A garantia de segurança dos veículos impõe requisitos severos sobre os materiais e projetos. Entre eles estão incluídos a capacidade de absorção de energia por parte da carroceria e a conformidade com os valores-limite de força e aceleração, bem como a preservação do espaço físico necessário à integridade do motorista e dos passageiros do veículo em caso de acidente. Portanto, as juntas soldadas de componentes estruturais precisa atender aos requisitos de resistência mecânica e possuir as propriedades de deformação adequadas. Isto se aplica tanto aos conceitos convencionais de construção quanto aos projetos de construção leve que, em sua maioria, são constituídos por estruturas compostas. A descrição exata do material, da análise de influências geométricas e da fabricação sobre as características de resistência mecânica e de resistência ao impacto é fundamental para o projeto de componentes tolerantes a colisões.

 

Uma peculiaridade das juntas soldadas de alumínio é o amaciamento que ocorre na zona termicamente afetada (ZTA) devido ao processo de união, que, assim como o metal de soldagem, apresenta menor resistência mecânica que o metal-base na condição encruada ou envelhecida. Outro problema, causado pelas tensões residuais decorrentes do processo de soldagem, é a restrição da expansão térmica (ou contração) do metal de soldagem causada pelo material mais frio durante o processo de resfriamento. Isso leva a tensões de tração no metal de soldagem, as quais são compensadas pelas correspondentes tensões de compressão no metal-base^(1).

No caso de avaliações de colisões, as propriedades do material específicas para uma região e as possíveis tensões residuais induzidas pela soldagem dificilmente são consideradas e quando isso ocorre, são acatadas de forma secundária.

A capacidade para suportar a carga das juntas soldadas depende das propriedades do material, dos processos de soldagem e, principalmente, da taxa⁽²⁾ e tipo (tração, cisalhamento ou flexão)(3) de carregamento. Deduz-se, a partir de investigações acerca da tolerância a colisões(4,5) que, geralmente, os danos em juntas soldadas lineares sob carregamento decorrente de colisões não surgem no metal-base, mas sim nas zonas termicamente afetadas ou nas zonas de fusão, como também nas linhas de união. Sob este aspecto devem ser considerados os efeitos do “desajuste de colisão”^(2), os quais são causados pelas diferentes taxas de deformação e de resistência mecânica entre o metal de soldagem e o metal-base. Os micromecanismos de formação, crescimento e coalescência de poros, dependem do grau de multiaxialidade da tensão e da direção de carregamento e são apontados como os principais causadores das falhas de juntas. Para identificar os parâmetros de influência da deformação global e danos locais, é possível usar modelos de danos micromecânicos de acordo com Gurson(^6,7) e Gologanu^(8,9), bem como modelos fenomenológicos de falha, de acordo com Wilkins e outros(^10).

O modelo de Gurson⁽⁶⁾ descreve a falha de juntas de materiais dúcteis, a qual, geralmente, se divide em três fases: (i) nucleação de microporos na região de inclusões e partículas de segunda fase; (ii) crescimento dos microporos até um tamanho crítico, e (iii) deformação localizada como resultado da coalescência dos poros, acarretando a perda de capacidade de suportar carga.

A propagação de tais zonas de danos pode levar à falha do componente inteiro. Os parâmetros que descrevem esta evolução de dano dúctil são determinados por meio de experimentos feitos com corpos de prova pequenos e podem ser usados na análise de tensões de juntas de componentes complexos.

Para quantificar o índice de falha e validar os conceitos de avaliação para juntas soldadas de alumínio, foi investigada e quantificada a influência das propriedades locais do material e das tensões residuais sobre o comportamento de deformação e falha, tomando como exemplo caixas contra colisão (crash box) confeccionadas por meio de soldagem MIG, usando-se ligas de alumínio AW 6060 (AlMgSi) e AW 7003 (AlZn6Mg0.8Zr).

Para tal fim, foram executados ensaios experimentais e investigações numéricas em corpos de prova fabricados com essas ligas. De acordo com o conceito de três estágios, mostrado na figura 1⁽¹¹⁾ (pág. 27), o primeiro deles consiste no estabelecimento de propriedades específicas do material em cada área do componente, em função da taxa de carregamento e da determinação de parâmetros para o material utilizado, e para os modelos de falha classificados a partir desses testes.

