal numa viga de acordo com a equao 10

apresentado na Figura 16.

Figura 16 Exemplo de tenso nominal numa viga (NIEMI, 1995)

A tenso estrutural ( s ) difere-se da nominal por considerar as descontinuidades da

estrutura. Este tipo de tenso linearmente distribuda atravs da espessura da

placa e composta de duas partes: tenso de membrana ( m ) e tenso de flexo

( b ), conforme ilustrado na Figura 17. A tenso de membrana a tenso mdia

atravs da espessura da placa enquanto que a tenso de flexo a metade da

diferena entre a tenso na superfcie superior e a da superfcie inferior.

Figura 17 Tenso estrutural numa placa, composta pelas tenses de membrana e de flexo (NIEMI,1995)

A tenso de hot spot( hs ) refere-se a tenso estrutural no ponto crtico da estrutura,

onde espera-se que a falha por fadiga ocorra devido descontinuidade gerada pelo

prprio processo de soldagem. Geralmente o hot spot localizado no p da solda,

no incluindo o pico de tenso no linear causado pelo entalhe, conforme

apresentado na Figura 18.

Solda


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37

Figura 18 Tenso de hot spot(NIEMI, 1995)

As distncias x1e x2so utilizadas para obter as tenses de referncia, que sero

extrapoladas para obteno da tenso de hot spot.

A tenso de entalhe ( ln ) a tenso total localizada na regio de maior

concentrao de tenses, como por exemplo, no p da solda, como ilustrado na

Figura 19. Esta tenso composta por trs tenses: membrana, flexo e pico no

linear ( nlp ). A primeira calculada atravs da espessura da placa, a segunda pela

metade da diferena entre as tenses estruturais da superfcie superior e da inferiore a ltima calculada atravs da tenso mxima na parte no linear de uma

distribuio de tenses, geralmente atravs da espessura da placa, causada pelo

entalhe.

Figura 19 Tenso de entalhe (notch) no p da solda, composta pelas tenses de membrana, deflexo e pelo pico de tenso no linear (NIEMI, 1995)

Obter a tenso atuante numa junta soldada imprescindivel para o clculo da vida

fadiga da junta. A tenso pode ser obtida experimentalmente ou analiticamente,

neste ltimo caso o mtodo dos elementos finitos (MEF) uma excelente ferramenta

para auxlio, principalmente quando a geometria analisada complexa.

x1= 0.4tx2= 1.0t


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38

3.4 MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)

Segundo Camaro (1994), o MEF pode ser definido como um procedimento

numrico capaz de aproximar e resolver as equaes que governam o

comportamento de qualquer sistema fsico contnuo, atravs de sua discretizao

em sub-regies chamadas elementos. O princpio do MEF se baseia em mtodos

matemticos, como o de Rayleigh-Ritz do clculo variacional (ZIENKIEWICZ, 1973),

teoremas de energia e teoria da elasticidade, dentre outras. aplicado na soluo

aproximada de diversos problemas de engenharia, tais como:

Transferncia de calor; Mecnica dos slidos ou estrutural;

Mecnica dos fluidos.

Em Anlise Estrutural de regime permanente, a relao entre fora e deslocamento

no slido discretizado dada pela equao 11:

{ } { }FuK =][ (11)

O modelo de Elementos Finitos uma representao geomtrica da estrutura fsica

real ou do corpo que est sendo analisado. Este modelo construdo pela diviso do

corpo em um nmero discreto de clulas, chamadas elementos e constitudos por

ns. A ordem da matriz de rigidez ([K]) apresentada na equao 11 depende da

quantidade destes elementos (ZAHAVI, 1992).

Existem vrios tipos de elementos que so aplicados de acordo com a geometria do

modelo e o tipo de anlise, ou seja:

Linha, em estrutura de barras;

rea (triangular ou quadrangular), em chapas, placas e estruturas slidas

planas ou axissimtricas;

Tridimensionais slidos (hexaedro ou tetraedro), em peas forjadas barras,

blocos e flanges e em fundidos, como carcaas, vasos de presso e corpos

de vlvulas, por exemplo.

