REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SOBRE A INFLUÊNCIA DA SOLDAGEM NA GERAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM ESTRUTURAS SOLDADAS NA

INDÚSTRIA NAVAL

Eliane Correia Nascimento Souza* [eliane.cns@hotmail.com]

Bárbara Rodrigues Durão* [barbara_durao@hotmail.com]

Josimar Martins Garuzzi* [jmgaruzzi@gmail.com]

Orientador: Harerton Oliveira Dourado* [harerton@fsjb.edu.br]

FAACZ - Faculdades Integradas de Aracruz www.faacz.com.br

RESUMO: A soldagem é uma das principais técnicas executadas durante a fabricação de uma embarcação, no entanto essa atividade aplica grande quantidade de calor de maneira não uniforme sendo considerado o processo com maior índice de geração de tensões residuais e distorções em estruturas navais. As distorções constituem uma das principais dificuldades na construção naval. O estado de tensões influência na determinação da capacidade de carga e vida útil das estruturas. Para atender qualitativamente o crescimento do setor naval, é primordial o investimento em tecnologias e aprimoramento no entendimento das implicações geradas na utilização dos processos construtivos, durante a fabricação das embarcações. Neste trabalho de revisão bibliográfica são relatadas as principais causas geradoras de tensões residuais e distorções, seus efeitos e algumas técnicas adotadas para alívio de tensões, controle e minimização das imperfeições. Palavra-chave: Tensões residuais de soldagem.

1. Introdução

A recuperação da indústria naval e offshore são influenciadas especialmente pelo setor de petróleo e gás natural. No Brasil expectativas geradas principalmente na exploração e produção do petróleo offshore, descoberto nas reservas do pré-sal, preveem a fabricação de novos navios-sonda, navios petroleiros, plataformas de produção e navios de apoio, reaquecendo o setor naval (SINAVAL, 2012). Entretanto, para que está indústria se torne mais competitiva é imprescindível o aprimoramento tecnológico dos processos produtivos e maior entendimento das implicações originadas no uso dos processos, que são fonte geradora de tensões residuais e distorções durante a fabricação.

A soldagem é uma das principais técnicas utilizadas nos estaleiros, no entanto essa atividade aplica grande quantidade de calor de maneira não uniforme, sendo considerado o processo com maior índice de geração de tensões residuais e distorções em estruturas navais (GUROVA, 2006). Os painéis enrijecidos são estruturas básicas na construção de navios - cerca de 50% do aço usado na indústria naval é plicado na fabricação dessas estruturas (MELO, 2006). Os painéis são obtidos pela união entre chapas de aço e são enrijecidos com a soldagem de reforços transversais e longitudinais (PICANÇO, 2010). Os processos empregados na confecção dos painéis inserem diferentes níveis de tensões residuais; estes índices são distintos e variam de acordo com características mecânicas, físicas, e químicas do material, aliadas às particularidades de cada processo aplicado à peça.

Segundo Gurova e Amaral (2006), as tensões geradas produzem distorções que se revelam como imperfeições de fabricação constituindo uma das principais dificuldades para construção naval e offshore. Durante a etapa de montagem por blocos, o tempo gasto com retrabalho para ajustar imperfeições e atribuir acomodação completa representa cerca de 30% do tempo total para fabricar uma embarcação. As distorções, além de gerar atraso nas datas de conclusão, aumentam o custo final do empreendimento e podem contribuir no aparecimento de sérios danos estruturais como falha por fadiga, disposição à fratura frágil e formação de trincas.

Examinar o estado de tensões presente nas estruturas é uma medida importante para determinação da capacidade de carga e vida útil da estrutura, além de possibilitar ações de correção durante a fabricação e favorecer o controle da integridade do material e planejamento da manutenção (GUROVA, 2006).

O grau de tensões residuais e distorções presentes em uma estrutura podem ser amenizados adotando medidas na fase de elaboração do projeto, durante e após o término da soldagem.

