Você já se perguntou por que as estruturas soldadas às vezes falham, apesar de sua aparência robusta? Este artigo mergulha nos desafios ocultos da soldagem, explorando como o aquecimento e o resfriamento irregulares podem levar ao estresse, à distorção e até mesmo à falha estrutural. Ao final, você entenderá os principais fatores que afetam a qualidade da soldagem e como mitigar esses problemas.
As estruturas soldadas, embora amplamente utilizadas no setor, geralmente apresentam desafios inerentes, principalmente associados às juntas soldadas. Esses desafios podem ser categorizados em várias áreas importantes:
1. Estresse residual e distorção:
O processo de soldagem induz um aquecimento intenso e localizado seguido de um resfriamento rápido, resultando em expansão e contração térmicas não uniformes. Esse ciclo térmico leva a tensões residuais e distorção na estrutura soldada. Esses problemas não apenas comprometem a precisão dimensional e a qualidade estética, mas também complicam as operações pós-soldagem. Em casos graves, a integridade estrutural geral e a capacidade de suporte de carga podem ser significativamente prejudicadas.
2. Alterações microestruturais:
As juntas soldadas passam por três fases distintas durante a formação: fusão, solidificação e desenvolvimento da zona afetada pelo calor (HAZ). Cada fase altera a microestrutura do material, podendo modificar suas propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e o comportamento à fadiga. A HAZ, em particular, pode apresentar características marcadamente diferentes do metal de base e do metal de solda.
3. Alterações de propriedades materiais:
A soldagem pode alterar significativamente as propriedades do material de base. Essas alterações podem incluir modificações na resistência, ductilidade, tenacidade e dureza. Em algumas ligas, pode ocorrer endurecimento por precipitação ou crescimento de grãos, enquanto em outras pode ser observado um amolecimento devido ao envelhecimento excessivo. Compreender e atenuar essas alterações metalúrgicas é fundamental para manter as propriedades desejadas do material na estrutura soldada.
4. Concentração de tensão e modos de falha:
A tensão de soldagem, especialmente a tensão residual, contribui significativamente para vários mecanismos de falha:
5. Imprecisões dimensionais:
A distorção da soldagem se manifesta como alterações na forma e nas dimensões da estrutura soldada. Isso pode levar a:
Essas distorções podem afetar significativamente a qualidade da fabricação, o desempenho funcional e a vida útil da estrutura soldada. As estratégias de mitigação, como o projeto adequado da junta, o aporte térmico controlado, o sequenciamento das soldas e os tratamentos pós-solda, geralmente são necessárias para minimizar esses efeitos adversos.
1. Distorção
A distorção na soldagem refere-se à alteração não intencional na forma e nas dimensões de uma peça de trabalho, resultante dos ciclos de aquecimento e resfriamento não uniformes inerentes ao processo de soldagem. Esse fenômeno ocorre devido à expansão e à contração térmica localizadas do material, bem como às transformações de fase na zona afetada pelo calor (HAZ).
2. Estresse
O estresse é definido como a força interna por unidade de área que atua dentro de um material em resposta a cargas externas ou outros fatores, como gradientes térmicos. Na soldagem, a tensão se manifesta como:
3. Tensão de soldagem e distorção de soldagem
A tensão de soldagem refere-se ao sistema complexo de tensões internas que se desenvolvem em uma soldagem durante e após o processo de soldagem. Essas tensões decorrem de:
A distorção de soldagem é a mudança mensurável na geometria e nas dimensões de uma solda causada pelos efeitos cumulativos das tensões de soldagem. Os tipos comuns de distorção de soldagem incluem:
Compreender a inter-relação entre a tensão de soldagem e a distorção é fundamental para a implementação de estratégias eficazes de mitigação no projeto de soldagem e nos processos de fabricação.