A Figura 20 apresenta diversos tipos de elementos em 1D, 2D e em 3D.


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39

Figura 20 Elementos em 1D, 2D e 3D, com ns.

Os ns e elementos podem ser brevemente descritos como abaixo: NS

- variveis nodais soluo calculada nos ns de cada elemento

- o nmero de variveis nodais em cada n caracterstica do tipo de elemento

ELEMENTO

- estabelece o comportamento das variveis nodais

- a ligao entre os elementos se d atravs dos ns comuns

Estes elementos so governados por uma equao linear ou no-linear,

dependendo do seu comportamento na estrutura ou no sistema fsico.

A integrao do comportamento de cada elemento resulta na determinao da

resposta da estrutura solicitao externa.

Obter esses resultados manualmente, atravs de clculo diferencial, torna-se uma

tarefa rdua e que demanda um considervel tempo, neste nterim pode ser

mencionado um importante aliado: os programas de Elementos Finitos.

Existem no mercado diversos programas de MEF, como por exemplo: Abaqus,

ANSYS, Adina, Cosmos, Algor e Nastran, que a cada ano so aperfeioados com o

intuito de diminuir o tempo de processamento dos clculos.

No prximo item so apresentados os principais passos necessrios para uma

anlise por Elementos Finitos.


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3.4.1 Passos na anlise por Elementos Finitos

SegundoCamaro (1994), a anlise por elementos finitos normalmente compreende

trs passos, que seguem:

I - Pr-processamento- consiste na criao do modelo pelo usurio, que envolve:

a) Definio da geometria, ns e elementos.

b) Especificao das propriedades dos materiais, carregamentos e condies de

contorno.

II - Soluo da anlise pelo programa de MEF:

a) Formulao das equaes que descrevem o fenmeno.

b) Soluo destas equaes.

c) Clculo dos resultados (temperatura, deslocamento, tenses e reaes de apoio,

por exemplo), nos ns e elementos.

III - Ps-processamento.Anlise de resultados pela criao de grficos ou visualizao da deformao e

distribuio de tenses, deslocamentos ou temperaturas no modelo. Ou seja, o

comportamento do modelo poder ser investigado de acordo com a necessidade do

usurio.

Uma descrio mais detalhada dos procedimentos e tcnicas aplicados ao MEF

pode ser obtida atravs dos trabalhos de Zienkiewicz (1973), Bathe (1982) eSegerlind (1984).

3.4.2 Anlise das tenses na junta soldada utilizando o MEF

O clculo da distribuio de tenses em juntas soldadas depende basicamente da

geometria do cordo, fator de concentrao de tenses, esforos externos e

comportamento elstico ou plstico do material. O mtodo clssico para se calcular


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41

as tenses nominais num filete de solda requer a determinao do carregamento por

unidade de comprimento, transmitido atravs da solda. Este carregamento

usualmente composto por trs componentes, ou seja, normal, cisalhante e de flexo.

Este clculo pode ser feito por diversos mtodos, o mais simples e comum se

obter as propriedades da seo, tratando-se o cordo de solda como uma linha.

Considerando a solda como uma viga fletida possvel obter o momento, o

carregamento axial e cisalhante e a tenso na junta soldada. Este mtodo clssico

no prtico para tratar geometrias complexas, tais como cordes espaciais (3D) e

no considera os efeitos de concentrao de tenses devido a transies

geomtricas e a prpria geometria do cordo. Visando reduzir tempo e aumentar a

confiabilidade na determinao das tenses em juntas soldadas, a aplicao doMEF tem sido crescente, combinando-se com curvas experimentais de fadiga de

juntas soldadas. A preciso dos resultados numricos depende de diversos

aspectos, como a escolha do tipo de elemento, as condies de contorno e o

modelamento da junta soldada (IIW, 1995).

