Universidade Federal do Rio de Janeiro. Centro de Tecnologia. Escola Politécnica. Engenharia Naval e Oceânica

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1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia Escola Politécnica Engenharia Naval e Oceânica ALÍVIO DAS TENSÕES RESIDUAIS DE SOLDAGEM POR SHOT PEENING NA CONSTRUÇÃO NAVAL Aluno Marcela Correia Esteves DRE: Professor Orientador Segen Farid Estefen, Ph.D. Professor Co-Orientador Tetyana Gurova, D.Sc. Rio de Janeiro, RJ Brasil Agosto de 2015

2 ESCOLA POLITÉCNICA ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA ALÍVIO DAS TENSÕES RESIDUAIS DE SOLDAGEM POR SHOT PEENING NA CONSTRUÇÃO NAVAL Marcela Correia Esteves DRE Projeto Final Submetido Ao Corpo Docente Do Departamento De Engenharia Naval E Oceânica Da Escola Politécnica Da Universidade Federal Do Rio De Janeiro Como Parte Dos Requisitos Necessários Para A Obtenção Do Grau De Engenheiro Naval e Oceânico. Aprovado por: Segen Farid Estefen, Ph.D. (ORIENTADOR) Tetyana Gurova, D.Sc. (CO-ORIENTADORA) Marta Cecília Tapia Reyes, D.Sc. Anatoli Leontiev, D.Sc. Rio de Janeiro, RJ Brasil Agosto de 2015 i

3 ESTEVES, Marcela C. Alívio das Tensões Residuais de Soldagem por Shot peening na Construção Naval-Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, p: X.;29,7 cm. Orientador: Segen Farid Estefen Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Engenharia Naval e Oceânica, 2015 Monografia apresentada ao curso de Engenharia Naval e Oceânica da Universidade Federal do Rio de Janeiro Referências Bibliográficas: p Tensão Residual. 2 Solda de Reparo. 3.Shot peening. I. Farid Estefen, Segen. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. Titulo. ii

4 À minha mãe e em memória de meu pai. iii

5 Agradecimentos Gostaria de agradecer primeiro aos meus pais, que sempre foram meu pilar central e fonte de inspiração. Ao meu pai André Abrahão da Silva Esteves por todos os ensinamentos com os quais me preparou para uma vida inteira, e que mesmo nesses últimos 10 anos afastados tenho certeza não ter me desamparado e ter me passado força quando precisei. À minha mãe Vânia Vargas Correia Esteves pelo exemplo de força e mulher guerreira, que sempre foi minha maior incentivadora, me levantou nos momentos que precisei e sempre esteve ao meu lado. E, principalmente, nunca mediu esforços para fazer com qualquer dificuldade na minha trajetória pudesse ser revertida. Ao amigo Carlos Alberto Guerra pelo apoio e desdobramento incansável em sempre me ajudar no meu dia-dia a passar pelas dificuldades que surgissem no caminho. À minha família que sempre esteve desde pequena ao meu lado torcendo e me apoiando na minha formação e em continuar na busca do meu diploma. Às minhas amigas e às segundas mães, que em todos esses longos anos de amizade sempre me ouviram, me apoiaram, buscaram me compreender e dar forças nos momentos difíceis, ou simplesmente, conseguiam torná-los de alguma forma mais fáceis e por fim também me incentivar a continuar. Às minhas amigas da Subsea7 que acompanharam de perto o meu dia-dia no último ano e conseguiam torná-lo muito mais fáceis e agradáveis. Aos meus colegas de profissão que me incentivaram e passaram grandes ensinamentos que agora lavarei para minha vida profissional. Aos amigos da Naval pelo apoio mútuo nestes anos de faculdade e pelas risadas e até mesmo momentos de desesperos porém unidos que fizeram-nos avançar na nossa graduação. Ao meu orientador, Segen Farid Estefen, e à minha Co-orientadora, Tetyana Gurova, pela oportunidade fornecida de iniciação científica no Laboratório de Tecnologia Submarina (LTS), e pelos auxílios e contribuições ao longo do desenvolvimento deste trabalho. Ao apoio financeiro da Petrobras e Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis ANP, por meio do Programa de Recursos Humanos para o Setor Petróleo e Gás PRH-03 e ao apoio tecnológico e operacional do Estaleiro EISA. iv