No segundo estágio, os métodos experimental e computacional foram aplicados em corpos de prova com formato similar ao dos componentes. No terceiro estágio o procedimento foi validado por meio de testes feitos em caixas de colisão, um componente relevante no caso de acidentes. Os resultados das investigações foram compilados na forma de um conceito de avaliação. Uma descrição detalhada dos resultados obtidos pode ser encontrada na referência 12.

Fig. 1 – Conceito em três estágios para a avaliação numérica da segurança contra colisões de estruturas unidas por soldagem(11) Legenda: MB = Metal-base; ZTA = Zona termicamente afetada; MS = Metal de solda.

Materiais, componentes e parâmetros de colisão

A Hydro Aluminium, sediada em Bonn (Alemanha), forneceu, para uso nas investigações, caixas de colisão feitas com duas ligas de alumínio, EN AW 6060 (AlMgSi) e EN AW 7003 (AlZn6Mg0,8Zr). As juntas em filete confeccionadas por soldagem MIG sobre a placa básica utilizaram a liga AlMg5Mn como material de adição, e após a soldagem, as caixas de colisão foram submetidas a tratamento térmico T6 (recozimento para solubilização e envelhecimento artificial), no caso da liga AW 6060, e T79 (recozimento para solubilização e superenvelhecimento), para a liga AW 7003.

No caso de ambas as ligas a distribuição de dureza apresentou valores reduzidos no metal de soldagem em comparação com o metal-base, conforme ilustrado na figura 2, resultado fundado no exemplo da junta soldada da liga da série 7000. A análise metalográfica das zonas de soldagem dessas caixas de colisão envelhecidas artificialmente indicaram apenas a presença de uma estreita zona termicamente afetada.

Fig. 2 – Distribuição transversal de durezas Vickers ao longo da junta soldada na posição B (material EN AW 7003)

 

Portanto, apenas o metal-base e o metal de soldagem foram avaliados para a determinação dos parâmetros específicos para as zonas estruturais. O comportamento de deformação e falha sob diferentes graus de multiaxialidade foi quantificado para ambos os metais-base por meio de ensaios de tração, tração com entalhe e cisalhamento.

O estabelecimento dos parâmetros para o metal de soldagem requereu a confecção de corpos de prova reduzidos para tração, com seção circular e diâmetro de 1,8 mm, os quais foram extraídos da junta soldada. Os resultados dos ensaios com esses corpos de prova possibilitaram a determinação de curvas de tensão e de deformação para o metal de soldagem, com valores relevantes para a análise de colisões, iguais a 250 s-1, com referência à diretriz definida pela FAT – Forschungsvereinigung Automobiltechnik (Associação de Pesquisa em Tecnologia Automotiva da Alemanha)(13).

Uma célula de carga especial, patenteada pelo Instituto Fraunhofer para Mecânica dos Materiais(14), foi utilizada para efetuar as medições de força; já a deformação foi medida com auxílio de uma câmera de vídeo de alta velocidade.

Ao serem submetidos à deformação, ambos os materiais investigados apresentaram aumento de resistência mecânica, que ficou mais evidente no caso da liga de série 7000, da ordem de +10% (lado esquerdo da figura 3). Por sua vez, foi observado um aumento na flexibilidade da liga da série 6000, sob valores crescentes de taxa de deformação, ao contrário do caso da outra liga.

No caso da liga da série 7000, os resultados dos ensaios de cisalhamento mostraram que, com carregamento sob este tipo específico de tensão e sob altas taxas de deformação, a falha ocorreu com menores valores de deformação em relação aos observados sob carregamento estático, ao contrário do que havia sido observado no carregamento sob tração(12). Em casos de rápido carregamento, essa ocorrência pode ser causada pelo aquecimento adiabático da zona de cisalhamento sob altas concentrações de tensão, o que explica a maior probabilidade de ocorrência de falhas de soldagem por cisalhamento na união de componentes de alumínio submetidos a condições de colisão. O resultado foi confirmado por meio de testes efetuados com caixas de colisão, que serão descritos a seguir.

