DEFORMAҪÕES E TENSÕES DURANTE A
SOLDADURA
Generalidades
Deformação é alteração da forma ou dimensões das peças pela ação do calor ou aplicação de esforços mecânicos.
As tensões residuais da soldadura,
causadas pela distribuição não homogénea da temperatura nos materiais soldados,
são também denominadas como tensões térmicas.
Estas tensões térmicas, elásticas,
desaparecem após a remoção das temperaturas não homogéneas que lhes deram
origem.
Quando existe uma grande diferença de temperatura,
o que acontece quando o material entra em fusão, as tensões térmicas causam
deformações plásticas, que originam tensões residuais que permanecem após o arrefecimento
completo das peças.
Durante o processo de soldadura, a
área a soldar é aquecida significativamente, atingindo mesmo o seu ponto de
fusão, relativamente à área adjacente, provocando a dilatação do material.
Esta dilatação é constrangida pela área
mais fria adjacente, o que incrementa as tensões térmicas elásticas.
Estas tensões, em parte excedem o
limite elástico do material, que por sua vez, também baixa com a elevação da
temperatura. Consequentemente, a área soldada é plasticamente comprimida e,
depois de arrefecida apresenta tensões residuais de tração, e na sua área
envolvente aparecem tensões residuais de compressão.
Para além destas tensões residuais serem potenciadoras
de corrosão, de falha por fadiga ou por fratura frágil, em valores inferiores
ao do limite de elasticidade, quando Superam o limite elástico do material,
provocam deformações, que introduzem alterações na geometria final das peças
soldadas.
Se por vezes, a alteração da
geometria final não é importante para o serviço a que as peças irão ser
sujeitas, na maioria dos casos isto não acontece, o que obriga ao posterior alívio
de tensões, quer por tratamentos térmicos, quer por aplicação de métodos mecânicos.
Acontece que, em casos de peças de
grande porte, como por exemplo, tramos de pontes metálicas, ou comportas de
grandes dimensões, torna-se bastante dispendioso o posterior alívio de tensões,
e em alguns casos, não é mesmo possível fazer-se um alívio generalizado de
tensões, quer por não existirem fornos com dimensões suficientemente grandes
para alojarem a peças a tratar, quer por inaplicabilidade de meios mecânicos.
Assim sendo, torna-se bastante útil
que, se conseguisse avaliar previamente ao fabrico, o nível de tensões
residuais, e as deformações resultantes das soldaduras a efetuar, de modo a
prever metodologias de fabrico que previnam o aparecimento final de distorções geométricas
não conformes com as tolerâncias de projeto.
A resultante deste problema, será de
grande importância a compatibilidade do estudo das tensões residuais e
deformações, em modelos feitos a uma escala inferior à das peças a fabricar, de
modo a poderem aferir-se os níveis de tensão residual e o comportamento geométrico
que surgirão no fabrico das peças à escala real.
O modelo em escala reduzida, poderá
ser assim trabalhado de um modo muito mais fácil, e sujeito a aplicação de
métodos destrutivos para avaliação do nível de tensões residuais presentes.
Efeito térmico da soldadura no
protótipo e no modelo à escala
Efeito térmico da soldadura
O ciclo térmico típico da soldadura
por arco eléctrico, consiste num aquecimento muito rápido, na ordem das
centenas de graus por segundo, até atingir o pico de temperatura, seguido de um
relativamente rápido arrefecimento, na ordem de umas dezenas ou centena de
graus por segundo, até à temperatura ambiente.
As alterações da microestrutura na zona soldada, bem como na zona
termicamente afetada (ZTA), estão muito dependentes das taxas de aquecimento e
de arrefecimento, as quais por sua vez, dependem do calor fornecido à
soldadura, o qual é função da energia do arco eléctrico, da velocidade de
soldadura e da eficiência térmica do processo, da geometria e espessura da peça
a soldar, e das temperaturas iniciais e de interpasse.
Estas alterações micro estruturais,
irão por sua vez, afetar a alteração das propriedades mecânicas e potenciar a
sua propensão para a ocorrência de fenómenos de corrosão sob tensão, tanto na
zona fundida como na ZTA.
O processo de transferência de calor
ou ciclo térmico da soldadura tem várias consequências, para além das complexas
alterações micro estruturais referidas anteriormente.
