Minimizar o stress de soldadura: Causas e eliminação

Já alguma vez se perguntou porque é que algumas estruturas soldadas falham inesperadamente? Este artigo explora as forças ocultas em jogo - tensão e deformação da soldadura. Saiba como estas tensões afectam a resistência, a estabilidade e a precisão, e descubra métodos práticos para minimizar os seus efeitos. Prepare-se para compreender os desafios invisíveis que os soldadores enfrentam e como os ultrapassar!

Índice

1. O que é a tensão de soldadura

A tensão de soldadura refere-se às forças internas geradas nos componentes soldados durante e após o processo de soldadura. Estas tensões são causadas principalmente pelos ciclos localizados de aquecimento e arrefecimento inerentes à soldadura, que conduzem a uma expansão e contração térmicas não uniformes, bem como a alterações microestruturais no material.

A causa fundamental da tensão de soldadura e da deformação associada reside na distribuição heterogénea da temperatura durante a soldadura. Este gradiente térmico resulta em:

  1. Deformação plástica localizada
  2. Variações na microestrutura
  3. Diferenças de volume específico na soldadura

As tensões de soldadura podem ser classificadas em dois tipos principais:

  1. Tensão de soldadura transitória: Ocorre durante o processo de soldadura enquanto o campo de temperatura ainda está ativo e em evolução.
  2. Tensão residual de soldadura: Persiste na soldadura após o arrefecimento completo e a equalização da temperatura.

Na ausência de cargas externas, as tensões de soldadura são auto-equilibradas dentro da soldadura. No entanto, estas tensões internas podem afetar significativamente o desempenho e a qualidade da estrutura soldada de várias formas:

  • Redução da vida à fadiga
  • Maior suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão
  • Instabilidade dimensional
  • Distorção do componente soldado
  • Perda potencial da integridade estrutural em casos extremos
O que é a tensão de soldadura

2. Perigos da tensão de soldadura

A tensão residual de soldadura tem seis efeitos nas soldaduras:

① Efeito na resistência:

Defeitos graves em áreas com elevada tensão de tração residual podem ter um impacto negativo na resistência à carga estática da soldadura se esta funcionar abaixo da temperatura de transição frágil. A presença de tensões residuais de tração em pontos de concentração de tensões sob tensão cíclica reduzirá a resistência à fadiga da soldadura.

A resistência à fadiga das soldaduras não depende apenas da magnitude da tensão residualmas também em factores como o fator de concentração de tensões, o coeficiente caraterístico do ciclo de tensões e o valor máximo da tensão cíclica. A influência da tensão residual diminui à medida que o fator de concentração de tensões diminui e intensifica-se à medida que o coeficiente caraterístico do ciclo de tensões diminui, mas diminui à medida que a tensão cíclica aumenta.

Quando a tensão cíclica se aproxima do limite de elasticidadeo efeito da tensão residual diminui gradualmente.

② Efeito na rigidez:

A combinação de tensão residual de soldadura e a tensão de cargas externas podem resultar em cedência precoce e deformação plástica em áreas específicas da soldadura. Isto resultará numa redução da rigidez da soldadura.

③ Influência na estabilidade da soldadura por pressão:

Quando uma barra soldada é sujeita a pressão, a tensão residual da soldadura combina-se com a tensão das cargas externas, causando potencialmente cedência ou instabilidade local e reduzindo a estabilidade global da barra.

O impacto das tensões residuais na estabilidade depende da geometria e da distribuição das tensão interna no interior da barra. A influência da tensão residual em secções não fechadas, tais como secções em I, é maior do que a sua influência em secções fechadas, tais como secções em caixa.

④ Influência na precisão da maquinação:

A presença de tensão residual de soldadura pode afetar a precisão da maquinagem de soldaduras em diferentes graus. Quanto menor for a rigidez da soldadura, maior será a quantidade de maquinagem e maior será o seu impacto na precisão.