O metal de soldagem não apresentou dependência significativa em relação à taxa de deformação. A comparação entre as curvas de tensão e de deformação para o metal-base e para o metal de soldagem (figura 3, pág. 30), especifica o caso da liga da série 7000 exposta a carregamento sob condições de colisão. Os valores de alongamento total, por ocasião da fratura, os quais foram observados no caso do metal de soldagem, certamente também foram causados pela presença de cavidades de contração e poros, os quais devem exercer efeito proporcional nos reduzidos corpos de prova de tração com seção circular, causando o início prematuro da fratura

A figura 3 apresenta os valores de escoamento do metal de soldagem, que são inferiores aos do metal de base, e uma curva de tensão e de deformação menor. Isto pode ser observado no caso de carregamento com deformação localizada no metal de soldagem, o qual é, geralmente, compensado no centro das juntas soldadas em filete devido à maior seção transversal. Contudo, espera-se que a deformação localizada exerça influência, principalmente, na região da linha de fusão. Isto também foi observado durante os testes efetuados com corpos de prova em forma de “T”(12), que não foram descritos neste trabalho, e nos testes de componentes com caixas de colisão.

Fig. 3 – À esquerda: dependência de parâmetros de resistência mecânica em função da taxa de deformação para ligas de alumínio. À direita: curvas técnicas de deformação em função da tensão para o metal-base e o metal de soldagem para uma taxa de deformação de 100 s-1

Testes com componentes anti-colisão

As caixas de colisão foram usadas para quantificar o limite de carregamento dos componentes contendo cordões de solda em forma de filete; contudo, o carregamento aplicado não assumiu o que seria observado numa colisão frontal, o qual levaria a processos de dobramento das seções vazadas.

Ao contrário, o carregamento foi aplicado de forma transversal à direção longitudinal da seção vazada das caixas de colisão, de forma a tensionar a junta soldada em filete até o seu limite de carregamento (figura 1, pág. 27). Para tal finalidade, a seção vazada com duas câmaras também foi reforçada por meio de inserção de dois núcleos de alumínio, para evitar o dobramento. Além dos ensaios estáticos, os ensaios de colisão dos componentes foram feitos usando-se uma torre para a queda de um peso com massa de 270 kg sob velocidade de impacto de 3 m/s.

Durante os testes foi medido o sinal da célula de carga, sendo a deformação das caixas de colisão observada até ocorrer a falha, registro feito por meio de duas câmeras de vídeo de alta velocidade. A superfície das caixas de colisão foi revestida por uma película granular estocástica nas cores preto-e-branco, aplicada por aspersão de tinta, para análise de correlação tridimensional usando escala de cinza, efetuada com o software Aramis, que possibilitou a determinação dos locais de deformação na região da junta soldada. A figura 4 mostra um exemplo dos resultados obtidos por meio de um ensaio de colisão com uma caixa feita de liga de alumínio da série 7000.

O impacto causou vibrações sobre o sinal da célula de carga piezoelétrica, mas a evolução da força média até a ocorrência da falha foi fácil de ser determinada. As deformações locais no início da falha, as quais foram determinadas usando-se o programa Aramis, foram superiores a 20% nas juntas soldadas em filete das caixas de colisão.

Fig. 4 – Exemplo de análise de um ensaio feito com caixa de colisão utilizando duas câmeras de vídeo de alta velocidade e uma análise tridimensional de campo de deformações usando o software Aramis

Quanto ao comportamento local de falha, a caixa de colisão feita com a liga da série 6000 não apresentou diferenças significativas entre os ensaios estático e dinâmico. Em ambos os casos, o início da falha, também observada no vídeo e nas análises fratográficas, foi causado, principalmente, pelo cisalhamento na região da linha de fusão antes da ocorrência da fratura principal no centro da área do metal de soldagem. A superfície de fratura exibiu falhas de tração e de cisalhamento. Já as caixas de colisão confeccionadas em liga da série 7000 apresentaram uma diferença no comportamento de falha: durante os ensaios estáticos do componente, a nucleação da trinca ocorreu na junta soldada devido à fratura por cisalhamento e sua propagação no metal de soldagem se deu por meio de fratura por tração.

