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TENSÕES RESIDUAISE DISTORÇÕES EM SOLDAGEM

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E TECNOLOGIA MECÂNICA III

Prof. Helio França, M.Sc., PMP

Introdução

De um modo geral, as operações desoldagem, particularmente para osprocessos por fusão, envolvem oaquecimento intenso e localizado daregião a unir. As regiões aquecidastendem a se dilatar, mas a dilatação édificultada pelas partes adjacentessubmetidas a temperaturas menores, oque causa o aparecimento dedeformações elásticas e,eventualmente, plásticas na região dasolda. Como resultado, ao final dasoldagem, tensões internas (tensõesresiduais) e mudanças permanentes deforma e dimensões (distorções) sedesenvolvem na junta.

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INTRODUÇÃO

Uma forma de visualizar o desenvolvimento de tensões internas em uma juntasoldada é mostrada na figura abaixo. No instante em que é depositado, ometal de adição está aquecido e no estado líquido, ocupando o volumemostrado em (1). Na temperatura ambiente, essa mesma quantidade demetal solidificado ocupa somente o volume mostrado em (2).

Para o metal de base, como foram formadas ligações em níveis atômicosdurante o processo, o volume ocupado ao final da operação é o mesmoinicial, ficando, portanto sujeito a um nível elevado de tensão e dedeformação.

Análise de tensõesAo aquecermos um objeto metálico, suas dimensões aumentarãoproporcionalmente à variação de temperatura, obedecendo a expressão abaixo:

Δl= l – l0 = l0.α.Δt,

sendo Δl a variação do comprimento inicial (l0) e α o coeficiente de dilatação linear.Se não existirem restrições ao aumento de sua dimensão, não acontecerão efeitosmecânicos importantes nesse objeto. Caso haja restrições à sua expansão, surgirãotensões e/ou deformações que poderão em casos extremos, inviabilizar suautilização com segurança.

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Análise de tensõesConsideremos o dispositivo constituído de duas barras metálicas de seçãorobusta, unidas por outras três barras de seção transversal mais reduzidadenominadas barras A, B e C.

Na temperatura ambiente, se não acontecer nenhum esforço mecânico, onível de tensões internas dessas três barras será nulo. Admitamos que a barraB agora seja aquecida por um maçarico independentemente das outras duas.

Análise de tensõesA dilatação térmica restringida provoca tensões de compressão na barra B ede tração – para poder ser mantido o equilíbrio – nas barras A e C.

À medida que a temperatura se eleva, a barra B sofre um esforço decompressão, que tende a crescer com a elevação da temperatura,deformando-se elasticamente por compressão, até que as tensões internasatinjam o limite de escoamento em compressão (ponto 1).

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Análise de tensões

A partir desse ponto a dilatação térmica é absorvida com a deformaçãoplástica da barra B. As curvas indicam a variação do limite de escoamentocom a temperatura. Conforme a temperatura sobe, a tensão na barra Bcresce ao longo de 1,2, com a plastificação impedindo o estabelecimentode tensões superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde àtemperatura máxima atingida (T2).

Parando o aquecimento, a barra B começa a resfriar e se contrai, reduzindoo esforço de compressão, até que o mesmo fica nulo, ao atingir atemperatura indicada pelo ponto 3.

A partir do ponto 3, conforme a temperatura cai, a contração térmica éabsorvida por deformação elástica, com a barra B sujeita a esforços detração.

Ao atingir o limite de escoamento (ponto 4), a barra passa então a sedeformar plasticamente, até a temperatura atingir o valor da temperaturaambiente.

Análise de tensõesNo final do processo, portanto, a barraB, inicialmente livre de qualqueresforço interno, agora apresentatensões internas, denominadastensões residuais, com valoresequivalentes ao limite de escoamentoà tração; as barras A e C agora ficamsujeitas a tensões de compressão.

Comparativamente, em soldagem, ocordão de solda e as regiõesadjacentes se comportam de maneirasimilar à barra central, com valores detensões de tração próximos do limitede escoamento do material. Essastensões residuais desenvolvem-se aolongo do cordão de solda e no caso depeças espessas, ao longo da espessuraadjacente ao cordão.