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval. ALÍVIO DAS TENSÕES RESIDUAIS DE SOLDAGEM POR SHOT PEENING NA CONSTRUÇÃO NAVAL Marcela Correia Esteves Agosto/2015 Orientador: Segen Farid Estefen Co-Orientador: Tetyana Gurova Departamento: Engenharia Naval e Oceânica Soldagem é uma das principais operações tecnológicas na construção naval. Os efeitos colaterais da soldagem, tais como surgimento de distorções e de tensões residuais, são indesejáveis durante o processo de fabricação, pois implicam no retrabalho que é responsável por cerca de 25% do custo de mão de obra. Destaca-se entre as operações de soldagem as soldas de reparo, que introduzem novas tensões residuais nos elementos estruturais do navio não previstas no projeto original. O processo de shot peening, adotado neste projeto, é um dos pós-tratamentos utilizados para alívio das tensões de soldagem. Neste trabalho foi estudado o efeito da distribuição das tensões induzidas por shot peening sobre metal depositado, zona termicamente afetada e metal base próximo ao cordão de solda, para chapas navais com solda de reparo. Estas áreas das chapas soldadas possuem tensões préexistentes tanto de tração como de compressão de natureza térmica, que comprovadamente influenciam no resultado final das distribuições. Na obtenção dos resultados experimentais foram utilizadas técnicas experimentais de mapeamento das tensões mecânicas através do método magnético e de medição dos valores absolutos pelo método de difração de raios-x. v

7 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. RELIEF OF WELDING RESIDUAL STRESSES BY SHOT PEENING ON SHIPBUILDING Marcela Correia Esteves August/2015 Advisor: Segen Farid Estefen Co-Advisor: Tetyana Gurova Department: Naval and Ocean Engineering Welding is one of the main technological operations in shipbuilding. Side effects of welding, such as appearance of distortion and residual stresses are undesirable during the manufacturing process, as it implies that the rework is responsible for about 25% of the labor cost. It stands between the welding operations, the repair welds, which introduce new residual stresses in the structural elements of the ship, not provided for in the original design. The process of shot peening, adopted in this project, is one of the post-treatments used for relief of welding stresses. This study investigated the effect of the distribution of stresses induced by shot peening on deposited metal, heat affected zone and base metal near the weld bead, for welded ship plate top. These areas of welded plates have pre-existing tensions both traction as thermal compression nature, which proved to influence the final result of distribuições. To obtain the experimental results were used experimental techniques of mapping mechanical stresses through the magnetic measuring method and the absolute values by the method of X-ray diffraction. vi

8 Sumário 1. Introdução e Objetivos Motivação Histórico de Falhas Revisão Bibliogáfica Soldagem Soldagem a Arco Elétrico com Arame Tubular Tensões Residuais de Soldagem Tratamentos de Alívio de Tensões Shot Peening Outros Tratamentos de Alívio Tensões Residuais Pré-Existentes Métodos e Equipamentos de Medição Raystress Stressvision Procedimento Experimental Resultados Experimentais das Medições Conclusões Bibliografia vii