⑤ Influência na estabilidade dimensional:

A tensão residual da soldadura e o tamanho da soldadura alteram-se ao longo do tempo, o que pode afetar a estabilidade dimensional da soldadura. A estabilidade da tensão residual também influencia a estabilidade dimensional da soldadura.

⑥ Efeito na resistência à corrosão:

A combinação de tensão residual de soldadura e tensão de carga pode resultar em fissuração por corrosão sob tensão.

Influência da tensão residual de soldadura na estrutura e no elemento:

A tensão residual de soldadura é a tensão inicial num elemento antes de este suportar quaisquer cargas. Durante a utilização do elemento, a tensão residual sobrepõe-se à tensão de trabalho causada por outras cargas, conduzindo a uma deformação secundária e a uma redistribuição da tensão residual.

Isto não só diminui a rigidez e a estabilidade da estrutura, como também tem um impacto significativo na sua resistência à fadiga, resistência à fratura frágil, fissuração por corrosão sob tensão e fissuração por fluência a alta temperatura sob os efeitos combinados da temperatura e do ambiente.

Perigos da tensão de soldadura

3. Medidas para reduzir e eliminar as tensões de soldadura

A tensão de soldadura pode ser minimizada através de uma consideração abrangente do projeto e do processo. Na conceção de uma estrutura de soldadura, deve-se adotar juntas de soldadura com menor rigidez, minimizar a quantidade e o tamanho da secção transversal das soldaduras e evitar a concentração excessiva de soldaduras. As seguintes medidas podem ser tomadas em termos do processo:

1) Seleção razoável da sequência e direção da soldadura.

A determinação da sequência de soldadura deve permitir que a soldadura se contraia livremente tanto quanto possível para reduzir a tensão. A tensão de soldadura gerada pela sequência mostrada na Figura 4-10a é pequena, enquanto que na Figura 4-10b, o cordão de soldadura 1 aumenta primeiro o constrangimento do cordão de soldadura 2, aumentando assim a tensão residual.

Figura 4-10: O impacto da sequência de soldadura na deformação da soldadura
Figura 4-10: O impacto da sequência de soldadura na deformação da soldadura

a) Tensão mínima de soldadura, b) Tensão substancial de soldadura.

2) Martelar a soldadura.

Durante o processo de arrefecimento da soldadura, utilizar um martelo de cabeça redonda para bater na soldadura de forma uniforme e rápida, provocando uma deformação local por alongamento plástico do metal de soldadura, compensando parte da deformação por retração da soldadura, reduzindo assim a tensão residual da soldadura.

3) Aquecimento da "zona de redução do stress".

Antes da soldadura, aquecer uma parte apropriada da peça de trabalho (conhecida como zona de redução de tensão) para a alongar (Figura 4-11). Após a soldadura, durante o arrefecimento, a zona de redução de tensão e a soldadura encolhem na mesma direção, reduzindo a tensão e a deformação da soldadura.

Figura 4-11 Exemplo do método da zona de redução de calor.
Figura 4-11: Exemplo do método "Zona de redução de calor".

4) Pré-aquecimento antes da soldadura e arrefecimento lento após a soldadura.

O objetivo do pré-aquecimento antes da soldadura é reduzir a diferença de temperatura entre a zona de soldadura e o metal circundante, diminuir a taxa de arrefecimento da zona de soldadura e reduzir a expansão e contração irregulares durante o aquecimento e arrefecimento da soldadura, reduzindo assim a tensão de soldadura. O arrefecimento lento após a soldadura pode ter o mesmo efeito.

No entanto, este método complica o processo e só é adequado para materiais com pouca plasticidade e propensos à fissuração, como o aço de alto e médio carbono, o ferro fundido e o aço-liga.

5) Recozimento de alívio de tensão pós-soldagem.

Para eliminar a tensão de soldadura residual na estrutura de soldadura, o recozimento de alívio de tensões é normalmente utilizado na produção. Para estruturas de aço-carbono e de aço de liga baixa a média, todo o componente ou parte da junta de soldadura pode ser aquecido a 600-800°C após a soldadura, e arrefecido lentamente após ser mantido a esta temperatura durante um determinado período de tempo. Geralmente, mais de 80% da tensão residual de soldadura pode ser eliminada.

