03 tensões residuais e Distorções na Soldagem

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<ul><li><p>22/03/2015</p><p>1</p><p>TENSES RESIDUAISE DISTORES EM SOLDAGEM</p><p>PROCESSOS DE FABRICAO E TECNOLOGIA MECNICA III</p><p>Prof. Helio Frana, M.Sc., PMP</p><p>Introduo</p><p>De um modo geral, as operaes desoldagem, particularmente para osprocessos por fuso, envolvem oaquecimento intenso e localizado daregio a unir. As regies aquecidastendem a se dilatar, mas a dilatao dificultada pelas partes adjacentessubmetidas a temperaturas menores, oque causa o aparecimento dedeformaes elsticas e,eventualmente, plsticas na regio dasolda. Como resultado, ao final dasoldagem, tenses internas (tensesresiduais) e mudanas permanentes deforma e dimenses (distores) sedesenvolvem na junta.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>2</p><p>INTRODUO</p><p>Uma forma de visualizar o desenvolvimento de tenses internas em uma juntasoldada mostrada na figura abaixo. No instante em que depositado, ometal de adio est aquecido e no estado lquido, ocupando o volumemostrado em (1). Na temperatura ambiente, essa mesma quantidade demetal solidificado ocupa somente o volume mostrado em (2).</p><p>Para o metal de base, como foram formadas ligaes em nveis atmicosdurante o processo, o volume ocupado ao final da operao o mesmoinicial, ficando, portanto sujeito a um nvel elevado de tenso e dedeformao.</p><p>Anlise de tensesAo aquecermos um objeto metlico, suas dimenses aumentaroproporcionalmente variao de temperatura, obedecendo a expresso abaixo:</p><p>l= l l0 = l0..t, </p><p>sendo l a variao do comprimento inicial (l0) e o coeficiente de dilatao linear.Se no existirem restries ao aumento de sua dimenso, no acontecero efeitosmecnicos importantes nesse objeto. Caso haja restries sua expanso, surgirotenses e/ou deformaes que podero em casos extremos, inviabilizar suautilizao com segurana.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>3</p><p>Anlise de tensesConsideremos o dispositivo constitudo de duas barras metlicas de seorobusta, unidas por outras trs barras de seo transversal mais reduzidadenominadas barras A, B e C.</p><p>Na temperatura ambiente, se no acontecer nenhum esforo mecnico, onvel de tenses internas dessas trs barras ser nulo. Admitamos que a barraB agora seja aquecida por um maarico independentemente das outras duas.</p><p>Anlise de tensesA dilatao trmica restringida provoca tenses de compresso na barra B ede trao para poder ser mantido o equilbrio nas barras A e C.</p><p> medida que a temperatura se eleva, a barra B sofre um esforo decompresso, que tende a crescer com a elevao da temperatura,deformando-se elasticamente por compresso, at que as tenses internasatinjam o limite de escoamento em compresso (ponto 1).</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>4</p><p>Anlise de tenses</p><p>A partir desse ponto a dilatao trmica absorvida com a deformaoplstica da barra B. As curvas indicam a variao do limite de escoamentocom a temperatura. Conforme a temperatura sobe, a tenso na barra Bcresce ao longo de 1,2, com a plastificao impedindo o estabelecimentode tenses superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde temperatura mxima atingida (T2).</p><p>Parando o aquecimento, a barra B comea a resfriar e se contrai, reduzindoo esforo de compresso, at que o mesmo fica nulo, ao atingir atemperatura indicada pelo ponto 3.</p><p>A partir do ponto 3, conforme a temperatura cai, a contrao trmica absorvida por deformao elstica, com a barra B sujeita a esforos detrao.</p><p>Ao atingir o limite de escoamento (ponto 4), a barra passa ento a sedeformar plasticamente, at a temperatura atingir o valor da temperaturaambiente.</p><p>Anlise de tensesNo final do processo, portanto, a barraB, inicialmente livre de qualqueresforo interno, agora apresentatenses internas, denominadastenses residuais, com valoresequivalentes ao limite de escoamento trao; as barras A e C agora ficamsujeitas a tenses de compresso.</p><p>Comparativamente, em soldagem, ocordo de solda e as regiesadjacentes se comportam de maneirasimilar barra central, com valores detenses de trao prximos do limitede escoamento do material. Essastenses residuais desenvolvem-se aolongo do cordo de solda e no caso depeas espessas, ao longo da espessuraadjacente ao cordo.