INSTRUÇÕES PARA PUBLICAÇÃO NOS ANAIS DO

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8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
INFLUÊNCIA DA FADIGA NA RESISTÊNCIA MÊCANICA DE PONTOS
DE SOLDA DE UMA LONGARINA AUTOMOTIVA SUBMETIDA A
IMPACTO
Thayla Aparecida Rigo Recla, [email protected](1)
Diogo Antônio de Sousa, [email protected] (1, 2)
Alexandre Queiroz Bracarense, [email protected] (2)
1
Universidade Federal de Ouro Preto, Rua Diogo Vasconcelos, 328, Pilar, Ouro Preto, MG
Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Presidente Antônio Carlos, 6627, Pampulha, Belo Horizonte, MG
2
Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo acerta da influência que a fadiga provocada por vibrações do
motor, vibrações ocasionadas pelo pavimento, alterações de temperatura, entre outras tensões suportadas pelos
pontos de solda de uma longarina automotiva, componente estrutural responsável por absorver energia caso o
automóvel seja submetido a uma colisão frontal, pode provocar na sua resistência mecânica ao impacto. Para tanto,
foi realizada pesquisa bibliográfica acerca dos conceitos de fadiga, impacto, ensaios mecânicos e o processo de
soldagem a ponto por resistência elétrica. A metodologia adotada é de natureza quantitativa, sendo classificada como
exploratória, bibliográfica e estudo de caso. Para isso, corpos de prova foram devidamente retirados de quatro
longarinas automotivas, sendo duas de dois carros modelo Strada fabricados no ano de 2013 e 2005 e outras duas de
dois carros modelo Uno Mille fabricado no ano de 2008 e 2000. Com a diferença da idade de fabricação e
quilometragem entre os carros foi possível realizar uma comparação efetiva entre a resistência mecânica ao impacto
que ambas podem resistir. Os ensaios foram realizados em máquinas de ensaio de impacto, em corpos de prova
devidamente fabricados para a operação. Por meio de análise dos resultados obtidos verificou-se, como previsto, que
o envelhecimento da estrutura provoca uma perda na resistência mecânica ao impacto das longarinas. Desta forma,
este trabalho pode ser de grande valor para as montadoras de automóveis, pois chama a atenção para a importância
do melhoramento constante das estruturas veiculares, e consequentemente o melhoramento da segurança veicular.
Palavras-chave: Ensaio de Impacto, Fadiga, Soldagem a ponto, Segurança Veicular.
1. INTRODUÇÃO
Desde a sua primeira aparição, o automóvel se tornou um bem de consumo cada vez mais comum. Hoje, grande
parte do transporte realizado por pessoas e para o carregamento de cargas é efetuado por meio de um veículo
automotivo (CEVIS BRASIL, 2013). Porém, segundo Bertocchi (2005) o número de mortes devido a acidentes de
trânsito em um século de existência do automóvel superou os 30 milhões. Bertocchi (2005) lembra ainda que, na cidade
de São Paulo havia, no final do século XX (1997), 4.680.000 veículos para uma população de 9.878.424 habitantes, ou
seja, praticamente um veículo para cada dois habitantes. Nesse mesmo ano ocorreu um acidente registrado a cada 2,6
minutos, sendo que, um ocupante de veículo morto a cada 9,4 horas e um ocupante de veículo ferido a cada 15,7
minutos.
Devido aos altos números de acidentes, se fez necessário o estudo da segurança passiva dos veículos automotivos,
área esta que estuda equipados com dispositivos e sistemas que, mesmo sem a vontade dos usuários, trabalham de
forma a amortizar as implicações ocasionadas pelas colisões (Barnet, Clough, 1999). Os principais componentes da
segurança passiva são os cintos de segurança, air-bags, estrutura veicular e componentes de interiores (bancos, painéis e
revestimentos).
