Tensões e deformações em soldagem

 

F P S - Unidade 03  

Atividade 07 – Tensões e deformações em soldagem 

1. Explique como podem surgir tensões residuais em juntas soldadas? Quais as consequências da permanência dessas tensões nas juntas soldadas?

A soldagem, particularmente nos processos por fusão, é caracterizada por um aquecimento localizado das peças, permanecendo o restante destas em temperaturas muito inferiores. As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas esta dilatação é restringida pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que resulta no desenvolvimento de deformações elásticas e plásticas concentradas nas regiões aquecidas. Devido à deformação plásticas localizada, ao final do processo de soldagem, tensões internas (residuais) permanecem na junta soldada que ainda tende a apresentar mudanças permanentes de forma e de dimensões (distorções). Tensões residuais não são visíveis diretamente, mas afetam o comportamento da junta soldada em diferentes aspetos, como por exemplo, fazendo com que haja formações de trincas, mudanças na resposta à fadiga, à tendencia a fratura frágil e a corrosão.  As tensões residuais são as tensões elásticas existentes em um corpo sem a existência de carregamentos externos ou gradientes de temperatura que permanecem na peça quando todas as suas solicitações externas são removidas. Essas tensões aparecem frequentemente em peças submetidas a diferentes processos térmicos ou mecânicos. Se um objeto for aquecido e resfriado de modo uniforme e não existirem restrições as suas variações dimensionais, estas não resultam em efeitos mecânicos importantes no objeto, isto é, após o ciclo térmico, o objeto não deverá apresentar tensões residuais e/ou distorções.  Contudo, se a variação de temperatura não for uniforme ao longa da peça ou se esta não puder se expandir ou contrair livremente durante o ciclo térmico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver. As tensões residuais podem contribuir para o aparecimento de vários problemas em juntas soldadas. A presença de tensões residuais é mais importante para fenômenos que ocorrem em baixos níveis de tensão (inferiores ao limite de escoamento do material) como a fratura frágil, fragilização pelo hidrogênio e a corrosão sob tensão. Em estruturas de materiais frágeis submetidas a um carregamento, tensões residuais de tração podem precipitar a ocorrência da falha por fratura frágil.

1. Explique a formação de flambagem em uma junta soldada? E quando ela pode representar um risco a componentes estruturais?

Ocorre quando a tensão axial de compressão for suficientemente elevada, uma força lateral infinitamente pequena pode causar uma deformação lateral grande do perfil. Esta instabilidade é um risco em componentes estruturais que atuam sob compressão, particularmente naqueles longos e delgados.

1. Como pode ocorrer a falha por fadiga em um componente soldado?

 Em um sentido amplo, fadiga envolve a deterioração de propriedades de um material devido a aplicação neste de esforços mecânicos de intensidade variável. É a forma mais comum de falha em componentes mecânicos submetidos a tensões que variam com o tempo, estando associada com grandes desastres e acidentes. A presença de tensões residuais por tração pode ter um efeito negativo no seu desempenho a fadiga, aumentando localmente o valor da solicitação mecânica e facilitando a nucleação inicial da trinca de fadiga junto da solda.

1. Como pode se desencadear a corrosão sob tensão em um componente soldado?

Na presença de um ambiente agressivo, trincas de corrosão podem se desenvolver de forma acelerada devido a 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.

1. Que mecanismos atuam no desenvolvimento de fratura frágil em um componente soldado do ponto de vista metalúrgico?

A fratura frágil de um componente metálico pode ter se desenvolvido por diferentes mecanismos (por fadiga, por exemplo), e pode ocorrer de duas formas básicas, do ponto de vista metalúrgico:

• Dúctil -> o crescimento da trinca é controlado por deformação plástica e tende a exigir uma quantidade relativamente elevada de energia.

• Na fratura frágil -> a quantidade de deformação associada tende a ser muito pequena e o crescimento da trinca é controlado pela quebra de ligações dentro dos grãos (clivagem) ou ao longo de seus contornos.

1. Que fatores são associados à formação de trincas em componentes soldados? 

Estas trincas podem ser associadas basicamente a dois fatores:

• Uma solicitação -> isto é tensões mecânicas de tração.

• Incapacidade de fragilização -> muitas vezes momentânea, do material de acomodar esta solicitação deformando-se plasticamente.

Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes a solda pode ocorrer durante a após a soldagem por:

• Formação de filmes de liquido em contornos de grão a alta temperatura.
• Crescimento de grão.
• Presença de hidrogênio dissolvido no material.
• Precipitação.

1. Descreva três métodos de alivio de tensões em juntas soldadas e identifique as limitações dos mesmos.

O nível de tensões residuais em uma junta soldada pode ser diminuído reduzindo-se a quantidade de calor fornecido a junta ou a quantidade de metal depositado. Na pratica, isto pode ser feito otimizando-se o desenho do chanfro (reduzindo o ângulo do chanfro ou usando preparações simétricas, por exemplo) e evitando depositar material em excesso (evitando reforço excessivo em soldas de topo ou minimizando o tamanho de solda 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 em muitos casos. Tensões residuais também podem ser reduzidas pelo uso de metal de adição com a menor resistência mecânica permissível no projeto, assim como uma redução dos vínculos externos da junta soldada (minimizando, dessa forma, as tensões de reação). Após a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas em uma peça ou estrutura por métodos térmicos ou mecânicos.