unidade tematica 3: tensões residuais e deformação na soldadura
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Fabricação e Qualidade IV-III -1
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Índice Temático III
3 Tensões residuais e deformação na soldadura
3.1 Introdução
3.2 Factores de influência
3.3 Dados térmicos de materiais
3.4 Origem das tensões e deformações residuais
3.5 Amplitude das tensões de contracção longitudin al e transversal
3.6 Métodos para a medição de tensões residuais
3.7 Sequência da soldadura
3.8 Efeito das tensões residuais no comportamento d a estrutura em serviço
3.9 Métodos para reduzir tensões residuais e distor ções e relação entre introdução
de calor, tensões de compressão e de contracção
3.10 Correcção da deformação
3.11 Actividades / Avaliação
Fabricação e Qualidade IV-III -2
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Tensões residuais e deformação na soldadura
Objectivos
No final deste módulo o formando deverá estar apto a:
• Identificar a influência dos ciclos térmicos de soldadura no estado de tensão das
juntas.
• Analisar os tipos de formação provocados pela ligação por soldadura por fusão.
• Aplicar os métodos para reduzir e corrigir os efeitos da ligação por soldadura por
fusão.
Temas
• Tensões residuais e deformação na soldadura
• Factores de influência
• Origem das tensões e deformações residuais
• Métodos para a medição de tensões residuais
• Efeito das tensões residuais no comportamento da estrutura em serviço
• Métodos para reduzir tensões residuais e distorções e relação entre introdução
de calor, tensões de compressão e de contracção
• Correcção da deformação
3 Tensões residuais e deformação na soldadura
3.1 Introdução
Pretende-se com este módulo estudar e compreender as tensões residuais e
deformações existentes nos vários processos de soldadura. Vai ser estudada a
origem das tensões residuais e das deformações, a sua quantificação, a sua
medição e métodos de controlo e correcção em peças soldadas.
3.2 Factores de influência
As tensões residuais são aquelas que subsistem num corpo após ter cessado a
aplicação de todas as forças ou acções exteriores. Como exemplo deste tipo de
tensões podem citar-se aquelas que ficam num corpo quando sujeito a uma
variação não uniforme de temperatura , como é o caso no ciclo térmico da
Fabricação e Qualidade IV-III -3
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
soldadura, que se designam vulgarmente por tensões térmicas.
As principais consequências das tensões residuais em soldadura são as
deformações durante a fabricação de construções soldadas, a possibilidade de falha
em serviço por ruptura frágil, fadiga ou corrosão sob tensão e a i nstabilidade
dimensional na maquinagem de peças soldadas .
As deformações são uma consequência, em maior ou menor grau, de qualquer
processo que envolva calor. Em soldadura, visto que as fontes de calor são
normalmente muito concentradas, vão aparecer gradientes térmicos muito grandes e
consequentemente estados de tensões residuais muito elevados . As tensões
residuais podem, em determinadas condições, diminuir a resistência à ruptura de
uma estrutura soldada.
Quando é necessário maquinar peças com tolerâncias dimensionais apertadas, a
existência de tensões residuais pode conduzir ao aparecimento de deformações nas
peças durante a maquinagem. Este facto ocorre porque a eliminação de
determinadas quantidades de material, provoca uma alteração na distribuição de
tensões residuais, conduzindo a uma deformação da peça.
Em certos casos será mais fácil, prático e económico aceitar a possibilidade de uma
correcção final do que tomar medidas para minimizar a deformação.
Por vezes é inaceitável a existência de estados de tensão residuais muito
elevados em construções soldadas, pois podem provocar um falhanço por ruptura
frágil, por fadiga , ou por corrosão sob tensão . Logo devem-se reduzir os estados
de tensão através de pré-aquecimento nas soldaduras , uso de sequências
adequadas de soldadura, tratamentos térmicos e mecânicos de construções
soldadas.
3.3 Dados térmicos de materiais O valor que as tensões residuais atingem, bem como a amplitude de deformação
que pode ocorrer numa construção soldada, dependem das características físicas
Temperatura
Gradientes térmicos elevados
Deformações
Tensões residuais
As contracções e deformações não podem ser evitadas numa soldadura, mas é possível reduzi-las a níveis aceitáveis ou qu e permitam uma fácil correcção .
