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Projecto de Estruturas de Aluminio - Cálculo (Engenharia da Soldadura)
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A. Chaves e Sousa 1
Módulo: 3.10. - Cálculo de Estruturas de Alumínio e Ligas
Formador: A. Chaves e Sousa
Pós Graduação em Engenharia da Soldadura2012/2013
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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ALUMÍNIOS
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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As primeiras aplicações conhecidas de alumíniosaplicadas aos transportes, foram no início do séc. XX,essencialmente em carenagens.
No ano de 1930 começa o desenvolvimento industrial dasaplicações de Al. A sua leveza foi a principal causa dautilização das ligas de Al nos veículos.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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O seu desenvolvimento devem-se a algumas premissas
tais como:
Leveza – 2,7 g/cm^3. A experiência verifica que o
ganho de peso, relativamente a uma estrutura de aço,é de 35% a 60% Resistência à corrosão – maior resistência aosagentes atmosféricos, quer urbanos quer industriais.
Diversidade de subprodutos – laminados, extrudidos,forjados, vazados.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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Principais diferenças entre o Al e FeC
Baixa resistência
Baixo módulo de elasticidade
Amaciamento na ZAC Diversas confiuraç!es na execuç"o de perfis
extrudidos
#eduç"o de peso
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As ligas de Al são
designadas por 4 números
O 1º número a quepertence a liga
Família Liga
1 Al>99%2 Al+Cu
3 Al+Mn
4 Al+Si5 Al+Mg
6 Al+Mg+Si
7 Al+Zn+Mg8 Outras
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O segundo número
Na família 1000,identificaas nuances nas quais
certas impurezas têm osseus teores controlados Nas famílias 2000 a 8000,está reservado às
modificações sucessivasdas ligas
O terceiro número
Na família 1000 indicaa percentagem de Al
para além de 99%. Nas restantes servempara indicar a liga.
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Domínio de aplicações do Alumínio na Europa
Ind. Eléctrica
13%
Transporte
40%
Embalagens
16%
Ind.
Mecânica
10%
Outros
21%
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Em 2002 o consumo mundial de alumínio era deyyyy30,7milhões de tons As ligas mais utilizadas, na construção de veículos,são:
Série 3000: 3003 Série 5000: 5754, 5454, 5086 e 5083 Série 6000: 6060, 6005A, 6106,6082 e 6061.
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Os critérios de escolha poderão ser.
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As ligas de Al laminados e extrudidos são escolhidos por:
Características mecânicas Facilidade de dar forma Soldabilidade
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Critérios de escolha da liga 6000
Diversas ligas estãodisponíveis com
características mecânicasdependentes dos teores deMg e Si
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Quando se efectua umaoperação de soldadura, ociclo térmico vai originaralterações de tipometalúrgico que vãoalterar as propriedadesmecânicas do metal debase, na zona afectadapelo calor.
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Metal de Basepeça 1
Metal de
base peça 2
7020608260616005A
6060 5083 5454 AISi12 AI-Si7Mg AI-Zn5Mg
7020535640435183
404353565183
53565183
608260616005A
535640435183
535640435183
4043 404353565183
6060535640435183
535640435183
5356404357545183
4043 404353565183
50835086
53565183
53565183
53565183
53565183
40435356
5183
40435356
5183
53565183
54545754
535657545183
53565183
535657545183
535657545183
535657545183
4043535651835854
4043535651835854
53565183
AISi12 404740435356
5183
AI-Si7Mg40434047
404353565183
AI-Zn5Mg53565183
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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Factores importantes
A largura da zona de resistência depende de diversosfactores entre os quais se destaca os seguintes: Método de soldadura (TIG, MIG, etc.) Metal de base Espessura
Parâmetros de Soldadura (Velocidade, Intensidade, etc.)
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Apoiados em diversos coeficientes determinadosexperimentalmente após diversos ensaios analisadosestatisticamente. A resistência de uma soldadura éfunção de um certo número de factores da execução edas ligas.
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Coeficiente α - caracteriza a qualidade de execução. Depende da qualificação do soldador Do controle efectuado Da dificuldade de execução da soldadura.
1 – no caso de soldaduras executadas em boascondições e cuja a qualidade é controladaradiograficamente. Para peças comprimidas.
0,8 – no caso de soldaduras difíceis.
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O Coeficiente ββββ caracteriza a eficácia metalúrgica. É umvalor determinado experimentalmente em função:
do processo de soldadura, das espessuras a soldar, da preparação, do metal de adição.
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O coeficiente γ γγ γ tem em conta os fenómenoscomplexos que se produzem as soldaduras deângulo solicitadas.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
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emin : menor espessura a unir,
L : comprimento da soldadura σe : limite mínimo garantido a 0.2% da liga de
alumínio no estado no estado de utilização F ou T : esforço normal ou tangencial ponderado aplicado a
cada cordão σ : tensão normal τ : tensão tangencial
α : coeficiente convencional de qualidade de execução b : coeficiente de eficiência metalúrgica
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1
. e
F
L e σ αβ × ≤
Peça submetidas a um
esforço de tracção
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Peça submetida a um
esforço, gerando corte
11,67
. e
F
L eσ
αβ × ≤
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Caso de peças submetidas a
um esforço de tracção e a umesforço ocasional de corte
eσ
αβ τ σ ≤+ 1
8,2 22
e L
F
.
