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SOLDAGEM DOS METAIS
CAPÍTULO 11
TENSÕES E
DEFORMAÇÕES
EM SOLDAGEM
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TENSÕES E DEFORMAÇÕES
EM SOLDAGEM
Nas operações de soldagem, principalmente as que envolvem a fusão
dos materiais, temos uma variação não uniforme e rápida da temperatura. Isso
implica um aquecimento localizado muito alto, que traz como conseqüência a
dilatação da região, a qual sofre restrições das partes adjacentes da junta
soldada. As diferentes regiões da junta soldada ao serem submetidas a
variações térmicas, reagem estabelecendo diferentes expansões e contrações
ao longo de toda a extensão afetada. Como resultado, ao final da soldagem
teremos tensões residuais e deformações que podem atingir o valor do limite
de elasticidade do material. Essas tensões e deformações podem afetar
sobremaneira a utilidade e a estabilidade dimensional da peça soldada, que
podem ser otimizadas com o conhecimento de suas características e de
medidas para sua prevenção e controle. O aparecimento de tensões residuais
em peças e estruturas soldadas pode criar diversos problemas , tais como a
formação de trincas, maior tendência para a ocorrência de fadiga do material,
surgimento de corrosão sob tensão e o aparecimento da fratura frágil.
O alívio dessas tensões residuais pode ser assegurado por tratamentos
térmicos ou tratamentos mecânicos. Quando esse alívio é realizado
termicamente, nos casos dos aços, aparecem modificações de caráter
metalúrgico, que podem ser desfavoráveis no caso de ciclos repetidos ou de
permanência por longos períodos em temperaturas altas.
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 DAS TENSÕES EM UM DISPOSITIVO
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
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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. Isso pode ser melhor
ilustrado utilizando a analogia da barra aquecida mostrada abaixo.
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.
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, deformandose elasticamente por compressão, até que as tensões internas atinjam o limite
de escoamento em compressão (ponto 1). 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.
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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.
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.
(I)
(II)
(I) Comparação entre as tensões desenvolvidas na montagem das três barras e (II) as tensões
residuais longitudinais formadas ao longo da direção transversal de uma solda de topo.
As tensões residuais influem de forma significativa no comportamento de
componentes soldados, podendo ser analisadas através de ensaios destrutivos
ou não destrutivos. Um ensaio destrutivo freqüentemente empregado é o que
utiliza extensômetros elétricos para determinar a deformação que ocorre
quando uma peça contendo tensões residuais é cortada; como ensaio não
destrutivo costuma-se utilizar a difração por raio X.
ENSAIO PRÁTICO PARA DETERMINAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS
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A falha de componentes estruturais submetidos a cargas de compressão
pode ser bastante diferente da observada em peças submetidos à tração ou
torção, particularmente quando essas forem delgadas (isto é, com um
comprimento muito maior do que as suas dimensões transversais) ou
submetidas a cargas fora da linha de centro. Nesses casos, os componentes
podem falhar por flambagem. Essa ocorre pela deflexão lateral (a) do
componente submetido à compressão a qual, quando atinge um valor crítico,
leva à falha instável do componente com uma carga, em geral, menor que o
limite de escoamento do material.
Uma vez que as tensões residuais são de compressão em regiões mais
afastadas da solda (e de tração próximo desta), as tensões residuais nessas
regiões podem reduzir a resistência à flambagem de estruturas soldadas.
Como estruturas soldadas tendem a apresentar também distorções e como a
flambagem está associada com deformações perpendiculares ao eixo ou plano
do componente e à aplicação de cargas fora de centro, distorções causadas
por soldagem ou outros processos podem comprometer seriamente a
resistência à flambagem. Em juntas soldadas feitas em chapas ou outros
componentes de pequena espessura, a distorção por flambagem resultante das
tensões térmicas e residuais pode também ocorrer dando à junta um aspecto
irregular ou “enrugado”.
FLAMBAGEM DE UMA BARRA
Uma das maneiras que as tensões residuais atuam sobre uma junta
soldada é na resistência à fadiga. Fadiga é a forma mais comum de falha em
componentes mecânicos submetidos a tensões que variam com o tempo.
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A fratura por fadiga ocorre pela nucleação e o crescimento de trincas
devido a tensões de tração variáveis, mas freqüentemente de intensidade
inferior ao limite de escoamento.