Fabricação e Qualidade IV-III -4
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
dos materiais envolvidos. Na tabela 1 apresentam-se os valores das constantes
térmicas dos materiais mais utilizados em construção soldada. Como podemos ver,
por exemplo, o alumínio tem o ponto de fusão mais baixo do que os aços logo as
temperaturas envolvidas são mais baixas. O aço inoxidável austeníntico tem uma
condutividade térmica maior do que o aço carbono, logo requer uma entrega térmica
maior, para a realização de cordões de soldadura em condições idênticas .
Coeficiente Calor
Metal base
ou sua liga
Densidade
Ponto de
fusão ºC
Condutividade
térmica relativa
Cobre = 1
de expansão
linear x10-6
por grau
especifico
Calorias por
grama por ºC
Condutividade
eléctrica em %
cobre=100%
Alumínio e ligas 2.70 659 0.52 24.8 0.22 59.0
Bronze – alumínio 7.69 1040 0.15 29.9 0.014 12.8
Cobre (desoxidado) 8.89 1081 1.00 17.6 0.095 100
Ouro 19.3 1061 0.76 14.0 0.032 71.0
Inconel
72Ni16Cr8Fe
8.25 1425 0.04 11.5 0.109 1.5
Ferro forjado 7.50 1260 0.12 10.8 0.119 2.9
Chumbo 11.3 328 0.08 29.5 0.03 8.0
Magnésio 1.74 650 0.40 25.7 0.246 37.0
Monel 67Ni-30Cu 8.47 1318 0.07 14.0 0.127 3.6
Níquel 8.8 1452 0.16 13.3 0.105 23.0
Prata 10.5 962 1.07 19.1 0.056 106.0
Aço-baixa liga 7.85 1430 0.12 12.1 0.118 14.5
Aço- alto carbono 7.85 1374 0.17 12.1 0.118 9.5
Aço- baixo carbono 7.84 1483 0.17 12.1 0.118 14.5
Aço- médio
carbono
7.84 1430 0.17 12.1 0.118 15.0
Aço inox
austenítico
7.9 1395 0.12 17.3 0.117 3.0
Aço inox
martensítico
7.7 1430 0.17 17.1 0.118 3.0
Aço inox ferritico 7.7 1507 0.17 17.1 0.334 3.0
Titânio 4.5 1668 0.04 7.2 0.113 1.1
Tungsténio 18.8 3420 0.42 4.5 0.034 31.0
Zinco 7.13 419 0.27 39.8 0.093 30.0
4.3.4 Origem das tensões e deformações residuais
O diagrama da figura 1 mostra como surgem as tensões residuais de origem Tensões residuais
As tensões residuais subsistem na peça após ter ces sado aplicação de todas as forças exteriores .
Tabela 1 – Propriedades físicas dos materias
Fabricação e Qualidade IV-III -5
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
térmica num sistema de três barras, de comprimento e secções iguais, ligadas a
dois blocos fixos e que foram aquecidos diferentemente, o que se pode considerar
como uma analogia ao que se passa na soldadura, onde não há variação uniforme
de temperatura .
Fig. 1 – Diagrama de tensões residuais num sistema de três barras
A barra central foi aquecida até aos 600º C e depois arrefeceu até à temperatura
ambiente. Como as duas barras laterais se opõem à deformação da barra central, a
tensão em cada uma das barras laterais será sempre de sinal contrário e metade,
em valor absoluto, da tensão da barra central. Quando se aquece a barra central,
esta fica em compressão, porque a sua dilatação é constrangida pelas outras barras.
À medida que sobe a temperatura, a tensão de compressão vai aumentando
segundo a linha AB. A tensão limite de elasticidade de compressão é atingida a uma
temperatura de aproximadamente de 180º C, a qual está representada pelo ponto B.
