JUNTAS ADESIVADAS EM AÇOS DE ALTA RESISTENCIA

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1 JUNTAS ADESIVADAS EM AÇOS DE ALTA RESISTENCIA Aluno: Guilherme Werner Castelo Branco Orientador: Ivani de S. Bott Co-Orientador: José Roberto M. d Almeida Introdução As vantagens oferecidas pelos adesivos estruturais são muitas. No entanto existe sempre a perspectiva da melhora contínua das propriedades das juntas unidas por adesão e da aplicação destes adesivos para atender as necessidades industriais. Uma das principais vantagens dos adesivos em geral é poder unir materiais similares e dissimilares sem deixar de fornecer rigidez às juntas. Mas, para que a resistência das juntas atendam as novas demandas, é preciso conhecer as propriedades do adesivo, o processo de cura durante o processo de colagem e levar em conta fatores que possam limitar a utilização da junta e/ou do adesivo, ou seja, as condições do ambiente. Tão importante quanto conhecer o adesivo, é a necessidade de se conhecer o aderente, isto é, a superfície na qual será aplicado o adesivo. A condição da superfície do aderente influencia diretamente a qualidade da união e durabilidade das juntas [1, 2]. No caso da produção da carroceria de automóveis, na qual são utilizadas chapas de aço cuja espessura pode variar entre 0,5 a 2,0 mm, pode-se utilizar a colagem para formar uma unidade que permita gerar o automóvel como um todo. Essa colagem (Adhesive Bonding) de aços é o objeto de estudo deste trabalho, o qual aborda a relação aderente/adesivo de forma a avaliar a resistência ao cisalhamento da junta em diversas condições de superfície do aderente, assim como avalia a influência da temperatura e da umidade. Métodos e Materiais Estão sendo estudadas juntas de dois aços da classe DP (Dual Phase), o DP600 e o DP780, cuja composição química está listada na Tabela 1, em três condições de superfície: lixamento com lixa de granulometria 100; atacados com Nital 2%; e lixados (lixa 100) e atacados. A Tabela 2 resume as condições das superfícies dos aderentes. Em todas as juntas foi usado o adesivo BETAMATE 73305GB. 1

2 Tabela 1. Composição Química dos Aços Duplex ( % em pêso) Aço C Mn Si Cr Ni Al Cu Ti V Nb DP DP TABELA 2 Condições da Superfície Superfície Condição 1 Lixamento com Lixa #100 2 Lixamento com Lixa #100 + Ataque com Reagente Nital 2% 3 Ataque com Reagente Nital 2% Metodologia Experimental para a Caracterização das Superfícies Aderentes Determinação da Rugosidade A rugosidade é um parâmetro de relevância significativa para a adesão. Isto ocorre porque existe uma correlação entre a rugosidade das superfícies e a resistência da junta. A rugosidade superficial apresenta-se como um parâmetro micro geométrico importante na busca de melhores desempenhos de processos e produtos, onde a rugosidade pode representar um fator fundamental do desempenho da junta adesiva. Para o teste de rugosidade, é importante saber que a linha média de medida é disposta paralelamente à direção geral do perfil, de modo que as áreas superiores e inferiores à linha média sejam iguais. As médias aritmética (Ra roughness arithmetic) e quadrática (Rq roughness quadratic) são medidas importantes, que ajudam a avaliar a rugosidade de uma superfície. A média aritmética é o parâmetro geralmente utilizado para medição de rugosidade, em que grandes picos e vales não são destacados com muita importância. Já na média quadrática, a detecção de picos e vales na superfície analisada é evidenciada, visto que o desvio envolve um termo quadrado, o que acentua as discrepâncias. Os dados de rugosidade obtidos para as amostras dos aços em estudo foram realizadas em um Microscópio óptico motorizado, que permite controlar os movimentos x-y-z do deslocamento da amostra, de modo que é possível obter representações da topografia da superfície em 3D. Neste caso, a rugosidade é medida pela reflexão da radiação eletromagnética, em que radiações de diferentes comprimentos de onda são refletidas de formas distintas, de acordo com a rugosidade da superfície avaliada. 2

