1. O documento discute tensões residuais e distorções em soldagem, incluindo suas causas e consequências. 2. As tensões residuais ocorrem devido à restrição da dilatação térmica durante o aquecimento e resfriamento do processo de soldagem, podendo causar problemas como fratura frágil. 3. As distorções são deformações permanentes resultantes das tensões transiente e residuais, e podem ser controladas por meios como projeto e fixação das peças durante a soldagem.

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.