1. Aquecimento desigual das soldas
(1) Tensão e distorção causadas pelo aquecimento central de uma tira longa (semelhante à surfaçagem)
Tensão e distorção do centro da tira de aço durante o aquecimento e o resfriamento
(2) Tensão e distorção causadas pelo aquecimento em um lado da tira longa (equivalente ao revestimento da borda da placa)
Tensão e distorção durante o aquecimento e o resfriamento em um lado do chapa de aço borda
2. Retração do metal soldado
3. Alteração da estrutura metálica
4. Rigidez e retenção da solda
A distorção da soldagem pode ser dividida em cinco formas básicas: distorção por contração, distorção angular, distorção por flexão, distorção por onda e distorção por deformação.
Formas básicas de distorção de soldagem
1). Encolhimento distorção
O fenômeno em que o tamanho da solda é menor do que antes da soldagem é chamado de distorção por contração.
Distorção de contração longitudinal e transversal
(1) Distorção por contração longitudinal
(2) Distorção por contração transversal
2). Angular distorção
A causa principal da distorção angular é a distribuição desigual da contração transversal ao longo da espessura da placa.
Distorção angular de várias articulações
Distorção angular da junta em T
3). Flexão distorção
A distorção por flexão é causada pela não coincidência ou assimetria entre a linha de centro da solda e o eixo neutro da seção estrutural, bem como pela distribuição desigual da contração da solda ao longo da largura da soldagem.
(1) Distorção de flexão causada por contração longitudinal
Distorção de flexão causada pela contração longitudinal da solda
(2) Distorção de flexão causada por contração transversal
Distorção de flexão causada pela contração transversal da solda
4). Distorção da onda
A distorção ondulatória ocorre com frequência no processo de soldagem de chapas finas com espessura inferior a 6 mm, o que também é chamado de distorção por instabilidade.
Distorção de onda causada pela distorção do filete de solda
5). Distorção
A principal causa da distorção é a distribuição desigual da distorção do filete de solda ao longo do comprimento da solda.
Distorção de Viga em I
1). Medidas de projeto
(1) Selecione um formato e tamanho de solda razoáveis
1) Selecione o menor tamanho de solda.
Junta cruzada com a mesma capacidade de suporte
2) Selecione um formulário de ranhura razoável.
Ranhura da junta em T
(2) Reduzir o número de soldas
Perfis e peças estampadas são as opções preferidas quando possível. Para estruturas com muitas e densas soldas, as estruturas de juntas de solda fundidas podem ser usadas para reduzir o número de soldas. Além disso, aumentar a espessura da placa da parede para reduzir o número de nervuras ou usar estruturas perfiladas em vez de estruturas de nervuras pode ajudar a evitar a distorção de estruturas de placas finas.
(3) Disposição razoável da posição da solda
Viga, coluna e outros componentes soldados geralmente apresentam distorção de flexão devido à configuração excêntrica da solda.
Arranjo de solda da estrutura da caixa
Organize razoavelmente a posição da solda para evitar distorções
2). Medidas de processo
(1) Método de provisão
(2) Método de distorção inversa
Método de distorção inversa para placa plana soldagem de topo
(3) Método de fixação rígida
1) Fixe a solda na plataforma rígida.
Fixação rígida durante a emenda de placas finas
2) A solda é combinada em uma estrutura mais rígida ou simétrica.
Fixação rígida e antidistorção da viga em T
3) O dispositivo de soldagem é usado para aumentar a rigidez e a restrição da estrutura.
Fixação rígida durante a emenda de topo
4) Use suportes temporários para aumentar a contenção da estrutura.
Suporte temporário durante a soldagem por blindagem
(4) Selecione uma sequência razoável de montagem e soldagem.
A sequência de soldagem da montagem tem uma grande influência na distorção do estrutura soldada.
(1) Se as condições permitirem, as estruturas soldadas grandes e complexas devem ser divididas em várias partes com estruturas simples, soldadas separadamente e, em seguida, montadas como um todo.