Aps obter a tenso atuante possvel realizar a anlise de fadiga na estrutura.

3.5 ANLISE DE FADIGA

Obter a tenso cclica atuante de suma importncia para calcular a vida fadiga

do material. Esta tenso pode ser obtida experimentalmente ou analiticamente,

sendo esta ltima possvel atravs de frmulas simples ou do MEF, como discorrido

no captulo anterior.Para entender melhor o fenmeno de fadiga, preciso conhecer primeiro seu

significado que, segundo Bannantine; Comer e Handrock (1990) um processo que

causa falha prematura ou dano de um componente sujeito a um carregamento

cclico. O processo ocorre pela iniciao e propagao de trincas, e em geral, a

superfcie da fratura perpendicular direo da tenso principal de trao

aplicada.

Desde 1850 diversos pesquisadores tm estudado a fadiga dos metais, dentre os

quais pode-se citar: August Whler, Bauschinger, Ewing, Humphrey, Jenkin, Griffith,


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42

Moore, Kommers, Coffin, Manson e Irwin (BANNANTINE; COMER; HANDROCK,

1990).

A Figura 21 resume os diversos efeitos de aumento da tenso, as categorias de

tenso e as abordagens de fadiga utilizadas (a abordagem por fratura mecnica foi

excluda).

Figura 21 Uma viso geral da anlise de tenso em fadiga (Adaptado de Niemi, 1995)

Para a anlise de vida fadiga necessrio submeter o componente ou amostra a

uma tenso cclica, sendo que para isto utilizado algum dispositivo. A mquina de

teste de flexo rotativa, de R. R. Moore, que se baseia na metodologia de Whler o

dispositivo para teste de fadiga mais empregado. Esta mquina submete o corpo de

prova flexo pura (sem cisalhamento) por meio de pesos.

O mecanismo da fadiga compreende as seguintes fases sucessivas: nucleao ou

iniciao da fissura de fadiga, propagao dessa fissura e ruptura final (BRANCO;

FERNANDES; CASTRO, 1986).

Os seguintes mtodos so utilizados para prever a vida em fadiga:

Tenso-Vida

Deformao-Vida

Mecnica da Fratura

No presente trabalho, ser abordado apenas o primeiro mtodo, ou seja, tenso-

vida, pois a falha de juntas soldadas ocorre em grandes ciclos, no sendo, portanto,

fadiga de baixo ciclo.


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3.5.1 Mtodo Tenso-Vida

O mtodo de Tenso-Vida, tambm conhecido como S-N, foi a primeira aproximao

utilizada para entender e quantificar a fadiga nos metais. O mtodo baseia-se nas

premissas de Whler ou no diagrama S-N, que elaborado pela tenso alternada

(S) versusa quantidade de ciclos at ocorrer a falha (N) (BANNANTINE; COMER;

HANDROCK, 1990).

Ao trabalhar com a tenso alternada, utiliza-se as relaes que seguem:

minmax = (12)

2

minmax

=a (13)

2

minmax +

=m (14)

max

min

=R (15)

m

amA

= (16)

A Figura 22 apresenta as relaes acima descritas. Os valores deRe Am, para os

carregamentos mais comuns, so apresentados abaixo:

Completamente reverso: R= -1 Am=

Zero ao mximo: R= 0 Am= 1

Zero ao mnimo: R= Am= -1


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Figura 22 Terminologia da tenso alternada.

Os resultados do ensaio de fadiga podem ser lanados num diagrama mestre,

conforme exemplifica a Figura 23.

Figura 23 Diagrama mestre para o ao AISI4340 (BANNANTINE; COMER; HANDROCK, 1990)

Os testes requeridos para gerar o diagrama mestre so relativamente caros, por isso

algumas relaes empricas foram desenvolvidas para gerar a regio da vida infinita.

