aula tensões residuais

Capítulo IVCapítulo IV

Deformações e Tensões em Deformações e Tensões em

SoldagemSoldagem

COOPERATIVA DOS PROFISSIONAIS DE ENGENHARIAEM INTEGRIDADE DE EQUIPAMENTOS LTDA.

Curso de Inspeção de Equipamentos

Instrutores: Carlos PorfírioRonaldo Ulisses Setembro 2004

Conceituação de Tensão ResidualConceituação de Tensão Residual� Soldagem processo de união entre metais

� Temperatura (aquecimento /resfriamento)

� Expansões térmicas e contrações

� Efeitos indesejáveis: tensões e deformações

� As tensões e deformações residuais influem no comportamento em relação à fratura das juntas.

Razão da Deformação PlásticaRazão da Deformação Plástica� O módulo de elasticidade baixa� O limite de escoamento baixa � O coeficiente de expansão térmica baixa� As tensões de restrição aumentam

TensõesTensões ResiduaisResiduais

� As tensões residuais em soldagem são

tensões internas, em equilíbrio, que

permanecem na estrutura após a execução

da operação de soldagem.

� Tipos de tensões:

� 1) Contração no resfriamento de regiões diferentemente aquecidas e plastificadas durante a operação de soldagem

� 2) Resfriamento superficial mais intenso

� 3) Transformação de fase

�1) Tensões residuais de contração

� Barra Aquecida

Analogia das 3 barrasAnalogia das 3 barras

Repartição TérmicaRepartição Térmica

DistribuiDistribuiçção de tensões residuais de uma solda ão de tensões residuais de uma solda

entre peentre peçças livresas livres

� Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se

deformam tendendo a aliviar as tensões residuais.

Observamos que:

a) O pré-aquecimento total da peça em

temperaturas inferiores a θ1 – aproximadamente

150°C para os aços carbono – praticamente não

reduz o nível de tensões residuais.

b) Repartições térmicas mais estreitas –

soldagem com baixa energia (“low heat

input”) – reduzem a zona plastificada,

diminuindo as deformações.

� c) A contração de solidificação não

tensiona a peça soldada. A falta de

continuidade do meio sólido não

possibilita a ação de forças.

d) As deformações podem ser evitadas, com

a utilização de dispositivos de montagem.

� Distribuição das Tensões Residuais

�2) Tensões residuais devido ao resfriamento superficial mais intenso.

� O resfriamento de uma junta soldada não é

homogêneo ao longo da sua espessura. Sua

superfície será resfriada com maior

intensidade do que o seu interior, mesmo

considerando um resfriamento realizado

somente pelo ar ambiente.

� Ocorrerá um nível elevado de tensões

residuais deste tipo quando a junta soldada

apresentar elevado gradiente de

temperatura ao longo da espessura – por

exemplo, no caso de chapas espessas – e

baixo limite de escoamento nesta faixa de

temperatura.

� Obteremos uma distribuição de tensões

residuais de compressão na superfície em

equilíbrio com tensões residuais de tração

na região interna ao cordão.

� Efeito do resfriamento superficial mais

intenso no estabelecimento de tensões

residuais transversais σt decorrentes de um

aquecimento localizado – por meio de

chama oxi-acetilênica – numa chapa de

aço carbono estrutural de pequena

espessura. Veremos nas figuras a seguir:

Espessura de 2,5mm e temperatura de 650°C e Espessura de 2,5mm e temperatura de 650°C e resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

Espessura de 2,5mm e temperatura de 930°C e Espessura de 2,5mm e temperatura de 930°C e resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

� Se aumentarmos a temperatura de

aquecimento para uma temperatura de

fusão, teremos o seguinte gráfico.

Espessura de 2,5mm e temperatura de fusão e Espessura de 2,5mm e temperatura de fusão e resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

Espessura de 10 mm e temperatura de fusão e Espessura de 10 mm e temperatura de fusão e resfriamento ao ar ambiente. resfriamento ao ar ambiente.

Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e resfriamento com ar comprimido.resfriamento com ar comprimido.

Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e resfriamento com água em toda chapa.resfriamento com água em toda chapa.

Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e resfriamento com água na região fundida.resfriamento com água na região fundida.

�3) Tensões residuais devido àtransformação de fase.

� A transformação de fase da austenita para ferrita, bainita ou martensita ocorre com aumento de volume. Desta forma, numa junta soldada, o material da zona fundida (ZF) e da zona termicamente afetada (ZTA) que sofrem transformação de fase tenderá a se expandir o que seráconseqüentemente impedido – pelo menos na direção longitudinal da solda – pelo restante material mais frio e não transformado.

� Esta transformações geram tensões:

� residuais de compressão na região transformada;

� tração na região não transformada.

Superposição das diversas fontes de tensões Superposição das diversas fontes de tensões residuais transversais medidas superficialmente.residuais transversais medidas superficialmente.