(2) A solda, ao ser soldada, deve estar próxima ao eixo neutro da seção estrutural, tanto quanto possível.
Montagem e soldagem da viga principal
3) Para a estrutura com disposição assimétrica de soldas, o lado com poucas soldas deve ser soldado primeiro durante a soldagem de montagem.
Sequência de soldagem da matriz superior da prensa
4) A estrutura com uma disposição simétrica de soldas deve ser soldada simetricamente por soldadores pares.
Sequência de soldagem da solda de topo do cilindro
5) Ao soldar soldas longas (mais de 1 m), a direção e a sequência mostradas na figura abaixo podem ser usadas para reduzir a distorção por contração após a soldagem.
(5) Selecionar razoavelmente métodos de soldagem e parâmetros do processo de soldagem
Soldagem de estrutura de seção assimétrica
(6) Método de balanço de calor
Use o método de equilíbrio térmico para evitar a distorção da soldagem
(7) Método de dissipação de calor
1). Correção manual
2). Método de correção mecânica
Correção da distorção de flexão da viga pelo método de correção mecânica
3). Método de correção do aquecimento da chama
As formas de aquecimento da chama incluem aquecimento pontual, aquecimento linear e aquecimento triangular.
(1) Aquecimento pontual
(2) Aquecimento linear
(3) Aquecimento triangular
Correção por chama da distorção de flexão da viga I
A correção da distorção da soldagem pelo aquecimento da chama depende dos três fatores a seguir:
(1) Modo de aquecimento
(2) Posição de aquecimento
(3) Temperatura de aquecimento e área da zona de aquecimento
1). De acordo com as causas do estresse
(1) Estresse térmico
A tensão térmica decorre da distribuição não uniforme da temperatura durante o processo de soldagem. Como o metal de solda e o material de base circundante se aquecem e se resfriam em taxas diferentes, ocorrem expansão e contração localizadas, levando ao desenvolvimento de tensões.
(2) Estresse de transformação
A tensão de transformação, também conhecida como tensão de transformação de fase, resulta de alterações de volume associadas a alterações microestruturais no material durante os ciclos de aquecimento e resfriamento. Isso é particularmente significativo em aços que passam por transformações martensíticas ou bainíticas.
(3) Tensão de deformação plástica
A tensão de deformação plástica se desenvolve quando o material sofre deformação localizada devido a gradientes térmicos e restrições durante a soldagem. Essa deformação plástica não uniforme contribui para o estado de tensão residual após o resfriamento.
2). De acordo com o tempo de existência do estresse
(1) Tensão transitória de soldagem
A tensão transitória de soldagem, também chamada de tensão instantânea, ocorre durante o próprio processo de soldagem. É um estado de tensão dinâmico que evolui rapidamente à medida que a fonte de calor se move ao longo do caminho da solda, causando mudanças contínuas na distribuição da temperatura e nas propriedades do material.
(2) Tensão residual de soldagem
A tensão residual de soldagem é a tensão estática que permanece na estrutura soldada depois que ela esfriou completamente até a temperatura ambiente e todas as cargas externas foram removidas. Essa tensão pode afetar significativamente o comportamento mecânico e a vida útil dos componentes soldados.
1). Distribuição de dados longitudinais tensão residual σx
Distribuição da junta de topo na seção transversal da solda 0x
2). Distribuição da tensão residual transversal σy
(1) A tensão transversal causada pela retração longitudinal da soldagem e sua zona de distorção plástica adjacente é σ'y
(2) Tensão mecânica causada pelo ano de encolhimento transversal σ" y
Distribuição de σ" Y durante a soldagem em diferentes direções
1). Impacto na resistência estrutural
2). Influência na precisão dimensional do processamento de soldas
Estresse interno liberação e distorção causadas pela usinagem
3). Influência na estabilidade dos membros de compressão
1). Medidas de projeto
1) Minimizar o número e o tamanho das soldas na estrutura.