As relaes de Soderberg (EUA, 1930), Goodman (Inglaterra, 1899), Gerber

(Alemanha, 1874) e Morrow (EUA) so apresentadas nas equaes 17, 18, 19 e 20,respectivamente. A Figura 24 apresenta um comparativo entre estas relaes.


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1=+y

m

e

a

SS

Soderberg (17)

1=+u

m

e

a

SS

Goodmann (18)

1

2

=

+

u

m

e

a

SS

Gerber (19)

1=+f

m

e

a

S Morrow (20)

Figura 24 Comparativo entre as equaes da tenso mdia (a-Soderberg, b-Goodman, c-Gerber, d-

Morrow)

As seguintes afirmaes podem ser consideradas para a tenso mdia:

O mtodo de Soderberg muito conservador e raramente utilizado;

Os atuais testes de fadiga tendem a falhar entre as curvas de Goodman e

Gerber;

Para aos de alta dureza as curvas de Morrow e Goodman so

essencialmente as mesmas. Para aos dcteis (f>Su) a curva de Morrow

menos sensvel para a tenso mdia;


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46

A Figura 25 apresenta uma curva S-N generalizada.

Figura 25 Curva S-N generalizada

3.5.2 Anlise de Fadiga pela abordagem de tensohot spot

Nesta abordagem a resistncia fadiga expressa como uma curva S x N,

geralmente baseada na medida da tenso prxima ao ponto de incio da trinca na

amostra, o que contrasta com a abordagem pela tenso nominal, que baseada na

resistncia fadiga em condies de tenso nominal, calculada, por exemplo,

atravs da equao 10.

Geralmente utilizada em juntas cujo p da solda est orientado transversalmente

componente de tenso cclica. Esta abordagem no adequada para juntas cuja

trinca seja oriunda de defeitos ou da raiz da solda, tendo, portanto sua aplicao

voltada para trincas no p da solda.

Uma vantagem da abordagem por tenso hot spot a possibilidade de prever a vida

fadiga de diversos tipos de configurao de juntas utilizando apenas uma curva S

x N. Adicionalmente curvas S x N podem ser necessrias com a variao do tipo de

solda, a espessura efetiva da solda ou os efeitos do meio ao qual a junta esta

submetida.

A tenso hot spot determinada experimentalmente atravs de testes laboratoriais,

utilizando extensmetros (strain gauges) e extrapolando o valor da tenso para oponto crtico, desconsiderando a tenso no linear, conforme ilustrado na Figura 26.


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Figura 26 Medio da tenso de hot spotatravs da extrapolao da tenso (adaptado de NIEMI,1995)

Importante salientar que o extensmetro deve ser colocado numa distncia

suficiente do p da solda para que os efeitos da tenso no linear no afetem a

medio.

possvel obter a tenso de hot spotatravs das anlises descritas abaixo:

- calcular a tenso nominal e multiplic-la pelo fator de concentrao de tenso (Ks),

para uma apropriada descontinuidade estrutural;

- faixas de deformao so medidas atravs de testes, conforme apresentado na

Figura 26;

- tenses e deformaes so analisadas atravs do MEF utilizando elementos de

casca ou slidos.

Quando a tenso obtida atravs do MEF, os resultados j incluem os efeitos

biaxiais.

De acordo com a definio de tenso estrutural, a tenso de hot spot linearmente

distribuda na direo da espessura, consistindo de uma componente de membrana

e de uma componente de flexo, sendo que uma desvantagem deste mtodo considerar a tenso de superfcie, no havendo uma distino entre os efeitos da

tenso de membrana e a de flexo na propagao da trinca.


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3.5.3 Fadiga Multiaxial

Em diversas aplicaes, componentes so sujeitos a um complexo estado de tenso

e deformao, que combina carregamento de flexo e de toro, ocorrendo

freqentemente em descontinuidades geomtricas. Este complexo estado de

tenses caracterizado pela no proporcionalidade entre as trs tenses principais

ou pela alterao na direo das tenses principais durante o ciclo de carregamento.

