O documento discute as deformações e tensões residuais causadas pela soldagem. Fatores como a natureza do material, restrição, extensão da zona aquecida, técnica e sequência de soldagem influenciam as deformações. O resfriamento diferencial gera tensões residuais de tração e compressão, enquanto a transformação de fase durante o resfriamento também induz tensões.

1. Capítulo IVCapítulo IV
Deformações e Tensões emDeformações e Tensões em
SoldagemSoldagem
COOPERATIVA DOS PROFISSIONAIS DE ENGENHARIA
EM INTEGRIDADE DE EQUIPAMENTOS LTDA.
Curso de Inspeção de Equipamentos
Instrutores: Carlos Porfírio
Ronaldo Ulisses Setembro 2004

2. Conceituação de Tensão ResidualConceituação de Tensão Residual
Soldagem processo de união entre metais
Temperatura (aquecimento /resfriamento)
Expansões térmicas e contrações
Efeitos indesejáveis: tensões e deformações
As tensões e deformações residuais influem no
comportamento em relação à fratura das juntas.

3. Razão da Deformação PlásticaRazão da Deformação Plástica
O módulo de elasticidade baixa
O limite de escoamento baixa
O coeficiente de expansão térmica baixa
As tensões de restrição aumentam

4. TensõesTensões ResiduaisResiduais
As tensões residuais em soldagem são
tensões internas, em equilíbrio, que
permanecem na estrutura após a execução
da operação de soldagem.

5. Tipos de tensões:
1) Contração no resfriamento de regiões
diferentemente aquecidas e plastificadas
durante a operação de soldagem
2) Resfriamento superficial mais intenso
3) Transformação de fase

6. 1) Tensões residuais de contração
Barra Aquecida

7. Analogia das 3 barrasAnalogia das 3 barras

8. Repartição TérmicaRepartição Térmica

9. DistribuiDistribuiçção de tensões residuais de uma soldaão de tensões residuais de uma solda
entre peentre peçças livresas livres

10. Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se
deformam tendendo a aliviar as tensões residuais.

11. Observamos que:
a) O pré-aquecimento total da peça em
temperaturas inferiores a θ1 – aproximadamente
150°C para os aços carbono – praticamente não
reduz o nível de tensões residuais.

12. b) Repartições térmicas mais estreitas –
soldagem com baixa energia (“low heat
input”) – reduzem a zona plastificada,
diminuindo as deformações.

13. c) A contração de solidificação não
tensiona a peça soldada. A falta de
continuidade do meio sólido não
possibilita a ação de forças.

14. d) As deformações podem ser evitadas, com
a utilização de dispositivos de montagem.

15. Distribuição das Tensões Residuais

16. 2) Tensões residuais devido ao
resfriamento superficial mais
intenso.

17. O resfriamento de uma junta soldada não é
homogêneo ao longo da sua espessura. Sua
superfície será resfriada com maior
intensidade do que o seu interior, mesmo
considerando um resfriamento realizado
somente pelo ar ambiente.

18. Ocorrerá um nível elevado de tensões
residuais deste tipo quando a junta soldada
apresentar elevado gradiente de
temperatura ao longo da espessura – por
exemplo, no caso de chapas espessas – e
baixo limite de escoamento nesta faixa de
temperatura.

19. Obteremos uma distribuição de tensões
residuais de compressão na superfície em
equilíbrio com tensões residuais de tração
na região interna ao cordão.

20. Efeito do resfriamento superficial mais
intenso no estabelecimento de tensões
residuais transversais σt decorrentes de um
aquecimento localizado – por meio de
chama oxi-acetilênica – numa chapa de
aço carbono estrutural de pequena
espessura. Veremos nas figuras a seguir:

21. Espessura de 2,5mm e temperatura de 650°C eEspessura de 2,5mm e temperatura de 650°C e
resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

22. Espessura de 2,5mm e temperatura de 930°C eEspessura de 2,5mm e temperatura de 930°C e
resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

23. Se aumentarmos a temperatura de
aquecimento para uma temperatura de
fusão, teremos o seguinte gráfico.

24. Espessura de 2,5mm e temperatura de fusão eEspessura de 2,5mm e temperatura de fusão e
resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

25. Espessura de 10 mm e temperatura de fusão eEspessura de 10 mm e temperatura de fusão e
resfriamento ao ar ambiente.resfriamento ao ar ambiente.

26. Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão eEspessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e
resfriamento com ar comprimido.resfriamento com ar comprimido.

27. Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão eEspessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e
resfriamento com água em toda chapa.resfriamento com água em toda chapa.

28. Espessura de 2,5 mm e temperatura de fusão eEspessura de 2,5 mm e temperatura de fusão e
resfriamento com água na região fundida.resfriamento com água na região fundida.

29. 3) Tensões residuais devido à
transformação de fase.

30. A transformação de fase da austenita para
ferrita, bainita ou martensita ocorre com
aumento de volume. Desta forma, numa
junta soldada, o material da zona fundida
(ZF) e da zona termicamente afetada
(ZTA) que sofrem transformação de fase
tenderá a se expandir o que será
conseqüentemente impedido – pelo menos
na direção longitudinal da solda – pelo
restante material mais frio e não
transformado.

31. Esta transformações geram tensões:
residuais de compressão na região
transformada;
tração na região não transformada.

32. Superposição das diversas fontes de tensõesSuperposição das diversas fontes de tensões
residuais transversais medidas superficialmente.residuais transversais medidas superficialmente.
Junta soldada por
bombardeamento eletrônico.

33. Representação esquemáticas da variação das tensõesRepresentação esquemáticas da variação das tensões
residuais transversais (residuais transversais (σσt) mostrando a superposit) mostrando a superposiççãoão
linear dos efeitos.linear dos efeitos.

34. Deformações em SoldagemDeformações em Soldagem
Se a estrutura soldada não apresentar
suficiente rigidez haverá deformação
tendendo a aliviar as tensões residuais.
As deformações são proporcionais à
extensão da zona plastificada.

35. DeformaDeformaçções e suas diversas formas.ões e suas diversas formas.

36. Deformações e suas diversas formas.

37. Fatores de InfluênciaFatores de Influência
Natureza do material soldado
Restrição
Extensão da curva de repartição térmica
Martelamento
Quantidade de material depositado
Seqüência de deposição dos passes
Posicionamento das soldas em relação ao eixo
neutro da peça
Técnica de soldagem
Gradiente de temperatura
Tipos de solda

38. Natureza do Metal SoldadoNatureza do Metal Soldado
Depende do grau de rigidez e pela
extensão da zona plastificada.
Propriedades físicas e mecânicas do
material

39. Propriedades de Ligas Metálicas.
0,9091015Ligas de Cobre
0,50122010Ligas de Alumínio
0,04104529Aços Inoxidáveis
0,1273830Aço Carbono
Condutibilidade
Térmica
(cal/cm2/cm/°C/seg)
Coeficiente de
Expansão Térmica
(10-6 in / in / °F)
Limite de
Escoamento
103 psi
Módulo de
Elasticidade
106 psi
Metal

40. Coeficiente de Expansão TCoeficiente de Expansão Téérmica (CET)rmica (CET)
Metais de elevado coeficiente de expansão
térmica apresentam, para determinada
variação de temperatura, elevada expansão
e contração resultando, na soldagem,
maiores deformações do que os metais de
menor coeficiente de expansão térmica.

41. Condutibilidade Térmica (CONDT)
Metais e ligas metálicas de alta
condutibilidade térmica – alumínio e cobre
– dissipam a energia de soldagem com
mais facilidade do que os metais e ligas
metálicas de baixa condutibilidade térmica
– aços inoxidáveis e ligas de níquel. Desta
forma, os materiais de baixa
condutibilidade térmica apresentarão maior
zona plastificada e, conseqüentemente,
maior deformação em soldagem.