3 Metodologia de preparo dos Corpos de Prova Ensaio de Cisalhamento das Juntas Foram usinadas 24 peças com dimensões 25 mm x 100 mm de cada substrato, conforme mostrado na Figura 1. A partir dessas peças foram fabricadas e ensaiadas 12 amostras do DP600 e 12 amostras do DP mm 25mm Figura 1 Geometria de dimensões dos substratos As juntas sobrepostas foram preparadas, posicionando duas peças (Figura 2a) com dimensões de 25 mm x 100 mm utilizando-se um gabarito (Figura 2b) com oito parafusos. A sobreposição foi mantida com uma distância de 1 mm uma da outra, distância esta preenchida com o adesivo BETAMATE 73305GB. Foi aplicado um torque igual (com a utilização de um torquímetro) para todos os oito parafusos do gabarito a fim de tornar a colagem a mais uniforme possível. A área de colagem foi demarcada por um quadrado de área 25 mm², medido com um paquímetro. (a) (b) Figura 2 Preparação da junta sobreposta (a), e gabarito utilizado (b) Ensaio de Tração do Adesivo Para a obtenção das amostras do adesivo BETAMATE 73305GB, foi necessário fabricar um molde de silicone. Este molde de silicone foi obtido utilizando uma caixa de papelão de fundo plano, na qual cinco 3

4 amostras de resina epoxi, com o formato do corpode prova, foram dispostas lado a lado. Sobre este arranjo espalhou-se a borracha de silicone. Após cura da borracha, o molde de silicone (Figura 3a) ficou pronto para a obtenção dos corpos de prova do adesivo (Figura 3b). (a) (b) Figura 3 - Molde de silicone (a) e corpo de prova obtido (b) a partir da aplicação e cura do adesivo BETAMATE 73305GB dentro das cavidades do molde de silicone. Resultados As imagens 3D, Figuras 4 e 5, foram geradas através de um Microscópio Óptico Axio Imager M2m, com resolução 1292 x 968 pixels, objetiva de 20x e uma câmera Axiocam MRc5. As imagens 3D foram construídas pela sobreposição de imagens com distâncias focais diferentes. Nessas imagens pode-se observar os picos e vales de cada amostra em sua respectiva condição. Lixamento com lixa #100. Ataque com Nital 2% Lixa #100 e ataque com Nital 2% Figura 4: Imagem e medidas da rugosidade da superfície do aço DP 600 Em cada amostra foram realizadas três medidas em regiões distintas, em pontos aleatórios e distantes uns dos outros, a fim de estimar-se a rugosidade nas superfícies; sendo então tirada uma média para dos valores obtidos. A superfície do aço DP600 mostrou uma maior rugosidade quando submetida somente 4

5 ao ataque químico, com uma média de 2,62 µm. Já o mesmo material submetido somente a lixa apresentou um valor de rugosidade de 2,21µm e quando lixado e atacado de 2,13 µm. Lixamento com lixa #100. Ataque com Nital 2% Lixa #100 e ataque com Nital 2% Figura 5: Imagem e medidas da rugosidade da superfície do aço DP780 A superfície do aço DP780 também se destacou em termos de rugosidade quando submetida ao ataque químico, apresentando uma média de 2,40 µm, enquanto a mesma somente lixada apresentou 2,26 µm e quando lixada e atacada 2,29 µm. Com esses dados, pode-se observar que quando submetidos ao lixamento com a lixa #100, tanto sozinha quanto combinada com o ataque químico, a amostra DP780 se mostrou mais rugosa que a DP600; enquanto que na presença do ataque somente, a amostra DP600 obteve uma rugosidade maior (Figura 6). No entanto, em termos de classificação de metrologia, esta diferença de rugosidade entre os dois aços não é relevante. Ambos possuem um grau de acabamento que se encaixa na classe de rugosidade N8 [3], classe que abrange rugosidades aritméticas de até 3,2 µm RA RQ RA RQ Rugosidade mµ Rugosidade mµ Lixa #100 NItal 2% Lixa #100+ Nital 2% Condição da superfície DP600 (a) 0.0 Lixa #100 NItal 2% Lixa #100+ Nital 2% Condição da superfície DP780 Figura 6: Rugosidade aritimética e quadrática das superfície dos aços DP600 (a) e DP780 (b) nas três condições estudadas (b) 5