Segundo Bannantine; Comer e Handrock (1990), a fadiga sob essas condies

chamada de Fadiga Multiaxial, sendo esta uma importante considerao de projeto

para uma operao segura e para a otimizao de diversos componentes emengenharia.

Na anlise da Fadiga Multiaxial, alm de ser considerada a tenso e a deformao,

necessrio obter o estado de tenso/deformao como uma funo da

periodicidade de aplicao.

So diversas as abordagens que envolvem a teoria da fadiga multiaxial, que podem

ser divididas, segundo Gustafsson e Saarinen (2007) em cinco grupos:

Modelos baseados em tenso; Modelos baseados em deformao;

Modelos baseados em energia;

Modelos de fratura mecnica;

Mtodos para componentes soldados.

Cada grupo engloba ainda diversas metodologias de anlise.

Segundo Gustafsson e Saarinen (2007), para os modelos baseados em tensopode-se citar a tenso equivalente emprica (frmulas de Gough e Lee), a tenso

constante (Sines), a tenso mdia (Papadopoulos, F Morel) e o plano crtico

(Findley, McDiarmid, Dang Van e Susmel & Lazzarin).

Os modelos baseados em deformao so relacionados com o plano crtico e foram

estudados por: Brown, Miller, Lohr, Ellison, Socie, Fatemi e Smith, dentre outros

(Gustafsson; Saarinen, 2007).

Os modelos baseados em energia so subdivididos em energia elstica, energiaplstica e na somatria entre plstica e elstica. O mtodo de Garud pode ser citado


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para energia plstica e o de Ellyin para a somatria entre plstica e elstica

(Gustafsson; Saarinen, 2007).

A fratura mecnica tem seu modelo baseado na anlise do crescimento de micro

trincas freqentemente ligada umas as outras formando uma trinca maior que

ocasiona a falha. Este modelo baseado na lei Paris.

O presente trabalho analisa a fadiga sob um aspecto de carregamento combinado e

no como uma anlise multiaxial, abordando este tema apenas com uma breve

reviso descrita acima. Para um maior aprofundamento em fadiga multiaxial,

consultar o trabalho de Gustafsson e Saarinen (2007) que revisaram os modelos de

fadiga multiaxial em juntas soldadas.

3.6 TCNICAS DE MELHORIA DA RESISTNCIA FADIGA EM JUNTAS

SOLDADAS

Diversos mtodos podem ser utilizados para melhorar a resistncia fadiga de uma

junta soldada, dentre os quais, pode-se citar: Preparao TIG ou Plasma onde feita uma passagem superficial destes

processos de soldagem com o intuito de reduzir ou remover concentraes de

tenso e defeitos;

Reduo da concentrao de tenses atravs da modificao do projeto da

junta ou pela melhoria do acabamento da mesma;

Introduo de tenses residuais compressivas podendo ser obtida atravs

de martelamento superficial, onde o cordo de solda martelado atravs deum equipamento pneumtico (BRANCO; FERNANDES; CASTRO, 1986);

sobrecarga, onde a regio soldada submetida a cargas superiores de

escoamento, plastificando assim o material; compresso localizada, onde

pode-se citar o processo de jateamento por granalhas;

Revestimentos como a pintura epoxy e a metlica, onde o princpio excluir

a interao com o meio ambiente;

A Figura 27 apresenta um comparativo entre os diversos meios para aumentar a

vida em fadiga de juntas soldadas.


