Análise da Influência da Espessura de Aba, Espessura de Alma e Energia de Soldagem sobre as Distorções Angulares em Juntas em Ângulo de Filete

La Porta, Dante Gageiro; Gonzalez, Arnaldo Ruben; Mazzaferro, José Antônio Esmerio

doi:10.1590/0104-9224/SI2202.07

Dante Gageiro La Porta Neto

Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas, Porto Alegre, RS, Brasil.

Arnaldo Ruben Gonzalez

Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas, Porto Alegre, RS, Brasil.

José Antônio Esmerio Mazzaferro

Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas, Porto Alegre, RS, Brasil.

E-mails: dantela.porta@hotmail.com (DGLPN), ruben@mecanica.ufrgs.br (ARG), mazza@ufrgs.br (JAEM)

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Figura 1
Tipos de distorção na soldagem (Masubuchi, 1980)Masubuchi K. Analysis of welded structures: residual stresses, distortion, and their consequences. Londres: Pergamon Press; 1980. (vol. 33)..

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Figura 2
Dimensões gerais dos corpos de prova. Em vermelho, posições onde os corpos de prova foram ponteados. h_a = espessura da alma; h_m = espessura da aba.

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Figura 3
(a) em azul e vermelho se mostra as linhas de mapeamento de coordenadas dos corpos de prova; (b) e (c) medições sendo realizadas.

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Figura 4
Ângulos

θ

- distorção angular da aba,

\emptyset

-ângulo entre alma e aba medido pelo lado do cordão 01.

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Figura 5
Ambiente e instrumentação de análise. (a) robô Motoman; (b) fonte de soldagem; (c) corpo de prova em resfriamento; (d) sistema de aquisição do ciclo térmico; (e) sistema SAP de aquisição.

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Figura 6
Etapas do Experimento: Etapa A (Soldagem do cordão 01) e Etapa B (Soldagem do cordão 02). Setas indicam sentido de soldagem.

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Figura 7
Valores observados das distorções angulares

θ_{1} e θ_{2}

(rad) para cada combinação de fatores da .

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Figura 8
Gráfico de Pareto para a proporção dos efeitos dos fatores e interações do projeto de experimentos sobre a distorção angular

θ_{1}

rad.

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Figura 9
Gráficos dos efeitos principais dos fatores controláveis (a- espessura da aba; b- espessura da alma; c- energia de soldagem) versus distorção angular

θ_{1}

para a Etapa A do experimento.

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Figura 10
Distorção angular

θ_{1}

rad em função da interação significativa - espessura da aba por energia de soldagem.

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Figura 11
Gráficos de contorno da superfície de resposta da distorção angular

θ_{1}

rad para interação significativa energia de soldagem x espessura da aba para espessura de alma (a) 6,35 mm; (b) 9,52 mm; e (c) 12,7 mm.

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Figura 12
Gráfico de Pareto para a proporção dos efeitos dos fatores e interações do projeto de experimentos sobre a distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 13
Gráficos dos efeitos dos fatores h_m, h_a e E sobre a distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 14
Distorção angular

θ_{2}

em função da interação espessura da aba por energia de soldagem x significativa.

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Figura 15
Gráficos de contorno da superfície de resposta da distorção angular

θ_{2}

para interação significativa energia de soldagem x espessura da aba para espessura de alma (a) 6,35 mm; (b) 9,52 mm; e (c) 12,7 mm.

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Figura 16
Relação entre os valores estimados a partir da Equação de Regressão e os valores observados. (a) distorção angular

θ_{1}

; (b) distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 17
Gráficos de superposição distorção angular

θ_{1}

e

θ_{2}

: (a) alma 6,35 mm; (b) alma 9,525 mm e; (c) alma 12,70 mm. Valor alvo:

θ_{1 \max}

= 0,015 rad e

θ_{2 \max}

= 0,015 rad. A região não-sombreada atende aos requisitos de distorção máxima por cordão.

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Figura 18
Posicionamento dos pontos k1 e k2 para análise do ciclo térmico das amostras.

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Figura 19
Temperaturas de pico nas superfícies inferior (barra sólida), superior (barra hachurada) e distorção angular devido à Etapa A do experimento (marcadores pretos) para as amostras de 1 a 15.

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Figura 20
Gradiente de temperatura vs distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 21
Temperaturas de pico nas superfícies inferiores (INF) e superiores (SUP) para as amostras de 1 a 15 em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 22
Temperaturas de pico das superfícies superiores das amostras em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 23
Temperaturas de pico das superfícies inferiores das amostras em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 8
Gráfico de Pareto para a proporção dos efeitos dos fatores e interações do projeto de experimentos sobre a distorção angular

θ_{1}

rad.

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Figura 9
Gráficos dos efeitos principais dos fatores controláveis (a- espessura da aba; b- espessura da alma; c- energia de soldagem) versus distorção angular

θ_{1}

para a Etapa A do experimento.

