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COLIPE 2014/2I Congresso de Ligações Permanentes

UFSC – Campus JoinvilleJoinville – Santa Catarina

TENSÕES RESIDUAIS EM SOLDAGEM

Rafael Kiemo Pfau Santos, [email protected]

1Universidade Federal de Santa Catarina – Campus Joinville, Rua Presidente Prudente de Moraes ,406 Bairro Santo Antônio, Joinville – SC – Brasil, 89218 – 000

Resumo: Visto as tendências da indústria na busca por produtividade, a utilização de diferentes processos de soldagem é indiscutível. Um problema resultante destes processos é a geração de tensões residuais em componentes mecânicos. O propósito deste trabalho é a introdução deste conceito através da apresentação dos mecanismos que envolvem este fenômeno, a influência destes nos componentes em operação e por fim um breve levantamento das técnicas de medição bem como o processo de seleção do método.

Palavras-chave: soldagem, tensões residuais, medições, falha.

1. INTRODUÇÃO

A crescente necessidade por produtividade na indústria fez com que a inovação nos processos de fabricação e ligações de componentes se tornasse necessária para que uma empresa se mantivesse competitiva no mercado. Esta tendência não é diferente na indústria automotiva, onde encontram-se diversos processos de soldagem como TIG, MIG/MAG, soldagem por resistência e laser, aplicados em diferentes setores de acordo com as características requeridas pelos componentes de um veículo.

Porém, o mal acompanhamento destes processos de soldagem resultam no aparecimento de alguns problemas críticos no produto final. Um desses problemas críticos que está ligado a união entre materias é a formação de tensões residuais. A presença destas tensões irão impactar na resistência dos materiais de um componente. Se um corpo sofre a atuação de carregamento externo, o efeito resultante depende da superposição do campo de tensões originado do carregamento externo com o campo pré existente de tensões originado do carregamento externo com o campo pré existente de tensões residuais. Para as situações maléficas o campo de tensões resultante pode contribuir para a dimunuição da fadiga, facilitar a corrosão sob tensão ou provocar a inicialização precoce de trincas assim como sua propagação [1].

O entendimento do mecanísmo da formação destas tensões torna-se importante para o engenheiro levantar hipóteses para a prevenção ou solução de algum problema de falha existente em componentes soldados. O conhecimento de métodos de medição destas tensões também se torna um fator diferencial no procedimento de análise das mesmas.

O escopo deste trabalho situa-se na apresentação da mecânica relacionada a criação de tensões residuais, o mecanismo no processo de soldagem, e a apresentação de critérios propostos para seleção do método de medição, bem como o apontamento dos mais difundidos métodos de medição existentes.

2. TENSÕES RESIDUAIS

Em uma definição simplificada, entende-se por tensões residuais as tensões existentes em um componente, sem que estejam agindo sobre ele quaisquer tipos de carregamentos externos ou gradientes de temperatura. O sistema de tensões residuais estará em equilíbrio, sendo o somatório de forças e momentos resultantes e produzidos igual a zero. Estas encontram-se no regime elástico, portanto, o valor máximo que esta poderá atingir será da mesma ordem de grandeza, em módulo, quem o próprio limite de escoamento “local” do material [2].

Estas tensões, do ponto de vista macroscópico, aparecem da consequência de processos de manufatura como usinagem, soldagem, tratamento térmico, etc. Além de serem induzidas durante ciclo de operação do componente, sofrendo fadiga, variação de temperatura, deformações, entre outros.

Segundo BHADESHIA ( 2002, apud. [2]), as características dos materiais que influenciam o desenvolvimento das tensões residuais incluem:

mailto:[email protected]

V I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 3 1 d e j u l h o a 0 3 d e A g o s t o 2 0 1 2 , S ã o L u i s - M a r a n h ã o

Condutividade térmica; Capacidade térmica; Expansividade térmica; Módulo de Young e coeficiente de Poisson; Plasticidade; Transformações termodinâmicas, cinéticas, mecânicas e plásticas.

Pode-se então afirmar que tensões residuas estão relaciondas as interações de tempo, temperatura, deformação e microestrutura, como sugere a Figura 1, abaixo:

Figura 1. Relação entre fatores relacionados a tensões residuais. Retirado de (PELIZZARI 2013).

Antes de introduzirmos os mecanismos de geração de tensões residuais componentes soldados, será apresentado o modelo de predição de distorção de soldagem, o modelo de três barras. Este é um meio de quantificar o nível de distorção esperado após a solda, mas o objetivo de introduzir este conceito neste trabalho não será quantificar numericamente nem experimentalmente este dado, e sim fazer a analogia com o mecanismo de geração de tensões em solda que será apresentado na seção posterior.

2.1. Analogia com o modelo três barras

Para ilustrar o comportamento plástico em soldas, é proposta a análise simples do aquecimento e resfriamento do modelo de três barras. Este modelo consiste na análise da barra que se encontra no meio de outras duas, conectadas pelos blocos inferior e superior, limitando o movimento, como ilustrado pela Figura 2.