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Figura 27 Comparao da resistncia fadiga em juntas de canto de base metlica, R = 0(BRANCO; FERNANDES; CASTRO, 1986)

3.7 NORMAS DE FADIGA PARA JUNTAS SOLDADAS

A vida em fadiga calculada atravs de curvas S x N padronizadas por diversasnormas, como, por exemplo, a BS7608 (1993). Essa norma baseada em ensaios

de fadiga realizados em diversos tipos de juntas soldadas, sendo a tenso nominal

calculada atravs da teoria de elasticidade e considerando os efeitos da tenso

axial, fletora e cisalhante. Tenses residuais nos detalhes da solda no so

consideradas nesta norma, mas esto implcitas nos ensaios realizados. Esta norma

recomenda que seja utilizada a tenso hot spot para juntas de seo tubular,

mencionando que o valor da mesma inferior ao pico de tenso, massuficientemente consistente para definir a faixa de tenso a ser utilizada.

A norma BS7608 (1993) segue as classes de juntas propostas na BS153 (1972),

conforme resumido na Figura 28.


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Figura 28 Tipos de juntas soldadas, conforme BS153 (1972)

Para cada classe de junta, a relao entre a tenso, S, e o nmero de ciclos at a

falha, N, sob condies de carregamento com amplitude constante descrito na

equao abaixo:

SmdCN log/loglog 0 = (21)

Os valores relevantes para os termos descritos, so apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 Constantes para curvas S x N bsicas.

Classe C0

C0

m

Desvio Padro,

CdS0(N = 10

7

ciclos) MPaLog10 Loge Log10 Loge

B 2.343 x 1015

15.3697 35.3900 4.0 0.1821 0.4194 1.01 x 1015

100

C 1.082 x 1014 14.0342 32.3153 3.5 0.2141 0.4700 4.23 x 1015 78

D 3.988 x 1012 12.6007 29.0144 3.0 0.2095 0.4824 1.52 x 1015 53

E 3.289 x 1012

12.5169 28.8216 3.0 0.2509 0.5777 1.04 x 1015

47

F 1.726 x 1012 12.2370 28.1770 3.0 0.2183 0.5027 0.63 x 1015 40

F2 1.231 x 1012

12.0900 27.8387 3.0 0.2279 0.5248 0.43 x 1015

35

G 0.566 x 1012 11.7525 27.0614 3.0 0.1793 0.4129 0.25 x 1015 29

W 0.368 x 1012 11.5662 26.6324 3.0 0.1846 0.4251 0.16 x 1015 25

S 2.13 x 1023 23.3284 53.7156 8.0 0.5045 1.1617 2.08 x 1015 82

T 4.577 x 1012

12.6606 29.1520 3.0 0.2484 0.5720 1.46 x 1015

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Estes valores so aplicveis aos aos cobertos pela norma BS7608 (1993),

utilizando a equao 22.

dCCd = 0loglog (22)

Onde a equao 21 pode ser reescrita como:

d

m CNS log= (23)

A Figura 29 apresenta as curvas de fadiga para as diversas classes de juntas, ondepara o presente trabalho foi utilizada a junta classe F.

Figura 29 Curvas S x N, em funo do tipo de junta, propostas pela BS7608 (1993) Legenda

conforme figura 28.

A norma Eurocode 3 (2005) tambm trata da resistncia fadiga de juntas soldadas

quando estas esto sujeitas a carregamentos cclicos.

A tenso utilizada a nominal e dentre os tipos de juntas propostos pela norma, aclasse 90 a que mais se aproxima da amostra testada no presente trabalho. A


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Figura 30 apresenta algumas das classes propostas para juntas cruciformes e T,

segundo a norma Eurocode 3 (2005), para estas classes a tenso proposta a

nominal.

Figura 30 Classes de juntas cruciforme e T propostas pela norma Eurocode 3

A norma Eurocode 3 (2005) tambm prope a utilizao da tenso hot spot para a

anlise da resistncia fadiga para alguns tipos de juntas, condicionado ao incio da

trinca no p da solda. A Figura 31 apresenta a classe 90, tipo de junta esta que mais

se aproxima estudada no presente trabalho.