42. Limite de Escoamento (Limite de Escoamento (σσσσσσσσy)y)
Conforme vimos anteriormente, as tensões
residuais em soldagem podem facilmente
atingir o limite de escoamento do material
na temperatura ambiente. Quanto maior for
o limite de escoamento do material, na
região soldada, maior será o nível de
tensões residuais que poderá atuar
deformando a estrutura soldada.

43. Módulo de Elasticidade (E)
Caracteriza a rigidez do material em
relação às deformações.

44. Aço Carbono x Aços Inoxidável
1,5 ( ↑def)1CET
1/3 ( ↑def)1CONDT
11σy
11E
Aços InoxidáveisAço CarbonoPropriedades

45. Aço Carbono x Alumínio
Varia muito ∗∗1CET
1/3 ( ↑↑ def)1CONDT
4 ( ↓↓ def)1σy
~ 2 (↑↑ def) *1E
AlumínioAço CarbonoPropriedades
∗ * Como a temperatura de fusão do aço carbono é consideravelmente superior à do
alumínio, a influência desta propriedade será desprezada.
∗∗ Influência desprezada.

46. Aço Carbono x Aço de Alta Resistência
Um aço de alta resistência necessitará
menores espessuras e apresentará um
maior nível de tensões residuais do que a
mesma construção em aço carbono.
Apresentará maior deformação em
soldagem que o aço carbono

47. Restrição
O grau de restrição das peças durante a
soldagem – aquecimento e resfriamento –
será o principal fator determinante da
intensidade das tensões residuais.

48. Pré-deformação

49. Dispositivos de montagem

50. Extensão da Curva de Repartição Térmica
A deformação em soldagem dependerá,
basicamente da dimensão da zona
plastificada – ZP – que, por sua vez,
dependerá da extensão da curva de
repartição térmica.

51. Fatores que afetam a extensão da curva de
repartição térmica
Pré-Aquecimento (θ o)
↑ θ o → ↑ Z . P. → ↑ deformação
Energia de Soldagem (θ s)
↑ θ s → ↑ Z . P. → ↑ deformação
Número de Passes (N.P.)
↑Np → ↑ Z . P. → ↑ deformação

52. A ação destes fatores deve ser vista em
conjunto. Por exemplo: o pré-aquecimento
aumenta a contração pelo alargamento da
zona plastificada, entretanto, proporciona
um resfriamento mais regular que tende a
reduzir as deformações. O número de
passes pode aumentar a contração, mas, à
medida que a solda é depositada, o grau de
restrição tende a conter esta tendência.

53. Martelamento
O martelamento atuará como uma deformação
plástica localizada na junta soldada com o
objetivo de diminuir a deformação generalizada
da estrutura.
Um martelamento excessivo poderá ser bastante
prejudicial. Provoca uma superfície totalmente
irregular que pode não fundir completamente
durante a deposição de um passe subseqüente,
ocasionando a formação de descontinuidades e
grande risco de aprisionamento de escória.
É aplicável em espessuras superiores a 15mm.

54. Quantidade de Metal DepositadoQuantidade de Metal Depositado
Quanto maior for a quantidade de metal
depositado, maior será a energia
transferida à peça e, conseqüentemente,
teremos uma maior extensão da zona
plastificada e uma maior deformação em
soldagem.

55. As deformações em soldagem poderão ser
minimizadas, pela redução ao mínimo da
quantidade de metal depositado

56. Reduzir o reforço de solda

57. Abertura e espaçamento de chanfros V
simples.
utilizar chanfros de abertura e espaçamento
(“gap”) pequenos, compatíveis com a
penetração completa.

