Projeto e Soldagem de Estruturas de Chassi Automotivo para Processo GMAW (MIG/MAG)

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Por: Prof. Luiz Gimenes – Prof. Edson Urtado – Acadêmico Gustavo Gimenes

Este artigo descreve diretrizes básicas para projeto em estruturas de chassi soldadas pelo processo GMAW (MIG/MAG), a partir de espessura de 2,0 mm, em aços comum e aços de alta resistência, os padrões do projeto de solda estabelecidos teve como base experiências práticas, padrões de Normas Americanas e internacionais.

A fabricação por Soldagem em estruturas é geralmente executada em aço doce com o processo e de soldagem a arco manual (Eletrodo Revestido) ou soldagem MIG/MAG com misturas gases de Argônio e CO2.

Uma boa prática é que seja feito o detalhamento da soldagem dos principais componentes estruturais  e sob a supervisão e aprovação de um Tecnólogo ou Engenheiro de soldagem onde devem ser incluídos nos desenhos estruturais a indicação do tipo e as dimensões dos cordões de solda, em algumas situações onde os desenhos são repetitivos, alternativamente pode-se usar uma tabela de padrão de soldagem, não esquecer de incluir também o detalhamento da sequência de fabricação e soldagem em peças mais complexas.

Os soldadores e operadores de soldagem devem ser qualificados e aprovados através de uma EPS (Especificação de procedimento de soldagem) e aptos para realizar o trabalho em diversas posições, sugere-se fortemente a presença de um Inspetor, este além de ser treinado e qualificado pode acompanhar a fabricação e a retirada de amostras de peças soldadas sob condições semelhantes às usadas na fabricação.

Toda a soldagem deve ser realizada de acordo com as melhores práticas. Sempre que possível soldar na posição plana, o projetista deve levar em consideração o acesso das soldas e suas localizações pela tocha de solda.

Quando as soldas não são adequadamente detalhadas em desenhos o uso de símbolos são necessários, detalhamos mais a frente os mais empregados na soldagem de chassis.

Cuidados devem ser tomados ao remover acessórios temporários soldados para evitar danos ao material do chassi, os dispositivos auxiliares não devem ser martelados, quando utilizar pontos de solda, estes devem ser de qualidade igual à solda feita por um soldador, a norma AWS normaliza a qualificação do ponteador bem mais simples mas igualmente eficaz para garantir que o executante tenha qualidade de execução..

Para a soldagem de estrutura de Chassis Leves de aços ao carbono e de alta resistência (AHSS) utiliza-se a AWS D8.8M: 2007, sempre que possível o projetista deve empregar a edição mais recente da norma e revisar as alterações nos documentos.

Preparação para Soldagem

Geralmente, as arestas da chapa e as preparações de solda podem ser produzidas por quaisquer métodos mecânicos ou térmicos. As bordas da chapa devem ser preparadas adequadamente, geralmente a soldagem é realizada apenas de um lado e por vezes deve-se aplicar um suporte na raiz quando a junta tiver chanfro. As chapas devem estar corretamente alinhadas e o uso excessivo de força deve ser evitado no ajuste. Se existirem aberturas excessivas é sempre importante a consulta ao inspetor ou engenheiro para sua a correção.

Cuidados Especiais

Cuidados especiais devem ser tomados para garantir a limpeza das bordas e faces antes da soldagem. Todas as bordas devem ser limpas sem óleo, oxidações, tinta, revestimentos de zinco e outros contaminantes.

Ao soldar componentes com grandes espessuras de seção transversal, as seções devem ser pré-aquecidas de acordo com os requisitos do fabricante.

Cuidados devem ser tomados para garantir a penetração e fusão completas. As soldas acabadas devem ser sólidas, uniformes e livres de inclusões de escória, porosidade, mordeduras ou outros defeitos.

Dispositivos e ferramentas devem ser projetadas para permitir o acesso adequado da tocha de soldagem à junta de solda, permitindo assim que a solda seja executada na posição ideal.

As soldas em ângulo devem ser projetadas para permitir o acesso da tocha sem qualquer interferência de outras peças. Os dispositivos devem ser projetados para obter a distância de acesso do eletrodo recomendada pela EPS. Na maioria dos casos, favorecer o acesso a junta do bocal da tocha a 45 ° da raiz da junta da solda, como mostrado na Figura 1.

Soldas tampão e chanfro devem ser evitadas, exceto quando o acesso a ambos os lados de uma junta não for possível. As soldas tampão devem ter comprimento máximo de 75 mm e o espaçamento deve estar de acordo com os requisitos para soldagem intermitente. A largura do chanfro não deve ser inferior a duas vezes a espessura da chapa e as extremidades do chanfro devem ser estar isentas de rebarbas.

Processo de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa (GMAW)

Não se recomendada a soldagem com distância menor de 25 mm de comprimento, em superfícies ou bordas revestidas com selante ou adesivos, procurar executar o cordão de solda com comprimento mínimo de 13 mm, e não se recomenda  ter reforço de cordões excessivos, uma regra simples para cordões até 8 mm é de usar 1,6 no máximo.