Junta soldada porbombardeamento eletrônico.

Representação esquemáticas da variação das tensões Representação esquemáticas da variação das tensões residuais transversais (residuais transversais (σσt) mostrando a superposit) mostrando a superposiçção ão linear dos efeitos.linear dos efeitos.

Deformações em SoldagemDeformações em Soldagem

� Se a estrutura soldada não apresentar suficiente rigidez haverá deformação tendendo a aliviar as tensões residuais.

� As deformações são proporcionais àextensão da zona plastificada.

DeformaDeformaçções e suas diversas formas.ões e suas diversas formas.

Deformações e suas diversas formas.

Fatores de InfluênciaFatores de Influência

� Natureza do material soldado

� Restrição

� Extensão da curva de repartição térmica

� Martelamento

� Quantidade de material depositado

� Seqüência de deposição dos passes

� Posicionamento das soldas em relação ao eixo neutro da peça

� Técnica de soldagem

� Gradiente de temperatura

� Tipos de solda

Natureza do Metal SoldadoNatureza do Metal Soldado

� Depende do grau de rigidez e pela extensão da zona plastificada.

� Propriedades físicas e mecânicas do material

Propriedades de Ligas Metálicas.

0,9091015Ligas de Cobre

0,50122010Ligas de Alumínio

0,04104529Aços Inoxidáveis

0,1273830Aço Carbono

Condutibilidade Térmica

(cal/cm2/cm/°C/seg)

Coeficiente de Expansão Térmica (10-6 in / in / °F)

Limite de Escoamento

103 psi

Módulo de Elasticidade

106 psiMetal

Coeficiente de Expansão TCoeficiente de Expansão Téérmica (CET)rmica (CET)

� Metais de elevado coeficiente de expansão

térmica apresentam, para determinada

variação de temperatura, elevada expansão

e contração resultando, na soldagem,

maiores deformações do que os metais de

menor coeficiente de expansão térmica.

Condutibilidade Térmica (CONDT)

� Metais e ligas metálicas de alta condutibilidade térmica – alumínio e cobre – dissipam a energia de soldagem com mais facilidade do que os metais e ligas metálicas de baixa condutibilidade térmica – aços inoxidáveis e ligas de níquel. Desta forma, os materiais de baixa condutibilidade térmica apresentarão maior zona plastificada e, conseqüentemente, maior deformação em soldagem.

Limite de Escoamento (Limite de Escoamento (σσσσσσσσy)y)

� Conforme vimos anteriormente, as tensões

residuais em soldagem podem facilmente

atingir o limite de escoamento do material

na temperatura ambiente. Quanto maior for

o limite de escoamento do material, na

região soldada, maior será o nível de

tensões residuais que poderá atuar

deformando a estrutura soldada.

Módulo de Elasticidade (E)

� Caracteriza a rigidez do material em relação às deformações.

Aço Carbono x Aços Inoxidável

1,5 ( ↑def)1CET1/3 ( ↑def)1CONDT

11σy

11EAços InoxidáveisAço CarbonoPropriedades

Aço Carbono x Alumínio

Varia muito ∗∗1CET1/3 ( ↑↑ def)1CONDT

4 ( ↓↓ def)1σy

~ 2 (↑↑ def) *1E

AlumínioAço CarbonoPropriedades

∗ * Como a temperatura de fusão do aço carbono é consideravelmente superior à do alumínio, a influência desta propriedade será desprezada.

∗∗ Influência desprezada.

Aço Carbono x Aço de Alta Resistência

� Um aço de alta resistência necessitará

menores espessuras e apresentará um

maior nível de tensões residuais do que a

mesma construção em aço carbono.

� Apresentará maior deformação em

soldagem que o aço carbono

Restrição

� O grau de restrição das peças durante a

soldagem – aquecimento e resfriamento –

será o principal fator determinante da

intensidade das tensões residuais.

Pré-deformação

Dispositivos de montagem

Extensão da Curva de Repartição Térmica

� A deformação em soldagem dependerá,

basicamente da dimensão da zona

plastificada – ZP – que, por sua vez,

dependerá da extensão da curva de

repartição térmica.

Fatores que afetam a extensão da curva de

repartição térmica

� Pré-Aquecimento (θ o)↑ θ o → ↑ Z . P. → ↑ deformação

� Energia de Soldagem (θ s)↑ θ s → ↑ Z . P. → ↑ deformação

� Número de Passes (N.P.)↑Np → ↑ Z . P. → ↑ deformação

� A ação destes fatores deve ser vista em conjunto. Por exemplo: o pré-aquecimento aumenta a contração pelo alargamento da zona plastificada, entretanto, proporciona um resfriamento mais regular que tende a reduzir as deformações. O número de passes pode aumentar a contração, mas, àmedida que a solda é depositada, o grau de restrição tende a conter esta tendência.