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>5</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>A ocorrncia de tenses residuais podem trazer uma srie deconsequncias positivas e negativas, dentre as quais destacam-se:</p><p>a) Variaes nas tenses residuais devido um carregamento estticode traoQuando um componente soldado, contendo uma distribuio inicialde tenses residuais carregado por tenses de trao, as tensesresiduais tendem a se somar s tenses de carregamento. Assim, asregies submetidas a tenses residuais mais elevadas atingemprimeiro as condies de escoamento, deformando-se plasticamente.Esta deformao localizada diminui as diferenas de dimensesresponsveis pelas tenses residuais e, desta forma, reduz essastenses quando o carregamento externo retirado. Esta anlisepermite tirar as seguintes concluses:</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p> Tenses residuais afetam de forma significativa apenas fenmenosque ocorrem com tenses aplicadas relativamente baixas (inferioresao limite de escoamento do material) como, por exemplo, na fraturafrgil, na fragilizao pelo hidrognio e em corroso sob tenso;</p><p> Em estruturas submetidas a carregamentos, quanto maior ocarregamento, menor o efeito das tenses residuais;</p><p> Se a estrutura carregada alm de seu limite de escoamento, oefeito das tenses residuais se torna desprezvel; e</p><p> Mtodos que utilizam alguma forma de solicitaes mecnicaspodem ser usados para diminuir as tenses residuais de umcomponente soldado.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>6</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>b) Comportamento em fadigaA presena de tenses residuais de compresso na superfcie de umcomponente um fator para reduo da chance de iniciao detrincas de fadiga. Em um componente soldado, as tenses residuaisde trao podem ter um efeito negativo no seu desempenho fadiga,embora no existam resultados claros quanto a este efeito devido,possivelmente a:1) Sob a ao de cargas variveis, as tenses residuais de soldagem</p><p>devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas e2) As irregularidades superficiais (reforo e escamas) tm um efeito</p><p>predominante na reduo da resistncia fadiga.</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>c) Fratura frgil</p><p>Estruturas soldadas so particularmente propensas falha por fraturafrgil devido a diversos fatores, destacando-se: Um estrutura soldada monoltica, no apresentando interfaces</p><p>(como em uma estrutura rebitada) que possam interromper apropagao de uma trinca de fratura frgil;</p><p> A regio da solda apresenta alteraes estruturais caracterizadas,frequentemente, por um aumento do tamanho de gro em relaoao metal de base, o que, em materiais de estrutura cristalina CCC,tende a diminuir a tenacidade do material;</p><p> A regio da solda tende a apresentar diversas descontinuidades,como trincas e incluses de escria, que podem atuar comoconcentradores de tenso e pontos de iniciao da fratura; e</p><p> Tenses residuais de trao elevadas existem na regio da solda.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>7</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>A fratura frgil favorecida por baixatemperatura, elevadas taxas deformao e espessura do componente,presena de concentradores de tensoou de uma microestrutura de baixatenacidade. Diversos destes fatorespodem ser presentes em umaestrutura soldada. Neste caso, umatrinca pode se propagar sob tensesinferiores ao limite de escoamento,praticamente sem deformaoplstica. Nestas situaes, as tensesresiduais associadas solda podemser suficientemente elevadas oupodem se adicionar s tensesexternas para causar a fratura frgil.</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>d) Formao de trincas em soldasTrincas so frequentementeformadas em soldas. Estas trincaspodem ser associadas basicamentea dois fatores: uma solicitao, isto, tenses mecnicas de trao, euma incapacidade do material,muitas vezes, momentnea, deacomodar esta solicitaodeformando-se plasticamente(fragilizao).</p><p>Fragilizao da regio da solda e de regies adjacentes a esta podeocorrer por diversos motivos (formao de filmes de lquido emcontornos de gro, crescimento de gro, presena de hidrogniodissolvido no material, precipitao, etc.) durante e aps asoldagem.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>8</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>e) Corroso sob tensoNa presena de um ambienteagressivo, trincas de corrosopodem se desenvolver de formaacelerada devido presena detenses de trao. No caso de aosestruturais ao carbono ou de baixaliga, por exemplo, este fenmeno desencadeado pelo contato comhidrxidos ou com sulfeto dehidrognio. Em estruturas soldadas,as tenses residuais so muitasvezes suficientes para odesenvolvimento de corroso sobtenso, dependendo do material edo ambiente.