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Figura 10
Distorção angular

θ_{1}

rad em função da interação significativa - espessura da aba por energia de soldagem.

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Figura 11
Gráficos de contorno da superfície de resposta da distorção angular

θ_{1}

rad para interação significativa energia de soldagem x espessura da aba para espessura de alma (a) 6,35 mm; (b) 9,52 mm; e (c) 12,7 mm.

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Figura 12
Gráfico de Pareto para a proporção dos efeitos dos fatores e interações do projeto de experimentos sobre a distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 13
Gráficos dos efeitos dos fatores h_m, h_a e E sobre a distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 14
Distorção angular

θ_{2}

em função da interação espessura da aba por energia de soldagem x significativa.

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Figura 15
Gráficos de contorno da superfície de resposta da distorção angular

θ_{2}

para interação significativa energia de soldagem x espessura da aba para espessura de alma (a) 6,35 mm; (b) 9,52 mm; e (c) 12,7 mm.

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Figura 16
Relação entre os valores estimados a partir da Equação de Regressão e os valores observados. (a) distorção angular

θ_{1}

; (b) distorção angular

θ_{2}

.

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Figura 17
Gráficos de superposição distorção angular

θ_{1}

e

θ_{2}

: (a) alma 6,35 mm; (b) alma 9,525 mm e; (c) alma 12,70 mm. Valor alvo:

θ_{1 \max}

= 0,015 rad e

θ_{2 \max}

= 0,015 rad. A região não-sombreada atende aos requisitos de distorção máxima por cordão.

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Figura 18
Posicionamento dos pontos k1 e k2 para análise do ciclo térmico das amostras.

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Figura 19
Temperaturas de pico nas superfícies inferior (barra sólida), superior (barra hachurada) e distorção angular devido à Etapa A do experimento (marcadores pretos) para as amostras de 1 a 15.

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Figura 20
Gradiente de temperatura vs distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 21
Temperaturas de pico nas superfícies inferiores (INF) e superiores (SUP) para as amostras de 1 a 15 em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 22
Temperaturas de pico das superfícies superiores das amostras em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Figura 23
Temperaturas de pico das superfícies inferiores das amostras em função da distorção angular

θ_{1}

.

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Tabela 1
Composição química ASTM A36 para chapas de espessura até 19,05 mm (¾”).

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Tabela 2
Fatores independentes e os níveis de variação no projeto de experimentos.

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Tabela 3
Sequência e combinação dos fatores de acordo com o projeto de experimentos Box-Behnken para a soldagem dos corpos de prova.

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Tabela 4
Objetivo das Variáveis Resposta.

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Tabela 5
Matriz do Planejamento do Experimento Box-Behnken e valores da distorção conforme .

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Tabela 6
Análise de Variância dos fatores Espessuras da Aba e da Alma, e Energia de Soldagem sobre a distorção angular

θ_{1}

rad.

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Tabela 7
Análise de Variância dos fatores Aba, Alma e Energia de Soldagem sobre a distorção angular

θ_{2}

.

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Tabela 8
Coeficientes das Equações de Regressão para a distorção angular

θ_{1}

e a distorção angular

θ_{2}

.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

C máx %	Mn máx %	P máx %	S máx %	Si máx %	Cu max %
0,25	-	0,04	0,05	0,40	0,20

Fatores	Níveis de Variação
Espessura da Aba (mm): h_m (x₁)	6,35	9,525	12,70
Espessura da Alma (mm): h_a (x₂)	6,35	9,525	12,70
Energia de Soldagem (J/mm): E (x₃)	910	1385	1860

Sequência	Espessura da Aba [mm]	Espessura da Alma [mm]	Energia de Soldagem[J/mm]
1	6,35	9,525	1860
2	12,7	9,525	1860
3	9,525	9,525	1385
4	9,525	12,7	1860
5	12,7	9,525	910
6	9,525	9,525	1385
7	9,525	6,35	1860
8	6,35	9,525	910
9	6,35	12,7	1385
10	12,7	6,35	1385
11	9,525	12,7	910
12	6,35	6,35	1385
13	12,7	12,7	1385
14	9,525	9,525	1385
15	9,525	6,35	910

Variável Resposta	Objetivo / alvo
Distorção angular $θ_{1}$ rad	Minimizar
Distorção angular $θ_{2}$ rad	Minimizar