Martelamento� O martelamento atuará como uma deformação

plástica localizada na junta soldada com o objetivo de diminuir a deformação generalizada da estrutura.

� Um martelamento excessivo poderá ser bastante prejudicial. Provoca uma superfície totalmente irregular que pode não fundir completamente durante a deposição de um passe subseqüente, ocasionando a formação de descontinuidades e grande risco de aprisionamento de escória.

� É aplicável em espessuras superiores a 15mm.

Quantidade de Metal DepositadoQuantidade de Metal Depositado

� Quanto maior for a quantidade de metal depositado, maior será a energia transferida à peça e, conseqüentemente, teremos uma maior extensão da zona plastificada e uma maior deformação em soldagem.

� As deformações em soldagem poderão ser minimizadas, pela redução ao mínimo da quantidade de metal depositado

� Reduzir o reforço de solda

� Abertura e espaçamento de chanfros V simples.

� utilizar chanfros de abertura e espaçamento (“gap”) pequenos, compatíveis com a penetração completa.

� Não havendo contra-indicação de ordem metalúrgica, preferir os eletrodos de maior diâmetro.

� para chapas espessas, reduzir o ângulo de abertura e aumentar o espaçamento ou utilizar a preparação do tipo U. Porém, neste caso, normalmente a menor deformação é obtida com a adoção de chanfros duplos – V duplo ou U duplo –

� Utilizar soldas intermitentes quando possível.

Seqüência de Deposição dos

Passes� Utilização de chanfros duplos – V duplo

ou U duplo. A solda em ambos os lados possibilita equilibrar ou compensar os esforços de contração. Os chanfros podem ser simétricos ou assimétricos.

� O chanfro assimétrico é empregado quando torna-se inviável a aplicação de vários cordões alternados.

Posicionamento das Soldas em Posicionamento das Soldas em

RelaRelaçção ao Eixo Neutro da Peão ao Eixo Neutro da Peççaa

� Posicionar as soldas o mais próximo possível do eixo neutro da peça.

� Balancear as soldas em relação ao eixo neutro da peça.

� Duas peças idênticas podem ser mantidas solidárias, por ponteamento ou através de grampos, formando um conjunto simétrico e possibilitando a soldagem balanceada em relação ao seu eixo neutro (soldagem “back-to-back”).

Particularmente utilizado quando o conjunto for tratado termicamente para alívio de tensões antes da liberação de cada peça.

� Na impossibilidade de realização do tratamento térmico será recomendável a utilização da pré-deformação.

TTéécnica de Soldagemcnica de Soldagem

� Passe a Ré ou Passe Pelegrino.

� “Skip Welding”

� Juntas em ângulo. Solda contínua e solda intermitente.

Gradiente de Temperatura

� Os processos automáticos possibilitam a soldagem com alta velocidade e, comparativamente aos processos manuais, normalmente provocam menores deformações.

� Maior quantidade de metal é depositada por passe, acarretando menor número de passes para completar a junta soldada.

� Maior é a regularidade da soldagem obtendo-se, devido à sua continuidade, uma distribuição mais uniforme de temperatura.

• Isotermas produzidas pela soldagem manual e automática.

� O pré-aquecimento, conforme visto anteriormente, proporcionará um resfriamento mais regular, porém não deveremos esquecer que o mesmo aumentará a contração devido ao alargamento da zona plastificada.

� O pré-aquecimento, conforme visto anteriormente, proporcionará um resfriamento mais regular, porém não deveremos esquecer que o mesmo aumentará a contração devido ao alargamento da zona plastificada.

Tipo de Solda

� Na soldagem de estruturas com alto grau de rigidez ou na soldagem de estruturas com grandes dimensões.

Juntas Sobrepostas: a) Solda em ângulo com cordão duplo; b) Solda em ângulo com cordão simples.

Efeitos das Tensões em Efeitos das Tensões em

SoldagemSoldagem� Além das deformações estudadas

anteriormente, as tensões residuais:

� (1) aumentam o risco de ruptura frágil.

� (2) alteram a estabilidade dimensional.

� (3) diminuem a resistência à corrosão, notadamente à corrosão sob tensão.

� (4) modificam a resistência à fadiga.

� (5) afetam a detectabilidade de descontinuidades no exame por ultra-som.

� (6) afetam o risco de fissuração.

CorreCorreçção das Deformaão das Deformaçções apões apóós s

SoldagemSoldagem

� A correção da deformação

proveniente da soldagem poderá ser

realizada por diversos métodos:

1 Resoldagem

2 Deformação Mecânica

3 Aquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções por ões por

Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

Um cuidado muito importante que deveremos sempre observar é de não realizar o aquecimento localizado em estruturas ou regiões com alta restrição. Neste caso correremos o risco de não obter as deformações desejadas e, conseqüentemente, introduzir na região localmente aquecida um elevado nível de tensões residuais.

�FIM