influência da tensão de soldagem no cálculo de

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INFLUÊNCIA DA TENSÃO DE SOLDAGEM NO CÁLCULO DE TENSÕES
RESIDUAIS ATRAVÉS DO MÉTODO DE DESLOCAMENTO DE PONTOS
COORDENADOS (DPC) EM CHAPAS NAVAIS SOLDADAS
L. G. T. C. de Melo
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
Av. Arquitetura S/N Cidade Universitária – CEP: 50740-550 – [email protected]
R. A. S. Ferreira
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
C. E. Mendes
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
P. S. Barros
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
T. L. Rolim
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
O. O. de Araujo
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
Y. P. Yadava
Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE
RESUMO
A tensão de soldagem foi variada em amostras soldadas para se analisar como
ela influenciaria as tensões residuais. O cálculo das tensões residuais foi realizado
através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC) em chapas de
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aço naval ASTM A-131 grau AH-36. Chapas de teste com dimensões de 200 mm x
70 mm e 13,7mm de espessura foram soldadas através do processo GMAW
seguindo o sentido de laminação, sendo variada a tensão de soldagem enquanto
que os demais parâmetros foram mantidos. Foi encontrado que com o aumento da
tensão de soldagem média de 19,63V para 26,48V, se obteve uma redução na
tensão residual, de uma média de 138,13MPa para 50,81Mpa a 3mm do cordão de
solda e 153,65MPa para 47,39MPa a 2mm do cordão de solda. Com isso, observase que num processo multipasses, o maior aporte térmico contribui para a redução
das tensões residuais.
Palavras-chave: tensões residuais, tensão de soldagem, deslocamento de pontos
coordenados, chapas navais, gmaw.
INTRODUÇÃO
Temos como tensões residuais as tensões internas que permanecem no
material, elementos mecânicos e peças acabadas, mesmo quando não mais sob
influência térmica ou mecânica. As tensões residuais são tensões auto equilibradas
existentes nos materiais em condições de temperatura homogênea e sem
carregamento externo.(1)
Como num processo de soldagem existe um elevado gradiente de temperatura
devido ao aquecimento e resfriamento não homogêneo, as tensões residuais são
introduzidas. Isso se dá principalmente devido à contração no resfriamento, somada
ao resfriamento superficial intenso e às mudanças de fase. Por ser um material
termicamente tratável, o aço em questão sofre transformações de fase em função do
fluxo de calor durante a soldagem, modificando sua microestrutura e as
propriedades da área afetada, sendo então, este fluxo de calor, o grande
responsável pela existência de tensões residuais e distorções.
Para que fosse possível o comparativo entre as amostras, apenas a tensão de
soldagem sofreu variação durante todo o processo, de modo que permaneceram
constantes a velocidade de soldagem e corrente. Como a tensão de soldagem influi
diretamente no aporte térmico, que pode ser calculado através da Eq. (A), o
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aumento na tensão de soldagem resulta num aumento proporcional do aporte
térmico.
(A)
Com a variação no aporte térmico, o fluxo de calor é modificado, alterando por
sua vez os valores de tensões residuais. O aporte térmico é uma característica
importante, pois assim como as temperaturas de preaquecimento e interpasses,
influencia a taxa de resfriamento, que afeta as microestruturas e as propriedades
mecânicas
das
Zonas
Termicamente
Afetadas
(ZTA)
pelo
calor(2)
e,
consequentemente, afeta a distribuição de tensões residuais na região da junta.
A determinação das tensões residuais pode ser realizada através de diversos
procedimentos experimentais, como as técnicas baseadas no furo cego ou difração
de raios-X, e que podem ou não envolver procedimentos destrutivos.(3) Para estudar
a influência dos parâmetros de soldagem nas tensões residuais, o método de
Deslocamento de Pontos Coordenados foi utilizado, consistindo em medir o
deslocamento de pontos previamente mapeados por meio de uma Mesa de Medição
de Coordenadas (MMC). Com esses valores, o módulo de elasticidade e coeficiente
de Poisson do material em questão, as tensões residuais podem ser calculadas.
MATERIAIS E MÉTODOS
O experimento foi conduzido em amostras de chapas de aço naval ASTM A131 grau AH-36 com o objetivo de se calcular as tensões residuais através do
método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC). As amostras foram
usinadas com altura de raiz de 2mm e ângulo de bisel de 25º (Fig.1).
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Figura 1. Chapas em processo de usinagem
Foram realizadas soldagens através do processo GMAW automatizado,
utilizando-se uma máquina multiprocesso (Fig. 2) em conjunto com uma máquina de
corte a gás adaptada para realizar o translado da tocha (Fig. 3).
Figura 2. Máquina de soldagem MAG semiautomática.
Figura 3. Máquina de corte a gás.