Figura 2. Modelo de três barras para análise. [3].


O experimento consiste em submeter somente a barra do meio a ciclos de aquecimento e resfriamento de forma linear. A Figura 3 representa os resultados experimento.

Figura 3. Gráfico de tensão x temperatura na barra em análise. Adaptado de [4].

No experimento, a barra é considerada um material dúctil perfeito. Do ponto A ao B, haverá o aquecimento do material, e como um fenômeno intríseco a este tipo de material, haverá o fenômeno da dilatação na barra do meio. Em contra-partida, o fato desta estar ligada as outras barras adjacentes através da fixação com os blocos, fará com que a mesma não possa dilatar livremente, e assim irá experimentar tensões compressivas até o limite de escoamento. Do ponto B ao C, a barra continua sendo aquecida, porém ao ultrapassar o limite de escoamento do material, esta irá deformar-se plasticamente, acarretando o aumento do diâmetro e consequentemente a queda da tensão compressiva. No ponto C haverá então o resfriamento e o alívio de tensões. Com a continuação do resfriamento, a peça irá começar a se contrair gerando tensões trativas desta vez, até atingir o ponto D caracterizado pelo limite de escoamento a tração. A peça resfria até a temperatura ambiente, ponto E, onde as tensões trativas irão ser aliviadas pelo processo análogo ao do trajeto B a C. Por fim, como pode-se observar, há como resíduo a presença de uma tensão trativa na barra do meio e esta possui a mesma magnetude da tensão de escoamento.

O modelo mostra que a tensão residual foi consequência do ciclo de variação de temperatura no material, o que conclui que as etapas de aquecimento e resfriamento são de suma importância para sua presença. Com este conceito pode-se agora ter um melhor entendimento da mecânica que envolve tensões provenientes de cordões de solda.

2.2. Tensões residuais em soldagem

O estado de tensões residuais ao longo de uma junta proveniente de solda apresenta grande complexidade, e não é foco do trabalho. A partir do conceito apresentado anteriormente é possível então apresentar os fenômenos de tensões residuais em solda com mais clareza.

Durante as soldagens por fusão, como exemplo por arco voltáico, o material de base irá sofrer aquecimento quase instantâneo e muito localizado, fazendo com que num dado momento haja a formação da poça de fusão.


Figura 4. Representação a região aquecida na soldagem. Retirado de [5].

Próxima a região da poça, haverá uma outra região que irá da temperatura ambiente até uma temperatura próxima a de fusão em pouco tempo, representada pela Figura 4, e por este mecanismo irá tentar expandir seu volume ( sofrerá dilatação). Porém esta pequena faixa de material não conseguirá dilatar, pois estará restringida pelo restante do material contornante, havendo então compressão nesta região, e as tensões de compressão irão aumentar até atingir o limite de escoamento de compressão do material. O processo é quase instantâneo, e o material ao final do processo de aquecimento irá possuir o mesmo tamanho, mas estará submetida a deformações em compressão quando se inicia o resfriamento.

Agora o material começará a resfriar, e naturalmente a mesma porção que fora aquecida também. A zona consequentemente tenderá a contrair-se, inicialmente aliviando a tensão de compressão e, como não consegue reduzir seu tamanho pelos mesmos motivos anteriores, acabará sendo tracionada até o limite de escoamento em tração, deformando-se para acomodar a presença desta tensão. O mecanismo é representado pela Figura 6 abaixo:

Figura 5. Representação dos fenômenos de geração de tensões residuais. Retirado de [5].

No entando o material somente consegue se deformar em tensões superiores à de escoamento e as tensões trativas inferioriores ao limite de escoamento à tração permanecerão ao final da soldagem. Como anteriormente discutido, estas


tensões são da magnetude do próprimo limite de escoamento, o que chega a ser preocupante por serem tensões elevadas.

Segundo (TOTTEN; HOWES, 2003, apud. [6]), na soldagem as tensões residuais também são decorrentes de transformações de fases. Os fenômenos de contração e transformação de fase se sobrepõe, e então a quantidade e sinal das tensões residuais dependem fortemente da temperatura na qual a transformação ocorre.

O processo de soldagem é gerador de grnades tensões residuais e produzem tipicamente grandes tensões, cujo valor máximo se aproxima das tensões de escoamento dos materiais soldados [ 1]. Tensões residuais trativas podem reduzir ou causar falhas em produtos manufaturados. Por exemplo, após o processo de soldagem, com a presença dessas tensões em material livre, haverá o fenômeno de “springback” ou retorno elástico, como ilustrado na figura 7 abaixo:

Figura 7. “Springback” em placas soldadas [4].