Para além deste ponto, à medida que a temperatura vai aumentando, a tensão de
compressão da barra vai diminuindo, pois está limitada à tensão limite de
elasticidade, a qual vai descendo com o aumento de temperatura (linha BC), ficando
Simulação da forma de
ocorrência de tensões residuais
Fabricação e Qualidade IV-III -6
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
a barra central com um comprimento inferior àquele com que ficaria se tivesse
dilatado livremente. Durante o arrefecimento, a tensão de compressão baixa
rapidamente, passando a existir tensões de tracção na barra central, e em breve
esta tensão atinge o valor da tensão limite de elasticidade de tracção (ponto D).
À medida que a temperatura continua a baixar, a tensão de tracção na barra central
continua a aumentar, isto porque a tensão limite de elasticidade vai também
aumentar com a diminuição de temperatura (linha DE). Logo, após este ciclo de
aquecimento e arrefecimento a barra central vai fic ar sujeita a uma tensão
residual de tracção da ordem da tensão limite de el asticidade, à temperatura
ambiente, do material em que é feita, ficando as du as barras laterais em
compressão.
A figura 2 mostra esquematicamente as variações de temperatura e de tensões
durante a soldadura executada sobre uma chapa , em que a fonte de calor se
desloca com uma velocidade V e que se encontra localizada na origem de um
referencial móvel XY. A figura 2.b representa a distribuição de tempera turas ao
longo das várias secções transversais. Na secção AA, à frente do banho de fusão, a
variação de temperatura ???T de temperatura devida à soldadura é praticamente
nula. Na secção BB, que intersecta o banho de fusão, a distribuição de temperaturas
apresenta um gradiente muito elevado. Na secção CC, já a alguma distância do
banho de fusão, os gradientes de temperatura são muito menos acentuados. Na
secção DD a situação é análoga à secção AA.
A figura 2.c representa as distribuições de tensõe s (σx) ao longo das secções
atrás referidas na direcção do eixo dos XX. As tensões (σy) e (σxy) também existem
num campo bidimensional, embora neste caso não estejam representadas. Na
secção AA as tensões térmicas são praticamente nulas. O andamento das tensões
na secção BB mostra tensões de compressão na zona aquecida, devido a esta zona
não se poder dilatar livremente, pois está constrangida pelas zonas adjacentes mais
frias, nas quais irão surgir tensões de tracção.
As tensões de compressão na zona de metal fundido reduzem-se praticamente a
zero, devido ao facto de, estando a zona no estado líquido, não ser capaz de
suportar tensões. Na secção CC, o metal fundido e as zonas imediatamente
adjacentes ao arrefecerem começam a contrair, surgindo então tensões de tracção
nessa zona e tensões de compressão nas zonas mais afastadas da soldadura. Na
secção DD aparece uma distribuição de tensões semelhantes à da secção CC mas
com valores mais elevados, atingindo-se na zona da soldadura tensões de tracção
de ordem do limite elástico.
Variações de temperatura
Fabricação e Qualidade IV-III -7
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Fig. 2 – Variações de temperatura e tensões na zona soldada
As distribuições típicas de tensões residuais longitud inais e transversais numa
soldadura topo a topo estão representadas na figura 3 Esta figura mostra a
distribuição das tensões residuais longitudinais (σx) caracterizada por tensões de
tracção muito elevadas, da ordem da tensão limite de elasticidade do material, na
zona da soldadura e por tensões de compressão na restante secção transversal.
Distribuicão de tensões
As tensões residuais em soldadura podem ser
divididas em :
- Tensões residuais que surgem na soldadura de peça s
isoladas (livres).
- Tensões de reacção que são provocadas pela existê ncia
de constrangimentos externos às peças soldadas.
- Tensões estruturais, provenientes da transformaçõ es de
fases, da orientação dos cristais, etc., e que exis tem em
volumes infinitamente pequenos.
Fabricação e Qualidade IV-III -8
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Fig. 3 – Distribuição de tensões residuais longitudinais e transversais numa
soldadura topo a topo.