A presença de tensões residuais de compressão na superfície de um
componente reduz a chance de iniciação de trincas de fadiga, pois essas
tendem a reduzir o efeito das tensões de tração (necessárias para a nucleação
e crescimento de trincas de fadiga). Por outro lado, em um componente
soldado, a presença de tensões residuais de tração pode 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, mordeduras e escamas), atuando
como concentradores de tensão têm um efeito mais marcante na redução da
resistência à fadiga.
Estruturas soldadas são também propensas à falhas por fratura frágil.
Falhas por fratura frágil podem ocorrer em componentes metálicos em
situações em que a deformação plástica (associada com o desenvolvimento de
uma ruptura dúctil) é inibida. A fratura frágil é favorecida pela presença de
concentradores de tensão como, por exemplo, trincas. Ela pode ocorrer para
níveis de tensão relativamente baixos, inferiores ao limite de escoamento do
material e de forma súbita, inesperada e rápida.
Entre os fatores que contribuem para o surgimento de fratura frágil
destacam-se:
• Uma estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces (como em
uma estrutura rebitada ou aparafusada) que possam interromper a propagação
de uma trinca de fratura frágil.
• A região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas,
freqüentemente, 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 pode apresentar diversas descontinuidades ou defeitos, tais
como trincas, inclusões de escória e deficiências (falta) de fusão, que podem
atuar como concentradores de tensão e pontos de iniciação da fratura.
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• Tensões residuais elevadas de tração existem na região da solda.
A fratura frágil é favorecida por baixa temperatura do material, elevada
taxa de deformação, elevada espessura do componente ou a presença de
concentradores de tensão e por uma microestrutura de baixa tenacidade (por
exemplo, de elevada dureza, com granulação grosseira ou com precipitados e
inclusões grandes). Diversos destes fatores podem estar presentes em uma
estrutura soldada. Durante a fratura frágil, uma ou mais trincas podem se
propagar sob tensões inferiores ao limite de escoamento, em velocidades muito
elevadas (limitadas pela velocidade do som no material) e praticamente sem
deformação plástica.
Nestas situações, as tensões residuais associadas com a junta soldada
podem ser suficientemente elevadas ou podem se adicionar às tensões
externas para causar a fratura frágil. Devido a este risco, em diversas
situações, componentes soldados devem ser tratados termicamente para alívio
de tensões residuais e/ou refino da estrutura na região da solda.
Existem diversos exemplos de falha por fratura frágil de componentes
soldados, muitos com grande perda material e de vidas humanas. O exemplo
mais citado pela literatura é o relacionado aos problemas surgidos nos navios
construídos em larga escala na II Guerra Mundial, conhecidos como Liberty
Ships.
Trincas são freqüentemente formadas em soldas. Estas trincas podem
ser associadas basicamente a dois fatores: (a) uma solicitação, isto é tensões
mecânicas de tração e (b) uma incapacidade (fragilização), muitas vezes
momentânea, do material de acomodar esta solicitação deformando-se
plasticamente. As figuras abaixo dão uma idéia da forma como este
trincamento pode ocorrer.
Trinca junto à ZTA
Trinca junto ao Metal Base
Trinca no cordão de solda
Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes à solda pode
acorrer por diversos motivos (formação de filmes de líquido em contornos de
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grão a alta temperatura, crescimento de grão, presença de hidrogênio
dissolvido no material, precipitação, etc) durante e após a soldagem.
Na presença de um ambiente agressivo, também podem se desenvolver
trincas de corrosão 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. Neste sentido, por exemplo, certos códigos impõem
limitações quanto à dureza máxima da ZTA (por exemplo, inferior a 325 HV)
como uma forma de limitar o nível da tensões residuais e prevenir a corrosão
sob tensão em tubulações soldadas para transporte de petróleo (ambiente que
pode apresentar teores perigosos de H2S).
Quando um componente soldado é usinado ou submetido à outra
operação de remoção de material, o equilíbrio das forças responsáveis pelas
tensões residuais é perturbado. Para restaurar o equilíbrio de forças e de
momento, o componente sofre pequenas distorções que causam uma
redistribuição das tensões residuais. O mesmo princípio é usado para a
medição de tensões residuais, mas pode também causar problemas, por
exemplo, na usinagem de precisão de componentes com tensões residuais.
As distorções de peças soldadas são alterações de forma e dimensões
permanentes que surgem como resultado do movimento de material
(deformação plástica) que ocorre em função das tensões térmicas
desenvolvidas durante o processo de soldagem. A distorção final de um
componente soldado é sempre oposta e, em geral, da mesma ordem de
grandeza do movimento de material que ocorre durante a soldagem.