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Consequências das Tensões Residuais

A ocorrência de tensões residuais podem trazer uma série deconsequências positivas e negativas, dentre as quais destacam-se:

a) Variações nas tensões residuais devido à um carregamento estáticode traçãoQuando um componente soldado, contendo uma distribuição inicialde tensões residuais é carregado por tensões de tração, as tensõesresiduais tendem a se somar às tensões de carregamento. Assim, asregiões submetidas a tensões residuais mais elevadas atingemprimeiro as condições de escoamento, deformando-se plasticamente.Esta deformação localizada diminui as diferenças de dimensõesresponsáveis pelas tensões residuais e, desta forma, reduz essastensões quando o carregamento externo é retirado. Esta análisepermite tirar as seguintes conclusões:

Consequências das Tensões Residuais

• Tensões residuais afetam de forma significativa apenas fenômenosque ocorrem com tensões aplicadas relativamente baixas (inferioresao limite de escoamento do material) como, por exemplo, na fraturafrágil, na fragilização pelo hidrogênio e em corrosão sob tensão;

• Em estruturas submetidas a carregamentos, quanto maior ocarregamento, menor o efeito das tensões residuais;

• Se a estrutura é carregada além de seu limite de escoamento, oefeito das tensões residuais se torna desprezível; e

• Métodos que utilizam alguma forma de solicitações mecânicaspodem ser usados para diminuir as tensões residuais de umcomponente soldado.

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Consequências das Tensões Residuais

b) Comportamento em fadigaA presença de tensões residuais de compressão na superfície de umcomponente é um fator para redução da chance de iniciação detrincas de fadiga. Em um componente soldado, as tensões residuaisde tração podem ter um efeito negativo no seu desempenho à fadiga,embora não existam resultados claros quanto a este efeito devido,possivelmente a:1) Sob a ação de cargas variáveis, as tensões residuais de soldagem

devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas e2) As irregularidades superficiais (reforço e escamas) têm um efeito

predominante na redução da resistência à fadiga.

Consequências das Tensões Residuais

c) Fratura frágil

Estruturas soldadas são particularmente propensas à falha por fraturafrágil devido a diversos fatores, destacando-se:• Um estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces

(como em uma estrutura rebitada) que possam interromper apropagação de uma trinca de fratura frágil;

• A região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas,frequentemente, por um aumento do tamanho de grão em relaçãoao metal de base, o que, em materiais de estrutura cristalina CCC,tende a diminuir a tenacidade do material;

• A região da solda tende a apresentar diversas descontinuidades,como trincas e inclusões de escória, que podem atuar comoconcentradores de tensão e pontos de iniciação da fratura; e

• Tensões residuais de tração elevadas existem na região da solda.

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Consequências das Tensões Residuais

A fratura frágil é favorecida por baixatemperatura, elevadas taxas deformação e espessura do componente,presença de concentradores de tensãoou de uma microestrutura de baixatenacidade. Diversos destes fatorespodem ser presentes em umaestrutura soldada. Neste caso, umatrinca pode se propagar sob tensõesinferiores ao limite de escoamento,praticamente sem deformaçãoplástica. Nestas situações, as tensõesresiduais associadas à solda podemser suficientemente elevadas oupodem se adicionar às tensõesexternas para causar a fratura frágil.

Consequências das Tensões Residuais

d) Formação de trincas em soldasTrincas são frequentementeformadas em soldas. Estas trincaspodem ser associadas basicamentea dois fatores: uma solicitação, istoé, tensões mecânicas de tração, euma incapacidade do material,muitas vezes, momentânea, deacomodar esta solicitaçãodeformando-se plasticamente(fragilização).

Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes a esta podeocorrer por diversos motivos (formação de filmes de líquido emcontornos de grão, crescimento de grão, presença de hidrogêniodissolvido no material, precipitação, etc.) durante e após asoldagem.

