ANÁLISE COMPARATIVA DAS TENSÕES RESIDUAIS EM CHAPA DE MATERIAL METÁLICO FERROSO LAMINADO APÓS A SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO.

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil ANÁLISE COMPARATIVA DAS TENSÕES RESIDUAIS EM CHAPA DE MATERIAL METÁLICO FERROSO LAMINADO APÓS A SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO. Neto, Almilson Vilhena, Leite almilson@hotmail.com Silva, Alex Sander Chaves da, achaves@ufsj.edu.br Braga, Durval Uchôas, durval@ufsj.edu.br Neves, Frederico Ozanan, fred@ufsj.edu.br Universidade Federal de São João del-rei, Praça Frei Orlando, 170, Centro, São João del-rei, Minas Gerais, CEP: Resumo: Com vistas no aprimoramento tecnológico da indústria de transformação e fabricação, o presente trabalho propõe um método simples para analisar as tensões residuais presentes em uma chapa de aço laminado após este ser unido via processo de soldagem por fusão a arco, mais especificamente o processo por eletrodos revestidos. Entendese por tensões residuais como sendo aquelas que, após a retirada de todo agente externo termomecânico sobre o material observado, atuam para o restabelecimento do equilíbrio interno da estrutura do mesmo. Todavia, a presença destas tensões pode ocasionar a fadiga precoce de um componente e, conseqüentemente, sua falha e ruptura quando este é solicitado subitamente ou ciclicamente. Sabe-se que os processos de soldagem por fusão a arco, inserem grande quantidade de calor localizada para obtenção da união dos elementos e com isto, há uma notável modificação na estrutura da região que está sendo soldada. Estas modificações, devidas a efeitos termomecânicos, favorecem consideravelmente o surgimento das tensões residuais que reorganizam a estrutura tendendo ao equilíbrio interno, porém, essas tensões causam efeitos indesejáveis como distorções e empenamentos no produto obtido pela soldagem. Neste trabalho foi feita uma análise das tensões residuais em chapas do aço de interesse pelo método da indentação em dois níveis: como recebido e após união por soldagem. A análise do material como recebido oferece valores para comparação com os dados obtidos após a soldagem e assim, pode-se determinar a natureza das tensões residuais inseridas na peça após a análise da dureza tranversal ao cordão de solda obtido. Palavras-chave: Tensões Residuais; Soldagem a Arco; Ensaio de Indentação; Chapas de Aço. 1. INTRODUÇÃO Novas tecnologias têm impulsionado o desenvolvimento acelerado de novos equipamentos, causando relevantes impactos nos novos projetos. A análise do uso dessas tecnologias, nos diversos âmbitos, e as transformações profundas que elas imprimem, é a chave para compreender as características marcantes das indústrias atuais que buscam produzir produtos com alta qualidade e baixos custos. No entanto, os usos destas tecnologias requerem conhecimentos de modo a minimizar possíveis defeitos na peça fabricada que muitas vezes podem ser inerentes aos processos de fabricação. Um defeito que se tem constatado depois do processo de fabricação de componentes mecânicos são as tensões residuais. Tensões residuais são aquelas que permanecem na peça quando todas as solicitações externas são removidas. Essas tensões podem aparecer em materiais submetidos a diferentes processamentos térmicos ou mecânicos (fundição, soldagem, laminação, forjamento, usinagem, dobramento, têmpera etc.). Uma das principais causas de seu aparecimento é a ocorrência, ao longo de uma seção da peça, de deformação plástica não uniforme, o que pode ser causado por efeitos tanto mecânicos como térmicos. Um exemplo simples é o aparecimento de tensões residuais em uma peça submetida a processos como o esmerilhamento ou jateamento com granalhas, os quais causam o escoamento plástico do material próximo da superfície [Marques, 2009]. As tensões e deformações residuais influem no comportamento em relação à fratura das uniões soldadas, de modo que o controle sobre as mesmas é de fundamental importância para a segurança de toda a estrutura. Uma das formas reduzi-las ao máximo é feito através da determinação de parâmetros ótimos de operação. Encontrar tais parâmetros é uma tarefa árdua, visto que as operações que envolvem a fabricação sofrem a influência de múltiplas variáveis: tensão de escoamento do material e seu comportamento em relação à temperatura; temperatura máxima de aquecimento; velocidade de resfriamento; vinculação externa; pré-aquecimento dentre muitas outras inerentes aos seus respectivos processos de fabricação. Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 Nas operações de soldagem, particularmente nos processos por fusão, um grande grupo de variáveis esta embutido na manipulação das mesmas, e torna-se interessante a busca por parâmetros ideias que proporcionam menor influência das variáveis no desenvolver do processamento. Tendo em vista esse problema, foi proposto um estudo comparativo das tensões residuais em uma chapa de aço soldada por eletrodos revestidos, pois como já se sabe, os processos de soldagem por fusão inserem grandes quantidades de calor nas regiões de união em um curto intervalo de tempo, calor este que atinge magnitudes suficientes para provocar alterações termo-mecânicas na estrutura dos elementos unidos pela solda. A grande inserção de calor provocada pela soldagem, proporciona à estrutura a possibilidade de se expandir, todavia, nem toda a estrutura se dilata por igual devido as dimensões da peça e a fatores relacionados a transferência de calor. As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas a dilatação é dificultada pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que causa o aparecimento de deformações elásticas e, eventualmente, plásticas na região da solda. Como resultado, ao final da soldagem, tensões internas (tensões residuais) e mudanças permanentes de forma e de dimensões (distorções) se desenvolvem na junta e nas proximidades afetadas pelo calor. Essas avarias que surgem no pós soldagem podem afetar de modo qualitativo o desempenho da estrutura soldada, sendo fundamental o conhecimento de suas características e de medidas para a sua prevenção e controle. Neste projeto foi proposta uma metodologia para se estudar as tensões residuais em peças soldadas através do conhecimento da dureza da peça, e com isso estabelecer a natureza das tensões inseridas no componente devido a soldagem por eletrodos revestidos. Buscou-se também, estabelecer os parâmetros corretos da soldagem para se evitar a influência das variáveis no processo. 2. FUNDAMENTAÇÃO O processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding SMAW), também conhecido como soldagem manual a arco elétrico, é o mais largamente empregado dentre os vários processos de soldagem. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revestido e a peça de trabalho. O calor produzido pelo arco funde o metal de base, a alma do eletrodo e o revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a poça de fusão, elas são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos durante a decomposição do revestimento. A escória líquida flutua em direção à superfície da poça de fusão, onde protege o metal de solda da atmosfera durante a solidificação. A soldagem é um processo empregado freqüentemente em diversas estruturas como pontes, aeronaves, vasos de pressão, estruturas offshore e dutos, entre outros, permitindo uniões permanentes nos materiais. As estruturas soldadas freqüentemente estão sujeitas a carregamentos cíclicos e podem sofrer um processo de fadiga que representa uma das falhas mais comuns em estruturas soldadas (XIAOYAN et al., 1996). A vida de uma estrutura soldada é usualmente governada pelo tempo necessário para iniciação e crescimento de uma trinca a partir de descontinuidades ou concentradores de tensões pré-existentes, no qual um crescimento instável da trinca resulta na ocorrência de fratura (SHI et al., 1990). Um estudo sobre como minimizar as tensões residuais em peças mecânicas geradas pelos processos de fabricação se faz necessário em função daquelas serem as principais causadoras de falhas em serviço. A partir deste ponto, controlar e minimizar o efeito dos resíduos de tensão num componente aumenta a vida do mesmo, proporcionando menos incômodos e reduzindo substancialmente os custos de reposição e de manutenção dos sistemas dos quais peças soldadas são partes integrantes. A partir da necessidade de atenuar as falhas causadas pelas tensões residuais em componentes soldados, esta pesquisa contribuirá para o mapeamento e a determinação da natureza das tensões residuais (trativas ou compressivas) inseridas pela soldagem na peça, utilizando o ensaio de indentação, avaliando assim a dureza de uma extremidade a outra de corpos no estado recebido, e posteriormente, corpos soldados em parâmetros ideais. A comparação dos valores obtidos na indentação, via método de dureza Brinell, permitirá classificar se as tensões residuais serão benéficas ou maléficas, isto é, se forem trativas serão o ambiente propício para a propagação de trincas internas, pelo contrário, se forem compressivas, reduziram a chance de uma possível propagação de trinca na estrutura. 3. PROCESSO DE ANÁLISE DAS TENSÕES RESIDUAIS EM PEÇAS SOLDADAS PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO Sabe-se que a operação de soldagem é caracterizada por um aquecimento extremo localizado, e que o mesmo submete material à variações volumétricas localizadas, além de transformações microestruturais e mudança de propriedades. Uma análise qualitativa das tensões residuais em peças soldadas pelo processo de eletrodo revestido se faz necessário para determinação da qualidade final do produto obtido pela união via solda. 3.1 Materiais - O material utilizado para o presente estudo foi o aço o ABNT 1020 na forma de chapas, quadradas de 100mm de lado e por 3.3mm de espessura. Foram selecionadas três chapas para ensaios no estado recebido, e outras três foram seccionadas ao meio por serra lubri-refrigerada e, posteriormente, unidas pela soldagem por eletrodos revestidos.