Entretanto, a nucleação e propagação da trinca durante os ensaios sob carregamento similar a colisões ocorreu predominantemente ao longo da linha de fusão, entre o metal de soldagem e o metal-base, através de falha por cisalhamento (figura 7, pág. 36).

Fig. 7 – Falha na junta soldada numa caixa de colisão feita com liga de alumínio AW 7003T79 observada no experimento e prevista pela simulação

O ajuste imperfeito das juntas soldadas de alumínio aqui investigadas pode ser considerado o causador da falha no metal de soldagem, em função do nível de resistência menor em comparação com o metal-base (lado direito da figura 3). À medida que a solicitação mecânica aumenta, tal condição leva à deformação localizada no metal de soldagem, a qual é geralmente compensada, ou supercompensada, no centro da junta soldada em filete em função de sua maior seção transversal, e pode-se prever a influência dessa deformação localizada principalmente na região da linha de fusão, fato também comprovado pelos resultados dos ensaios.

Quanto ao limite de carregamento, pode-se afirmar que o teste feito sob condições similares à colisão apresentou valores de força aproximadamente 10% superiores aos do procedimento estático, tanto para os ensaios com corpos de prova em forma de “T” como para as caixas de colisão. Além disso, a redução de força após o surgimento da falha ocorreu um pouco mais tarde. Portanto, é possível fazer uma estimativa do limite de carregamento com base nos resultados dos ensaios estáticos de juntas soldadas em filete confeccionadas pelo processo MIG, porém, o nível de força ligeiramente maior e o diferente comportamento de falha sob carregamento mecânico de colisão devem ser considerados nas simulações de colisões para se calcular, de forma confiável, os efeitos sobre os componentes.

Simulação de soldagem

Foi realizada uma simulação do processo de soldagem usando o software Sysweld, para se quantificar as tensões residuais geradas durante a soldagem das caixas de colisão. Ao contrário do que ocorre no processo real, o campo de temperaturas pode ser considerado separadamente dos cálculos mecânicos feitos pela simulação numérica. Nesse caso, assume-se que o campo de temperaturas constitui um parâmetro para os cálculos mecânicos subsequentes e que influencia a determinação das deformações e das tensões residuais(15). Para se efetuar o cálculo do campo de temperaturas durante o processo de soldagem, considera-se a geometria e a intensidade de uma fonte móvel de calor, na qual as evoluções calculadas e as medidas de temperatura sejam congruentes, e a qualidade da fonte de calor é aferida por meio de comparação da isoterma de fusão com o medido na macrosseção. A Hydro Aluminium não dispunha de registros de valores de temperaturas alcançadas durante o processo real de soldagem efetuado nas caixas de colisão fornecidas. Um procedimento alternativo consistiu na medição dos perfis de temperatura durante o processo de soldagem de corpos de prova em forma de “T”, o qual correspondia ao utilizado na fabricação das caixas de colisão.

A figura 5 (pág. 34) mostra os resultados do cálculo de tensões residuais predominantes na caixa de colisão após seu resfriamento completo, logo depois da soldagem. Os valores na direção ‘x’ correspondem às tensões residuais longitudinais no lado longo da junta soldada, cuja magnitude foi de aproximadamente 120 MPa e corresponde a aproximadamente metade do limite de escoamento do material sob temperatura ambiente, valores normais para juntas soldadas de alumínio16). Tensões similares também foram detectadas no lado curto da junta soldada (direção ‘z’, que não foi apresentada aqui). Acima de todos os fatores, as tensões residuais na direção ‘y’ são decisivas para o comportamento de falha das juntas soldadas em filete sob as condições de carregamento aplicadas durante o ensaio. Sua magnitude foi de aproximadamente 80 MPa (figura 5).

Fig. 5 – Tensões residuais calculadas. À esquerda: na direção ‘x’; à direita: na direção ‘y’

residuais decorrentes da soldagem, os resultados de tensão e de deformação foram transferidos para o modelo de elementos finitos, conforme as condições iniciais para as simulações de colisão usando o software LS-DYNA. Qualquer possível redução de tensão causada pelo tratamento térmico foi desconsiderada neste caso. Os valores de força versus deformação calculados por meio do programa, bem como as deformações decorrentes da fratura e as regiões onde ocorreram as falhas, apresentaram diferenças significantes em relação aos resultados obtidos quando não foram consideradas as tensões residuais decorrentes das operações de soldagem. Consequentemente, essas tensões residuais não exerceram qualquer influência relevante sobre o comportamento de falha nos componentes soldados de alumínio.