Em literatura especializada, mostra se que dentre as distintas causas de falha de componentes mecânicos, a mais comum é a fadiga. Do número total de falhas, as provocadas por fadiga perfazem de 50% a 90%, sendo na maioria das vezes falhas que ocorrem de forma inesperada, repentinamente, portanto bastante perigosas [7]. Com a presença de tensões residuais, haverá a superposição dos efeitos de tensão, fazendo com que a vida do material seja diminuida quando sujeitada a carregamentos cíclicos. Na Figura 8 abaixo, mostra-se a falha no pé do cordão de solda de forma plana, o que caracteriza a fratura frágil em fadiga:


Figura 7. “Springback” em placas soldadas [4].

Os principais efeitos desfavoráveis da presença de tensões residuais: Nucleação e crescimento de trincas em ambientes agressivos; Nucleação e crescimento de trincas quando o material é aquecido, envelhecido ou usinado; Empenamento do componente devido à redistribuição de tensões residuais presentes com a retirada de

material em operações de usinagem ou corte após tratamento; Instabilidade dimensional; Aumento da probabilidade de falha em fadiga para tensões trativas;

Tensões residuais ainda podem não ser consideradas apenas prejudiciais a componentes soldados. No caso da introdução de tensões residuais compressivas, obtém-se efeitos favoráveis como:

Aumento da resistência à fadiga; Alívio de tensões residuais de tração presentes na superfície de material, que poderiam contribuir para a

nucleação de trincas em processos de corrosão; Redução dos efeitos prejudiciais de concentradores de tensão como entalhes, rasgos e descontinuidades

superficiais, entre outros.

3. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS

Segundo Lu(1996, apud [2]), as técnicas de medição de tensões residuais dividem-se de acordo com o grau de dano no componente e sua aplicação. A Tabela 1 apresenta técnicas com suas descricões, sendo:

Não destrutivas: não precisam de remoção de material e não provocam nenhum dano; Destrutivas: comprometem ou impossibilitam o uso do espécime medido; Semi-destrutivas: introduzem algum dano no componente, porém, não comprometem sua integridade ou

sua operação.

Tabela 1. Principais métodos de medição de tensões residuais.


Segundo STROHAECKER (2014) [4], os seguintes fatores devem ser levados em consideração para seleção do método de medição:

Natureza do material; Classe de tensões residuais presentes no material; Distribuição das tensões nos componentes; Geometria do componente; Onde a medida será realizada; Tipo de intervenção; Tempo de análise e apresentação dos resultados; Precisão e reprodutibilidade do método; Custo final da medida.

Dados recolhidos pela National Physics Laboratory na Inglaterra (2001, apud [4]) , indicaram pelo gráfico da Figura 9 que os métodos mais utilizados são o de Difração de Raios X e método do furo.


Figura 9. Métodos mais utilizados para medição de tensões residuais [4].

4. CONCLUSÕES

A mecânica que envolve a geração de tensões residuais em processos de fundição é de simples entendimento, necessitando apenas os conhecimentos da mecânica de metais sólidos. Percebe-se a importância da preocupação após os processos de soldagem, pois estes quando submetidos a diferentes aplicações, podem ocasionar falhas catastróficas e imprevisíveis. O levantamento de diferentes métodos de medição foi feito, apontando a tendência para os métodos de furo e difração de raios X.

Visto que este é um trabalho de revisão bibliográfica e infomação, algumas sugestões de futuros trabalhos são apontadas:

Caracterização dos diferentes métodos de medição de tensões residuais; Levantamento dos fatores geométricos do componente que pode influenciar na geração de tensões; Experimentação e teste da influência das variáveis do processo de soldagem na geração de tensões

residuais; Análise de tensões residuais em produtos de projetos da UFSC.

5. REFERÊNCIAS

[1]. MIRIM, DENILSON DE .C; Investigação da tensão residual na soldagem laser entre o aço carbono AISI 1010 e o aço inoxidável AISI 304; São Paulo, Ipen, Autarquia associada a USP: 2011; p. 51 – 52.

[2]. PELIZZARI, ELISANGELA; Estudo da incerteza de medição na análise das tensões residuais através do método do furo cego. Porto Alegre, UFRGS: 2013; p. 4.

[3]. CHENG, WENTAO; In-plane shrinkage strains and their effects on welding distortion in thin-wall structures; Ohio, The Ohio State University : 2005; p. 30.

[4]. STROHAECKER, TELMO R. ; Apostila do minicurso de tensões residuais em componentes mecânicos; LAMEF, UFRGS, Setembro: 2014; p. 4, p.27.

[5]. ZEEMAN, ANNELISE; Tensões residuais em soldagem. Artigo publicado em 2003 na página www.infosolda.com.br/metsol03.pdf; p.1 – 2.

[6]. COFIÑO, RACHEL CRISTINA; Análise de tensões residuais em uma junta soldada em condição overmatch; São Bernardo do Campo, FEI: 2010; p. 27.

[7]. ROSA, EDISON DA; Análise de resistência mecânica; Florianópolis, Departamento de Engenharia Mecânica, UFSC: 2002. p. 223.SOUZA, K.J.; PINHA, I.; RABELO, B. Artificial Welding, Welding Journal, USA, v.124, n.11, p.980-983, Jun. 1996.


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