2. Metodologia

Para realização desta pesquisa utilizou-se o processo de levantamento bibliográfico. Durante a elaboração foram examinados livros, artigos, dissertações, sites que tratam do tema e também literaturas que tratam de assuntos correlatos. Constituíram-se dados de estudos, contextos escolhidos que datam de 1982 até o ano de 2012.

Diversos conceitos relatados na obra intitulada – “Engenharia de Soldagem e Aplicações” de Okumura e Taniguchi, datada de 1982, são amplamente utilizados por vários autores para realização de suas pesquisas, o que motivou contemplar bibliografias de relevância a partir desta data.

A pesquisa esta essencialmente dividida em quatro partes que notificam a significância do tema:

• Geração de tensões residuais;

• Efeitos das tensões em componentes soldados, incluindo as distorções;

• Métodos para medição das tensões residuais

• Técnicas para alívio de tensões residuais e controle de deformações.

3. Geração de tensões residuais durante á soldagem

Pode-se definir tensão residual como tensões internas existentes em um corpo, estando

este, livre de quaisquer forças externas ou gradientes térmicos (FBTS, 2003). As tensões são comumente classificadas em três tipos: tensão residual tipo I, tensão residual tipo II e tensão residual tipo III. Todavia, quando se fala de tensões residuais são geralmente apreciadas apenas as tensões residuais do Tipo I (AMANTE, 2006; VIEIRA SOARES, 1998).

As tensões residuais na soldagem são tensões internas, em equilíbrio, que permanecem no material após a execução da operação de soldagem. Estas tensões são geradas por escoamentos parciais localizados, que ocorrem durante o ciclo térmico da soldagem podendo ser trativas ou compressivas, dependendo da região considerada (zona fundida, zona afetada termicamente, material de base) e de alguns fatores tais como aporte térmico, pré-aquecimento, grau de restrição da junta, quantidade de passes de solda, velocidade de soldagem, etc. (MARQUEZE, 2002).

O valor máximo em módulo que as tensões residuais podem alcançar é o próprio limite de escoamento do material. Valores de tensões acima do limite de escoamento ocasionarão deformações plásticas e ocorrerá uma redistribuição das tensões residuais (LU, 1996, apud NUNES, 2008).

A presença de tensões residuais em componentes de engenharia pode alterar consideravelmente características do material como capacidade de resistir a carregamentos, resistência à fratura e vida em fadiga. As tensões residuais juntam-se à tensão de carregamento em serviço, imposta ao equipamento, podendo acrescentar ou diminuir o valor efetivamente aplicado à peça em função da natureza trativa ou compressiva das tensões residuais (VIEIRA SOARES, 1998).

Tensões residuais trativas podem ser perigosas quando tensões aplicadas ao componente também forem trativas; a soma das tensões trativas pode contribuir para a iniciação e o crescimento de trincas de fadiga. Já as tensões residuais compressivas se opõem à direção de carregamento trativo - neste caso, a tensão residual compressiva amortiza o nível de tensão aplicada e inibe a iniciação e a propagação de trincas (VIEIRA SOARES, 1998). Da mesma forma, se a peça apresentar tensão residual compressiva e o carregamento de serviço também for compressivo, o valor da tensão compressiva será acrescido.

A figura 1 apresenta uma estrutura com tensões residuais compressivas nasuperfície e trativas no núcleo. A carga atuante de trabalho é trativa, na redistribuição de tensões o efeito é trativo, porém o valor da tensão sofreu considerável redução (COSME SOARES, 2003).

Figura 1- Superposição de um estado de tensões residuais e de um estado de tensões atuantes. Fonte: Cosme Soares, 2003.

De acordo com Stefen (2008) os principais efeitos produzidos pela soldagem são regidos por

três aspectos termo-mecânicos: contração de áreas que foram desigualmente aquecidas e plastificadas durante a soldagem; resfriamento superficial mais elevado em relação ao restante da espessura; transformação de fase com distintas propriedades termomecânicas para cada fase do material.

