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Tenses residuais e deformaes em soldagem
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Metalurgia da Soldagem Tenses Residuais e Deformaes em Soldagem
Neste texto voc conhecer os principais aspectos relacionados com as
tenses residuais e deformaes decorrentes do processo de soldagem.
Conhecer tambm a Analogia da Barra Aquecida, os efeitos de
Repartio Trmica e Plastificao, alm dos Tratamentos Trmicos de
Normalizao, Recozimento, Tmpera e Revenimento.
A soldagem, devido ao aquecimento localizado, provoca tenses
residuais e deformaes que devem ser levadas em conta no projeto e
fabricao das peas.
Analogia da Barra Aquecida
Considere um dispositivo constitudo de trs barras engastadas a
suportes fixos, inicialmente temperatura ambiente (Figura 1). Admita,
agora, que a barra B seja aquecida independentemente das outras duas.
A dilatao trmica restringida provoca tenses de compresso na barra B e de trao - para que o equilbrio seja mantido - nas barras A e C.
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medida que a temperatura se eleva, as tenses nas barras aumentam, atingindo o limite de escoamento na barra B (ponto 1). A partir desse ponto a dilatao trmica absorvida com a deformao plstica da barra B.
As curvas indicam a variao do limite de escoamento com a temperatura. Continuando o aquecimento, a tenso na barra B evolui ao longo de 1, 2, onde a plastificao impede o estabelecimento de tenses superiores ao limite de escoamento. O ponto 2 corresponde temperatura mxima atingida (2).
Durante o resfriamento, a barra B se contrai tendendo para um comprimento livre menor do que L, em virtude da deformao plstica a que foi submetida. A tenso diminui, muda de sinal e atinge o limite de escoamento - trao - no ponto 3.
A partir do ponto 3 a contrao trmica absorvida por deformao plstica, no permitindo que a tenso na barra ultrapasse o limite de escoamento. Ao longo de 3, 4, o valor da tenso acompanha a variao do limite de escoamento com a temperatura.
Concluindo o resfriamento, as 3 barras ficam submetidas a um sistema de tenses residuais. Na barra B a tenso de trao e da ordem de grandeza do limite de escoamento do material.
Esse raciocnio evidentemente simplificado. No foi considerada a
variao do mdulo de elasticidade e do coeficiente de dilatao
trmica, com a temperatura. A fluncia do material ("creep") foi tambm
desprezada.
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Figura 1: Variao da tenso na barra B.
Repartio Trmica e Plastificao
Uma pea soldada se assemelha ao sistema de trs barras. A repartio
trmica mostra que a zona aquecida acima de 1 sofre deformaes plsticas, analogamente barra B, determinando o aparecimento de
tenses residuais (figura 2). O nvel de tenses depende do grau de
restrio da estrutura, na direo considerada. Na maioria dos casos, a
restrio total na direo longitudinal do cordo de solda. Verificaes
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experimentais confirmam que nessa direo as tenses so muito
prximas do limite de escoamento.
Figura 2: Distribuio de tenses residuais de uma solda entre peas.
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No dispondo de rigidez suficiente, as peas se deformam tendendo a
aliviar as tenses residuais. As deformaes so proporcionais
extenso da zona plastificada.
As tenses e deformaes resultantes da soldagem aparecem em
condies muito mais complexas que no modelo da barra aquecida. O
movimento da fonte de calor, a variao do grau de restrio medida
que a solda depositada e a soldagem em vrios passes so os
principais fatores eliminados pela simplificao. Entretanto, apesar de
sua relativa simplicidade, a analogia permite concluses teis, tais
como:
O preaquecimento em temperaturas inferiores a 1 - aproximadamente 150C, para os aos carbono - praticamente no reduz o nvel de
tenses residuais. O preaquecimento total da pea em temperaturas nas
quais o limite de escoamento se anula, previne o aparecimento das
tenses residuais. Entretanto, nesta condio, a pea pode se deformar
sob ao de seu peso. O preaquecimento local - qualquer que seja a
temperatura - no reduz o nvel de tenses, embora apresente vrias
outras aes benficas.
Reparties trmicas mais estreitas - soldagem com baixa energia ("low heat input") - reduzem a zona plastificada, diminuindo as deformaes. A soldagem a gs, por exemplo, provoca maiores deformaes que a soldagem a arco. Pela mesma razo, o preaquecimento tende a aumentar as deformaes.