58. Não havendo contra-indicação de ordem
metalúrgica, preferir os eletrodos de maior
diâmetro.

59. para chapas espessas, reduzir o ângulo de
abertura e aumentar o espaçamento ou
utilizar a preparação do tipo U. Porém,
neste caso, normalmente a menor
deformação é obtida com a adoção de
chanfros duplos – V duplo ou U duplo –

60. Utilizar soldas intermitentes quando
possível.

61. Seqüência de Deposição dos
Passes
Utilização de chanfros duplos – V duplo
ou U duplo. A solda em ambos os lados
possibilita equilibrar ou compensar os
esforços de contração. Os chanfros podem
ser simétricos ou assimétricos.

62. O chanfro assimétrico é empregado
quando torna-se inviável a aplicação de
vários cordões alternados.

63. Posicionamento das Soldas emPosicionamento das Soldas em
RelaRelaçção ao Eixo Neutro da Peão ao Eixo Neutro da Peççaa
Posicionar as soldas o mais próximo
possível do eixo neutro da peça.

64. Balancear as soldas em relação ao eixo
neutro da peça.

65. Duas peças idênticas podem ser mantidas
solidárias, por ponteamento ou através de
grampos, formando um conjunto simétrico
e possibilitando a soldagem balanceada em
relação ao seu eixo neutro (soldagem
“back-to-back”).
Particularmente utilizado quando o conjunto for tratado termicamente para alívio de tensões antes da
liberação de cada peça.

66. Na impossibilidade de realização do
tratamento térmico será recomendável a
utilização da pré-deformação.

67. TTéécnica de Soldagemcnica de Soldagem
Passe a Ré ou Passe Pelegrino.

68. “Skip Welding”

69. Juntas em ângulo. Solda contínua e solda
intermitente.

70. Gradiente de Temperatura
Os processos automáticos possibilitam a
soldagem com alta velocidade e,
comparativamente aos processos manuais,
normalmente provocam menores
deformações.

71. Maior quantidade de metal é depositada
por passe, acarretando menor número de
passes para completar a junta soldada.
Maior é a regularidade da soldagem
obtendo-se, devido à sua continuidade,
uma distribuição mais uniforme de
temperatura.

72. • Isotermas produzidas pela soldagem
manual e automática.

73. O pré-aquecimento, conforme visto
anteriormente, proporcionará um
resfriamento mais regular, porém não
deveremos esquecer que o mesmo
aumentará a contração devido ao
alargamento da zona plastificada.

74. O pré-aquecimento, conforme visto
anteriormente, proporcionará um
resfriamento mais regular, porém não
deveremos esquecer que o mesmo
aumentará a contração devido ao
alargamento da zona plastificada.

75. Tipo de Solda
Na soldagem de estruturas com alto grau de
rigidez ou na soldagem de estruturas com
grandes dimensões.
Juntas Sobrepostas:
a) Solda em ângulo com cordão duplo;
b) Solda em ângulo com cordão simples.

76. Efeitos das Tensões emEfeitos das Tensões em
SoldagemSoldagem
Além das deformações estudadas
anteriormente, as tensões residuais:
(1) aumentam o risco de ruptura frágil.
(2) alteram a estabilidade dimensional.
(3) diminuem a resistência à corrosão, notadamente à corrosão sob
tensão.
(4) modificam a resistência à fadiga.
(5) afetam a detectabilidade de descontinuidades no exame por
ultra-som.
(6) afetam o risco de fissuração.

77. CorreCorreçção das Deformaão das Deformaçções apões apóóss
SoldagemSoldagem
A correção da deformação
proveniente da soldagem poderá ser
realizada por diversos métodos:
1 Resoldagem
2 Deformação Mecânica
3 Aquecimento Localizado

78. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

79. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

80. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

81. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

82. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado

83. Exemplos da CorreExemplos da Correçção de Deformaão de Deformaçções porões por
Aquecimento LocalizadoAquecimento Localizado
Um cuidado muito importante que deveremos sempre observar é de não realizar o aquecimento
localizado em estruturas ou regiões com alta restrição. Neste caso correremos o risco de não obter
as deformações desejadas e, conseqüentemente, introduzir na região localmente aquecida um
elevado nível de tensões residuais.

84. FIM