A contração no resfriamento de áreas diferentemente aquecidas e plastificadas durante a soldagem é a principal fonte de tensão residual. A intensidade de tensões também está relacionada ao grau de restrição na direção considerada. Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se deformam tendendo aliviar o nível das tensões residuais. As deformações são proporcionais à extensão da zona plastificada.

Resfriamento superficial mais elevado em relaçãoao restante da espessura faz com que apareçam tensões residuais. Isso ocorre, pois além da diferença de temperatura nas orientações longitudinais e transversais, também existirá outro gradiente térmico na espessura da peça soldada, assim o resfriamento acontece de forma não homogênea ao longo da profundidade.

As transformações de fases que ocorrem na soldagem geram tensões devido à ampliação de volume que ocorre durante a transformação da austenita para ferrita, bainita, perlita ou martensita. De tal modo, em uma junta soldada a região da zona afetada termicamente (ZAT), que passa por transformações microestruturais, apresentará tendência a expandi-se, porém ficará impedida pelo restante do material mais frio e não transformado. Esses efeitos geram tensões residuais de compressão na região transformada.

3.1 Efeitos das tensões residuais em componentes soldados

A soldagem é uma técnica amplamente utilizada na fabricação de uma embarcação e independente do processo de soldagem utilizado, a soldagem a arco elétrico aplica grande quantidade de calor de maneira não uniforme, podendo gerar tensões residuais e distorções ao final do processo de soldagem, além de promover alterações metalúrgicas e influenciar na resistência mecânica.

Os principais efeitos das tensões residuais em componentes soldados são: flambagem, fratura frágil, falha por fadiga e formação de trincas em solda. Modenesi (2008) relata sobre estes efeitos.

Segundo Modenesi componentes estruturais submetidos a cargas de compressão podem falhar por flambagem, particularmente quando possuírem um comprimento muito maior que as dimensões transversais ou estiverem submetidos á cargas fora de centro. Essa circunstância advém da deflexão lateral do componente submetido à compressão. Quando o valor crítico é atingido ocorre à falha instável do componente, geralmente, esse fato acontece com uma carga menor que o limite de escoamento do material.

Figura 2 – Flambagem de uma coluna. Fonte Modenesi – Efeitos mecânicos ciclo térmico, 2008.

Falha por Fadigaé um tipo comum de falha em componentes mecânicos submetidos a

tensões que mudam com o tempo. A falha se inicia com uma trinca que pode estar presente no material por efeito de processos de fabricação ou pode surgir ao longo do tempo em regiões sujeitas a concentrações de tensões. A fratura por fadiga, geralmente, acontece pelo crescimento de trincas devido a tensões de tração variáveis, comumente de magnitude inferior ao limite de escoamento.

A fratura frágil é caracterizada pelo rompimento de materiais com pouca ou nenhuma deformação plástica. O evento pode ocorrer com níveis de tensão relativamente baixos, inferiores ao limite de escoamento do material ou da tensão de trabalho, de forma inesperada e rápida. A ocorrência é favorecida pela existência de determinados fatores como: concentradores de tensão (trincas, inclusões, falta de fusão), baixa temperatura, elevada taxa de deformação, microestrutura com baixa tenacidade, granulação grosseira ou com precipitados. Devido a estes fatores, em vários casos, componentes soldados precisam ser tratados termicamente para alívio de tensões residuais e/ou refino da estrutura.

Constantemente, trincas são desenvolvidas em soldas, onde as fissuras podem ser associadas a solicitações, ou seja, tensões mecânicas de tração e a incapacidade do material acomodar estas solicitações deformando-se plasticamente. A fragilização da zona fundida e de regiões adjacentes pode ocorrer durante e após a soldagem por vários motivos, tais como: formação de filme líquido em contornos de grão a elevada temperatura, presença de hidrogênio dissolvido no material, crescimento de grão, precipitações, etc.

3.2 Distorções

As distorções, também designadas imperfeições geométricas, são alterações de forma e dimensão que ocorrem em componentes submetidos a determinados procedimentos construtivos. No processo de soldagem as distorções são resultantes da aplicação não uniforme de calor. O gradiente de temperatura propicia as tensões térmicas, pois os fenômenos de expansão térmica e contração ficam restringidos pelas áreas pouco aquecidas e consequentemente acontecem deformações plásticas (MODENESI, 2011; OKUMURA, 1982).