6 Os ensaios de tração foram realizados com auxílio de um extensômetro; tendo sido geradas as curvas tensão-deformação tanto das 5 amostras do adesivo, como também das 24 juntas adesivadas. A partir dessas curvas foram obtidos valores das tensões e deformações máximas de cada junta e do adesivo. A Figura 7 mostra as curvas obtidas para as juntas e a Figura 8 para o adesivo. Figura 7. Gráficos tensão x deformação das juntas de aço coladas nas condições: (a) como recebidas; (b) lixadas com lixa 100; (c) atacadas com uma solução Nital 2%e (d) lixadas (lixa 100) e atacadas (Nital 2%). Quanto ao aço DP600, observa-se que as amostras na condição de como recebida apresentam tensão máxima média de aproximadamente 200 MPa e deformação máxima média de aproximadamente 0,04. Utilizando esses valores e essa condição como referencia, os valores encontrados para as demais condições foram analisados. Pode-se perceber que todas as condições apresentaram uma redução do valor da tensão máxima, sendo a que apresentou maior e menor redução, respectivamente, foram as condições lixada e atacada quimicamente. Quanto à deformação máxima, pode-se observar que as condições lixada e atacada e só atacada quimicamente apresentaram deformação máxima semelhante a condição de referencia ( como recebida ), enquanto a amostra condição de lixada apresentou uma deformação máxima menor. 6

7 Já para o aço DP780, as amostras na condição como recebida apresentam tensão máxima média de aproximadamente 215 MPa e deformação máxima média de aproximadamente 0,04. Utilizando esses valores e essa condição como referencia, os valores encontrados para as demais condições foram analisados. Pode-se observar que em todas as condições ocorreu uma redução do valor da tensão máxima média, sendo a que apresentou maior e menor redução, respectivamente, foram as condições atacada quimicamente e lixada e atacada. Quanto à deformação máxima média, observa-se que a amostra na condição lixada possuiu deformação máxima média semelhante a condição de referencia ( como recebida ), enquanto as demais possuíram deformação máxima média superior. A amostra que possuiu maior deformação máxima média foi a amostra na condição atacada quimicamente, aproximadamente, 0,07mm Corpo1 Corpo2 Corpo3 Corpo4 Corpo5 Tensão (MPa) ,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Deformação (mm) Figura 8: Gráfico tensão x deformação representando o comportamento de cada corpo de prova feito com o adesivo no molde supracitado. Molhabilidade A molhabilidade é avaliada pelo ângulo de contato do líquido com a superfície sólida e quanto maior for esse ângulo, melhor é a molhabilidade, i. é, mais o fluido molha se espalha sobre a amostra. Nos ensaios realizados foi avaliada a molhabilidade do adesivo em três (3) amostras por condição de superfície para cada aço, totalizando 24 amostras de dimensão 20 mm x 20 mm. Os ensaios de medida da molhabilidade foram realizados em uma lupa. O procedimento para medir os ângulos consistiu em capturar a imagem da gota de adesivo curado na superfície de interesse (Figura 9) 7

8 através de uma câmera acoplada ao equipamento. O ângulo de contato entre a amostra e a gota do adesivo foi medido manualmente. Figura 9 Imagem dos ângulos de contato. As medidas foram realizadas para cada lado da gota e o valor utilizado corresponde a média dos dois ângulos de contato para três (3) amostras de cada condição de superfície para cada aço, obtendo-se assim um resultado mais confiável. A Tabela 3 lista os ângulos de contato obtidos. Tabela 3 - Ângulos de contanto medidos. Amostra Medida DP 600A 29,04 DP 600L 23,89 DP 600LA 23,23 DP 600N 29,20 DP 780A 26,21 DP 780L 25,12 DP 780LA 24,93 DP 780N 27,05 Quanto ao aço DP600, pode-se observar que as amostras nas condições de como recebida e atacada com reagente nital 2% (Condição 3) apresentaram maiores ângulos de contato, enquanto as amostras nas condições lixada com lixa #100 e atacada com reagente nital 2% (Condição 2) e lixada com lixa #100 (Condição 1) apresentaram ângulos menores. Assim, comparativamente às condições iniciais de 8