O objeto de estudo que será abordado neste trabalho diz respeito à estrutura veicular a qual é responsável por
absorver grande parte da energia quando esta é submetida a uma colisão. A estrutura de um veículo é composta de
chapas conformadas são unidas pelo processo de soldagem a ponto por resistência elétrica (Marques, Modenesi,
Bracarense, 2007). Uma variável importante que pode influenciar o desempenho da estrutura é a fadiga, pois com o uso
do veículo sugerisse que haja uma degradação da estrutura e uma perda de desempenho quando comparado com um
veículo novo (Vural, Akkus, Ery¨Urek, 2006). Bosh (2005) e Milliken (1995) concordam que, a longarina, Fig. (1), é
um importante componente do chassi de um veículo, e que, tal parte estrutural consiste em uma viga de seção
transversal variável, sendo suas partes unidas pelo processo de soldagem a ponto por resistência elétrica, montada de
forma longitudinal, com função de proporcionar maior rigidez estrutural ao chassi do automóvel e que esta sujeita aos
efeitos da fadiga.
Figura 1. Longarinas de uma estrutura veicular. Fonte: http://www.team-bhp.com/forum/indian-carscene/61625-tata-nano-crash-tested-july-10-birmingham-passed-ece-r-12-specification-4.html
A proposta deste trabalho é medir se a fadiga, gerada pela vibração do motor e oscilações do pavimento, provocam
nas soldas a ponto da longarina uma perda gradual da sua capacidade de absorver energia durante uma colisão. Ou seja,
se após alguns anos de uso, os resultados da capacidade de absorver energia de impacto do carro obtidos no crash-tests
são alterados, reduzindo assim a segurança proposta pelas leis de segurança veicular. Diante do contexto, deseja-se
responder a seguinte problemática: qual a influência da fadiga na resistência mecânica de pontos de solda de uma
longarina automotiva submetida a impacto?
2. METODOLOGIA
Tendo em vista que a longarina é um importante componente estrutural e que seu desempenho quando submetida a
colisão pode ser influenciado pela fadiga, torna-se relevante a investigação da perda de desempenho em números
absolutos.
Para que seja possível mensurar as perdas, testes de ensaio de impacto foram realizados sobre os pontos de solda de
quatro longarinas distintas. A escolha das longarinas se baseou no pré-requisito do tempo de fabricação dos veículos
(não se sabe a quilometragem exata dos veículos, mas é sabido que os veículos mais velhos rodaram pelo menos duas
vezes mais que os mais novos). Duas longarinas foram retiradas de veículos do modelo Strada, uma de um veículo
fabricado no ano de 2013, e outra de um veículo fabricado no ano de 2005. Outras duas longarinas foram obtidas de
veículos do modelo Uno Mille, uma de um veículo fabricado no ano de 2008, e outra de um veículo fabricado no ano de
2000. O lado do veículo onde foram retiradas as longarinas foi o mesmo em todos os carros (esquerdo). A diferença
entre os anos de fabricação dos veículos consequentemente provocou uma menor (Strada 2013; Uno Mille 2008) e uma
maior (Strada 2005; Uno Mille 2000) exposição das peças a fadiga, sendo assim possível a comparação dos resultados
entre ambas.
2.1. Preparação dos Corpos de Prova
Os procedimentos para a obtensão dos corpos de prova descritos a seguir foram realizados em todas as longarinas.
O primeiro corte foi realizado com o auxilio de uma serra fita, as longarinas dos modelos Strada foram divididas em
três parte: corte superior, corte superior dois e corte inferior, conforme Fig. (2a) e (2b). As longarinas modelos do Uno
Mille foram cortadas em duas partes: corte superior e corte inferior, como pode ser visto na Fig. (3a) e (3b). Tais
divisões permitiram que os resultados obtidos em cada corpo de prova fossem comparados com o corpo de prova
equivalente da segunda longarina do mesmo modelo. A Figura (4) ilustra as seções que foram cortadas para confecção
dos corpos de prova.
O uso de uma esmelhiradeira de corte e de uma serra de mão foi necessário para efetuar os cortes que separaram os
corpos de prova das longarinas.