A distribuição das tensões residuais transversais , (σy), ao longo do comprimento
da soldadura, está representada pela figura 3.c, a qual mostra tensões de tracção de
intensidade relativamente baixa na zona central e tensões de compressão junto aos
extremos da soldadura. Se existem constrangimentos externos que se oponham à
contracção transversal da junta soldada, surgem tensões de reacção de tracção cuja
distribuição ao longo da junta é praticamente uniforme (curva 2 da figura 3.c). Os
constrangimentos externos têm muito pouca influência na distribuição de tensões
residuais longitudinais .
Para espessuras superiores a 25-30 mm, tensões residuais (σz), com a direcção da
espessura, podem começar a tomar valores significativos.
Constrangimentos
Fabricação e Qualidade IV-III -9
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
3.5 Amplitude das tensões de contracção longitudin al e transversal
As principais consequências das tensões residuais em soldadura são as
deformações durante a fabricação de construção soldada. As deformações são
uma consequência de todas as construções soldadas visto envolverem a utilização
de calor . Este problema resulta do facto de
as fontes de calor usadas nos processos serem muito concentradas, dando origem a
gradientes térmicos muito grandes e como consequência tensões residuais
muito elevadas . As deformações em construção soldada podem dos seguintes
tipos (ver figura 4).
Contracção transversal , Ct, que ocorre perpendicularmente à direcção de
soldadura, devido a tensões transversais.
Contracção longitudinal , Cl, que ocorre paralelamente à direcção de
soldadura, devido a tensões longitudinais.
Rotação angular , que consiste numa rotação relativa das peças a soldar em
torno da soldadura, devido à não uniformidade de tensões e contracções
transversais ao longo da espessura.
Na discussão destes três tipos de alterações dimensionais, o estudo é qualitativo
sendo que deve ser utilizado como orientação.
Fig. 4- Alterações dimensionais das peças. Contracção transversal Contracção longitudinal Rotação angular
Fabricação e Qualidade IV-III -10
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Para o caso de contracção transversal C t , em soldadura topo a topo não
se pode considerar que a contracção transversal é u niforme em toda a
soldadura , devido à deformação rotacional (figura. 5), a qual depende da entrega
térmica e da velocidade da soldadura, dos constrangimentos externos, do
pingamento da junta soldada, etc.
Figura 5 – Deformação rotacional
A equação 1 permite-nos calcular de uma forma simples e em primeira
aproximação o valor da contracção transversal numa soldadura topo a topo de
chapas com espessuras superiores a 6 mm.
Ct = contracção transversal (mm)
As = área da secção transversal da soldadura (mm2)
e = espessura da chapa (mm)
f = folga na raiz do chanfro (mm)
A tabela 2 mostra a influência dos diversos parâmetros no valor da contracção
transversal em soldaduras topo a topo.
A contracção transversal em soldaduras de canto (figura 6) é muito menos
intensa do que as soldaduras topo a topo e pode ser calculada aproximadamente
pela seguinte fórmula:
Ctc = contracção transversal em
f05,0eAs
2,0Ct += (1)
ec
Ctc = (2)
Figura 6 - Soldadura de canto
Fabricação e Qualidade IV-III -11
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
soldadura de canto.
c = dimensão do cateto das soldaduras de canto (mm).
e = espessura da chapa (mm).
Parâmetros Efeitos
-Folga na raíz (f). -Aumento acentuado de Ct com aumento da
folga na raíz (f).
-Area da secção
transversal (As).
-Aumento acentuado de Ct com aumento da
area da secção transversal (As).
-Diâmetro dos
electrodos.
-Diminuição de Ct com o aumento do diâmetro
dos electrodos usados na soldadura.
-Constrangimento. -Diminuição de Ct e aumento do nível de
tensões residuais com o aumento dos
constrangimentos externos.
-Martelagem. -Diminuição ligeira de Ct com a execução de
martelagem da soldadura.
-Pré-aquecimento. -Diminuição ligeira de Ct em soldaduras
executados com pré-aquecimento.
-Burilamento da raíz do
chanfro.
-Aumento ligeiro de Ct em soldaduras com a
raiz burilada devido ao aumento global de
metal fundido
Tabela 2- Influência dos parâmetros de soldadura no valor da contracção
transversal.