3 - O eletrodo selecionado foi o AWS E6013, por ser um eletrodo usado para soldagem de chapas e elementos feitos em aço comum de pequenas espessuras. Com base na espessura da chapa determinou-se o diâmetro do eletrodo de 2,5mm, que permite uma faixa de operação da corrente entre 60A e 100A, com valor ideal de trabalho em 85A. 3.2 Métodos Preparo dos Corpos no Estado Recebido Inicialmente, um lote de 3 chapas 100mm x 100mm foi tratrado em laboratório para ser realizado o ensaio de indentação. Este recebeu lixamento e limpeza adequados antes de ser indentado. As Figuras (1) e (2) mostram o material antes e depois de receber o tratamento pré-ensaio. Figura 1. Corpos no estado recebido. Figura 2. Corpos preparados para ensaio de indentação Estando os corpos preparados para o ensaio estes foram indentados, pelo ensaio de dureza Brinell seguindo as normas da ASTM, especificamente a norma E10 de ensaios de dureza para materiais metálicos Soldagem das Chapas Os corpos de prova com dimensões de 100mm x 100mm a serem soldados foram seccionados ao meio e após isso receberam limpeza adequada para sofrer o processo de união. A corrente utilizada para união dos elementos foi a corrente alternada com a peça acoplada com polaridade inversa. A máquina foi ajustada a uma corrente de 85A respeitando a faixa de corrente especificada pelo fabricante para o eletrodo utilizado, neste caso o E6013. Por se tratar de chapas, a junta feita foi a de topo sem chanfro com um espaçamento de raiz de 2,5mm. Este valor foi definido com base na espessura da chapa, calculado via Tab. (1). O procedimento de soldagem executado foi, inicialmente, um ponto de solda em cada extremidade A e B. A soldagem foi feita em um único passe, do ponto A até o ponto O e depois do ponto B até o ponto O. A chapa quando soldada, estava livre de engastes e/ou vínculos externos. Após a soldagem os elementos unidos resfriaram naturalmente, ao ar livre, a temperatura ambiente. As Figuras (3) e (4) mostram as etapas adotadas para união dos elementos.

4 Tabela 1. Dimensionamento da junta da solda. Ponto B Ponto O Ponto A Figura 3. Corpo de prova no estado soldado. Ponto B Ponto O Ponto A Figura 4. Corpo de prova no estado soldado. Após o procedimento de soldagem os corpos unidos receberam tratamento adequado para serem indentados. Uma seqüência de lixamento e limpeza em laboratório foram feitas na região de interesse para medição da dureza.

5 3.2.3 Medição da Dureza Inicialmente, os 6 corpos de prova selecionados para ensaio foram submetidos a lixamento e limpeza adequados. Posteriormente, estavam preparados para serem indentados. O método de indentação utilizado foi o Brinell (HB), método este normatizado pela ASTM, norma E10. Para o material estudado, segundo a norma, uma carga de 62,5 kgf seria utilizada para puncionar uma esfera de aço de 2,5mm de diâmetro sobre a peça a ser analisada. A Figura (5) mostra que a limpeza correspondeu em toda a extensão da chapa 100 mm, a partir da extremidade direita até próximo do cordão o mesmo acontecendo na parte esquerda do corpo de prova. A limpeza foi feita com intuito de preparar a superfície para medição. Figura 5. Corpo de prova preparado para ensaio de indentação. 4. RESULTADOS O método mais usual de medir tensões residuais utiliza a difração de raios X. Porém uma nova técnica vem sendo estudada, a qual se baseia na aplicação do ensaio de indentação na peça. O conceito desse método é de que se existe tensão residual compressiva na superfície da peça, esta dificultará a penetração do indentador o que indica uma dureza maior na superfície da amostra comparada com uma amostra livre de tensões residuais. Segue-se daí que haverá uma superposição de tensões residuais no produto final, oriundas das diferentes fases da fabricação. O resultado final, em termos de tensões residuais, tanto pode aumentar a resistência do produto quanto reduzi-la e, até mesmo, não produzir efeito significativo. 4.1 Planejamento Experimental As variáveis de influência são duas: (a) o tipo de corpo de prova, em dois níveis - soldado e como recebido e (b) a posição da medida em 8 níveis posições de 1 a 8, conforme se mostra na Fig.(6). Foram feitas três réplicas em cada ensaio. Figura 6. Posição da medida em relação ao cordão de solda.