Entre os fatores que influenciam nas distorções residuais pode-se mencionar: insumo de calor, o processo de soldagem, temperatura inicial da chapa, espessura e geometria da junta, número de passes de solda, sequência de soldagem, projeto da junta, tensões internas, propriedades do metal de base e presença de dispositivos restritivos (OKUMURA, 1982; GUIMARÃES SOARES, 2006). As distorções são comunmente classificadas em seis categorias: contração longitudinal, contração transversal, distorção angular, distorção rotacional, distorção de flambagem e distorção de flexão (MASUBUCHI, 1980 apud AMARAL, 2004).

Figura 3 – Tipos de distorções. Fonte: Amante, 2006.

As imperfeições mais frequentemente encontradas na construção naval e offshore são a distorção de flambagem e a distorção angular. Entre os efeitos gerados pelas distorções pode-se mencionar o desalinhamento de componentes estruturais, grande quantidade de retrabalho para correção das imperfeições, aumento de custos, redução da eficiência de produção, imprecisão do produto final e detrimento de resistência estrutural (STEFEN, 2004).

3.3 Métodos para medição das tensões residuais

Existem diversas técnicas para medir tensões residuais e a escolha da técnica adequada deve levar

em consideração características do material como: isotropia, composição química, homogeneidade, geometria e espessura do material. Também são observados aspectos relacionados ao método de

medição escolhido como complexibilidade e custo total na utilização, aplicabilidade ao campo, intervenção destrutiva ou não destrutiva (COSME SOARES, 2003).

O uso das técnicas produz benefícios, pois o conhecimento da distribuição e magnitude das tensões

possibilita fazer estimativas sobre a resistência estrutural, visto que as tensões e às distorções residuais constituem um sério problema na construção naval (AMANTE, 2006).

Gurova (2006) e Cosme Soares (2003) relatam que os métodos para determinação de tensões residuais podem ser classificados em dois grupos:

• Métodos destrutivos: se distinguem por realizar medições com aplicação de destruição parcial ou total da peça;

• Métodos não destrutivos: não retira material da peça e não altera a integridade ou funcionamento da estrutura analisada.

Entre os métodos destrutivos pode-se destacar a técnica do furo cego, a remoção de

camadas e o seccionamento. Há exemplo de métodos não destrutivos destacam-se a técnica de ultra-som, difração de raio-X e técnicas magnéticas.

Cada técnica possui suas particularidades, vantagens e restrições, cabe ao analista de tensão eleger o método adequado para uma aplicação correta (COSME SOARES, 2003).

3.4 Alívio de tensões residuais e controle de deformações

3.4.1 Alívio de tensões residuais

O grau de tensões residuais presentes em uma junta soldada pode ser amenizado adotando-se procedimentos na fase de elaboração do projeto, durante e após o término da soldagem.

A redução da quantidade de calor fornecido à junta e a diminuição da quantidade de metal depositado podem contribuir para amortizar os níveis de tensões. A redução de volume depositado pode ser obtida adequando o formato do chanfro: normalmente reduz-se o ângulo do chanfro ou adota-se chanfro simétrico para evitar a deposição excessiva de material. A diminuição no volume de metal depositado resultará em subtração do calor transferido à peça e por seguinte em diminuição dos coeficientes de tensão residual e de distorção da junta (MODENESI, 2008).

[a] [b]

Figura 4 – [a] - Ângulo do chanfro (𝜶𝜶) e ângulo do bisel (𝜷𝜷), (S) nariz. [b] – Chanfro simétrico. Fonte: (ambas) Modenesi - Terminologia usual de soldagem e símbolos de soldagem, 2008.