Durante a preparação dos corpos de prova, amostras de cada longarina foram retiras e preparadas para a analise em
um Espectrômetro de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva, presente no NanoLab, laboratório do
Departamento de Metalurgia da Universidade Federal de Ouro Preto. Tal análise da composição química das longarinas
constatou que há somente uma diferença no teor de zinco entre os modelos de Strada, sendo que a Strada 2013
apresenta composição de zinco muito superior à composição apresentada no Strada 2005. E tanto a Strada 2013 e o Uno
Mille 2000 apresentaram composição de carbono superior a 0,2%. Apesar dessas diferenças, as longarinas apresentaram
composição química bastante similar, neste contexto, é provável que os materiais apresentem comportamento
semelhante durante os ensaios.
Figura 2. (a) Corte longarina modelo Strada 2013 (Lado Esquerdo); (b) Corte longarina modelo Strada 2005
(Lado Esquerdo). Fonte: Pesquisa direta (2014).
Figura 3. (a) Corte longarina modelo Uno Mille 2008 (Lado Esquerdo); (b) Corte longarina modelo Uno Mille
2000 (Lado Esquerdo). Fonte: Pesquisa direta (2014).
Figura 4. Seções de cortes para confecção dos corpos de prova: (a) longarina da Strada; (b) longarina do Uno
Mille; (c) Cortes realizados pela serra. Fonte: Pesquisa direta (2014).
Na Figura (5) podemos observar o modelo do corpo de prova adotado para a realização dos ensaios de impacto.
Devido à singularidade da realização desde tipo de ensaio em pontos de solda de uma longarina automotiva, não foi
possível obedecer a uma norma particular para a fabricação dos mesmos, contudo, alguns cuidados quanto à preparação
dos corpos de prova foram tomados, entre eles a observação rigorosa das medidas estabelecidas, exclusão de pontos
com oxidação e observação da temperatura durante a fabricação dos mesmos e durante a realização dos ensaios. A
geometria escolhida deve-se a funcionalidade da fixação dos mesmos na máquina de ensaio. As dimensões em que
foram confeccionados os corpos de prova são de aproximadamente 27 mm para a altura, e 80 mm de largura. Devido à
complexidade da geometria das longarinas, as espessuras das chapas (juntas) soldadas a ponto variavam de 1 mm a 5
mm. A posição em que foram retirados da longarina obedece à regra de que cada junção possui um ponto de solda.
Figura 5. Corpo de Prova: (a) Seção cortada da longarina e dobramento da chapa; (b) Dimensões e geometria do
corpo de prova; (c) Amostras (corpos de prova). Fonte: Pesquisa direta (2014).
2.2. Ensaio de Impacto
A máquina de ensaios utilizada para a realização da pesquisa pode ser visualizada na Fig.(6a). Tal máquina se
encontra no laboratório de Ensaios Mecânicos do Departamento de Metalurgia na Universidade Federal de Ouro Preto,
Campus Morro de Cruzeiro. A máquina de ensaio de impacto é do tipo Charp, e a seção de impacto do martelo possui
formato de cunha. Os parâmetros utilizados foram: unidade de escala kgm e massa do martelo de 30 kg.
A temperatura de realização do ensaio foi à temperatura ambiente, tal escolha da considerou o fato de que no Brasil
dificilmente tem-se grandes variações de temperatura.
O local de fixação do corpo de prova na máquina de ensaio pode ser vista na Fig. (6b). A fixação se deu por meio
de parafusos, que levemente cingiam o corpo de prova de modo a mantê-lo na posição planejada para a efetivação do
ensaio. O posicionamento do corpo de prova permitia que a cunha do martelo de impacto atingisse precisamente a união
soldada.
Figura 6. (a) Máquina de Ensaio de Impacto; (b) Fixação do corpo de prova e posicionamento.
Fonte: Pesquisa direta (2014).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos pelo ensaio de impacto realizado em cada corpo de prova da parte superior e inferior das
longarinas são mostrados nas Figuras 1, 2, 3, 4 e 5. Como a máquina de ensaio de impacto utilizada para realizar os
ensaios possuía a escala em kgm (quilograma metro), para melhor interpretação dos resultados, foi necessário à
transformação para a unidade J (joule). A equação para a transformação pode ser vista na Eq. (1).