Na zona fundida, onde o metal é liquefeito e
subsequentemente solidificado, e na ZTA adjacente, na qual o material é
aquecido a uma temperatura abaixo do ponto de fusão, mas suficientemente
elevada para produzir alterações micro estruturais e nas suas propriedades
mecânicas, a vaporização de alguns elementos devido à excessiva temperatura,
pode também originar a alteração da composição do material.
O aquecimento e o arrefecimento
localizado geram igualmente deformações plásticas e tensões residuais ao longo
do material. A contração no arrefecimento, no metal fundido e na ZTA, induz distorções permanentes.
Vários defeitos na soldadura podem
também ocorrer como resultado do ciclo térmico, tais como porosidades, fissuração a quente
e a fissuração a frio.
Consequentemente, torna-se muito
importante prever as características do ciclo térmico na soldadura de um material,
tais como a temperatura de pico e as taxas de arrefecimento, de modo a
caracterizar e relacionar as alterações micro estruturais com as suas
propriedades.
O trabalho mais importante feito no
estudo da teoria dos efeitos do movimento de uma fonte de calor provém de Rosenthal D., no final da década de 40
do século XX. Ele estudou a teoria fundamental e formulou equações para o
escoamento bidimensional e tridimensional num sólido na presença de uma fonte
móvel de calor.
As soluções analíticas formuladas por
Rosenthal foram baseadas no
princípio do estado térmico quase-estacionário, o qual representa a resposta
térmica estacionária da soldadura, relativamente às coordenadas do movimento,
isto é, a origem do processo dá-se com o movimento da fonte de calor, e para um
observador na origem, a distribuição da temperatura e a geometria do banho em
fusão não se alteram no tempo.
Apesar das assumpções de Rosenthal ajudarem a simplificar a
análise matemática do problema, existem desvios significativos entre a teoria e
os resultados experimentais.
Por exemplo, com a assumpção da fonte
de calor pontual, a temperatura no eixo da soldadura cresce infinitamente,
mesmo com a limitação da potência da fonte de calor.
Acresce ainda que, as propriedades
térmicas dos materiais variam com a temperatura, e a negligência do calor de
fusão origina erros consideráveis.
Assim, outros autores elaboraram
estudos, para o aperfeiçoamento e melhoramento das equações matemáticas do
Rosenthal.
Soldadura de protótipos
Para o protótipo, iremos
utilizar o mesmo processo de soldadura para a execução de provetes do modelo à escala e do protótipo.
Assim sendo, o processo que se nos afigura mais apropriado, dentro dos
habitualmente usados no fabrico de estruturas metálicas, tendo em conta especialmente o processo a ser utilizado em obra, e
de modo a ter uma melhor
representatividade das tensões residuais presentes, iremos utilizar este
processo para a execução dos
provetes em chapa de 8 mm e de 2 mm, utilizando eléctrodos básicos SFA AWS A5.1 - E7018.
Soldadura do
modelo à escala
Para a soldadura do modelo à escala
1:4, isto é, em chapa de 2 mm de espessura, deve-se em primeiro lugar,
investigar a equivalência do calor entregue e escoado na peça de 8 mm de
espessura, com análise da sua ZTA, de modo a determinar o calor a ser fornecido
e escoado na soldadura do modelo à escala, e assim tentar reproduzir neste, os efeitos
termo-mecânicos equivalentes aos produzidos na soldadura das chapas de 8mm.
Isto quer dizer que, deveremos soldar
o modelo à escala com um processo quase equivalente ao do utilizado no
protótipo. Para isto, utilizaremos a seguinte metodologia:
1- Utilização do mesmo material de
base e de adição em ambos os provetes;
2- Utilização do mesmo processo de
soldadura, do mesmo tipo de consumível, de modo a não alterar a densidade de
energia e não alterar a técnica operatória;
3- Utilização de diâmetro de
consumível e parâmetros eléctricos, tensão e intensidade de corrente, ajustados
para a soldadura da chapa de 2mm, de modo a que conjugados com a velocidade de
soldadura, possam representar uma entrega de calor equivalente;
4- Obtenção de taxas de escoamento de
calor equivalentes, no modelo e no protótipo, através da configuração dos
parâmetros que mais as influenciam, tais como o calor introduzido - entrega
térmica, a espessura das chapas e a geometria da ligação, e o pré-aquecimento
das peças ler mais