Usar solda intermitente, quando possível, também é uma maneira de minimizar a quantidade

de metal de solda depositado. O uso dessa técnica para soldar reforços, reduz o volume de metal de solda em até 75% sem comprometer a eficiência da rigidez proporcionada (FBTS, 2003). Adotar outras medidas como, diminuir a abertura de raiz desde que a solda possa ser executada satisfatoriamente, e optar por chanfros tipo J ou tipo U também contribuem na redução do volume de metal depositado. Após a soldagem as tensões residuais podem ser aliviadas por métodos térmicos ou mecânicos, sendo o tratamento térmico de recozimento muito utilizado (MODENESI, 2008).

Figura 5 - Soldagem intermitente numa junta em T. Fonte: Acesita- Práticas de Soldagem em Aço Inox, 1999.

3.4.2 Controle das deformações

As deformações decorrentes do processo de soldagem depreciam a precisão e a aparência dos componentes soldados, além de influenciar na redução da resistência estrutural. A remoção dessas distorções é bastante onerosa, tanto em termos de tempo na execução da tarefa como em mão de obra capacitada. Dessa forma é preferível adotar medidas que reduzam ou impeçam as distorções a executar correções após soldagem (OKUMURA, 1982).

Modenesi (2008), FBTS (2003) e outros relatam diversas medidas que podem ser empregadas para reduzir a distorção em soldagem. Estas técnicas podem ser administradas em distintas fases: durante a elaboração do projeto, durante e após a soldagem.

3.4.2.1 Medidas preventivas adotadas no projeto de estruturas soldadas

Posicionar as soldas próximas à linha neutra ajuda a reduzir as distorções, quanto mais

próxima do eixo neutro encontrar-se a solda, menor é o efeito “braço de alavanca” das forças de contração para puxar o perfil fora de seu alinhamento.

. Figura 6 - Exemplos de posicionamento de solda. Fonte: (www.iem.unifei.edu.br)

Conforme mencionado anteriormente usar chanfros simétricos com menor ângulo de chanfro e chanfros tipo J, U e duplo V, promovem uma diminuição do volume de material de solda, propiciando a redução de calor alienado na peça de modo a contribuir na redução das tensões residuais e por seguinte das distorções.

Figura 7- Redução da quantidade de distorção angular por redução do volume do metal de solda depositado.

Fonte: (www.iem.unifei.edu.br)

3.4.2.2 Técnicas preventivas de fabricação

Adotar sequências de soldagem também contribui na distribuição do metal de solda em pontos distintos da montagem, de modo que a contração num ponto se contraponha as forças de contração de soldas já executadas. O balanceamento proporciona um equilíbrio de esforços que tende minimizar a deformação após soldagem, principalmente a distorção angular. A combinação de mais de um soldador iniciando a soldagem no mesmo ponto e seguindo em direções opostas, também pode ser uma possibilidade para reduzir as distorções (MODENESI, 2008).

(a) (b)

Figura 8- Junta de topo - chanfro simétrico com múltiplos passes. (a) Sequência de soldagem realizada de forma incorreta com presença de distorção angular. (b) Solda balanceada livre de distorções. Fonte:

(www.iem.unifei.edu.br)

Outra técnica utilizada para diminuir as distorções é a soldagem com passe a ré. Neste método, trechos do cordão de solda são executados em sentido oposto ao da progressão da soldagem, de forma que cada trecho termine no início do anterior formando um único cordão (FBTS, 2003). A figura 9 apresenta a evolução do cordão de solda com uso da soldagem com passe a ré; geralmente a técnica é aplicada com passe simples.

Figura 9 - Soldagem com passe a ré. Fonte: Acesita- Orientações Práticas de Soldagem em Aço Inox, 1999.

Usar restrições também é uma técnica bastante usada. As restrições são dispositivos

utilizados com objetivo de reduzir as distorções residuais, mantendo a peça na posição correta, sob- restrição, minimizando a movimentação enquanto se realiza a solda. Esse método deve ser usado com atenção, pois o uso de restrições reduz as imperfeições, porém o grau de restrição da estrutura, na

direção considerada, pode elevar o nível de tensões residuais e ocasionar trincas. Normalmente a restrição é total na direção longitudinal do cordão de solda (GUROVA, 2006).