2) Evite a concentração excessiva de soldas e mantenha distância suficiente entre elas.
Soldagem do bocal do vaso
3) Deve ser adotada a forma de junta com menor rigidez.
Medidas para reduzir a rigidez das juntas
2). Medidas de processo
1) Adotar uma sequência e direção de soldagem de montagem razoáveis.
① Ao soldar a solda em um plano, deve-se garantir que o encolhimento longitudinal e transversal da solda possa ser relativamente livre.
Montagem razoável e sequência de soldagem de soldas de emenda
② A solda com o maior encolhimento deve ser soldada primeiro.
Sequência de soldagem da estrutura de viga duplex com placa de cobertura
③ A solda com a maior tensão durante a operação deve ser soldada primeiro.
Sequência de soldagem da viga I de topo
④ Quando a solda cruzada plana é soldada, é fácil produzir uma grande tensão de soldagem na interseção da solda.
Sequência de soldagem de soldas cruzadas planas
⑤ A estrutura onde as soldas de topo e soldas de filete interseção.
2) Método de pré-aquecimento.
3) Soldagem a frio.
4) Reduzir a restrição das soldas.
Reduzir a rigidez local e estresse interno
Diagrama esquemático do método de aquecimento "zona de alívio de tensão"
1). Método de tratamento térmico
(1) Tratamento térmico integral
(2) Tratamento térmico local
2). Método de alongamento mecânico
3). Método de alongamento por diferença de temperatura
Diagrama esquemático da eliminação da tensão residual pelo "método de tração por diferença de temperatura"
4). Solda de martelo
5). Método de vibração
1). Métodos mecânicos
(1) Método de seccionamento
O método de seccionamento envolve o corte cuidadoso do componente soldado em pedaços menores, permitindo a liberação e a medição das tensões residuais. Essa técnica destrutiva fornece um perfil abrangente de tensão na solda e na zona afetada pelo calor (HAZ).
(2) Método de perfuração
Esse método semidestrutivo envolve a perfuração de um pequeno orifício na área soldada e a medição do relaxamento da deformação resultante. É particularmente eficaz para a medição de tensão residual próxima à superfície e pode fornecer dados de distribuição de tensão em várias profundidades.
2). Métodos físicos não destrutivos
(1) Métodos magnéticos
Técnicas como a Análise de Ruído de Barkhausen (BNA) e a Magnetostricção exploram a relação entre as propriedades magnéticas de um material e seu estado de tensão. Esses métodos são particularmente adequados para materiais ferromagnéticos e podem fornecer medições rápidas e no local.
(2) Difração de raios X (XRD)
O XRD utiliza o princípio da Lei de Bragg para medir as deformações da rede causadas por tensões residuais. Esse método altamente preciso não é destrutivo e pode medir as tensões superficiais com excelente resolução espacial, o que o torna ideal para geometrias complexas e soldas de várias passagens.
(3) Métodos ultrassônicos
Essas técnicas aproveitam o efeito acústico-elástico, em que a velocidade das ondas ultrassônicas muda com o estado de tensão do material. A difração de tempo de voo (TOFD) e as ondas longitudinais refratadas criticamente (LCR) são comumente usadas para medir a tensão residual através da espessura em componentes soldados espessos.
(4) Difração de nêutrons
Embora não tenha sido mencionada na lista original, a difração de nêutrons é um método poderoso e não destrutivo para medir tensões residuais em componentes soldados espessos. Ele oferece excelente profundidade de penetração e é particularmente útil para geometrias complexas e materiais multifásicos.
O aquecimento uniforme de toda a peça antes da soldagem pode reduzir significativamente as diferenças térmicas que causam distorção. Isso pode ser obtido com o uso de fornos ou outros mecanismos de aquecimento controlado, e garantir o resfriamento uniforme pendurando o componente verticalmente com bom fluxo de ar também é fundamental para evitar a contração diferencial.
