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!
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:
As tensões de soldadura podem ser classificadas em dois tipos principais:
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:
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.
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:
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.
a) Tensão mínima de soldadura, b) Tensão substancial de 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.
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.
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.
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.
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:
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.
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).
a) Criação de deformação angular
b) Neutralização da deformação angular
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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:
O VSR oferece várias vantagens em relação aos métodos de alívio de tensões térmicas:
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.
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:
Considerações fundamentais para um alívio eficaz das tensões térmicas:
Embora o alívio do stress térmico seja altamente eficaz, uma execução incorrecta pode ter efeitos prejudiciais:
Para garantir resultados óptimos, é crucial
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.
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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