4. Medidas para controlar e reduzir a deformação da soldadura

Para controlar a deformação da soldadura, o tamanho e a forma dos cordões de soldadura devem ser razoavelmente seleccionados durante a conceção da estrutura de soldadura, o número de cordões de soldadura deve ser minimizado tanto quanto possível e a disposição dos cordões de soldadura deve ser simétrica. Na produção de estruturas soldadas, as seguintes técnicas podem ser tipicamente aplicadas:

Método da adição de indemnização:

Com base em cálculos teóricos e valores empíricos, a tolerância de retração é considerada antecipadamente durante a preparação e o processamento das peças de soldadura, de modo a que a peça de trabalho possa atingir a forma e o tamanho necessários após a soldadura.

Método de contra-deformação:

Com base na experiência ou na medição, a dimensão e a direção da deformação da soldadura estrutural são estimadas antecipadamente. Durante a montagem da estrutura de soldadura, é criada uma deformação intencional na direção oposta, mas de magnitude igual, para compensar a deformação produzida após a soldadura (ver Figura 4-12).

Figura 4-12 Método de contra-deformação para a soldadura topo a topo de ranhuras em forma de Y

a) Criação de deformação angular
b) Neutralização da deformação angular

Método de fixação rígida:

As peças de soldadura são fixadas durante a soldadura e a fixação rígida é removida depois de as peças de soldadura terem arrefecido até à temperatura ambiente. Isto pode prevenir eficazmente a deformação angular e a deformação ondulatória, mas aumenta a tensão de soldadura.

Este método só é adequado para estruturas de aço de baixo teor de carbono com boa plasticidade e não deve ser utilizado para ferro fundido e materiais de aço com uma elevada tendência para endurecer, para evitar fracturas pós-soldadura. A Figura 4-13 mostra a utilização do método de fixação rígida para evitar a deformação angular da face da flange.

Figura 4-13 Método de fixação rígida
Figura 4-13 Método de fixação rígida

4) Escolher uma sequência de soldadura adequada.

A seleção de uma sequência de soldadura razoável é essencial para controlar a deformação da soldadura. Para a soldadura de vigas de secção simétrica, a sequência de soldadura mostrada na Figura 4-14 pode reduzir eficazmente a deformação da soldadura.

Figura 4-14: Sequência de soldadura adequada para vigas de secção simétrica.

Para peças com uma distribuição desigual de soldaduras, como a viga principal da ponte rolante mostrada na Figura 4-15, uma sequência de soldadura sensata é ter dois trabalhadores a soldar simultânea e simetricamente os cordões 1-1′ em primeiro lugar, seguidos dos cordões 2-2′ e, finalmente, dos cordões 3-3′. Desta forma, a deformação ascendente causada pela soldadura 1-1′ pode ser essencialmente compensada pela deformação descendente causada pelas soldaduras 2-2 e 3-3.

Figura 4-15: Sequência de soldadura para os vários cordões da viga principal de uma ponte rolante.

5. Correção da deformação da soldadura

Durante o processo de soldadura, mesmo quando são tomadas as medidas acima mencionadas, pode por vezes ocorrer uma deformação que excede o valor admissível. Os métodos normalmente adoptados para corrigir a deformação da soldadura incluem:

1) Correção mecânica.

A correção mecânica envolve a utilização de uma força externa para induzir a deformação plástica no componente na direção oposta à deformação da soldadura, anulando assim a deformação mútua (Figura 4-16). Este método é tipicamente adequado apenas para aço de baixo carbono e aço de baixa liga comum, que têm uma rigidez relativamente baixa e uma boa plasticidade.

Figura 4-16: Correção mecânica

2) Correção da chama.