O arame utilizado foi o AWS ER70S-6 com 1,2mm de diâmetro e o gás, uma
mistura de 75% de Ar e 25% de CO2. Para simular as restrições impostas presentes
nas soldagens de painéis navais, utilizaram-se travas laterais nas chapas de teste. A
máquina de corte a gás foi então alinhada para o passe de raiz e os passes
subsequentes. Os passes foram realizados sempre se alternando o sentido para
evitar distorções. Após cada passe, o filme vítreo formado foi removido com uma
escova de aço.
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Dois pares de chapas de 70 x 200mm foram soldadas duas a duas com
parâmetros definidos como padrões, conforme listado na Tab. 1. A tensão de
soldagem média foi de 19,63V.
Amostra
αbisel (º)
Tensão média
Corrente média
Velocidade de
Aporte médio
(V)
(A)
soldagem (mm/s)
(W)
1
19,53
173,67
6
565,38
25
2
19,72
169,42
6
556,72
25
Tabela 1. Parâmetros de soldagem para chapas padrões
Dois pares de chapas de 70 x 200mm foram soldadas duas a duas
reproduzindo os parâmetros de soldagem supracitados, contudo, elevando a tensão
de soldagem média para 26,48V, conforme Tab. 2.
Amostra
αbisel (º)
Tensão média
Corrente média
Vel. de soldagem
Aporte médio
(V)
(A)
(mm/s)
(W)
3
26,91
178,42
6
800,15
25
4
26,04
184,00
6
798,56
25
Tabela 2. Parâmetros de soldagem para chapas com tensão de soldagem alterada
O método utilizado para medir as tensões residuais foi o DPC (4), que consiste
em se observar o deslocamento de pontos da chapa. Para tal, foram realizados
cinco furos com 2mm de profundidade usando uma broca de 2mm de diâmetro (Fig.
4), cujos centros foram então mapeados em (X, Y).
Figura 4. Furos realizados na amostra.
A distribuição dos furos é dada conforme a ilustração a seguir (Fig. 5).
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Figura 5. Distribuição de furos nas chapas soldadas
A medição e mapeamento dos furos é realizada com uma Máquina de Medição
de Coordenadas (MMC) com controle numérico computadorizado (Fig. 6).
Figura 6. Medição sendo realizada na MMC.
Em seguida, foi realizado um tratamento térmico de recozimento a 740ºC (Fig.
7), com o objetivo de aliviar as tensões existentes. A medição das extensões dos
deslocamentos dos pontos previamente medidos é o que possibilita o cálculo das
tensões, uma vez que ocorre a reversão da plastificação (tensão de recuo).
Os métodos mecânicos de alivio de tensão podem ser eficazes, contudo, o
método mais utilizado atualmente para aliviar as tensões residuais causadas é o
recozimento, também conhecido como tratamento térmico de alívio de tensões
(TTAT).(5)
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Figura 7. Chapa retirada do forno após tratamento térmico.
Os pontos mapeados sofreram deslocamentos devido ao escoamento reverso
do material e foram remapeados, de acordo com a técnica de medição de
coordenadas, que determina os parâmetros dimensionais através da medição da
medição das coordenadas de pontos sobre a superfície de uma peça e os processa
matematicamente.(6) Com isso, é possível calcular a deformação através da Eq. B,
tanto no sentido longitudinal quanto transversal.
(B)
Sendo:
ɛ: deformação específica;
ΔL: variação na distância dos pontos coordenados (mm);
L0: distância entre o ponto e o centro da chapa (mm).
Com as coordenadas dos pontos medidos antes e após o tratamento térmico, as
tensões de soldagem podem ser calculadas através das equações (C) e (D)(7):
(C)
(D)
Sendo:
: tensão residual longitudinal – direção de soldagem (Pa);
: tensão residual transversal – normal à direção de soldagem (Pa);
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: deformação específica na linha de solda;
: deformação específica normal a linha de solda;
E: módulo de elasticidade do material (GPa);
: coeficiente de Poisson.
Ainda, os valores de tensões residuais
e
e
são obtidos pela medição de
, que são as deformações residuais nos pontos onde se deseja conhecer a
tensão residual.(7) Para calculá-los, adotou-se o módulo de elasticidade de um aço
carbono similar de 207GPa e coeficiente de Poisson de 0,3.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foram calculadas as tensões na direção longitudinal e perpendicular ao cordão
de solda para cada um dos cinco pontos de cada amostra. Os módulos das tensões
foram então agrupados de acordo com a distância entre o ponto em questão e o
cordão de solda. Assim sendo agrupados os pontos 1 e 2, cujos centros distanciamse 3mm do cordão de solda, e 3, 4 e 5, com centros localizados a 2mm do cordão de
solda. A média dos valores dos pontos agrupados foi então compilada na Tabela 3
abaixo.