</p><p>Consequncias das Tenses Residuais</p><p>f) Instabilidade dimensionalQuando um componente soldado usinado ou submetido a outraoperao de remoo de material,o equilbrio das forasresponsveis pelas tensesresiduais perturbado. Pararestaurar o equilbrio de foras, ocomponente sofre pequenasdistores que causam umaredistribuio das tensesresiduais. Este processo pode serusado para medida de tensesresiduais, mas pode, tambm,causar problema na usinagem depreciso de componentes comtenses residuais.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>9</p><p>DistoresAs distores de peas soldadas so desvios permanentes de forma e/oudimenses resultantes das deformaes plsticas que ocorrem devido s tensestransientes desenvolvidas durante a soldagem. Alm disso, ao final da operao, apea fica submetida a tenses elsticas (tenses residuais) que podem ser daordem do limite de escoamento. Quando se retiram os vnculos de fixao oumontagem, estas tenses podem ser parcialmente aliviadas, causando umadistoro adicional.</p><p>DistoresAlguns tipos bsicos so considerados para facilitar o estudo das distoresgeradas por soldagem. Entretanto, de modo geral, o estado final de tenses edeformaes numa solda real bastante complexo e depende de diversos fatores,tais como: material, propriedades mecnicas e espessura das peas, grau derigidez da estrutura, dimenses, posio, geometria e quantidade das soldas,alm de suas propriedades mecnicas e sua qualidade.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>10</p><p>Distores</p><p>Uma estimativa da contrao transversal (CT) em soldas de topo de ao aocarbono ou de baixa liga dada pela equao emprica:</p><p> = 0,2</p><p>+ 0,05</p><p>onde AW a rea da seo transversal da solda, t a espessura das chapas e f aabertura da raiz do chanfro. O valor de CT depende de vrios fatores como, porexemplo, o grau de restrio da junta e o nmero de passes usados. De umaforma geral, um maior nmero de passes (atravs do uso de eletrodos de menordimetro ou de uma maior velocidade de soldagem) causa contrao transversale distoro angular maiores.</p><p>Controle das tenses residuais </p><p>O nvel de tenses residuais em uma junta soldada pode ser diminudo reduzindo-se a quantidade de calor fornecido junta ou o peso de metal depositado. Naprtica, isto pode ser feito da seguinte maneira:</p><p> Otimizando-se o desenho do chanfro;</p><p> Evitando-se depositar o material em excesso;</p><p> Seleo de processos de maior eficincia trmica</p><p> Utilizando-se material de adio com a menor resistncia permissvel noprojeto</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>11</p><p>Controle das tenses residuaisAps a soldagem, as tenses residuais podem ser aliviadas por mtodostrmicos ou mecnicos, mostrados na tabela abaixo:</p><p>Controle e correo da distoro</p><p>Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distoro emsoldagem, em diferentes etapas:</p><p>a) No projeto de estruturas soldadas</p><p> Projetar estruturas com a menor quantidade possvel de soldas;</p><p> Usar chanfros que necessitem da deposio de pouco metal deadio;</p><p> Usar chanfros simtricos (X, K, duplo U, etc.)</p><p> Posicionar soldas junto da linha neutra da pea ou em posiessimtricas em relao linha neutra; e</p><p> Especificar o menor tamanho possvel das soldas compatvel comas solicitaes existentes ou usar a soldagem intermitente.</p></li><li><p>22/03/2015</p><p>12</p><p>Controle e correo da distoro</p><p>b) Na fabricao</p><p> Estimar a distoro que ocorrer na estrutura e posicionar as peas deforma a compensar esta distoro (difcil de aplicar em estruturascomplexas);</p><p> Colocar peas na sua posio correta e utilizar dispositivos de fixao etcnicas para minimizar a distoro (ponteamento antes da soldagem,gabaritos, etc.); e</p><p> Usar sequncias de deposio de cordes de solda (deposio por partes,uso de mais de um soldador iniciando a operao no mesmo ponto esoldando em direes opostas) e de montagem (montagem porsubcomponentes, etc.) que minimizem a distoro.</p><p>Controle e correo da distoro</p><p>c) Aps a soldagem (correo da distoro)</p><p> Remoo quente:</p><p> Aquecimento localizado</p><p> Aquecimento uniforme e presso mecnica</p><p> Remoo frio:</p><p> Calandragem</p><p> Prensagem</p><p> martelamento.</p></li></ul>