A correção por chama utiliza a retração do arrefecimento após o aquecimento local do metal para corrigir a deformação existente na soldadura. A Figura 4-17 mostra uma deformação ascendente de uma viga em T após a soldadura, que pode ser corrigida através do aquecimento da posição da alma com uma chama. A zona de aquecimento é triangular e a temperatura de aquecimento é de 600-800°C.

Figura 4-17: Correção da chama

Após o arrefecimento, a banda encolhe, causando a deformação inversa e endireitando o componente soldado. Este método é principalmente adequado para materiais com boa plasticidade e sem tendência para o endurecimento.

6. Outro método de eliminação de tensões de soldadura

(1) Envelhecimento por vibração

O alívio de tensões por vibração (VSR) é uma técnica avançada para reduzir as tensões residuais em estruturas soldadas e materiais de engenharia. Este processo envolve a aplicação de vibrações controladas e de baixa frequência à peça de trabalho, normalmente na gama de 20-100 Hz. Quando o efeito combinado das tensões residuais e das tensões vibratórias induzidas excede localmente o limite de elasticidade do material, ocorre uma deformação plástica localizada, levando à redistribuição das tensões e a uma redução global.

A eficácia da VSR depende de vários factores:

  • Frequência e amplitude da vibração
  • Duração do tratamento
  • Propriedades dos materiais e geometria
  • Estado de tensão inicial

O VSR oferece várias vantagens em relação aos métodos de alívio de tensões térmicas:

  • Menor consumo de energia
  • Sem risco de alterações das propriedades do material devido a temperaturas elevadas
  • Aplicável a grandes estruturas e tratamentos no local

No entanto, é importante notar que o VSR pode não ser adequado para todos os materiais e geometrias, e a sua eficácia pode variar consoante a aplicação específica.

Envelhecimento por vibração

(2) Envelhecimento térmico

O alívio de tensões térmicas, também conhecido como tratamento térmico pós-soldadura (PWHT), é um método bem estabelecido para reduzir as tensões residuais em componentes soldados. O processo envolve ciclos de aquecimento, imersão e arrefecimento cuidadosamente controlados:

  1. Aquecimento: A peça de trabalho é aquecida lentamente até uma temperatura abaixo do ponto crítico de transformação do material, normalmente 550-650°C para aços carbono e aços de baixa liga.
  2. Imersão: A temperatura é mantida durante um período específico, permitindo o relaxamento das tensões através de mecanismos de fluência.
  3. Arrefecimento: O arrefecimento lento controlado, normalmente a um ritmo de 150-200°C por hora, evita a reintrodução de tensões térmicas.

Considerações fundamentais para um alívio eficaz das tensões térmicas:

  • Controlo preciso da temperatura e uniformidade
  • Tempo de imersão adequado com base na espessura e composição do material
  • Taxas de aquecimento e arrefecimento controladas
  • Controlo da atmosfera do forno para evitar a oxidação ou a descarbonetação

Embora o alívio do stress térmico seja altamente eficaz, uma execução incorrecta pode ter efeitos prejudiciais:

  • Redução inadequada do stress se as temperaturas forem demasiado baixas ou os tempos de imersão demasiado curtos
  • Aumento potencial da tensão devido a um aquecimento não uniforme ou a um arrefecimento rápido
  • Alterações microestruturais que afectam as propriedades mecânicas se as temperaturas forem demasiado elevadas

Para garantir resultados óptimos, é crucial

  • Desenvolver e seguir procedimentos detalhados com base em especificações de materiais e normas da indústria (por exemplo, ASME BPVC Secção VIII)
  • Utilizar equipamento calibrado e dispositivos de controlo da temperatura
  • Manter registos completos do processo PWHT
  • Realizar ensaios não destrutivos pós-tratamento para verificar a redução da tensão

Controlando cuidadosamente estes parâmetros e seguindo as melhores práticas estabelecidas, o alívio térmico de tensões pode reduzir eficazmente as tensões residuais, melhorando a estabilidade dimensional e a resistência à fadiga das estruturas soldadas.

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Shane
Autor

Shane

Fundador do MachineMFG

Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.

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