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Consequências das Tensões Residuais

e) Corrosão sob tensãoNa presença de um ambienteagressivo, trincas de corrosãopodem se desenvolver de formaacelerada devido à presença detensões de tração. No caso de açosestruturais ao carbono ou de baixaliga, por exemplo, este fenômeno édesencadeado pelo contato comhidróxidos ou com sulfeto dehidrogênio. Em estruturas soldadas,as tensões residuais são muitasvezes suficientes para odesenvolvimento de corrosão sobtensão, dependendo do material edo ambiente.

Consequências das Tensões Residuais

f) Instabilidade dimensionalQuando um componente soldadoé usinado ou submetido a outraoperação de remoção de material,o equilíbrio das forçasresponsáveis pelas tensõesresiduais é perturbado. Pararestaurar o equilíbrio de forças, ocomponente sofre pequenasdistorções que causam umaredistribuição das tensõesresiduais. Este processo pode serusado para medida de tensõesresiduais, mas pode, também,causar problema na usinagem deprecisão de componentes comtensões residuais.

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DistorçõesAs distorções de peças soldadas são desvios permanentes de forma e/oudimensões resultantes das deformações plásticas que ocorrem devido às tensõestransientes desenvolvidas durante a soldagem. Além disso, ao final da operação, apeça fica submetida a tensões elásticas (tensões residuais) que podem ser daordem do limite de escoamento. Quando se retiram os vínculos de fixação oumontagem, estas tensões podem ser parcialmente aliviadas, causando umadistorção adicional.

DistorçõesAlguns tipos básicos são considerados para facilitar o estudo das distorçõesgeradas por soldagem. Entretanto, de modo geral, o estado final de tensões edeformações numa solda real é bastante complexo e depende de diversos fatores,tais como: material, propriedades mecânicas e espessura das peças, grau derigidez da estrutura, dimensões, posição, geometria e quantidade das soldas,além de suas propriedades mecânicas e sua qualidade.

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Distorções

Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço aocarbono ou de baixa liga é dada pela equação empírica:

�� = 0,2��

+ 0,05�

onde AW é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e f é aabertura da raiz do chanfro. O valor de CT depende de vários fatores como, porexemplo, o grau de restrição da junta e o número de passes usados. De umaforma geral, um maior número de passes (através do uso de eletrodos de menordiâmetro ou de uma maior velocidade de soldagem) causa contração transversale distorção angular maiores.

Controle das tensões residuais

O nível de tensões residuais em uma junta soldada pode ser diminuído reduzindo-se a quantidade de calor fornecido à junta ou o peso de metal depositado. Naprática, isto pode ser feito da seguinte maneira:

• Otimizando-se o desenho do chanfro;

• Evitando-se depositar o material em excesso;

• Seleção de processos de maior eficiência térmica

• Utilizando-se material de adição com a menor resistência permissível noprojeto

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Controle das tensões residuaisApós a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas por métodostérmicos ou mecânicos, mostrados na tabela abaixo:

Controle e correção da distorção

Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distorção emsoldagem, em diferentes etapas:

a) No projeto de estruturas soldadas

• Projetar estruturas com a menor quantidade possível de soldas;

• Usar chanfros que necessitem da deposição de pouco metal deadição;

• Usar chanfros simétricos (X, K, duplo U, etc.)

• Posicionar soldas junto da linha neutra da peça ou em posiçõessimétricas em relação à linha neutra; e

• Especificar o menor tamanho possível das soldas compatível comas solicitações existentes ou usar a soldagem intermitente.

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Controle e correção da distorção

b) Na fabricação

• Estimar a distorção que ocorrerá na estrutura e posicionar as peças deforma a compensar esta distorção (difícil de aplicar em estruturascomplexas);

• Colocar peças na sua posição correta e utilizar dispositivos de fixação etécnicas para minimizar a distorção (ponteamento antes da soldagem,gabaritos, etc.); e

• Usar sequências de deposição de cordões de solda (deposição por partes,uso de mais de um soldador iniciando a operação no mesmo ponto esoldando em direções opostas) e de montagem (montagem porsubcomponentes, etc.) que minimizem a distorção.

Controle e correção da distorção

c) Após a soldagem (correção da distorção)

• Remoção à quente:

� Aquecimento localizado

� Aquecimento uniforme e pressão mecânica

• Remoção à frio:

� Calandragem

� Prensagem

� martelamento.


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