Sequência	Fatores			Variáveis Respostas
Amostra	h_m (mm)	h_a (mm)	Q (J/mm)	Distorção $θ_{1}$ rad	Distorção $θ_{2}$ rad	$\emptyset_{i}$ [graus]	$\emptyset_{1}$ [graus]	$\emptyset_{2}$ [graus]
1	6,35	9,525	1860	0,00842818	0,01347661	89,98	89,78	89,75
2	12,70	9,525	1860	0,02243878	0,02342773	89,91	88,52	88,88
3	9,525	9,525	1385	0,02345590	0,02790275	90,02	88,69	88,85
4	9,525	12,70	1860	0,02779867	0,03062448	90,17	88,56	88,53
5	12,70	9,525	910	0,01010429	0,01159573	90,00	89,16	89,58
6	9,525	9,525	1385	0,02601156	0,02604898	90,14	88,70	88,87
7	9,525	6,35	1860	0,02824656	0,03167002	90,29	89,49	89,21
8	6,35	9,525	910	0,01917912	0,02616694	89,91	88,94	88,99
9	6,35	12,70	1385	0,01366460	0,01538258	88,93	89,09	89,16
10	12,70	6,35	1385	0,01503091	0,01716930	90,20	89,42	89,78
11	9,525	12,70	910	0,01861854	0,02064571	89,74	88,69	88,78
12	6,35	6,35	1385	0,01497773	0,01973984	89,7	89,23	88,95
13	12,70	12,70	1385	0,01298547	0,01934465	89,94	88,94	89,18
14	9,525	9,525	1385	0,02418632	0,02828393	90,33	88,99	89,13
15	9,525	6,35	910	0,01654010	0,01979515	90,28	89,45	89,89

Fator	SS	df	MS	F	valor-p	Significância	Proporção %
Aba (mm)(L)	0,000002322	1	0,000002322	1,3400	0,366604	Não-Signif.	0,41
Aba (mm)(Q)	0,000304081	1	0,000304081	175,492	0,00565	Significativo	53,95
Alma (mm)(L)	0,000000373	1	0,000000373	0,2154	0,688176	Não-Signif.	0,07
Alma (mm)(Q)	0,000006352	1	0,000006352	3,6658	0,195633	Não-Signif.	1,13
E (J/mm)(L)	0,000063113	1	0,000063113	36,4242	0,026373	Significativo	11,20
E (J/mm)(Q)	0,000000711	1	0,000000711	0,4101	0,587498	Não-Signif.	0,13
Aba(L) por Alma(L)	0,000000134	1	0,000000134	0,0774	0,807007	Não-Signif.	0,02
Aba(L) por E(L)	0,000133234	1	0,000133234	76,8925	0,012757	Significativo	23,64
Alma(L) por E(L)	0,000001596	1	0,000001596	0,9209	0,438512	Não-Signif.	0,28
Lack of Fit	0,000053554	3	0,000017851	10,3024	0,089766
Pure Error	0,000003465	2	0,000001733
Total SS	0,000563614	14

Fator	SS	df	MS	F	valor-p	Significância	Proporção %
Aba (mm)(L)	0,000001303	1	0,000001303	0,9115	0,440476	Não-Signif.	0,24
Aba (mm)(Q)	0,000251914	1	0,000251914	176,2295	0,005627	Significativo	46,24
Alma (mm)(L)	0,000000706	1	0,000000706	0,4940	0,554933	Não-Signif.	0,13
Alma (mm)(Q)	0,000005703	1	0,000005703	3,9899	0,183847	Não-Signif.	1,05
E (J/mm)(L)	0,000055100	1	0,000055100	38,5462	0,024975	Significativo	10,11
E (J/mm)(Q)	0,000000869	1	0,000000869	0,6081	0,517146	Não-Signif.	0,16
Aba(L) por Alma(L)	0,000010669	1	0,000010669	7,4635	0,111934	Não-Signif.	1,96
Aba(L) por E(L)	0,000150336	1	0,000150336	105,1696	0,009375	Significativo	27,60
Alma(L) por E(L)	0,000000899	1	0,000000899	0,6288	0,510933	Não-Signif.	0,16
Lack of Fit	0,000069490	3	0,000023163	16,2042	0,058684
Pure Error	0,000002859	2	0,000001429
Total SS	0,000544787	14

Coeficiente	Distorção angular $θ_{1}$ rad	Distorção angular $θ_{2}$ rad
$β_{0}$	-0,038503822	-0,003610109
$β_{1}$	0,012192054	0,008309019
$β_{2}$	0,003163597	0,001147306
$β_{3}$	-0,000021163	-0,000024244
$β_{4}$	-0,000018161	0,000162009
$β_{5}$	0,000003827	0,000004065
$β_{6}$	-0,000000419	-0,000000314
$β_{7}$	-0,000900240	-0,000819388
$β_{8}$	-0,000130111	-0,000123291
$β_{9}$	-0,000000002	-0,000000002

[1] E-mails: dantela.porta@hotmail.com (DGLPN), ruben@mecanica.ufrgs.br (ARG), mazza@ufrgs.br (JAEM)

Brasil

Brasil

Análise da Influência da Espessura de Aba, Espessura de Alma e Energia de Soldagem sobre as Distorções Angulares em Juntas em Ângulo de Filete

Analysis of the Influence of Flange Thickness, Web Thickness and Heat Input on Angular Distortions in Fillet Joints

Resumo