J = 9,81m/s² x kgm
(1)
A análise dos gráficos a seguir permitiu uma comparação efetiva da influência que a fadigas e variáveis de
fabricação podem provocar na resistência mecânica de impacto de longarinas automotivas. Na Figura (7), todos os
corpos de prova da Strada 2013 tiveram uma resistência mecânica melhor do que os corpos de prova da Strada 2005, em
determinado ponto esta diferença chega a 40J. Para a Strada 2013 não foi possível à obtenção de um sétimo corpo de
prova, pois tal longarina do veículo, não possuía mais um ponto de solda na posição equivalente da longarina do Strada
2005. Ou seja, para o mesmo comprimento a longarina da Strada 2013 possuía um ponto de solda a mesmo do que a
longarina da Strada 2005.
Figura 7. Energia Absorvida – Strada (Corte Superior). Fonte: Pesquisa direta, (2014).
Na Figura (9), também podemos perceber que a resistência mecânica de impacto dos pontos de solda da longarina
da Strada 2013 é maior do que a resistência mecânica de impacto dos pontos de solda da longarina da Strada 2005, com
a exceção de um corpo de prova, que absorveu uma energia considerável em relação a todos os outros corpos de prova.
A dispersão do resultado pode ser explicada pela variação da área do ponto de solda encontrada. Essa diferença de área
foi observada em diversos corpos de prova, como na Fig. (8), da esquerda para a direita, o ponto de solda possuía
diâmetro de 2,5 mm, 5 mm e 7 mm.
Figura 8. Área de Pontos de Solda. Fonte: Pesquisa direta (2014).
Figura 9. Energia Absorvida – Strada (Corte Superior 2). Fonte: Pesquisa direta, (2014).
Na Figura (10), além da diferença da resistência mecânica ao impacto observada entre as longarinas, ressaltamos
que em dois corpos de prova retirados da longarina do Strada 2005 não foi possível mensurar a sua resistência mecânica
ao impacto, pois tais corpos de prova ao serem retirados da longarina tiveram suas chapas separadas, e ao serem
retirados da longarina, as chapas que eram unidas pelos mesmos foram desvinculadas.
Figura 10. Energia Absorvida – Strada (Corte Inferior). Fonte: Pesquisa direta, (2014).
O mesmo comportamento é observação nas longarinas do Uno Mille, a resistência mecânica de impacto da
longarina mais nova é maior do que a resistência encontrada na mais velha. Na Figura (11) podemos comparar tais
resultados, com exceção de um corpo de prova. Na realização do ensaio nos corpos de prova da parte superior da
longarina do Uno Mille 2000 um deles apresentou absorção total da energia de impacto gerada pelo martelo, ou seja, o
corpo de prova não rompeu com o impacto. O mesmo comportamento é encontrado em corpos de prova da parte
inferior da longarina do Uno Mille 2008 e da parte inferior da longarina do Uno Mille 2000, como pode ser visto na Fig.
(12).
Figura 11. Energia Absorvida – Uno Mille (Corte Superior). Fonte: Pesquisa direta, (2014).
Figura 12. Energia Absorvida – Uno Mille (Corte Inferior). Fonte: Pesquisa direta, (2014).
Os resultados encontrados nos ensaios de impacto sugerem que a fadiga (dinâmica e térmica) influência na
resistência mecânica ao impacto das soldas por ponto de longarinas automotivas. Mas não somente a fadiga interfere
nos dados finais, pode-se percebe também que as variáveis durante a fabricação das longarinas, tais como, espessura de
chapas, área do ponto de solda, posicionamento dos pontos de soldas entre outras, alteram os resultados finais.
4. CONCLUSÕES
Constatou-se que a fadiga provocada durante a vida da longarina tem influência na sua capacidade de absorver
energia quando submetido ao impacto, e por consequência reduz a capacidade da estrutura em absorver energia durante
um crash. Outro aspecto importante observado durante a realização do trabalho se refere à falta de padronização
encontrada na confecção das longarinas, pois as mesmas apresentaram diversas peculiaridades que visivelmente
interferiram no resultado. A partir disso pode ser feito um questionamento de quanto essa redução de resistência
interfere na segurança dos ocupantes de um veículo que apresenta as características apresentadas.
