03 tensões residuais e Distorções na Soldagem

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03 tensões residuais e Distorções na Soldagem

  1. 1. 22/03/2015 1 TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E TECNOLOGIA MECÂNICA III Prof. Helio França, M.Sc., PMP Introdução De um modo geral, as operações de soldagem, particularmente para os processos por fusão, envolvem o aquecimento intenso e localizado da região a unir. As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas a dilatação é dificultada pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que causa o aparecimento de deformações elásticas e, eventualmente, plásticas na região da solda. Como resultado, ao final da soldagem, tensões internas (tensões residuais) e mudanças permanentes de forma e dimensões (distorções) se desenvolvem na junta.
  2. 2. 22/03/2015 2 INTRODUÇÃO Uma forma de visualizar o desenvolvimento de tensões internas em uma junta soldada é mostrada na figura abaixo. No instante em que é depositado, o metal de adição está aquecido e no estado líquido, ocupando o volume mostrado em (1). Na temperatura ambiente, essa mesma quantidade de metal solidificado ocupa somente o volume mostrado em (2). Para o metal de base, como foram formadas ligações em níveis atômicos durante o processo, o volume ocupado ao final da operação é o mesmo inicial, ficando, portanto sujeito a um nível elevado de tensão e de deformação. Análise de tensões Ao aquecermos um objeto metálico, suas dimensões aumentarão proporcionalmente 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 efeitos mecânicos importantes nesse objeto. Caso haja restrições à sua expansão, surgirão tensões e/ou deformações que poderão em casos extremos, inviabilizar sua utilização com segurança.
  3. 3. 22/03/2015 3 Análise de tensões Consideremos o dispositivo constituído de duas barras metálicas de seção robusta, unidas por outras três barras de seção transversal mais reduzida denominadas barras A, B e C. Na temperatura ambiente, se não acontecer nenhum esforço mecânico, o nível de tensões internas dessas três barras será nulo. Admitamos que a barra B agora seja aquecida por um maçarico independentemente das outras duas. Análise de tensões A dilatação térmica restringida provoca tensões de compressão na barra B e de 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 de compressão, que tende a crescer com a elevação da temperatura, deformando-se elasticamente por compressão, até que as tensões internas atinjam o limite de escoamento em compressão (ponto 1).
  4. 4. 22/03/2015 4 Análise de tensões A partir desse ponto a dilatação térmica é absorvida com a deformação plástica da barra B. As curvas indicam a variação do limite de escoamento com a temperatura. Conforme a temperatura sobe, a tensão na barra B cresce ao longo de 1,2, com a plastificação impedindo o estabelecimento de tensões superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde à temperatura máxima atingida (T2). Parando o aquecimento, a barra B começa a resfriar e se contrai, reduzindo o esforço de compressão, até que o mesmo fica nulo, ao atingir a temperatura indicada pelo ponto 3. A partir do ponto 3, conforme a temperatura cai, a contração térmica é absorvida por deformação elástica, com a barra B sujeita a esforços de tração. Ao atingir o limite de escoamento (ponto 4), a barra passa então a se deformar plasticamente, até a temperatura atingir o valor da temperatura ambiente. Análise de tensões No final do processo, portanto, a barra B, inicialmente livre de qualquer esforço interno, agora apresenta tensões internas, denominadas tensões residuais, com valores equivalentes ao limite de escoamento à tração; as barras A e C agora ficam sujeitas a tensões de compressão. Comparativamente, em soldagem, o cordão de solda e as regiões adjacentes se comportam de maneira similar à barra central, com valores de tensões de tração próximos do limite de escoamento do material. Essas tensões residuais desenvolvem-se ao longo do cordão de solda e no caso de peças espessas, ao longo da espessura adjacente ao cordão.
  5. 5. 22/03/2015 5 Consequências das Tensões Residuais A ocorrência de tensões residuais podem trazer uma série de consequências positivas e negativas, dentre as quais destacam-se: a) Variações nas tensões residuais devido à um carregamento estático de tração Quando um componente soldado, contendo uma distribuição inicial de tensões residuais é carregado por tensões de tração, as tensões residuais tendem a se somar às tensões de carregamento. Assim, as regiões submetidas a tensões residuais mais elevadas atingem primeiro as condições de escoamento, deformando-se plasticamente. Esta deformação localizada diminui as diferenças de dimensões responsáveis pelas tensões residuais e, desta forma, reduz essas tensões quando o carregamento externo é retirado. Esta análise permite tirar as seguintes conclusões: Consequências das Tensões Residuais • Tensões residuais afetam de forma significativa apenas fenômenos que ocorrem com tensões aplicadas relativamente baixas (inferiores ao limite de escoamento do material) como, por exemplo, na fratura frágil, na fragilização pelo hidrogênio e em corrosão sob tensão; • Em estruturas submetidas a carregamentos, quanto maior o carregamento, menor o efeito das tensões residuais; • Se a estrutura é carregada além de seu limite de escoamento, o efeito das tensões residuais se torna desprezível; e • Métodos que utilizam alguma forma de solicitações mecânicas podem ser usados para diminuir as tensões residuais de um componente soldado.