No caso de soldadura de canto interrompida deve-se corrigir a fórmula 2 com um
factor igual à razão entre o comprimento total dos cordões interrompidos e o
comprimento total da junta.
O cálculo da contracção longitudinal C l numa soldadura topo a topo ou de
canto pode ser feito pela fórmula 3
Cl = contracção longitudinal unitária (mm/m)
As = área da secção transversal da soldadura (mm2)
Ap = área da secção transversal das peças soldadas (mm2)
Quando Ap>20xAs é preferível utilizar o diagrama da figura 7.
ApAs
Cl = (3)
Fabricação e Qualidade IV-III -12
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Fig. 7 – Contracção longitudinal em soldaduras topo a topo e de canto
Em peças soldadas surge muitas vezes uma flexão longitudinal como
consequência da resultante das forças de contracção longitudinal es tar aplicada
a uma certa distância, d, do eixo neutro das peças soldadas . O valor da flecha
da flexão longitudinal depende do momento de flexão devido às forças de
contracção longitudinal e do momento de inércia do conjunto soldado. A
distribuição das tensões longitudinais num conjunto soldado (figura 3.b) mostra
que a uma distância da soldadura vão surgir tensões de compressão , as quais no
caso da chapa fina podem provocar o encurvamento ou flambagem do conjunto
soldado .
A rotação angular resulta fundamentalmente da contr acção do material
depositado . Como normalmente os bordos das juntas a soldar não são paralelos, a
contracção transversal ao longo da espessura do cor dão de soldadura não é
uniforme , o que vai provocar uma rotação relativa das peças em torno da
soldadura (figura 8).
Fig. 8 – Rotação angular.
Estas contracções e deformações podem existir mas ao definir um procedimento de
soldadura deve-se tentar que este provoque a menor amplitude de deformação
flexão longitudinal
rotação relativa das peças
Fabricação e Qualidade IV-III -13
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
possível. Após a realização do cordão de soldadura há a hipótese de implementar
algumas medidas de correcção, caso a deformação ocorrida seja superior à
admissível.
3.6 Métodos para a medição de tensões residuais
Há muitas técnicas para medir tensões residuais nos metais . Uma classificação
possível engloba três grupos principais : (1) medição de relaxação de tensões,
(2) difracção de raios-x e (3) observação de fissu ração , induzida ou não
induzida. A primeira técnica, de relaxação de tensões , tem uma grande
desvantagem uma vez que é necessário destruir total ou parcialmente a amostra,
porém esta técnica é muito usada visto poder-se extrair destes ensaios uma grande
quantidade de dados fiáveis . No grupo (1) existem dois subgrupos. No primeiro
subgrupo as tensões residuais são determinadas pela medição da extensão
elástica do material usando extensometria mecânica e eléctrica. Esta medição é
efectuada quando o material é relaxado através de um corte na amostra. Existe uma
variedade de técnicas neste grupo que se podem aplicar conforme a forma da
amostra, algumas técnicas aplicam-se sobretudo para pratos e placas, enquanto
outras se aplicam a cilindros e outras ainda a sólidos tridimensionais. No grupo (1)
existe um segundo sub-grupo de técnicas de medição, onde se utiliza um sistema
de rede, ou um revestimento frágil ou revestimentos fotoeléctricos , em vez da
extensometria.
As extensões elásticas nos metais podem também ser medidas por técnicas de
difracção de raios-x (grupo 2 ). Como é possível saber os parâmetros da
estrutura atómica dos metais , através desta técnica não destrutiva , podemos
quantificar as extensões elásticas do metal em estudo. Existem duas variantes, o
filme de raios-x e a difracção de raios-x . Em qualquer dos casos é necessário
muito tempo para apresentar medições, e estas não são muito precisas. De notar
que os materiais que sofreram tratamentos térmicos têm a s ua estrutura
molecular distorcida, não apresentando esta técnica dados fiáveis .