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A contrao de solidificao no tensiona a pea soldada. A falta de continuidade do meio slido no possibilita a ao de foras. Em vista disso, ao se avaliar as deformaes, deve-se reportar s dimenses da zona plastificada e no da zona fundida da solda. As deformaes podem ser evitadas, com a utilizao de dispositivos de montagem, entretanto, deve-se considerar que, quanto maior o grau de restrio, mais elevadas so as tenses residuais de soldagem. Tratamentos Trmicos
Para se obter o controle metalrgico de uma junta soldada e, por
conseqncia, o controle das propriedades mecnicas, necessrio que
se conhea os ciclos trmicos a que a junta soldada submetida. Os
tratamentos trmicos tm o objetivo de alterar ou conferir
caractersticas determinadas junta soldada.
Tratamento Trmico de Alvio de Tenses
O tratamento trmico de alvio de tenses consiste de modo
simplificado, em aquecer uniformemente a pea, de maneira que o
limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores s
tenses residuais. Nesta condio, as tenses residuais provocam
deformaes plsticas locais diminuindo de intensidade.
O tratamento trmico de alvio de tenses executado atravs do
aquecimento da pea temperatura apropriada e pela manuteno
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nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um
resfriamento uniforme de modo a impedir a introduo de novas
tenses. Para impedir mudanas na microestrutura ou dimenses da
pea, a temperatura mantida abaixo da temperatura crtica.
Para os aos carbono, somente os tratamentos realizados em
temperaturas superiores a 5000 C so realmente eficazes. Para cada tipo
de ao temperaturas especficas de tratamento so recomendadas.
O tratamento trmico de alvio de tenses pode reduzir a tenacidade do
metal de base. Isto se torna bastante relevante em ocasies em que se
faz necessrio execuo do tratamento por mais de uma vez.
Normalizao
A normalizao consiste no aquecimento do ao a uma temperatura
acima da zona crtica (temperatura A3 ou temperatura Acm), seguido de
resfriamento ao ar. necessrio que toda a estrutura se austenitize
antes do resfriamento.
O objetivo da normalizao a obteno de uma microestrutura mais
fina e uniforme. Os constituintes que se obtm da normalizao do ao
carbono so ferrita e perlita fina (aos hipoeutetides) ou cementita e
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perlita fina (aos hipereutetides). Dependendo do tipo de ao pode-se,
eventualmente, obter bainita (ver figura 3).
Figura 3: Normalizao de um ao hipoeutetide.
Recozimento
O recozimento consiste no aquecimento do ao acima da zona crtica
(temperatura A3 ou temperatura Acm) durante o tempo necessrio para
que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento
muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento do
forno. A microestrutura obtida nos aos carbono a perlita grossa e
ferrita (ver Figura 4).
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Figura 4: Recozimento.
Tmpera e Revenimento
A tmpera consiste no aquecimento da pea acima da zona crtica
durante o tempo necessrio para que toda a microestrutura se
austenitize, seguido de um resfriamento rpido. O objetivo da tmpera
a obteno da estrutura martenstica resultando, por este motivo, no
aumento da dureza e na reduo da tenacidade da pea.
O revenimento o tratamento trmico que normalmente acompanha a
tmpera, pois atenua os inconvenientes produzidos por esta. O
revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas bastante
inferiores temperatura crtica, permitindo certa acomodao do
sistema cristalino e, como conseqncia, a diminuio da dureza e o
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aumento da tenacidade da pea. A estrutura resultante chama-se de
martensita revenida. (ver figura 5).
Figura 5: Tmpera e revenimento.
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Neste texto voc conheceu a Analogia da Barra Aquecida, os efeitos de
Repartio Trmica e Plastificao, alm dos Tratamentos Trmicos de
Normalizao, Recozimento, Tmpera e Revenimento. Percebeu
tambm a importncia de se conhecer os ciclos trmicos ao no qual a
junta se submete, para evitar tenses residuais e deformaes durante
o aquecimento localizado da soldagem. Isso confere ao soldador o
controle metalrgico e, consequentemente, o controle das propriedades
mecnicas das juntas soldadas, j que esses processos promovem
caractersticas determinadas as peas.
Para consolidar seu conhecimento, responda s questes propostas
abaixo. Caso seja necessrio releia o texto e/ou recorra aos tutores
para resolver suas dvidas.
Questes de Reviso
1 - Considerando os processos de Repartio Trmica e Plastificao,
que concluses podem ser extradas no que diz respeito s tenses e
deformaes geradas pelo aquecimento durante a soldagem de uma
pea soldada e de uma barra aquecida.
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2 Os Tratamentos Trmicos podem alterar ou conferir caractersticas
especficas junta soldada. Portanto, preciso identificar e conhecer
cada um desses processos no qual a junta se submete. Sendo assim,
explique em que consiste os respectivos tratamentos trmicos:
a) Processo de Tratamento Trmico de Alvio de Tenses.
b) Processo de Nomaralizao.
c) Processo de Recozimento.
d) Processo de Tmpera e Revenimento.