O pré-aquecimento do metal antes da soldagem ajuda a reduzir as diferenças de temperatura entre a área de soldagem e o restante da peça de trabalho. Isso minimiza a expansão e a contração abruptas, reduzindo assim o potencial de distorção.
Grampos fortes podem manter as peças no lugar durante a soldagem, impedindo o movimento e mantendo o alinhamento. A aplicação uniforme dos grampos é importante para evitar a introdução de tensões irregulares. Grampos especializados, como os grampos de dissipador de calor, também podem ajudar a gerenciar a distribuição de calor.
Dispositivos e gabaritos personalizados podem manter as peças em posições precisas durante a soldagem, garantindo que elas não se movam e reduzindo o risco de distorção. Essas ferramentas são particularmente úteis para tarefas de soldagem repetitivas em ambientes de produção.
A soldagem por pontos usa uma série de soldas curtas em vez de uma solda contínua. Essa técnica reduz a quantidade de entrada de calor em uma área localizada, ajudando a evitar a expansão e a contração térmicas excessivas, especialmente em materiais finos propensos a empenamento.
A soldagem backstep muda a direção da deposição da solda, começando na extremidade da junta e retrocedendo para equilibrar as tensões térmicas e reduzir a distorção. Essa técnica é eficaz no gerenciamento das forças de contração.
O peening do cordão de solda com um martelo estica o metal e alivia as tensões, o que é especialmente útil para reduzir a distorção em soldas de topo e de canto. Deve-se tomar cuidado para evitar o excesso de peening, que pode causar defeitos na superfície.
As abraçadeiras com dissipador de calor, como a Abraçadeira Dimide Série 1/4, usam garras de alumínio com aletas de resfriamento para afastar o calor, reduzindo a distorção e permitindo que a solda esfrie de forma mais uniforme.
As máquinas de empresas como a SEC Industrial obtêm soldas precisas e sem distorção por meio do controle rigoroso do processo de soldagem. Essas máquinas são particularmente úteis para soldas complexas na construção de tubulações e em outras aplicações industriais.
Garantir o ajuste perfeito das peças metálicas antes da soldagem minimiza as lacunas e reduz a necessidade de metal de solda. O ajuste adequado das peças é essencial para manter a integridade estrutural e o alinhamento do conjunto soldado.
A limpeza das superfícies metálicas antes da soldagem melhora a qualidade da solda e reduz o risco de distorção e defeitos. Os contaminantes podem afetar a poça de solda e levar a um aquecimento e resfriamento irregulares.
O aquecimento e o resfriamento controlados da solda reduzem as tensões residuais ao obter uma distribuição de tensão mais uniforme. Esse processo envolve o aquecimento da solda a uma temperatura elevada e, em seguida, seu resfriamento de forma controlada.
As barras de resfriamento de cobre próximas à área de solda absorvem o excesso de calor, evitando o superaquecimento e reduzindo a distorção, graças à alta condutividade térmica do cobre.
Ao implementar essas dicas práticas e utilizar as ferramentas certas, os soldadores podem gerenciar e minimizar a distorção de forma eficaz, garantindo componentes soldados de alta qualidade e estruturalmente sólidos.
Veja abaixo as respostas para algumas perguntas frequentes:
As principais causas de distorção da solda incluem aquecimento e resfriamento irregulares, tensão residual e expansão e contração térmicas. O aquecimento e o resfriamento irregulares durante a soldagem causam expansão e contração térmicas diferenciais, levando à distorção. A tensão residual surge das tensões compressivas e de tração criadas no metal de base e no metal de solda durante o aquecimento e o resfriamento. A expansão e a contração térmica inerentes do banho de solda à medida que ele aquece e resfria também geram tensões que contribuem para a distorção. Além disso, fatores como a técnica e o processo de soldagem, as propriedades do material, a preparação da junta, o tamanho da solda, a fixação e o aperto e o aporte de calor podem afetar significativamente a extensão da distorção da solda. A compreensão dessas causas é fundamental para a implementação de estratégias eficazes para minimizar a distorção e garantir a integridade estrutural dos componentes soldados.