Simulação de colisão

Os cálculos numéricos descreveram o comportamento de deformação e de falha das juntas soldadas com material adequado. Os parâmetros do metal-base e do metal de soldagem foram determinados usando-se pequenos corpos de prova lisos ou entalhados, por meio de experimentos estáticos e dinâmicos e sob diferentes graus de multiaxialidade de tensões. As simulações dos corpos de prova de tração com entalhe e os testes com corpos de prova para cisalhamento sob tração com entalhe duplo serviram para determinar a curva limite de falha conforme o grau de multiaxialidade.

Para a modelagem dos comportamentos de deforma e de falha foi usado o modelo “MAT_120_JC” do software para análise de elementos finitos LS-DYNA, que executa um modelo de plasticidade dependente da taxa de deformação e, como modelo de falha, o proposto por Gurson, utilizou o critério de falha adicional de acordo com Johnson-Cook. Por meio desse modelo a falha pode ser descrita em altos (tração com entalhe) e baixos (cisalhamento) graus de multiaxialidade. Este modelo encontra-se disponível para uso com elementos de casca e de volume no programa LS-DYNA.

As caixas de colisão foram modeladas usando-se elementos de casca e de volume, cujo modelamento apresentou melhor congruência com os resultados dos ensaios, uma vez que os elementos de volume podem descrever melhor as condições de deformação e de tensão na região adjacente de uma junta soldada. A figura 6 (pág. 35) mostra o comportamento de força versus deformação da caixa de colisão confeccionada com a liga da série 7000, calculado por meio do uso de elementos de volume sob carregamento estático e dinâmico. O nível de carga decorreu da resistência mecânica do metal-base e foi bem descrito pela simulação.

Já a ductilidade, até o surgimento da falha, dependeu da tensão-limite do metal de soldagem. Para se efetuar a simulação da falha foram determinados dois conjuntos de parâmetros para o modelo de Gurson, com base nos resultados dos ensaios de tração efetuados com o metal de soldagem, os quais foram direcionados ao valor mínimo e máximo de alongamento total antes de ocorrer a fratura.

Fig. 6 – Comportamento global da caixa de colisão feita com liga de alumínio AW 7003 T79 determinada em experimentos e prevista através de simulação (modelamento da peça com elementos volumétricos). À esquerda: com carregamento estático. À direita: com carregamento dinâmico

Esses parâmetros também descreveram a variação dos resultados dos ensaios efetuados com as caixas de colisão.

As análises previram o surgimento da falha no metal de soldagem, ou na região interfacial entre o metal de soldagem e o metal-base, quando foram alcançados, devido à falha por tração, os valores de grau de multiaxialidade de 0,4 e 0,5, que são considerados críticos para os parâmetros de Gurson. Os locais de falhas determinados pela simulação numérica apresentaram concordância com as constatações experimentais (figura 7, pág. 36). A nucleação da trinca através de falha por cisalhamento, conforme observado no caso das caixas de colisão, não pôde ser identificada pela simulação, devido à impossibilidade de estabelecer uma curva para a falha por cisalhamento do metal de soldagem, enquanto a falha neste último, ou na região da linha de fusão, é determinada pela divergência entre as falhas por tração e por cisalhamento.

Contudo, a efetividade de ambos os mecanismos se mostra similar, o que também foi confirmado pelas análises das superfícies de fratura. Como alternativa, uma falha de cisalhamento pode ser simulada por meio de uma abordagem simplificada do limite inferior constante de deformação de falha. Um ajuste no limite inferior de deformação na falha, obtido em testes com as caixas de colisão, forneceu um valor de aproximadamente 20% em relação ao limite para o metal de soldagem, resultado que aponta a congruência com os níveis de deformação no início da falha, que foram determinados usando o programa Aramis.