Durante a soldagem, o aquecimento causa uma maior expansão
térmica da região superior da peça e sua conseqüente distorção. Ao final da
soldagem, com o resfriamento do material na região da solda, ocorre a sua
contração. Como a região superior da peça foi a mais aquecida e sofreu a
maior deformação plástica, a peça agora apresenta uma distorção final voltada
para a direção oposta da distorção transiente máxima.
Em juntas simples, três tipos básicos de distorção podem ocorrer: (1)
contração transversal (perpendicular à linha da solda), (2) contração
longitudinal (paralela à linha da solda) e (3) distorção angular (rotação em torno
da linha da solda).
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Estas distorções básicas causam distorções mais complexas em juntas
reais de solda como, por exemplo, o dobramento e a torção de vigas e a
distorção por flambagem em juntas de peças de pequena espessura.
Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço
ao carbono ou de baixa liga é dada pela equação empírica:
onde AW é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e
f é a abertura (fresta) da raiz do chanfro. O valor real de CT depende de vários
fatores como, por exemplo, o grau de restrição da junta e a quantidade de 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 maiores contração transversal e distorção angular.
A contração longitudinal tende a ser menor que a transversal (cerca de
1/1000 do comprimento da solda), contudo, ela pode causar efeitos importantes
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como o dobramento ou flexão em peças soldadas fora de sua linha neutra e a
distorção por flambagem ou enrugamento em chapas finas.
Distorção angular ocorre quando a contração transversal não é uniforme
ao longo da espessura da junta, podendo ocorrer tanto em soldas de topo
como em soldas de filete. A figura abaixo ilustra as variações angulares em
juntas T de aço carbono soldadas dos dois lados da junta em função da
espessura de parede e do peso de metal depositado por comprimento da
mesma.
O dobramento de uma viga de aço soldada ao longo de todo o seu
comprimento (L) pode se estimado por :
Δ = 0,005 AW d L2
I
onde AW é a área da seção transversal da solda ou soldas, d é a distância do
centro de gravidade da(s) solda(s) em relação à linha neutra da viga e I é o
momento de inércia do elemento.
CONTROLE E CORREÇÃO DA DISTORÇÃO
Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distorção em
soldagem.
(a) No projeto de estruturas soldadas:
• Projetar estruturas com a menor quantidade possível de soldas.
• Usar chanfros que necessitem a deposição de menos 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.
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• Especificar o menor tamanho possível das soldas compatível com as
solicitações existentes.
(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, ou próximo desta, e utilizar dispositivos
de fixação ou outras técnicas para aumento da restrição das peças ao
movimento (ponteamento antes da soldagem, gabaritos, etc).
• Usar seqüência 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.
• Usar técnicas ativas de controle da distorção. Em geral, estas técnicas usam,
durante a soldagem, fontes adicionais de aquecimento (e de resfriamento) de
forma a gerar tensões térmicas adicionais capazes de contrabalancear as
tensões geradas pela soldagem e, desta forma, reduzir a distorção. Um
exemplo desta técnica envolve o emprego de fontes de aquecimento
(maçaricos) colocadas lateralmente e deslocando-se junto com a tocha de
soldagem. Estas técnicas ainda são muito pouco usadas industrialmente.
(c) Após a soldagem (correção da distorção):
c.1. Remoção a quente:
• Aquecimento localizado (isto é, de forma similar ao que gerou a distorção,
mas de forma a contrabalanceá-la).
• Aquecimento uniforme e conformação mecânica.
c.2. Remoção a frio:
• Calandragem.
• Prensagem.
• Martelamento, etc.
UTILIZAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE FIXAÇÃO
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DESEMPENO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO
CONTROLE E ALÍVIO DE 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 otimizando-se o desenho do chanfro
(reduzindo-se o ângulo do chanfro ou usando se preparações simétricas, por
exemplo) e evitando-se depositar material em excesso (evitando-se reforço
excessivo em soldas de topo ou minimizando-se o tamanho de soldas de
filete). A seleção de processos de maior eficiência térmica (fonte de maior
intensidade)
é uma possível alternativa de controle, mas difícil de ser justificável
economicamente na maioria dos casos.
Tensões residuais também podem ser reduzidas pelo uso de metal de
adição com a menor resistência permissível no projeto, assim como uma
redução dos vínculos externos da junta soldada (minimizando-se, assim, as
tensões de reação). Após a soldagem, as tensões residuais podem ser
aliviadas por métodos térmicos ou mecânicos.
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