Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I AT-096 Dr. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br 1
Uniões fixas são aquelas que se caracterizam pela impossibilidade de separar as peças previamente unidas sem danificar o conjunto. União de dois elementos Tentativa de separação A B A B União Junção de peças 2
Os procedimentos que são mais utilizados e que merecem destaque são: Soldagem, Brasagem, Colagem. Consiste na união de dois materiais pela fusão do material na região de contato entre as partes, com ou sem adição de material, isto ocorre mediante o emprego de calor e/ou força, formando assim, uma ligação permanente, a qual não pode ser dissolvida sem haver o comprometimento dos elementos. 3
Linha de solda Elemento A Elemento B A definição da American Welding Society - AWS nos diz: "Processo de união de materiais usado para obter coalescência (junção de duas ou mais partes) localizada de metais e não-metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição." 4
A história da soldagem mostra que desde as mais remotas épocas, muitos artefatos já eram confeccionados. Foram descobertos alguns com mais de 4000 anos; a soldagem por forjamento também tem sido utilizada há mais de 3000 anos. A técnica da moderna soldagem começou a ser moldada a partir da descoberta do arco elétrico, bem como também a sintetização do gás Acetileno no século passado, o que permitiu que se iniciassem alguns processos de fabricação de peças, utilizando estes novos recursos. Com o advento da Primeira Guerra Mundial, a técnica da soldagem começou a ser mais utilizada nos processos de fabricação; a Segunda Guerra Mundial imprimiu grande impulso na tecnologia de soldagem, desenvolvendo novos processos e aperfeiçoando os já existentes. 5
Solda manual Solda semi-mecanizada 6
Solda mecanizada Uma das principais características das uniões soldadas é que quando devidamente projetadas são mais leves que as peças fundidas e que as peças rebitadas de mesma rigidez e resistência. 7
Os principais inconvenientes seriam quanto a dificuldade de se verificar a qualidade da junção soldada. Outro ponto seria quanto a sua execução, esta requer cuidados especiais principalmente com o repuxamento e as tensões de contração. Tipos: 8
Há dois processos distintos de soldagem: Processo de fusão, Processo de pressão - caldeamento. Processo de fusão: Consiste em aquecer a área a ser soldada com uma fonte concentrada de calor que leva à fusão incipiente do metal, devendo-se adicionar metal de enchimento na junta. 9
Processo de fusão: Solda Processo de caldeamento: As peças a serem unidas são aquecidas somente até o estado plástico avançado, ao mesmo tempo em que são forçadas umas contra as outras pela aplicação de pressão externa. Este processo exige metais de boa condutibilidade térmica, para evitar o surgimento de tensões internas. 10
Processo de caldeamento: Solda Fontes de calor para o processo de soldagem: A fonte de calor é proveniente de diversas formas como: combustão de um gás (acetileno, hidrogênio, gás de iluminarão, propano ou benzol), arco voltaico, resistência elétrica ou pós de alumínio e óxido de ferro. 11
Outro processo que merece destaque é a soldagem pela infusão de ferro fundido, que consiste em verter ferro fundido em pontos defeituosos de peças fundidas. Infusão de ferro fundido: 12
Formato das junções e dos cordões de solda: Os cordões são classificados segundo o formato da junção, que é posição relativa das peças a serem soldadas uma à outra. Os cordões de solda pode ser de dois tipos: angulares e de topo. Solda de topo e angular 13
Junções de topo: Essas junções são utilizadas em chapas e vigas contínuas. São mais caros, mas suportam maiores cargas estática ou dinâmica que os cordões angulares. Pode-se elevar a resistência com a soldagem das raízes dos cordões e posterior usinagem dos cordões. Junções em T Essa junção é feita com cordões de solda angulares planos, suportando menores cargas que a junção de topo. Para resistir a cargas dinâmicas, prefere-se o cordão angular côncavo em relação aos de outros tipos. 14
Junção angular de extremidade A junção angular de extremidade suporta menores cargas que a junção T. Junções 15
Junções Junções 16
Junções Dimensionamento da solda: inicialmente existe a necessidade de se conhecer os tipos de solicitações encontradas nos elementos que serão unidos. Estas solicitações podem ser frontais, obliquas e laterais. Com esta informação pode-se calcular as tensões e compará-las com as tensões admissíveis (A tensão admissível é uma característica do material que está sendo utilizado e indica até quanto o material agüenta antes de se romper após um carregamento). 17