9 como recebida percebe-se que as amostras nas condições 1 e 2 se espalharam mais na superfície metálica, conforme mostrado na Tabela 3. A partir dos valores presentes na Tabela 3 referentes ao aço DP780, pode-se perceber que as amostras na condição 1 e 2 possuíram resultados semelhantes dos ângulos de contato. Já as amostras nas condições como recebida e 3 apresentaram valores maiores em relação as condições citadas anteriormente. Assim, observa-se que as amostras nas condições 1 e 2 se espalharam mais na superfície metálica, conforme mostrado na Tabela 3. Influência de Umidade e Temperatura No atual estágio do trabalho, estão sendo fabricadas as amostras de dois aços DP (Dual Phase) de aplicação para a indústria automobilística, mais especificamente: DP600 e DP780. Busca-se determinar o comportamento de juntas adesivadas em diversas condições variando o tipo de ambiente. Deste modo, poderão ser determinadas as condições nas quais haverá maior resistência da junta. Preparação de Novas Juntas Adesivadas Para a confecção das amostras foram usinadas 240 chapas, para cada tipo de aço cujas dimensões estão mostradas no desenho da figura 1: Dentre as 240 (duzentas e quarenta) chapas foram selecionadas 120 (cento e vinte) para cada tipo de aço. Essas chapas foram pesadas em pares em uma balança graduada em centigramas. Após a pesagem foi realizada a colagem numa área de 25 mm 2, como mostrado pela área hachurada na figura 2a, para criar a junta sobreposta. Foi realizada a colagem e as juntas colocadas em uma estufa para serem curadas, na temperatura de 175 o C, durante aproximadamente 50 (cinquenta) minutos. As juntas foram pesadas novamente para obter a quantidade por massa de adesivo utilizado, então, as juntas adesivadas foram divididas em três grupos para cada tipo de aço conforme a quantidade de adesivo utilizado. 9

10 Tabela 4 - Pesagem das chapas de aço antes e depois de coladas: DP600 DP780 Junta Antes (g) Depois (g) Variação(g) Antes (g) Depois (g) Variação(g ) 01 55,03 55,22 0,19 54,91 55,17 0, ,93 55,27 0,34 55,09 55,52 0, ,44 55,81 0,37 55,53 55,80 0, ,69 56,97 0,28 52,39 52,75 0, ,15 54,38 0,23 54,41 55,59 0, ,48 54,66 0,18 57,71 57,92 0, ,01 56,28 0,27 57,26 57,52 0, ,36 59,72 0,36 58,60 58,84 0, ,06 55,41 0,35 57,78 58,13 0, ,33 INUTILIZADA INUTILIZADA 57,57 57,86 0, ,92 56,14 0,22 56,92 57,14 0, ,26 54,51 0,25 57,64 57,88 0, ,04 54,31 0,27 55,30 55,58 0, ,15 54,40 0,25 58,83 59,07 0, ,23 57,52 0,29 56,91 57,15 0, ,75 55,02 0,27 55,93 56,11 0, ,60 55,83 0,23 57,87 58,11 0, ,00 56,26 0,26 55,92 56,14 0, ,28 58,50 0,22 59,00 59,26 0, ,70 53,85 0,15 57,90 58,18 0, ,36 54,61 0,25 58,47 58,66 0, ,17 54,62 0,45 58,75 58,99 0, ,64 54,83 0,19 59,05 59,34 0, ,38 53,64 0,26 58,20 58,41 0, ,21 53,45 0,24 57,05 57,25 0, ,41 54,72 0,31 59,30 59,49 0, ,82 54,10 0,28 53,80 54,02 0, ,06 55,29 0,23 58,36 58,54 0, ,40 57,57 0,17 59,95 60,08 0, ,63 56,86 0,23 58,49 58,63 0, ,15 57,35 0,20 54,08 54,26 0, ,54 56,77 0,23 56,32 56,49 0, ,04 57,18 0,14 56,69 56,87 0, ,15 57,45 0,30 59,20 59,40 0, ,73 53,91 0,18 55,57 55,75 0, ,33 55,64 0,31 51,66 51,84 0, ,14 54,36 0,22 56,24 56,43 0, ,10 56,29 0,19 56,80 57,01 0, ,82 56,15 0,33 50,93 51,17 0, ,21 55,49 0,28 50,90 51,12 0, ,01 54,22 0,21 56,69 56,91 0,22 10