Figura 31 Classe de junta avaliada pelo mtodo hot spotcom carregamento atravs da solda

A Figura 32 apresenta as curvas S x N para os diversos tipos de juntas propostas

pela norma Eurocode 3 (2005).


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Figura 32 Curvas S x N, em funo do tipo de junta, propostas pela Eurocode 3 (2005)

Fuchs e Stephens (1980) compararam a tenso necessria para que se atinja o

nmero de ciclos N = 2.106, dada as diferentes classificaes de juntas propostas

pela BS153 (1972), o resultado apresentado em forma de pareto na Figura 33.

Atravs de tal figura possvel concluir que o tipo de junta influencia diretamente na

resistncia fadiga.

Figura 33 Comparao da vida fadiga para as diferentes classificaes de juntas soldadas(Adaptado de FUCHS; STEPHENS, 1980)


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4 MATERIAIS E MTODOS

O desenvolvimento de um procedimento numrico-experimental para prever a vida

fadiga de uma junta soldada ir envolver: o projeto da junta, a anlise de tenses e a

resistncia fadiga, considerando o efeito das tenses residuais e fatores

geomtricos de concentrao de tenses, presentes nos testes realizados e nas

curvas de fadiga utilizadas.

Primeiramente foi feita a anlise virtual de tenses para melhor escolha da

geometria da amostra, sendo seguida da anlise de vida fadiga, que utilizou os

resultados do EF. Os testes experimentais foram ento realizados, calibrando assim

a curva utilizada.

A seguir sero apresentadas as principais metodologias adotadas neste trabalho.

4.1 AMOSTRAS

As amostras utilizadas no presente trabalho foram baseadas nos trabalhos de

Sonsino (1995, 1997, 2009), Gustafsson e Saarinen (2007) e Bckstrm (2003).

As amostras do tipo tublo-placa de seo retangular foram fabricadas utilizando

parte de um componente da indstria automobilstica (eixo diferencial) soldado a

uma placa de ao. As amostras foram gentilmente cedidas pela ArvinMeritor do

Brasil Sistemas Automotivos.

4.1.1 Geometria

Diversas foram as geometrias do tipo tubo-placa construdas virtualmente at chegar

ao projeto timo que apresentado na Figura 34.


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Figura 34 Geometria das amostras utilizadas

Dimensional da Junta Soldada

Aps a fabricao das amostras (duas ao total) foi realizado o dimensional da junta

soldada que apresentado na Tabela 3, cuja nomenclatura utilizada apresentada

na Figura 35.

Tabela 3 Dimensional da junta em mm

Dimenso Amostra 01 Amostra 02

A 12,10 10,80

B 11,30 10,10

C 7,70 8,60

D 3,30 2,00

E 1,20 1,00


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A Largura da solda B Altura da solda C Garganta da solda

D Penetrao da solda na base E Penetrao da solda no componente

Figura 35 Nomenclatura utilizada no dimensional da junta

4.1.2 Materiais

O material utilizado na confeco do tubo das amostras similar ao ao SAE1022micro ligado ao nibio, titnio e vandio, desenvolvido para conferir carbono

equivalente (CE) mximo de 0,50. Este ao comumente usado em carcaas

estampadas de eixos automotivos, com espessuras tpicas de 9.5, 12 e 16mm.

Optou-se por este material pela sua utilizao na indstria automotiva j ser

consagrada, por este material utilizar um processo de soldagem idntico ao

analisado neste trabalho e pela disponibilidade de material.

Anlise Qumica

A especificao qumica do material do tubo apresentada na Tabela 4, juntamente

com os valores encontrados na anlise qumica das amostras.