Os dispositivos auxiliares de fixação e montagem não devem ser removidos por impacto. A figura (10-A e 10 - B) apresentam alguns desses dispositivos.

(a) (b)

Figura 10 – (a) Grampo fixado por parafuso. (b) Dispositivo dorso a dorso aplicado em soldagem de peças idênticas e soldado uma contra outra. Fonte: Acesita- Orientações Práticas de Soldagem em Aço Inox, 1999.

Algumas técnicas aplicam a pré-deformação na estrutura para garantir a precisão

dimensional. A pré-deformação necessária para que a contração puxe a chapa no alinhamento pode ser determinada por soldas experimentais

Outro método usado para controlar as distorções é o pré- encurvamento das peças. Esta técnica oferece um bom exemplo do uso de forças mecânicas opostas para interagir com a deformação resultante da soldagem. O topo da solda que conterá o maior volume de metal de solda é esticado ao encurvar as chapas; após a soldagem, quando os grampos são retirados, as chapas retornam à forma plana, ocasionando o alívio das tensões de contração longitudinal, endireitando-se e diminuindo seu comprimento (FBTS, 2003).

Figura 11- Pré-encurvamento de chapas. Fonte: Acesita- Práticas de Soldagem em Aço Inox, 1999.

O método de enrijecimento de juntas soldadas (reforços) tem por objetivo fortalecer as

chapas aumentando a resistência dos painéis aos esforços exigidos em trabalho (PICANÇO, 2010). Existem diversas técnicas para aplicação desses reforços, uma das mais conhecidas é o método de Joint Rigidity Method (JRM). Trata-se de método para determinar as sequências ótimas de soldagem

de forma a minimizar as distorções. O procedimento consiste essencialmente em iniciar a soldagem dos enrijecedores a partir do ponto mais rígido do painel a ser soldado, ou seja, do centro para a extremidade, balanceando as forças de contração da solda (TSAI E CHENG, 2003 apud PICANÇO 2010).

3.4.3 Correção das distorções residuais após soldagem

A remoção de distorções residuais de soldagem consiste basicamente em alongar áreas contraídas e contrair as regiões alongadas (OKUMURA, 1982). Os procedimentos de remoção são classificados em dois grupos: métodos mecânicos e métodos térmicos.

Os métodos térmicos envolvem a remoção da distorção utilizando aquecimentos localizados. A remoção a frio consiste no uso de técnicas mecânicas que empregam equipamentos como prensas (compressão), calandras ou martelamento para remover a distorção(www.iem.unifei.edu.br).

(a) (b)

Figura 12 - Aplicação do método térmico para correção de distorções: (a) Aquecimento localizado para corrigir distorção.(b) Aquecimento em linha para corrigir distorção angular numa solda de filete.

Fonte: (www.iem.unifei.edu.br)

Figura 12 - Uso da prensa para corrigir encurvamento em uma junta em T. Fonte: (www.iem.unifei.edu.br)

4. Conclusão

O presente trabalho apresentou uma revisão bibliográfica sobre a influência da soldagem na geração de tensões residuais e distorções em estruturas soldadas na indústria naval. As apreciações feitas demonstram como são minuciosos os mecanismos de geração de tensão e a significância de suas consequências na indústria naval, principalmente nos itens relacionados a danos estruturais e dispêndio de tempo com retrabalho para corrigir imperfeições.

Autores relatam a importância da soldagem na etapa produtiva de um navio, e também o fato deste processo ser o principal gerador de tensões residuais e distorções na indústria naval.

Diversos métodos para medição das tensões, alívio de tensões e controle de deformações são mencionados pelos autores. O objetivo dessas técnicas é reduzir uma das principais dificuldades do setor que são as distorções. Entretanto para que propósitos sejam alcançados é necessária maior compreensão dos efeitos dos processos produtivos aplicados durante a fabricação, associado a tecnologias que apliquem menor quantidade de calor.

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