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  • Tenses residuais e deformaes em soldagem

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    FundaoBrasileiradeTecnologiadaSoldagem|FBTSEstetextocomplementarparteintegrantedomaterialonlinedisponibilizadoparaoCursodeInspetordeSoldagemPgina|1

    Metalurgia da Soldagem Tenses Residuais e Deformaes em Soldagem

    Neste texto voc conhecer os principais aspectos relacionados com as

    tenses residuais e deformaes decorrentes do processo de soldagem.

    Conhecer tambm a Analogia da Barra Aquecida, os efeitos de

    Repartio Trmica e Plastificao, alm dos Tratamentos Trmicos de

    Normalizao, Recozimento, Tmpera e Revenimento.

    A soldagem, devido ao aquecimento localizado, provoca tenses

    residuais e deformaes que devem ser levadas em conta no projeto e

    fabricao das peas.

    Analogia da Barra Aquecida

    Considere um dispositivo constitudo de trs barras engastadas a

    suportes fixos, inicialmente temperatura ambiente (Figura 1). Admita,

    agora, que a barra B seja aquecida independentemente das outras duas.

    A dilatao trmica restringida provoca tenses de compresso na barra B e de trao - para que o equilbrio seja mantido - nas barras A e C.

  • Tenses residuais e deformaes em soldagem

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    medida que a temperatura se eleva, as tenses nas barras aumentam, atingindo o limite de escoamento na barra B (ponto 1). A partir desse ponto a dilatao trmica absorvida com a deformao plstica da barra B.

    As curvas indicam a variao do limite de escoamento com a temperatura. Continuando o aquecimento, a tenso na barra B evolui ao longo de 1, 2, onde a plastificao impede o estabelecimento de tenses superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde temperatura mxima atingida (2).

    Durante o resfriamento, a barra B se contrai tendendo para um comprimento livre menor do que L, em virtude da deformao plstica a que foi submetida. A tenso diminui, muda de sinal e atinge o limite de escoamento - trao - no ponto 3.

    A partir do ponto 3 a contrao trmica absorvida por deformao plstica, no permitindo que a tenso na barra ultrapasse o limite de escoamento. Ao longo de 3, 4, o valor da tenso acompanha a variao do limite de escoamento com a temperatura.

    Concluindo o resfriamento, as 3 barras ficam submetidas a um sistema de tenses residuais. Na barra B a tenso de trao e da ordem de grandeza do limite de escoamento do material.

    Esse raciocnio evidentemente simplificado. No foi considerada a

    variao do mdulo de elasticidade e do coeficiente de dilatao

    trmica, com a temperatura. A fluncia do material ("creep") foi tambm

    desprezada.

  • Tenses residuais e deformaes em soldagem

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    Figura 1: Variao da tenso na barra B.

    Repartio Trmica e Plastificao

    Uma pea soldada se assemelha ao sistema de trs barras. A repartio

    trmica mostra que a zona aquecida acima de 1 sofre deformaes plsticas, analogamente barra B, determinando o aparecimento de

    tenses residuais (figura 2). O nvel de tenses depende do grau de

    restrio da estrutura, na direo considerada. Na maioria dos casos, a

    restrio total na direo longitudinal do cordo de solda. Verificaes

  • Tenses residuais e deformaes em soldagem

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    experimentais confirmam que nessa direo as tenses so muito

    prximas do limite de escoamento.

    Figura 2: Distribuio de tenses residuais de uma solda entre peas.

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    No dispondo de rigidez suficiente, as peas se deformam tendendo a

    aliviar as tenses residuais. As deformaes so proporcionais

    extenso da zona plastificada.

    As tenses e deformaes resultantes da soldagem aparecem em

    condies muito mais complexas que no modelo da barra aquecida. O

    movimento da fonte de calor, a variao do grau de restrio medida

    que a solda depositada e a soldagem em vrios passes so os

    principais fatores eliminados pela simplificao. Entretanto, apesar de

    sua relativa simplicidade, a analogia permite concluses teis, tais

    como:

    O preaquecimento em temperaturas inferiores a 1 - aproximadamente 150C, para os aos carbono - praticamente no reduz o nvel de

    tenses residuais. O preaquecimento total da pea em temperaturas nas

    quais o limite de escoamento se anula, previne o aparecimento das

    tenses residuais. Entretanto, nesta condio, a pea pode se deformar

    sob ao de seu peso. O preaquecimento local - qualquer que seja a

    temperatura - no reduz o nvel de tenses, embora apresente vrias

    outras aes benficas.

    Reparties trmicas mais estreitas - soldagem com baixa energia ("low heat input") - reduzem a zona plastificada, diminuindo as deformaes. A soldagem a gs, por exemplo, provoca maiores deformaes que a soldagem a arco. Pela mesma razo, o preaquecimento tende a aumentar as deformaes.

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    A contrao de solidificao no tensiona a pea soldada. A falta de continuidade do meio slido no possibilita a ao de foras. Em vista disso, ao se avaliar as deformaes, deve-se reportar s dimenses da zona plastificada e no da zona fundida da solda. As deformaes podem ser evitadas, com a utilizao de dispositivos de montagem, entretanto, deve-se considerar que, quanto maior o grau de restrio, mais elevadas so as tenses residuais de soldagem. Tratamentos Trmicos

    Para se obter o controle metalrgico de uma junta soldada e, por

    conseqncia, o controle das propriedades mecnicas, necessrio que

    se conhea os ciclos trmicos a que a junta soldada submetida. Os

    tratamentos trmicos tm o objetivo de alterar ou conferir

    caractersticas determinadas junta soldada.

    Tratamento Trmico de Alvio de Tenses

    O tratamento trmico de alvio de tenses consiste de modo

    simplificado, em aquecer uniformemente a pea, de maneira que o

    limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores s

    tenses residuais. Nesta condio, as tenses residuais provocam

    deformaes plsticas locais diminuindo de intensidade.

    O tratamento trmico de alvio de tenses executado atravs do

    aquecimento da pea temperatura apropriada e pela manuteno

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    nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um

    resfriamento uniforme de modo a impedir a introduo de novas

    tenses. Para impedir mudanas na microestrutura ou dimenses da

    pea, a temperatura mantida abaixo da temperatura crtica.

    Para os aos carbono, somente os tratamentos realizados em

    temperaturas superiores a 5000 C so realmente eficazes. Para cada tipo

    de ao temperaturas especficas de tratamento so recomendadas.

    O tratamento trmico de alvio de tenses pode reduzir a tenacidade do

    metal de base. Isto se torna bastante relevante em ocasies em que se

    faz necessrio execuo do tratamento por mais de uma vez.

    Normalizao

    A normalizao consiste no aquecimento do ao a uma temperatura

    acima da zona crtica (temperatura A3 ou temperatura Acm), seguido de

    resfriamento ao ar. necessrio que toda a estrutura se austenitize

    antes do resfriamento.

    O objetivo da normalizao a obteno de uma microestrutura mais

    fina e uniforme. Os constituintes que se obtm da normalizao do ao

    carbono so ferrita e perlita fina (aos hipoeutetides) ou cementita e

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    perlita fina (aos hipereutetides). Dependendo do tipo de ao pode-se,

    eventualmente, obter bainita (ver figura 3).

    Figura 3: Normalizao de um ao hipoeutetide.

    Recozimento

    O recozimento consiste no aquecimento do ao acima da zona crtica

    (temperatura A3 ou temperatura Acm) durante o tempo necessrio para

    que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento

    muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento do

    forno. A microestrutura obtida nos aos carbono a perlita grossa e

    ferrita