11 42 52,75 52,95 0,20 58,37 58,62 0, ,63 58,80 0,17 58,68 58,89 0, ,73 55,90 0,17 57,30 57,53 0, ,63 57,78 0,15 58,97 59,17 0, ,59 54,76 0,17 58,59 58,79 0, ,10 55,27 0,17 58,62 58,93 0, ,66 56,84 0,18 58,10 58,30 0, ,46 56,65 0,19 57,96 58,13 0, ,55 55,77 0,22 55,85 56,07 0, ,80 56,17 0,37 53,89 54,08 0, ,70 54,88 0,18 53,54 53,74 0, ,48 56,63 0,15 56,56 56,75 0, ,51 58,73 0,22 55,72 55,90 0, ,62 56,76 0,14 53,87 54,06 0, ,01 55,28 0,17 55,98 56,13 0, ,08 56,39 0,31 57,05 57,29 0, ,47 56,79 0,32 57,17 57,39 0, ,65 57,94 0,29 57,23 57,41 0, ,26 56,59 0,33 57,73 58,01 0,28 Média 0,24 0,22 Média final da massa de adesivo nas chapas de aço de 0,23g. DP600 Variação menor ou igual que 0,20 g. Variação entre 0,20 g e 0,28 g. Variação maior ou igual que 0,28 g. DP780 Variação menor ou igual que 0,19 g. Variação entre 0,19 g e 0,24 g. Variação maior ou igual que 0,24 g. Esses seis grupos foram distribuídos em três condições iniciais para serem ensaiadas: 1 a Condição: Imersos em água por 6 horas. Juntas do Aço DP600: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,20g: 01, 06, 20, 23, 29, 31 e 33. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,20g e 0,28g: 05, 07, 11, 12, 13, 14 e 16. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,28g: 02, 03, 04, 08, 09 e

12 Juntas do Aço DP780: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,19g: 05, 16, 21, 26, 28, 29 e 30. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,19g e 0,24g: 06, 11, 18, 24, 25 e 27. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,24g: 01, 02, 03, 04, 07, 08 e a Condição: Aquecidos a 200 o C por 6 horas. Juntas do Aço DP600: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,20g: 35, 38, 42, 43, 44, 45 e 46. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,20g e 0,28g: 17, 18, 19, 21, 24 e 25. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,28g: 22, 26, 27, 34, 36 e 39. Juntas do Aço DP780: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,19g: 31, 32, 33, 35, 36 e 37. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,19g e 0,24g: 34, 38, 40, 41, 43 e 44. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,24g: 10,12, 13, 14, 15, 17 e a Condição: Condições de Temperatura e Umidade Ambiente por 24 horas. Juntas do Aço DP600: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,20g: 47, 48, 49, 52, 53, 55 e 56. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,20g e 0,28g: 28, 30, 32, 37, 41, 50 e 54. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,28g: 40, 51, 57, 58, 59, 60. Juntas do Aço DP780: Juntas com quantidade de adesivo menor ou igual a 0,19g: 49, 51, 53, 54, 55, 56 e 59. Juntas com quantidade de adesivo entre 0,19g e 0,24g: 45, 46, 47, 48, 50, 52 e 58. Juntas com quantidade de adesivo maior ou igual a 0,24g: 20, 22, 23, 39, 42, 57 e 60. Preparo de Novos Corpos de Prova do Adesivo Para a obtenção das amostras do adesivo BETAMATE 73305GB foi necessário um molde de base metálica e para impedir a cura entre o molde e o adesivo foi aplicado um lubrificante. Foi espalhado o adesivo no molde e após 30 minutos, sob uma temperatura aproximada de 180 o C, os seis corpos de prova estavam curados. Trabalhos Futuros para as Novas Juntas Adesivadas As juntas serão submetidas a ensaios de cisalhamento, para avaliação da resistência entre adesivo e aderente em diferentes condições e com variadas quantidades de adesivo nas juntas. 12

13 Trabalhos Futuros para os Novos Corpos de Prova do Adesivo Os seis corpos de prova serão submetidos a testes de tração para análise da resistência do adesivo BETAMATE 73305GB. Referências 1 - MONTEIRO, Delfim Ferreira. Análise do comportamento a fractura de juntas de aço efectuadas com adesivos estruturais. Universidade do Porto. Porto MARRA, Kleiner Marques, ALVARENGA, Evandro de Azevedo e VIEIRA, Sérgio Luiz, Adesividade de Aços Laminados a Frio da Usiminas Destinados a Indústria Automobilística,XXXVII Seminário de Laminação TALATI, Jigar. Surface Roughness Significance and symbol interpretation in drawing. Hexagon DesignCentre,Vadodara, acessado em maio de