Existem técnicas de observação de fissuração da amo stra (grupo 3) . As fendas
podem ser induzidas por hidrogénio ou por corrosão sob tensão. Estas técnicas são
usadas para estudar tensões residuais em estruturas complexas com distribuições
de tensões residuais complicadas. Esta técnica tem a desvantagem de não se
apresentarem dados quantitativos, mas apenas qualit ativos .
relaxação de tensões
Difracção de raios-x
Fissuração
Fabricação e Qualidade IV-III -14
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
3.7 Sequência da soldadura
Quando se solda uma junta topo a topo muito longa, podemos usar várias
sequências de soldadura para tentar reduzir as tensões residuais e a deformação. A
selecção da sequência correcta é importante , especialmente em juntas com
constrangimentos , como é caso de reparações .
Os efeitos da sequência da soldadura nas tensões residuais são resumidamente:
* A sequência de soldadura tem um pequeno efeito nas tensões residuais ao
longo da soldadura. Porém as tensões longitudinais poderão ser relativamente altas.
* Diferentes sequências de soldadura podem originar diferenças
consideráveis na deformação transversal, na energia elástica total armazenada nas
juntas constrangidas, e nas tensões de reacção nos pratos interiores de soldaduras
circulares.
As diferentes sequências de soldadura indicam-nos que pode haver diferenças nas
tensões residuais dependendo da sequência, logo é possível um controlo ou um
método para reduzir tensões e deformações através da selecção de sequências da
soldadura adequadas. Este assunto será abordado com mais detalhe no sub-
capitulo 4.3.9..
4.3.8 Efeito das tensões residuais no comportamento da estrutura em
serviço
reparações
As tensões residuais podem diminuir a resistência à ruptura em determinadas condições, podendo esta diminuição pod e ser elevada .
Fabricação e Qualidade IV-III -15
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Figura 9 - distribuição de tensões residuais numa soldadura topo a topo quando
sujeitas a forças diferentes
Quando sujeita a um estado de tensão de tracção a alteração das
tensões residuais pode-se verificar analisando três casos de carregamento com
F1<F2<F3. A figura 9.a representa a distribuição de tensões residuais numa
soldadura topo a topo. As figuras 9.b,c,d mostram a distribuição das tensões
nessa mesma soldadura quando sujeita a forças longitudinais de tracção F1 < F2 <
F3, que introduzem na peça um estado uniforme de tensões de tracção σ1 < σ2 < σ3.
Quanto mais alta for a tensão introduzida, mais uniformes vão ser as distribuições de
tensão, pois as zonas mais perto da soldadura vão entrar em distribuição plástica.
Simulação dos efeitos das tensões residuais no comportamento de estruturas soldadas
Fabricação e Qualidade IV-III -16
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
No caso da aplicação da força F3, toda a peça entra em deformação plástica sendo
a distribuição de tensões uniforme e de valor igual a se. Quando cessa a aplicação
das forças, as distribuições de tensões residuais passam a ser representadas
pelas figuras 9.e,f,g , sendo evidente que o nível de tensões residuais é tanto
mais baixo e tanto mais uniforme quanto mais elevad o tiver sido o estado de
tensões resultantes das forças aplicadas .
Da alteração das tensões residuais numa soldadura sujeita a um estado de tensão
de tracção conclui-se que á medida que crescem as tensões aplicadas, as
tensões residuais diminuem . O efeito das tensões residuais é desprezável no
comportamento de estruturas soldadas sujeitas a estados de tracção.
Devido à existência de tensões residuais elevadas, a ruptura frágil de
estruturas soldadas, pode ocorrer mesmo quando suje itas a estados de tensão
de tracção de valor inferior à tensão limite de el asticidade do material . A
existência de um estado de tensões elevadas na peça soldada pode pro vocar a
ruptura frágil da peça , devido à propagação de pequenos defeitos existentes na
peça, os quais na ausência dessas tensões residuais elevadas não afectariam a
resistência à ruptura da peça.
As falhas no comportamento de construções soldadas sujeitas a cargas axiais
de compressão, de flexão e torção, podem ocorrer devido à existência de tensões
residuais de compressão, as quais adicionadas às tensões resultantes da aplicação
de forças exteriores podem provocar a instabilidade por flambagem de peças .