Tabela 4 Composio qumica do material do tubo (em %)

ELEMENTO C Mn Si P S Al Nb Ti N Ca

Especificado 0,23 1,60 0,50 0,035 0,010 0,055 0,060 0,040 0,010 0,005 0,12

Amostra 01 0,17 1,39 0,21 0,023 0,002 0,042 0,031 0,017 0,007 0,003 0,034


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O material SAE1518 foi utilizado na confeco do flange que, aps soldagem do

tubo, formou a junta tubo-placa utilizada no presente trabalho, tendo sua

especificao apresentada na Tabela 5 juntamente com os valores encontrados na

anlise qumica das amostras.

A anlise qumica dos materiais do tubo e do flange foi realizada pela empresa

PROAQT.

Tabela 5 Composio qumica do material do flange

ELEMENTO C Mn Si P S Al Cr Ni Cu Mo

Especificado 0,17 0,30 N/A 0,040MAX0,050MAX N/A N/A N/A N/A N/A

Amostra 01 0,176 1,173 0,234 0,013 0,005 0,031 0,016 0,011 0,007 0,001

Carbono Equivalente

Alm da composio qumica dos materiais a serem soldados, o teor de carbono

equivalente (CE) tambm influencia na soldabilidade do material, tal valor

calculado atravs da equao 24, onde o teor de cada elemento obtido atravs deanlise qumica do material utilizado.

1556

CuNiVMoCrMnCCE

++

++++= (24)

A amostra analisada apresentou teor de CE de 0,41.

Microestrutura

A caracterizao microestrutural dos materiais da junta soldada foi realizada

utilizando Nital 2%. Os corpos de prova para anlise foram retirados do tubo (metal

base), do flange, da solda e da ZAC na regio do tubo.

A Figura 36 apresenta a microestrutura do material do tubo onde possvel observar

a microestrutura composta de ferrita granular com perlita.


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Figura 36 Microestrutura do material do tubo com ampliao de 500x

A Figura 37 apresenta a microestrutura do flange composta por ferrita e perlita e a

Figura 38 a da solda, com estrutura predominantemente ferrtica. A microestrutura

da ZAC na regio do tubo apresentada na Figura 39, onde possvel observar a

presena de ferrita e perlita.

Figura 37 Microestrutura do material do flange com ampliao de 500x


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60

Figura 38 Microestrutura do material da solda com ampliao de 500x

Figura 39 Microestrutura da regio entre a solda e o material da ZAC do tubo com ampliao de100x


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Propriedades Mecnicas do Material

As propriedades monotnicas tpicas do metal base do tubo so apresentadas

abaixo:

E = 210 GPa

= 0,3

Sy= 350 MPa

Su= 530 MPa

Os valores de temperabilidade Jominy tpicos deste material, com base nesta

composio qumica so: J1/16 polegada = 42; J2/16 = 37; J3/16 =29 ; J4/16 = 21.

As amostras foram submetidas ao ensaio de dureza Brinell, cujo resultado

apresentado na Tabela 6.

Tabela 6 Dureza Brinell (HB) para as amostras 01 e 02

Amostra Tubo Flange Solda

01 191 161 217

02 187 143 217

O ensaio de dureza Knoop (500g) foi realizado para verificar a variao de dureza

na ZAC tanto do metal base do tubo quanto do flange. Em todas as amostras

ensaiadas foi utilizado Nital 2% para revelao da micrografia e ampliao de 50x.

A dureza Knoop foi transformada em dureza HRC e o resultado apresentado em

forma grfica.

A Figura 40a apresenta a micrografia com os pontos do ensaio de dureza Knoop

(500g) na ZAC do material do tubo (metal base) e a Figura 40b o grfico da

distribuio de dureza HRC ao longo da ZAC.


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(a)

(b)

Figura 40 Micrografia do ensaio de dureza Knoop (500g) e distribuio de dureza HRC ao longo daZAC (b) Material do tubo (metal base)

A Figura 41a apresenta a micrografia com os pontos do ensaio de dureza Knoop

(500g) para a ZAC na regio do flange da amostra 01 e a Figura 41b o grfico da

distribuio de dureza HRC ao longo da Z

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