Tensões diretas Uniformemente distribuídas M Tensões Superpostas Torção ou Flexão ou ambas Resultando em uma combinação vetorial Diferentes classes de solicitação Tração e Compressão: Os esforços de tração como de compressão podem ser obtidos por: Observe que o valor de h não incluí o reforço, que é utilizado para compensar possíveis falhas e produz concentrações de tensões. 18
Tensões nos filetes de solda: Cisalhamento: A tensão média de cisalhante é: 19
Tensões nos filetes de solda: Torção: Quando numa solda é aplicada uma torção, a tensão de corte é o resultado vetorial da tensão de corte direto (primário) e da tensão de corte de torção (secundário). Assim a reação nos apoios da viga é uma força cisalhante V e um momento M. 20
Tensões nos filetes de solda: Torção: A força cisalhante causa um cisalhamento primário nas soldas: O momento causa uma torção, cujo valor será: 21
Torção: Onde: J=Momento polar de inércia do grupo de soldas em relação ao centro de gravidade do grupo. Torção: Se considerarmos cada cordão de solda como sendo uma linha, o momento de inércia unitário resultante será equivalente ao unitário. A vantagem dessa consideração é que o momento de inércia unitário (J u ) independe das dimensões da solda. 22
Torção: Como a espessura de penetração do cordão é 0,707h, pode-se estabelecer uma relação entre os momentos de inércia como: Desta forma, a torção na solda será: Torção: Onde: 23
J u : Flexão: Uma barra soldada a um suporte é solicitada mediante um esforço de flexão. 24
Flexão: O diagrama de corpo livre mostraria uma reação de corte V e uma reação M devida ao momento fletor. A reação de corte provoca uma tensão de corte primária: E uma tensão de flexão na solda: I=momento de inércia, M=momento de flexão, c=distancia referente a linha neutra e porções mais externas Flexão: Embora não rigoroso, pode-se assumir que na solda a tensão age perpendicularmente à área de penetração. Desta forma, pode-se admitir as soldas como linhas e estabelecer uma relação entre o momento de inércia baseado na penetração e o unitário. 25
Flexão: Essa relação é: Desta forma, a tensão de flexão normal será dada por: I u : 26
I u : Devido ao carregamento variável, normalmente é necessário utilizar fatores de segurança (kf) para ajuste das tensões: 27
As soldas são normalmente especificadas pela resistência à tração do material utilizado, seguida de detalhes construtivos e das dimensões. Como exemplo, a especificação da Associação Americana de Soldagem (AWS) é: AWS ZZXX h1x h2 x L Nessa forma de especificação, a organização é citada, depois vem o tipo de solda (ZZ tipo de eletrodo, XX representam características adicionais constantes na norma de especificação e as dimensões h1, h2 e L representam a dimensão lateral do filete de solda, a dimensão da outra lateral (perna) e o comprimento do filete). Muitas outras formas de representar a solda são normalizadas, dependendo da norma utilizada e da região onde essa se aplica. No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas recomenda a especificação de forma semelhante a da AWS. 28
1.Revestimento 2.Vareta 3.Gás de proteção 4.Poça de fusão 5.Elemento base 6.Metal depositado 7.Solda solidificada 29
E 6010 (Na), 6011 (K) Grande penetração, solda em todas as posições, facilidade a produzir transferência metálica por spray (desde que se utilize valores de corrente adequados), escória de pequeno volume e aspecto vítreo, boas propriedades mecânicas, alto teor de umidade: E 6010 =>3 a 5% ; E 6011 => 2 a 4%, E 6012, E 6013 Média penetração, escória viscosa e densa, o E 6012 pode ser utilizado em correntes relativamente altas já que seu revestimento possui pequenas proporções de celulose e uma grande proporção de materiais refratários, o E 6013 possui mais K que torna o arco mais estável. E 6020 Média a profunda penetração, transferência por spray, escória espessa e de fácil remoção, revestimento ricas em óxido de Ferro e Manganês, altas taxas de deposição e poça de fusão com metal muito fluido, o que obrigará operar nas posições plana ou filete horizontal. E 7016 Possui pouco ou nenhum elemento gerador de hidrogênio no arco (celulose, asbestos), são cozidos em temperaturas entre 500 a 600 C para minimizar a retenção de água pelo revestimento, por isto, são recomendados para a soldagem de aços susceptíveis à trinca a frio. Eletrodos com pó de Ferro: E 7014, E 7018, E 7024, E 7027, E 7028, etc. 30