Figura 1: Exemplo de acesso à tocha

Posição de Soldagem

As posições básicas de soldagem são mostradas na Tabela 1 Recomenda-se sempre que possível que todas as juntas de solda sejam posicionadas para soldagem na posição horizontal ou plana. O plano horizontal ou vertical da junta plana e horizontal pode variar até no máximo 10 graus.

Tabela 1: Posições Básicas de Soldagem

Chapa á 45° ao Plano           Chapa Horizontal           Chapa Vertical  Chapa Horizontal

Dimensionamento

Ainda no estágio de projeto, deve-se considerar as cargas de tensão nos diferentes tipos de solda.

As dimensões das soldas de filete para conexões estruturais devem ser calculadas baseados em diversos fatores como rigidez, cargas de tensão, compressão, fadiga, etc. O comprimento das soldas intermitentes deve ser medido ao longo do comprimento do filete. Cordões de soldas intermitentes devem ser dobradas nas extremidades e continuadas ao redor das extremidades dos suportes.

Tabela 1.2 Sugestões de Detalhamento das Juntas de Solda

Junta de topo (Chanfro Reto)

Até 6 mm de chapa

R=T/2

Recomendado para uso de chapa até 6 mm – este método é econômico na preparação e soldagem. Um intervalo maior do que o especificado não é permitido.

Junta de topo (Chanfro em V)

De 6 mm até 16 mm de chapa:

R = 0-3 mm

F= 1.5 mm – 3 mm

α = 60° – 70°

Junta de topo (Chanfro em duplo V ou X)

Mais de 16 mm de chapa:

R = 0-3 mm

F= 1.5 mm – 3 mm

α = 60° – 70°

Junta de ângulo em T (Chanfro em meio V)

De 6 mm até 19 mm de chapa:

R = 0 – 1.5 mm

F= 1.5 mm – 3 mm

α = 45° mínimo

Junta de ângulo em T (Chanfro em meio V)

De 19 mm até 38 mm de chapa:

R = 0 – 1.5 mm

f = 0 – 5 mm

α = 45° mínimo

Junta de ângulo em T com enchimento total

Chapas de 12.5 mm ou mais:

T = Chapa de menor espessura.

S= Comprimento de perna = 0.7 T aprox.

Junta sobreposta soldada em fileteComprimento da sobreposição: mínimo 3t e máximo 4t

Recomendado apenas para trabalhos de importância estrutural menor

Soldas intermitentes

O comprimento mínimo da solda L deve ser 10 x espessura da chapa ou 75 mm, o que for menor. Para valores de P em relação a L, ver Tabela 2.1

Um exemplo prático de solda intermitente intercalada, com deslocamento de 150 mm.

Figura 2.8: Solda intermitente intercalada

Solda intermitente coincidente, com deslocamento de 150 mm.

Figura 2.9: Solda intermitente coincidente

Soldas intermitentes devem ser dobradas nas extremidades de todos os membros estruturais e a soldagem deve ser realizada em volta das extremidades.

Tabela 2.1: Solda de Filete

Tabela 2.2: Dimensões de soldas de filet para chapas com rigidez máxima

Tabela 2.3: Dimensões mínimas conforme AISC 360

Cálculo da Perna de solda

Os limites mínimo e máximo da dimensão da perna de solda para efeito de cálculo estrutural devem ser os seguintes:

“T” = espessura da chapa mais fina, quando esta é inferior a 8 mm.

A dimensão mínima da perna das soldas de filete para chapas com 8 mm de espessura ou mais deve ser aumentada em 10% dos valores calculados

Soldas em Angulo intermitentes (simples ou duplo)

Dimensão mínima da garganta = “T” x 0,25

Dimensão máxima da garganta = “T” x 0,45

Soldas em Ângulo contínuos duplos

Dimensão mínima da garganta = “T” x 0,20

Dimensão máxima da garganta = “T” x 0,45

A dimensão de garganta mínima é de 3 mm para filetes intermitentes e um mínimo de 2,5 mm para filetes contínuos quando o processo de soldagem for possível.

Engenharia para Estruturas de Chassi GMAW

Para os cálculos de engenharia devem ser levados em consideração os seguintes parâmetros:

  1. Tipo de material, revestimento do material e espessura do material
  2. Tipo de solda
  3. Tamanho de solda
  4. Comprimento da solda

A qualidade da solda deve estar de acordo com o AWS D8.8M: 2007, Especificação de Soldagem Automotiva de Qualidade – Soldagem de Aço ao Arco Elétrico.

Material

Os cálculos de dimensionamento são feitos independentemente de serem aços convencionais ou de alta resistência (AHSS), conforme mostrado na Tabela 3

Tabela 3: Classificação dos aços

Os eletrodos e arames devem ser armazenados sob condições apropriadas de acordo com os requisitos do fabricante para evitar deterioração. Uma atenção especial deve ser dada ao armazenamento de eletrodos de baixo hidrogênio.