É bastante reduzida a influência das tensões residuais na ruptura por fadiga
de construções soldadas, já que por um lado a existência de tensões residuais de
compressão na superfície das peças pode ser favorável, e por outro lado o efeito
desfavorável das tensões residuais de tracção é reduzido, pois estas tensões
tendem a diminuir com a aplicação cíclica de forças de tracção.
A corrosão sob tensão é um tipo de ruptura frágil que ocorre em certos tipos
de materiais sujeitos a estados de tensão de tracçã o, quando expostos a
determinados meios ambiente . Em peças soldadas, mesmo sem a existência de
tensões de tracção provenientes da aplicação de forças exteriores, a corrosão sob
tensão pode acontecer quando as peças estiverem em determinados meios
ambiente, devido às tensões residuais de tracção provocadas pela soldadura.
4.3.9 Métodos para reduzir tensões residuais e dist orções e relação entre
introdução de calor, tensões de compressão e de con tracção
Para desenvolver um método eficaz para reduzir tensões residuais e a deformação
é essencial compreender como as tensões residuais e a deformação ocorrem e
como o projecto e os procedimentos de soldadura seleccionados as podem
ruptura frágil
instabilidade
corrosão sob tensão
fadiga
Fabricação e Qualidade IV-III -17
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
influenciar.
Os efeitos das tensões residuais no comportamento em serviço das estruturas
soldadas variam, dependendo de um variado numero de condições. Por norma é
necessário reduzir ao mínimo as tensões residuais, particularmente nas
espessuras finas .
Como as tensões residuais e deformação são causadas por extensões de
origem térmica originadas durante o processo de soldadura, a redução em volume
de metal depositado usualmente origina tensões residuais e deformação mais
pequenas. O correcto dimensionamento de uma junta soldada para as suas
condições de serviço permite, não só minimizar a deformação, mas também
economizar tempo e material de soldadura.
Uma escolha criteriosa da geometria de uma junta soldada deve ter em atenção a
minimização do volume de material fundido (figura 10) .
Fig. 10 - geometria de uma junta soldada
Para espessuras inferiores a 15mm, o chanfro em V pode ser uma boa solução,
mas para espessuras superiores uma redução do angulo e um aumento da folga ou
o uso de chanfros em U ou em X podem ser uma solução mais vantajosa. O uso dos
chanfros simétricos em relação à espessura permitem um melhor equilíbrio das
tensões residuais e consequente uma menor rotação angular.
Executar a soldadura com o menor numero de passes possível para reduzir a
deformação, pois as contracções em cada passe tendem a ser cumulativas, o que
provoca um aumento da deformação final com o aumento do numero de passes com
que a soldadura é executada (figura 11).
A colocação das soldaduras o mais perto possível da linha neutra das peças,
ou simetricamente em relação à linha neutra , já que a diminuição do momento
das forças de contracção ou o seu equilíbrio em relação à linha neutra permitem
reduzir a deformação. (figura 12).
geometria da junta
Sequência de soldadura
Fig. 11 - numero de passes
Redução do volume de material depositado
Fabricação e Qualidade IV-III -18
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Fig. 12 - colocação das soldaduras
Pré-posicionar as peças a soldar de modo a que as forças de contracção as
levem à sua posição correcta. Provocar uma pré-flecha na peça , contrária àquela
que a soldadura lhe irá provocar, ou simplesmente fixar as peças umas às outras, se
modo a que as forças de contracção se equilibrem, reduzindo-se assim a amplitude
das deformações depois de se separarem as peças.
Fig. 13 - Pré-posicionamento das peças a soldar
Pingar convenientemente as peças a soldar ou usar s istemas de fixação que
permitam manter a posição relativa das peças e minimizar as deformações.
Usar sequências de soldadura adequadas tais como: soldar alternadamente de
um lado e de outro das peças soldadas topo a topo, para reduzir a deformações
angulares, ou alternadamente de um lado e de outro do cutelo, numa junta de canto,
para diminuir a deformação e derrube lateral do cutelo.
Utilizar soldadura intermitente , que sendo um meio de reduzir o volume de material
fundido vai permitir também reduzir a deformação (figura 14).