Precauções para a soldagem As áreas devem estar limpas. Existe a necessidade de cuidados devido a existência de riscos de acidentes. Não importando onde ocorrerá a operação. Precauções para a soldagem Para evitar tensões residuais, contrações e empenamentos durante o processo de soldagem é necessário alguns cuidados especiais como se evitar a aplicação excessiva em um dado ponto de calor e volume de solda aplicada. Obedecer à seqüência correta de soldagem e submeter, conforme o caso, a construção soldada a um tratamento térmico apropriada para redução de tensões. 31
Precauções para a soldagem Após o processo de solda, estas devem ser submetidas a exames não destrutivos para a detecção de possíveis defeitos, os ensaios possíveis são: - Inspeção visual. - Inspeção por líquidos penetrantes. - Inspeção por partículas magnéticas. - Inspeção por raio-x. - Inspeção por ultra-som. 32
EXERCÍCIO Desafio 10: Pesquisar as principais técnicas de soldagem: TIG, MIG, MAG, Laser e outros. BRASAGEM Uma operação parecida e confundida com soldagem é a brasagem, neste caso veremos que as peças nunca se fundem, ao contrário do primeiro processo. 33
BRASAGEM Consiste na união de metais através do aquecimento abaixo da temperatura de fusão dos mesmos, adicionando-se uma liga de solda (metal de adição) no estado líquido, a qual penetra na folga entre as superfícies a serem unidas. Ao se resfriar, a junta formada torna-se rígida e resistente. BRASAGEM Processo de brasagem em canos de cobre 34
BRASAGEM Processo de brasagem em componentes eletrônicos BRASAGEM Ao contrário da soldagem, o material de adição ou de brasagem é diferente e tem um ponto de fusão mais baixo do que o material de base que está sendo soldado. A temperatura de liquefação do material de base não é atingida. 35
BRASAGEM Processo de brasagem em canos de cobre BRASAGEM Elemento 1 Linha de união Elemento 2 Imagem demonstrando região metálica unida pelo processo de brasagem 36
BRASAGEM Os materiais de adição da brasagem são sempre constituídos de metais puros ou ligas. As formas comerciais comuns são arames, varetas, chapas, fitas, barras, pós, pastas ou peças conformadas. BRASAGEM Formas comerciais de materiais de adição para brasagem Cortesia BRASTAK 37
BRASAGEM Para se caracterizar como brasagem, o metal de adição (B) deve sempre ter a temperatura de fusão inferior a do material base (A), evitando-se assim a diluição do mesmo na junta. T A B Material BRASAGEM O processo de brasagem é dividido em três tipos: Brasagem mole, Brasagem (propriamente dita), Soldabrasagem. 38
BRASAGEM Brasagem mole: Também denominada como soldagem branca ou solda fraca. Muito semelhante ao processo de brasagem, diferencia-se pela menor resistência mecânica e pela temperatura de trabalho do metal de adição sempre inferior à 450 C. Normalmente as folgas das juntas para solda branda em geral situam -se entre 0,05 mm e 0,20 mm. Possibilita a obtenção de juntas e obturações lisas e isentas de poros, podendo unir entre si diversos tipos de metais como cobre e suas ligas, ferro, ferro fundido, zinco e aços inoxidáveis. BRASAGEM Brasagem mole: Utilizada nos casos em que são pequenas as forças agentes nas superfícies unidas e baixas as temperaturas de trabalho. Como exemplos de aplicação de soldagem branda, citam-se: contatos elétricos; radiadores; reservatórios; indústrias ópticas, cirúrgicas, alimentícias e de utensílios domésticos; reconstrução de áreas com defeitos e deformações nas carrocerias de veículos; latas e recipientes que devem ser estanques mas não estejam sujeitos a elevadas solicitações mecânicas. 39
BRASAGEM Brasagem mole: Os metais de adição possuem grande poder de umectação, e geralmente são produzidos a base de estanho. BRASAGEM Brasagem: Também denominada como solda forte. Utiliza metais de adição com intervalo de fusão compreendido entre temperaturas abaixo do ponto de fusão do material base e acima de 450 C. Possibilita a obtenção de juntas lisas e isentas de poros, podendo unir entre si a maioria dos metais ferrosos e não ferrosos, com exceção do magnésio e dos metais com baixa temperatura de fusão, como zinco e etc. 40
BRASAGEM Brasagem: A grande vantagem da brasagem é a possibilidade de união de metais dissimilares, como por exemplo: aços diversos com cobre e suas ligas, bronzes, latões, ferros fundidos e compostos de metal duro. Como exemplos de aplicação de brasagem, citamse: tubulações hidráulicas e de equipamentos de refrigeração; uniões de componentes metálicos em geral resistentes a diversos tipos de esforços mecânicos; mecânica de precisão; indústria de eletrodomésticos e materiais elétricos; união de ferramentas de carboneto de tungstênio (metal duro) entre outros BRASAGEM Brasagem: Os metais de adição mais comumente utilizados são produzidos a base de cobre e/ou prata. 41