Quando for utilizado aços de alta resistência, o projetista deve ter cuidados redobrados para o detalhamento da soldagem e um maior emprego de inspeção.

Espessura de aço recomendada e limitações de combinação

As combinações de espessura e espessura de aço calculados pelo projeto do produto são limitadas pela capacidade do processo de soldagem a arco. Os limites recomendados de espessura de aço e a relação máxima de combinações para o processo GMAW são mostrados na Tabela 4.

Para uma junta sobreposta, recomenda-se que o aço mais fino esteja em cima.

Projeto de junta de três espessuras não é recomendado.

Tabela 4: Proporção recomendada de espessura de sobreposição

* O uso de espessura da chapa inferior a 2,0 mm pode ser especificado com aços AHSS.

Seleção de Metal de Adição

Os arames sólidos AWS A5.18 ER70S-6 e ER70S-3 são recomendados para soldagem de estruturas de chassi.

O arame sólido AW80S-D2 da AWS também pode ser usado se for necessário um metal de solda de maior resistência.

A engenharia deve selecionar o tipo de arame para aplicações de alta resistência.

O diâmetro utilizado dependerá da corrente e velocidade exigida pela produção. Podem ser usados diâmetros de arame, 0,8 mm 0,9 1,0 1,2 ;1,32 mm

Aplicação de requisitos de projeto de juntas de solda

Tipo de junta

Os tipos de juntas mais utilizados em chassis são as juntas de sobrepostas, juntas em ângulo e juntas de topo e aresta, conforme mostrado na Tabela 5

Tabela 5: Exemplos de soldas de chapas para aplicações automotivas

Tolerância do Projeto da Junção de Solda

Permite-se uma abertura de raiz com tolerância (R) de 0 a 0,5 mm para todas as juntas de solda, conforme ilustrado na Figura 7-1.

Permite-se uma tolerância da borda (S) de ± 0,5 mm onde a borda é parte da junta de solda, conforme mostrado na Figura 7-1.

A variação na localização da borda causa variação no alinhamento do eletrodo e do cordão de solda com a junta, conforme mostrado na Figura 7-2. Este desalinhamento do eletrodo pode prejudicar o cordão de solda, podendo haver uma falta de fusão. Para controlar essa variável, a tolerância de compensação na junta de solda deve ser mantida em ± 0,5 mm e o eletrodo deve manter uma tolerância de alinhamento da junta da raiz de ± 0,5 mm, conforme mostrado na Figura 7-2.

Tabela 6: Tolerância do Projeto de junta

Figura 3: Tolerância da aresta para solda de filete em junta sobreposta

Abertura Máxima Admissível (Parte de Ajuste)

O ajuste de uma junta sobreposta deve ser executada em todas as juntas do processo GMAW. A diferença máxima projetada no pior caso, incluindo a tolerância de sobreposição, não deve exceder o que está na figura. É preferível ter como objetivo o menor espaço possível (a espessura da chapa mais fina ou 1,5 mm, o que for menor).

Figura 4: Abertura máxima para soldagem GMAW.

Observação: A abertura máxima (R) inclui tolerância de desenho e montagem

Valor máximo de R a ser usado: Não deve exceder 1.5 mm.

Todas as juntas devem ser projetadas de tal forma que haja uma repetitividade de juntas adequada para soldagem GMAW.

Use soldas de filete sempre que possível para as estruturas do chassi.

Soldagem de Junta Sobreposta

A Figura 5 ilustra a variação de localização de arestas para soldas de filete de juntas sobreposta. O projetista deve fornecer sobreposição suficiente para considerar a variação na borda de acabamento das chapas superior e inferior, bem como a variação na localização das chapas.

Figura 5: Determinação da tolerância de sobreposição da junta sobreposta

Observação: Sobreposição necessária X= 12 mm (mínimo)

Solda de Junta Sobreposta

As soldas sobrepostas devem estar de acordo com o espaçamento mínimo recomendado entre as soldas sobrepostas, conforme definido na Figura 6.

Figura 6: Espaçamento Mínimo de Solda Sobreposta

As dimensões das aberturas devem ser determinadas pelos requisitos estruturais. Os requisitos mínimos são mostrados na Tabela 7.

Tabela 7: Tamanho Mínimo de Sobreposição e Espaçamento para Solda de Filete

Largura mín. da Abertura, W, (mm) Comprimento mín. da Abertura, L, (mm)             X, mínimo (mm)              Y, mínimo (mm)

5xT 2.0≤T≤3.1, L=25.4

3.1≤T≤4.6, L=31.8   L             (0.5 x L) + W

Nota: T é a espessura da chapa de aço chanfrada (mm).

A solda sobreposta pode ser soldada por um lado ou de dois lados.

CONTINUA…

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