Fig. 14 - soldadura intermitente
Fig. 15 - sequências de soldadura
Préposicionamento das peças
Pingamento
Fabricação e Qualidade IV-III -19
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Utilizar a técnica de passe peregrino para reduzir deformação rotacional; soldar
simultaneamente, de modo simétrico à linha neutra, ou alternadamente de um ou
outro lado da linha neutra, para equilibrar as deformações.
Fig. 16 – Passe peregrino
A técnica de martelar as soldaduras é possível mas de uso muito limitado com
resultados pouco significativos
A titulo de conclusão pode-se dizer que, na fase de projecto se deve reduzir o
número de componentes e de cordões de soldadura, ao mínimo indispensável
para que se obtenha o melhor balanço qualidade vs preço.
4.3.10 Correcção da deformação
Nem sempre é possível manter as deformações dentro de valores aceitáveis,
mesmo quando se tomam todos os cuidados para as minimizar, tornando-se
necessária, por vezes, a correcção da deformação das peças soldadas . Em
certos casos pode mesmo ser mais prático aceitar uma reparação do que tomar
cuidado para minimizar as deformações. As deformações podem ser corrigidas
aplicando-se uma deformação plástica contrária à de formação originada pela
soldadura . Sendo essa deformação obtida térmicamente ou mecanicamente ou
simultaneamente pelos dois modos.
O desempenho térmico à chama consiste num aquecimento localizado (a 600 -
650ºC no caso dos aços), em determinados locais da peça provocando tensões de
tracção nessas zonas, tensões estas que contrariam a deformação inicial. O sucesso
deste modo de desempeno está associado de maneira determinante à escolha
criteriosa das zonas nas quais se vão executar os c iclos de
aquecimento/arrefecimento e da sequência da sua exe cução , bem como à
obtenção de um gradiente de temperaturas muito grandes nas zonas aquecidas, que
vai provocar um aumento do nível final das tensões de tracção, sendo necessários
maçaricos muito potentes e um meio de arrefecimento eficaz.
O desempeno por meios mecânicos consiste num modo de desempeno em que
se usam prensas, calandras, macacos hidráulicos, etc. para deformar as peças.
Correcção da deformação
Correcção de deformações em peças soldadas
Fabricação e Qualidade IV-III -20
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Quando o nível de forças a utilizar seja muito elevado, pode-se realizar um
aquecimento à peça, o qual vai baixar o limite de elástico, sendo assim possível
utilizar níveis mais moderados de forças para provocar deformação plástica.
3.11 Actividades / Avaliação
Exercício 1 - Identifique e descreva os factores que influenciam o aparecimento
das tensões residuais no geral, e no caso particular das construções
soldadas.
Exercício 2 - Que consequências provocam as tensões residuais em soldadura?
Exercício 3 - Observando a tabela 1 indique em qual dos seguintes metais,
aluminio, aço carbono, aço inoxidável, as deformações provocadas
por cordões de soldadura são maiores . E menores?
Exercício 4 - Como se classificam as tensões residuais que surgem em soldadura?
justifique.
Exercício 5 – Identifique e descreva os tipos de deformações que mais
frequentemente ocorrem em construção soldada.
Exercício 6 - Indique três medidas que poderâo ser tomadas para reduzir a
contracção transversal.
Exercício 7 – Quais o métodos de medição de tensões residuais que conhece?
Descreva-os sucintamente.
Exercício 8 - As tensões residuais podem afectar o comportamento da estrutura
em serviço. Analise a influência das tensões residuais no
comportamento à fadiga, na ruptura frágil, na instabilidade e na
corrosão sob tensão.
Exercício 9 - Em que consiste a técnica do passe peregrino?
Fabricação e Qualidade IV-III -21
Tensões Residuais e Deformação na Soldadura
Exercício 10 - Quais os princípios gerais, pelos quais se deve reger, no projecto de
junta, no que diz respeito à sua geometria e à técnica de soldadura
utilizada.
Exercício 11 - Diga como pode recuperar uma peça soldada, retirando-lhe as
tensões residuais, de modo a obter uma construção soldada
adequada para serviço.
Exercício 12 – Que métodos conhece para corrigir as deformações originadas pelos cordões soldadura.
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