=σ
e L
T
.=
τ
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Caso de peça submetida aum esforço de compressão ea esforços de corte
eσ
αβ
τ ασ ≤+ 1
8,2)( 22
e L
T
.=τ
e L
F
.=σ
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Peça submetida a umesforço de tracção c/soldadura de canto.
ea L
F σ
γ β α ≤×
∑ ..
1
.
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e
a L
F σ
γ β α ≤×
∑ ..
167,1
.
Verificação da tensão de corte
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Existem 3 componentes detensões segundo trêsdirecções privilegiadas
relativas ao plano da gargantae à direcção geral do cordão.
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2 2 2 2
// 2 2 2
12,8( )
eσ τ τ σ
α β γ ⊥ ⊥ + + ≤
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A largura da zona de resistência e da ZTA depende de:
Procedimento de soldadura escolhido Metal de base e da sua condição Espessura dos elementos Preparação dos bordos Velocidade de soldadura Intensidade
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 38
Dada a possível redução das propriedades mecânicas na
zona da junta, por efeito da operação de soldadura, éconveniente, localizar as juntas soldadas em zonassujeitas a tensões reduzidas.
Devem usar-se cordões de soldadura longitudinais,paralelos à direcção de aplicação da carga, de modo aminimizar o efeito da redução localizada da resistência.
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A. Chaves e Sousa 39
Quando é necessário usar juntas transversais em zonas detensão elevada, pode recorrer-se ao uso de reforços nocaso dos esforços serem estáticos
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Recurso a elementos extrudidos
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 41
FADIGA O comportamento à fadiga de juntas soldadas de Al,
é afectada pelo seguinte: Propriedades do material base Grandeza e tipo das tensões aplicadas e tensões
residuais Modo de aplicação da carga Meio ambiente
Concentração de tensões Tratamentos pós soldadura Geometria da montagem
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Defeitos no comportamento à
fadiga Os defeitos da soldadura
formam concentrações detensões que influenciam ocomportamento à fadiga.
Porosidades -
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 43
Falta de penetração A falta de penetração
intermitentes nãoexercem influêncianegativa na vida atensões elevadas.
Só começam a serimportantes quandocorrespondem a mais
de 7% da espessurada chapa.
Falta de fusão Só se tiver uma
dimensão elevada éque tem umcomportamentoidêntico à falta de
penetração.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 44
Defeitos de forma
A resistência à fadiga duma junta soldada pode serreduzida em mais de 50% quando se verificamdesalinhamentos numa junta transversal com valor =
à metade da espessura da chapa.
O efeito de concentração de tensões é elevado,além do mais pela introdução de tensões de flexão.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 46
Melhoramentos das juntas soldadas sujeitas à fadiga Bom controle dos parâmetros de soldadura, para evitar
defeitos locais Utilização de ferramentas para redução de
desnivelamentos e defeitos angulares Desbaste, à mó ou outro, do cordão de soldadura para
optimizar a forma. Serve também para ver se hádefeitos.
Forma dos elementos a soldar Grenalhagem para introduzir tensões de compressão.
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A. Chaves e Sousa 47
Melhoria da resistência à fadiga em soldaduras topo a
topo por grenalhagem.
Tensão máxima=90MPa
Tracção alternada
1,0min==
máx
R
σ
σ
P j d E d Al í i
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A. Chaves e Sousa 48
P j t d E t t d Al í i
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 49
O comportamento à fadiga de ligas de Al paraN>10^5 é:
- independente do tipo de liga, nas famílias 5000 e 6000
- depende do valor de
- depende muito da geometria, do processo e qualidadede fabricação e do nível das tensões residuais
máx
R σ
σ min
=
P j t d E t t d Al í i
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Critérios de escolha dos processos de soldadura
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 51
#eparaç"o das estruturas soldadas
$scolha das lias % material utili&ado para a reparaç"o deve ser o mesmo
do de oriem
Preparaç"o da soldadura 'tili&ar no corte( o plasma ou um disco de corte de
car)oneto
#aspar )em a &ona a soldar para retirar a pintura eoutros
Desenordurar )em( um pouco antes de soldar.
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A. Chaves e Sousa 52
Soldadura Manter os elementos a soldar em conformidade
dimensional. Tomar atenção ao sentido dos cordões de
soldadura, para limitar as deformações. De facto aretracção volumétrica nos cordões é de cerca de 6%entre o estado líquido e o sólido. Este fenómenoinduzido tem influência no risco de fissuração.
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A. Chaves e Sousa 53
Soldadura Ter em atenção os alinhamentos das soldaduras
para não caírem sobres as de origem.
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Projecto de Estruturas de Alumínio
A. Chaves e Sousa 54
Soldadura Controlar as soldaduras( radiorafia( l*+uidos
penetrantes( etc..
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