5. AGRADECIMENTOS
A todos os colegas, colaboradores, funcionários e demais professores do Departamento de Engenharia de
Automação e Técnicas Fundamentais, Departamento de Metalurgia da UFOP, pela amizade, e colaboração. E ainda, ao
Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG pelo apoio e
troca de informações. Em especial, ao Sr. José Alves de Sousa pela doação das amostras para confecção dos corpos de
prova.
6. REFERÊNCIAS
Barnet, J, Clough, P., 1999, “The full social cost of road accidents” Paper present to the Road Safety Research, Policing
and Education Conference, Canberra, Australia.
Bertocchi, M., 2005, “Segurança Veicular”, São Paulo: Skill Elaboração de Materiais Didáticos Ltda, 221 p.
Bosh, R., 2005, “Manual de Tecnologia Automotiva”, Tradução da 25º edição Alemã. Editora Edgard Blucher.
CEVIS BRASIL, 2013, “Disponível em: http://portaldotransito.com.br/noticias/estatisticas/cesvi-brasil-lancalevantamento-e-analise-sobre-mortes-em-acidentes-de-transito-no-pais” Acessado em 10 de out de 2013.
http://www.team-bhp.com/forum/indian-car-scene/61625-tata-nano-crash-tested-july-10-birmingham-passed-ece-r-12specification-4.html
Marques, P. V., Modenesi, P. J., Bracarense, A.Q., 2007, “Soldagem: Fundamentos e Tecnologia”, 2º Edição Revista e
Ampliada, Editora UFMG, Belo Horizonte.
Milliken, W. F., Milliken, D. L, 1995, “Race Car Vehicle Dynamics”, SAE International.
Vural, M, Akkus, A., Ery¨urek, B, 2006, “Effect of welding nugget diameter on the fatigue strength of the resistance
spot welded joints of different steel sheets”, Istanbul Technical University, Mechanical Engineering Department,
˙Istanbul, Turkey, Journal of Materials Processing Technology 176.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
INFLUENCE OF FATIGUE IN THE MECHANICAL RESISTANCE OF
SPOTS WELDING OF AN AUTOMOTIVE STRINGER SUBMITTED TO
IMPACT
Thayla Aparecida Rigo Recla, [email protected](1)
Diogo Antônio de Sousa, [email protected] (1, 2)
Alexandre Queiroz Bracarense, [email protected] (2)
1
Universidade Federal de Ouro Preto, Rua Diogo Vasconcelos, 328, Pilar, Ouro Preto, MG
Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Presidente Antônio Carlos, 6627, Pampulha, Belo Horizonte, MG
2
Abstract: This paper study of the influence that fatigue caused by engine vibrations, vibrations caused by pavement,
climate change and other stresses supported by the spots welding of an automotive stringer, structural component
responsible for absorbing energy if the driving is subjected to a frontal collision may result in their mechanical impact
resistance. Therefore, bibliographical research about fatigue concepts, impact, mechanical and welding process about
electric resistance. The methodology is quantitative, classified as exploratory, literature and case study. So, specimens
have been removed of four automotive stringers, being two of the car model Strada manufactured in 2005 and 2013,
and, two of the car model Uno Mille manufactured in 2000 and 2008. Because of the difference of manufacturing age
between of the cars and yours mileage is possible to make an effective comparison between the mechanical resistance
to impact. The tests were performed in impact testing machine in specimens manufactured to this operate. Analyzing
the results it was found, as expected, that the aging structure causes a loss in the mechanical resistance to the impact
of the stringers. Thus, this work can be of great value to automakers because it draws attention to the importance of
continuous
improvement
of
vehicle
structures,
and
consequently
improving
vehicle
safety.
Keywords: Impact test, fatigue, spot welding, Vehicle Safety.

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