Avaliação

As estruturas soldadas de alumínio são caracterizadas por diferentes valores de resistência mecânica do metal-base, do metal de soldagem e da zona termicamente afetada. Essas duas últimas áreas se tornam críticas caso apresentem menor nível de resistência mecânica do que o metal-base e caso a carga introduzida se acumule como concentrações de deformação, possibilitando uma fratura nessas regiões.

Há vários conceitos para se efetuar a avaliação do metal-base como, por exemplo, a descrição da falha por meio de uma curvalimite expressa na forma de alongamento no momento da fratura, em função do grau de multiaxialidade da tensão. A curva-limite decorre da combinação do modelo de Gurson com o limite inferior de deformação na falha de acordo com Johnson-Cook. Na presente investigação foram determinados os parâmetros para a liga AW 7003. Ao contrário das investigações feitas com outros materiais, neste caso, não foi possível determinar um valor mínimo para a área de cisalhamento da curva de falha.

As investigações mencionadas neste trabalho priorizaram a quantificação do limite de carregamento mecânico de juntas soldadas de alumínio, as quais se mostram críticas em relação à ocorrência de falha, tendo em vista a existência de concentrações de tensão decorrentes de entalhes geométricos e as possíveis deformações que possam afetar a junta soldada, devido à sua menor resistência mecânica. Nos ensaios com corpos de prova em forma de “T” e com caixas de colisão, a origem da falha foi encontrada na junta soldada ou na região da linha de fusão da junta soldada com o metal-base. No caso das caixas de colisão, a falha por cisalhamento se mostrou superior quando o carregamento mecânico foi feito sob condições similares às de colisões, e inferior sob o carregamento estático, talvez, devido ao aquecimento adiabático que ocorre nas zonas de cisalhamento estreitas e localizadas.

Quanto ao desenvolvimento do modelo, os elementos volumétricos provaram ser mais adequados do que os de casca, já que descreveram melhor as relações geométricas da junta soldada e a distribuição tridimensional de tensões. Sob um modelamento simplificado usando elementos de casca, os níveis de força obtidos foram superestimados durante a simulação da colisão.

Em relação à análise computacional, a falha pode ser bem descrita com base no modelo de Gurson, cujos parâmetros foram determinados para o metal de soldagem e encontram-se disponíveis aos usuários industriais. Não se conseguiu encontrar falha por cisalhamento devido à falta de curvas-limite na simulação para o metal de soldagem e a linha de fusão; contudo, a descrição obtida por meio do modelo de Gurson provou que os diferentes processos de falha do metal de soldagem (falha por tração e por cisalhamento) levaram a um comportamento de falha similar.

Em resumo, as investigações levaram às seguintes indicações para o projeto e a avaliação de estruturas soldadas de alumínio aplicadas em componentes que serão submetidos a solicitações mecânicas semelhantes as que ocorrem em colisões:

• As curvas de escoamento específicas para a zona da junta soldada, que podem ser determinadas a partir de ensaios de tração ou por meio de distribuição de dureza, precisam ser usadas em análises para definir as áreas de tensão e deformação;

• É necessário caracterizar o comportamento do metal-base em função da taxa de deformação para a descrição do comportamento de deformação versus força, processo que pode ser dispensado para o metal de soldagem;

• A junta soldada deve ser modelada de forma refinada para a definição da distribuição de tensão e deformação;

• A combinação do modelo de Gurson com o critério de falha de Johnson-Cook se mostrou adequada à descrição do comportamento de falha;

• No caso do modelamento de falha no metal d e soldagem, ficou provado que a descrição d e falha por meio do modelo de Gurson constitui uma aproximação dos dados, uma vez que, geralmente, não se encontram disponíveis modelos de curvas de falha na região de cisalhamento. Como opção, é possível desenvolver um modelamento de falha a partir do valor de limite inferior da deformação de falha decorrente do alongamento total no momento da fratura, observado nos ensaios de tração uniaxial.

Agradecimentos

O projeto 15.377 N/DVS- 09.046 da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung, IGF), desenvolvido pela Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem (Deutscher Verband für Schwei βen, DVS), foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF ) dentro do Programa Cooperativo para Fomento da Pesquisa e Desenvolvimento Industrial do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, BMWi) com base numa decisão da Casa Baixa do Parlamento Alemão.

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