6 A Tabela (2) mostra como se deu o planejamento experimental. Tabela 2. Planejamento experimental. soldado recebido Corpo de Prova P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 cp1 x x x x x x x x cp2 x x x x x x x x cp3 x x x x x x x x cp1 x x x x x x x x cp2 x x x x x x x x cp3 x x x x x x x x Os dados foram interpretados através de uma Análise da Variância (Anova), adotando-se o nível de significância de 5%. 4.2 Resultado e Discussão A Tabela (3) mostra os valores de dureza Brinell para os corpos de prova soldado e como recebido levando em consideração a posição da medida em 8 níveis. De acordo com a Análise da Variância ilustrada na Tab. (4) existe influência da soldagem sobre as tensões residuais. SStrat é a soma do quadrado dos tratamentos (soldado e recebido). Para um nível de significância de 95%, a variância esperada foi de 5,591 e a calculada foi de 116,154. Portanto, podemos afirmar que existe diferença significativa do corpo de prova soldado para o corpo de prova como recebido. Da mesma fora, podemos afirmar que existe uma diferença significativa entre as posições de medida, no nível de confiança de 95%. A ANOVA também mostra que não há interação entre o tipo de corpo de prova e a posição de medida. Tabela 3. Resultados de dureza Brinell. Estado Soldado Recebido CP ,9 160,1 159,4 159,2 154,8 162,0 162,5 157, ,6 157,8 160,8 160,1 152,4 161,0 156,2 154, ,5 162,7 161,0 167,8 161,0 160,1 159,2 158, ,5 144,0 156,0 157,1 147,5 153,3 144,5 142, ,3 150,0 144,9 151,8 149,4 157,3 150,3 155, ,0 150,9 149,6 146,9 147,1 151,5 155,3 152,4 SST 1337, Tabela 4. Análise da Variância. SS GL MSS Fcalc Ftab (5%) SStrat 866, , ,154 5,591 diferente SSpos 133, ,074 2,557 2,313 diferente SSAB 98, ,044 1,882 3,787 igual SSerro 238, ,461 1,000 A influência das posições de medida é mostrada na Fig. (7). Trata-se de um gráfico da dureza média obtida em função da posição da medida para o corpo de prova soldado. O material aumenta a tensão residual das bordas para o centro. Entretanto os testes de contraste mostram que não há diferença nas posições simétricas, isto, entre as posições 1 e 8, 2 e 7, 3 e 6, 4 e 5. O teste de contraste entre as posições de medida é mostrado na Tab. (5). Considerando que as posições 4 e 5 se encontram mais próximas da zona termicamente afetada, a análise mostra que esta região é a que mais sofre influência em termos de tensões residuais.

7 Figura 7 Distribuição de dureza no corpo de prova soldado Tabela 5 Análise do contraste das posições simétricas MSSC MSSerro Fcalc Ftab P1-P8 10,8004 7,461 1, ,637 igual P2-P7 2, ,461 0, ,737 igual P3-P6 12,3267 7,461 1, ,575 igual P4-P5 4, ,461 0, ,120 igual 5. CONCLUSÕES Esta pesquisa teve como objetivo analisar as tensões residuais no aço ABNT 1020 laminado na forma recebida e depois do processo de soldagem com eletrodos revestidos. O estudo verificou a influência da soldagem nas chapas para as condições pré-estabelecidas na metodologia. Conclui-se então que a soldagem introduziu tensões residuais no corpo, e que estas foram de natureza compressiva devido ao aumento da dureza coletada em ensaio. A intensidade das tensões inseridas pela soldagem cresceu das periferias para o centro, e ademais, os valores foram simétricos em relação ao plano do cordão de solda. Por fim, sabe-se que as tensões residuais compressivas evitam a propagação de trincas e, portanto, a soldagem privilegiou a qualidade e resistência mecânica do produto. 6. REFERÊNCIAS Branco, C. M., Fernandes, A. A., DE Castro, P. M. S. T., 1986, Fadiga de Estruturas Soldadas. Lisboa, Fundação Calouste Gulbenkian. Castro, I., 1992, Propagação de Trincas de Fadiga em Juntas Soldadas do Aço BS 4360 G50D. Tese de M. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Costa Neto, C. A., 1989, Estudo do Comportamento à Fratura da Junta Soldada de um Tubo de Aço que Atende a especificação API 5L no GRAU X-70. Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. De Marco Filho, F., 2002, Propagação de Trincas de Fadiga em Juntas Soldadas Circunferenciais de Aço API Grau X- 65 para Utilização em Risers Rígidos. Tese de D. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Dieter, G. E., 1976, Mechanical Metallurgy. 2 ed. Mc-Graw Hill. Fernandes, J. L., 2002, Uma Metodologia para a Análise e Modelagem de Tensões Residuais. Tese de D. Sc., PUC, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Fonseca, M. da P. C., 2000, Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação Durante Ciclos de Fadiga. Tese de D. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Furtado Filho, J. F., 1990, Comportamento à Fadiga de Juntas Soldadas e Marteladas do Aço Estrutural BS4360 G 50D em Solução Cloretada sob Proteção Catódica. Tese de M. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Garwood, S. J., 1979, Fatigue Crack Growth Threshold Determination, Weld Inst., Research Bulletin, 20, pp apud in FURTADO FILHO, J. F., 1990, Comportamento à Fadiga de Juntas Soldadas e Marteladas do Aço Estrutural BS4360 G 50D em Solução Cloretada sobproteção Catódica. Tese de M. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

8 Gurney, T. R., 1968, Fatigue of Welded Structures. Great Britain, Cambridge University Press. Marques, P. V.2009, Soldagem; Fundamentos e Tecnologia 3ed.Editora UFMG. Ohta, A., Sasaki, E., Nihei, M., Kosuge, M., Kanao, M., Inagaki, M., 1982, Fatigue Crack Propagation Rates and Threshold Stress Intensity Factors for Welded Joints of HT80 Steel at Several Stress Ratios, International Journal of Fatigue, pp Shi, Y. W., Chen, B. Y., Zhang, J. X., 1990, Effects of Welding Residual Stress on Fatigue Crack Growth Behavior in Butt Welds of a Pipeline Steel, Engineering Fracture Mechanics v. 36, n. 6, pp Teng, T. L., Fung, C. P., Chang, P. H., 2002, Effects of Weld Geometry and Residual Stresses on Fatigue in Buttwelded Joints, International Journal of Pressure Vessels and Piping v. 79, pp Woodtli, J., Muster, W., Radon, J. C., 1986, Residual Strees Effects in a Fatigue Crack Growth, Engineering Fracture Mechanics v. 24, n. 3, pp Xiaoyan, L., Hongguan, Z., Xitang, T., 1996, A Study of Fatigue Crack Growth and Crack Closure in Mechanical Heterogeneous Welded Joints, Engineering Fracture Mechanics v. 45, n. 4, pp DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no trabalho.

9 ANALYSIS OF THE RESIDUAL STRESSES IN FERROUS PLATE WELDED WITH COATED ELECTRODE. Neto, Almilson Vilhena, Leite Silva, Alex Sander Chaves da, Braga, Durval Uchôas, Neves, Frederico Ozanan, Universidade Federal de São João del-rei, Praça Frei Orlando, 170, Centro, São João del-rei, Minas Gerais, CEP: Abstract. Aiming at the improvement of manufacturing technology and manufacturing, this paper proposes a simple method to analyze the residual stresses present in a rolled steel sheet after it is attached via welding process by arc melting, more specifically, the process by electrodes coated. It is understood by the residual stresses as those that, after the withdrawal of all foreign agent on the material thermomechanical observed, act to restore the internal balance of the structure itself. However, the presence of these strains can cause early fatigue of a component and, consequently, its failure and breakage when it is applied suddenly or cyclically. It is known that the processes of welding by arc melting, insert large amount of localized heat to obtain the union of the elements and with this there is a noticeable change in the structure of the area being welded. These modifications are due to thermomechanical effects, greatly favor the emergence of the residual stresses that reorganize the internal structure tending to equilibrium, however, these strains cause side effects such as distortion and warping in the product obtained by welding. Here we did an analysis of residual stress in steel plates of interest by the indentation method on two levels: as received and after marriage by welding. The analysis of the material as received offers values for comparison with data obtained after welding and thus can determine the nature of residual stresses placed in the part after the analysis of hardness transverse to the weld bead obtained. Keyword: Coated Electrode Weld, Residual Stress, Indentation Test, Steel Plate.