A expansão e a contração térmicas afetam significativamente a distorção da solda devido às mudanças de temperatura durante o processo de soldagem. Quando o metal é aquecido, ele se expande. Essa expansão é resistida pelo metal mais frio ao redor, criando tensões internas. À medida que a solda esfria e se solidifica, o metal se contrai, causando retração na área da solda e na zona afetada pelo calor (HAZ). Essa contração também é resistida pelo metal de base mais frio, levando a tensões de tração e compressão que podem exceder a resistência ao escoamento do metal, resultando em deformação e distorção permanentes. Essa distorção pode se manifestar de várias formas, como distorção longitudinal, transversal ou angular, dependendo das condições de soldagem e das propriedades do material.
Os diferentes tipos de distorção da solda incluem distorção longitudinal, distorção transversal, distorção angular, flambagem, curvatura, empenamento, distorção rotacional e distorção por torção. A distorção longitudinal ocorre ao longo do comprimento da solda, causando o encurtamento da peça de trabalho. A distorção transversal ocorre perpendicularmente ao cordão de solda, aproximando as bordas da junta. A distorção angular altera os ângulos entre as peças soldadas devido à contração transversal não uniforme. A flambagem, a curvatura e o empenamento são distorções complexas que envolvem vários tipos ocorrendo simultaneamente, levando o metal a se curvar ou a se deslocar para dentro. A distorção rotacional envolve um movimento de torção em torno da linha de solda, enquanto a distorção por torção resulta de aquecimento e resfriamento irregulares, fazendo com que a peça de trabalho se torça. Essas distorções são influenciadas por fatores como restrição, propriedades do material, projeto da solda, aporte de calor e procedimento de soldagem.
Para projetar juntas de solda e minimizar a distorção, várias estratégias podem ser empregadas. Certifique-se de que a junta de solda seja dimensionada corretamente para evitar a soldagem excessiva, que aumenta as forças de contração. Coloque as soldas próximas ao eixo neutro e equilibre-as em ambos os lados para reduzir os efeitos de alavancagem. Planeje uma sequência de soldagem cuidadosa, alternando os lados para neutralizar as forças de contração. Use a soldagem intermitente e minimize o número de passes de solda. A fixação e os acessórios ajudam a manter o alinhamento, enquanto o pré-ajuste das peças leva em conta a retração. As técnicas de alívio de tensão térmica podem reduzir as tensões residuais. Otimize os parâmetros de soldagem para reduzir a entrada de calor e considere opções de projeto que minimizem a quantidade de metal de solda necessária. Essas abordagens, em conjunto, ajudam a reduzir a distorção da solda.
Para reduzir a distorção na soldagem, várias técnicas podem ser empregadas:
Ao incorporar essas técnicas, os soldadores podem reduzir significativamente a distorção, resultando em soldas mais precisas e estáveis.
A escolha do gás de proteção afeta significativamente a distorção da solda, pois influencia as propriedades térmicas do metal de solda, a distribuição de calor, a estabilidade do arco e a geometria geral da solda. A composição do gás de proteção, como as proporções de argônio, hélio, dióxido de carbono e oxigênio, pode alterar as taxas de resfriamento e a condutividade térmica, o que, por sua vez, afeta o grau de contração transversal e angular. Por exemplo, uma porcentagem maior de argônio pode retardar o resfriamento, aumentando o encolhimento, enquanto o hélio pode acelerar o resfriamento e reduzir o encolhimento. Além disso, a otimização da taxa de fluxo de gás ajuda a manter a entrada de calor consistente, minimizando assim a distorção. Portanto, a seleção da composição adequada do gás de proteção e a manutenção de taxas de fluxo ideais são fundamentais para controlar a distorção da solda e obter soldas de alta qualidade.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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