  6. 6. 22/03/2015 6 Consequências das Tensões Residuais b) Comportamento em fadiga A presença de tensões residuais de compressão na superfície de um componente é um fator para redução da chance de iniciação de trincas de fadiga. Em um componente soldado, as tensões residuais de 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 e 2) 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 fratura frágil devido a diversos fatores, destacando-se: • Um estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces (como em uma estrutura rebitada) que possam interromper a propagação de uma trinca de fratura frágil; • A região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas, frequentemente, por um aumento do tamanho de grão em relação ao 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 como concentradores de tensão e pontos de iniciação da fratura; e • Tensões residuais de tração elevadas existem na região da solda.
  7. 7. 22/03/2015 7 Consequências das Tensões Residuais A fratura frágil é favorecida por baixa temperatura, elevadas taxas de formação e espessura do componente, presença de concentradores de tensão ou de uma microestrutura de baixa tenacidade. Diversos destes fatores podem ser presentes em uma estrutura soldada. Neste caso, uma trinca pode se propagar sob tensões inferiores ao limite de escoamento, praticamente sem deformação plástica. Nestas situações, as tensões residuais associadas à solda podem ser suficientemente elevadas ou podem se adicionar às tensões externas para causar a fratura frágil. Consequências das Tensões Residuais d) Formação de trincas em soldas Trincas são frequentemente formadas em soldas. Estas trincas podem ser associadas basicamente a dois fatores: uma solicitação, isto é, tensões mecânicas de tração, e uma incapacidade do material, muitas vezes, momentânea, de acomodar esta solicitação deformando-se plasticamente (fragilização). Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes a esta pode ocorrer por diversos motivos (formação de filmes de líquido em contornos de grão, crescimento de grão, presença de hidrogênio dissolvido no material, precipitação, etc.) durante e após a soldagem.
  8. 8. 22/03/2015 8 Consequências das Tensões Residuais e) Corrosão sob tensão Na presença de um ambiente agressivo, trincas de corrosão podem se desenvolver de forma acelerada devido à presença de tensões de tração. No caso de aços estruturais ao carbono ou de baixa liga, por exemplo, este fenômeno é desencadeado pelo contato com hidróxidos ou com sulfeto de hidrogênio. Em estruturas soldadas, as tensões residuais são muitas vezes suficientes para o desenvolvimento de corrosão sob tensão, dependendo do material e do ambiente. Consequências das Tensões Residuais f) Instabilidade dimensional Quando um componente soldado é usinado ou submetido a outra operação de remoção de material, o equilíbrio das forças responsáveis pelas tensões residuais é perturbado. Para restaurar o equilíbrio de forças, o componente sofre pequenas distorções que causam uma redistribuição das tensões residuais. Este processo pode ser usado para medida de tensões residuais, mas pode, também, causar problema na usinagem de precisão de componentes com tensões residuais.
  9. 9. 22/03/2015 9 Distorções As distorções de peças soldadas são desvios permanentes de forma e/ou dimensões resultantes das deformações plásticas que ocorrem devido às tensões transientes desenvolvidas durante a soldagem. Além disso, ao final da operação, a peça fica submetida a tensões elásticas (tensões residuais) que podem ser da ordem do limite de escoamento. Quando se retiram os vínculos de fixação ou montagem, estas tensões podem ser parcialmente aliviadas, causando uma distorção adicional. Distorções Alguns tipos básicos são considerados para facilitar o estudo das distorções geradas por soldagem. Entretanto, de modo geral, o estado final de tensões e deformações numa solda real é bastante complexo e depende de diversos fatores, tais como: material, propriedades mecânicas e espessura das peças, grau de rigidez da estrutura, dimensões, posição, geometria e quantidade das soldas, além de suas propriedades mecânicas e sua qualidade.
  10. 10. 22/03/2015 10 Distorções Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço ao carbono ou de baixa liga é dada pela equação empírica: ‫ܥ‬் = 0,2 ‫ܣ‬ௐ ‫ݐ‬ + 0,05݂ onde AW é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e f é a abertura da raiz do chanfro. O valor de CT depende de vários fatores como, por exemplo, o grau de restrição da junta e o número de passes usados. De uma forma geral, um maior número de passes (através do uso de eletrodos de menor diâmetro ou de uma maior velocidade de soldagem) causa contração transversal e 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. Na prática, 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 no projeto
  11. 11. 22/03/2015 11 Controle das tensões residuais Após a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas por métodos térmicos ou mecânicos, mostrados na tabela abaixo: Controle e correção da distorção Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distorção em soldagem, 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 de adição; • Usar chanfros simétricos (X, K, duplo U, etc.) • Posicionar soldas junto da linha neutra da peça ou em posições simétricas em relação à linha neutra; e • Especificar o menor tamanho possível das soldas compatível com as solicitações existentes ou usar a soldagem intermitente.
  12. 12. 22/03/2015 12 Controle e correção da distorção b) Na fabricação • Estimar a distorção que ocorrerá na estrutura e posicionar as peças de forma a compensar esta distorção (difícil de aplicar em estruturas complexas); • Colocar peças na sua posição correta e utilizar dispositivos de fixação e técnicas 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 e soldando em direções opostas) e de montagem (montagem por subcomponentes, 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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