Amostra
1
2
3
4
Tensão Média
(V)
19,53
19,72
26,91
26,04
|σx1,2a|
(MPa)
184,18
92,08
18,12
83,49
|σx3,4,5a|
(MPa)
202,96
104,34
14,26
80,51
|σy1,2a|
(MPa)
232,29
109,56
25,82
104,16
|σy3,4,5a|
(MPa)
252,45
123,68
19,72
102,83
Tabela 3. Tensões residuais
Para melhor visualização dos dados, foram compilados os gráficos (Fig. 8-11) a
seguir. Cada gráfico diz respeito ao comparativo entre uma chapa padrão (1 ou 2) e
uma chapa com variação na tensão de soldagem (3 ou 4) e destaca como o
aumento na tensão de soldagem (de 19,63V para 26,48V) implica numa redução nas
tensões residuais. Conforme a Eq. A, ao se manter constantes a corrente e
velocidade de soldagem, com o aumento da tensão de soldagem, o aporte térmico
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aumenta proporcionalmente e, como estamos lidando com uma soldagem
multipasses, cada passe atua como um mecanismo de alívio de tensões. O aporte
térmico de soldagem tem grande efeito nas tensões residuais, e com o crescimento
do aporte térmico, numa soldagem multipasses, as tensões residuais são
reduzidas.(8)
As tensões em X e Y são aproximadas pela tensão de recuo do material e,
portanto, neste trabalho, foram apresentados os gráficos com apenas as tensões em
X.
Figura 8. Comparativo entre amostras 1 e 3.
Figura 9. Comparativo entre amostras 1 e 4.
Figura 10. Comparativo entre amostras 2 e 3.
Figura 11. Comparativo entre amostras 2 e 4.
Os resultados encontrados estão condizentes com os intervalos de valores de
tensões residuais em chapas com espessuras similares.(9)
CONCLUSÕES
Ao variar parâmetros de soldagem, diferentes tamanhos e formatos de cordões
de soldas são obtidos. Foi possível estabelecer uma relação entre a tensão de
soldagem e as tensões residuais de soldagem, através do aporte térmico. Contudo,
esta relação apenas não justifica os resultados observados para os valores
calculados de tensões residuais. As tensões residuais calculadas apresentaram
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valores dentro dos esperados. A partir do momento em que se eleva a tensão de
soldagem mantendo-se os demais parâmetros constantes – velocidade de
soldagem, corrente, velocidade de alimentação do arame -, o volume de material por
passe é alterado, de modo que pode ser necessário menos passes para o
preenchimento total do chanfro, o que por si só já é uma variação indireta do
processo.
REFERÊNCIAS
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of Residual Stress in Science and Technology”. Ed. by Macherauch, V. Hauk,
DGM VERLAG.
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Joining, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM Inter., p.
391-396, 2002.
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Induzidas pelo Jateamento com Granalha”. p. 96, Dissertação de Mestrado,
Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil.
[4] Siqueira Filho, A. V.; Rolim, T. L.; Yadava, Y. P.; Cardoso, F. I. B.; Guimaraes, P.
B.; Maciel, T. M.; Sanguinett Ferreira, R. A.. Development os Methodology for
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Points in a Coordinated Table. Materials Research, v. 16, p. 322-326, 2013.
[5] Modenesi, P.J. Efeitos Mecanicos do Ciclo Térmico. Departamento de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. 2001.
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Máquinas De Medição Por Coordenadas. Tese De Doutorado, Ufpb, João
Pessoa, Pb.
[7] Okumura, T.; Tanigusgi, C. 2002. Engenharia De Soldagem E Aplicações. Rio De
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[8] Jiang, W.C.; Wang, B.Y.; Gong, J.M.; Tu, S.T. Finite element analysis of the effect
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[9] Kim, T.-J.; Jang, B.-S.; Kang, S.W. Kang.. Welding deformation analysis based
on improved equivalent strain method considering the effect of temperature
gradients. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, v. 7,
p. 157–173, 2015.
INFLUENCE OF WELDING VOLTAGE IN CALCULATION OF RESIDUAL STRESS
BY USING DCP METHOD IN NAVAL WELDED SHEETS
ABSTRACT
Welding voltage value was switched in welded samples in order to analyze how
it would influence residual stress. Residual stress calculation was done by using
Displacement of Coordinated Points (DCP) method in naval ASTM A-131 grade AH36 welded steel sheets. Pairs of 200 x 70mm with 13,7mm thickness samples were
welded through GMAW process with bead in rolling direction, while the rest of
parameters were kept constant. It was found that while raising average welding
voltage from 19,63V to 26,48V, residual stress was reduced from an average of
138,13MPa to 50,81MPa by 3mm of the weld bead, and 153,65MPa to 47,39MPa by
2mm of the weld bead. This leads to observe that in a multiple layer welding process,
the higher heat input contributes to reducing residual stress.
Keywords: residual stress, welding voltage, displacement of coordinated points,
naval sheets, gmaw.
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