BRASAGEM Soldabrasagem: Semelhante ao processo de brasagem, diferencia-se devido a folga na junta ser maior que 0,50 mm e/ou possuir chanfro. Pode se afirmar com segurança que a soldabrasagem é um processo intermediário entre soldagem e brasagem, pois reúne características de ambos os processos. Daí o nome Solda Brasagem. BRASAGEM Soldabrasagem: Diferencia-se do processo de soldagem devido a temperatura de intervalo de fusão do metal de adição ser inferior a menor temperatura de fusão dos materiais base, sendo a estrutura cristalina dos mesmos menos afetada do que no processo de soldagem autógena. Possibilita a união de materiais dissimilares, como por exemplo: aços carbono com cobre e suas ligas, bronzes, latões, ferros fundidos e ligas de níquel. 42
BRASAGEM Soldabrasagem: Como exemplos de aplicação de soldabrasagem, citam-se: reparos em ferro fundido e aços (mesmo temperados); produção de estruturas leves de aço, especialmente de tubos e outros perfis como móveis de aço, suportes para letreiros, carrinhos de mão e etc. Os metais de adição mais utilizados são latão e alpaca, com temperatura de trabalho em torno de 900 C. BRASAGEM Comparação entre soldagem e brasagem: Vantagens da soldagem em relação a brasagem: Maior resistência sob elevadas temperaturas de atuação; Praticamente sem limitações sobre a dimensão das peças; Menor preparação das partes; Metal de adição de menor custo. 43
BRASAGEM Comparação entre soldagem e brasagem: Vantagens da brasagem em relação a soldagem: Menores: tempo de operação, consumo de energia, modificação da estrutura do metal, tensão de resfriamento e deformação; Pequena ou nenhuma necessidade de acabamento posterior; Permite a junção de peças de pequenas dimensões e de difícil acesso e penetração; Maior facilidade na disjunção quando necessário ; Possibilidade de união de uma gama diversificada de materiais dissimilares. BRASAGEM A B C Junta soldabrasada (A) e juntas brasadas (B e C) 44
BRASAGEM A B C Maneira correta de brasagem (A) e maneiras incorretas (B e C) BRASAGEM A B Maneira correta de brasagem (A) e maneiras incorretas (B) 45
COLAGEM É um processo de união inter-metálica que consiste em unir partes metálicas ou não, através da adição de uma substância com grande poder adesivo. COLAGEM Pouco utilizado na união de elementos metálicos porem muito utilizado outros materiais: madeira, plástico, cerâmica, vidro, papel, tecidos entre outros. 46
COLAGEM Consiste na deposição de uma certa quantidade de cola ou resina em uma ou ambas as superfícies de união. Estas devem estar previamente limpas. Após um determinado período há a cura da resina e com isso ocorre a união das partes. COLAGEM Elemento 1 Linha de união Elemento 2 Elemento 1 Linha de união Elemento 2 Ancoragem física Afinidade química 47
COLAGEM A colagem pode ser: Instantânea, Não instantânea. Algumas resinas podem necessitar de catalisador para que ocorra a cura. COLAGEM As principais resinas utilizadas industrialmente são: Epóxi, PVA, Fenólicas entre outras. 48
COLAGEM Epóxi: Uma resina epóxi ou poliepóxido consiste em polímero termofixo que se endurece quando se mistura com um agente catalizador. As primeiras tentativas comerciais de preparo da resina aconteceram em 1927 nos Estados Unidos. COLAGEM Epóxi: Estrutura química do polímero epoxi 49
COLAGEM Epóxi: Hoje em dia as resinas epóxis são utilizadas por uma infinidade de aplicações. Revestimento interno de embalagens de cerveja, refrigerante, cítricos, etc, são a base de resina epóxi. Placas de circuito impresso, encapsulamentos de componentes, pisos industriais, pranchas de surfe, tintas anti-corrosivas entre outros. COLAGEM PVA: Acetato de Polivinila ou PVA é um polímero sintético. Ele é preparado pela polimerização do acetato de vinila. Este resina foi descoberta na Alemanha em 1912. 50
COLAGEM PVA: Estrutura química do PVA COLAGEM PVA: Utilizado como um adesivo para materiais porosos, como a madeira. De fato é muito usado para colar derivados da madeira, a "cola branca" ou cola escolar e a "cola amarela" usada para colar madeira são exemplos de aplicações do PVA. 51
COLAGEM Fenólica: Este tipo de resina é obtida pela reação de condensação e polimerização entre um fenol e um aldeído. Estas resinas foram estudadas, meticulosamente, pela primeira vez por Beakland, em 1909, nos Estados Unidos, sendo deposita uma patente com o nome de Baquelite. COLAGEM Fenólica: Estrutura química da resina fenólica Baquelite 52
COLAGEM Fenólica: Há uma grande variedade de aplicações. As principais são na forma líquida, as resinas fenolformaldeído são usadas na impregnação de tecidos e papéis, na fabricação de adesivos e em rebolos do tipo resinóide (como aglomerante), vernizes e lacas, e a união de componentes (resistência a umidade) 53