9 Lista de Figuras Figura 1 - Método de fabricação por blocos na construção de um navio... 2 Figura 2 - Distorções de fabricação na indústria naval... 3 Figura 3 - Navio da classe Liberty construído durante a II guerra mundial... 3 Figura 4 - Vista da ruptura do navio Charles S. Haight entre a secção central do navio e popa Figura 5 - Fratura frágil do navio SS Schenectadyainda no porto Figura 6 - Repercussão dos acidentes nos jornais... 5 Figura 7 - Principais tipos de procedimento de soldagem... 7 Figura 8 - Variáveis que influenciam no procedimento de soldagem... 8 Figura 9 - Procedimento de soldagem e terminologia adotada... 9 Figura 10 Terminologia de soldagem: poça de fusão, zona termicamente afetada e metal base... 9 Figura 11 - Procedimento de soldagem e terminologia adotada Figura 12 - Desenho esquemátido da soldagem a arco elétrico com arame tubular Figura 13 - Terminologia e distribuição de tensões residuais de uma solda Figura 14 - Representação esquemática da variação de tensões residuais transversais (σt) mostrando a superposição linear dos efeitos a) contração (C); b) resfriamento superficial mais intenso (R); c) transformação de fase (T); d)c+r; e)c+r+t f)c+t; Figura 15 - Tensões de solda em aço: a) espessura 2,5 mm resfriamento com ar, b)espessura de 10 mm resfriamento com ar, c) espessura 2,5 mm resfriamento com água Figura 16 - Máquina industrial de shot peening Figura 17 - Zona de compressão formada pelo impacto do shot peening Figura 18 Perfil ideal das distribuição das tensões induzidas por shot peening Figura 19 Exemplo de uma aplicação do jateamento das granalhas em uma peça. 21 Figura 20 - Desenho esquemático do método de Almen Figura 21 Equipamento Raystress Figura 22 - Esquema de medição de tensões com o equipamento portátil Figura 23 Equipamento Stressvision Figura 24 Esquema do funcionamento do sensor magneto-anisotrópico Figura 25 - Preparação do corpo de prova no EISA Figura 26 - Corpo de prova com solda de reparo Figura 27 - Equipamento de soldagem Figura 28 - Localização dos pontos de medição das tensões resíduas de soldagem com relação a solda de reparo viii

10 Figura 29 - Polimento eletrolítico sendo aplicado no primeiro dia Figura 30 Corpo de prova com a malha de pontos desenhada Figura 31 - Medição realizada após duas semanas Figura 32 - Solda de reparo com shot peening. Mapa de distribuição do fator de concentração da tensão cisalhante máxima. Resultado inicial Figura 33 - Solda de reparo com shot peening. Mapa de distribuição do fator de concentração da tensão cisalhante máxima. Resultado final ix

11 Lista de Gráficos Gráfico 1 - Gráfico de temperaturas para TTAT Gráfico 2 - Variações das tensões durante TTAT Gráfico 3 - Distribuição das tensões residuais numa camada sub-superficial dos corpos de prova em relação à profundidade. (1) corpo de prova sem cementação; (2) e (3) corpo de prova após a cementação, tensões na direção longitudinal e transversal, respectivamente Gráfico 4 - Distribuição inicial e final dos valores da tensão cisalhante máxima na posição A (acima) e B (abaixo) para corpo de prova submetido ao tratamento por shot peening Gráfico 5 - Distribuição da tensão cisalhante máxima na posição A, inicial (acima) e final (abaixo), para solda de reparo sem e com shot peening Gráfico 6 - Distribuição da tensão cisalhante máxima na posição B, inicial (acima) e final (abaixo), para solda de reparo sem e com shot peening Gráfico 7 - Valores iniciais e finais das tensões com profundidade nas direções longitudinal e transversal com relação ao cordão de solda no ponto de medição A-2 para corpo de prova com solda de reparo submetido ao shot peening x

12 1. Introdução e Objetivos Soldagem é uma das principais operações tecnológicas na construção naval. No entanto os efeitos colaterais da soldagem, tais como surgimento de distorções e de tensões residuais, são indesejáveis durante o processo de fabricação, pois implicam no retrabalho que é responsável por cerca de 25% do custo de mão de obra. Destacase entre as operações de soldagem as soldas de reparo, que introduzem novas tensões residuais nos elementos estruturais do navio não previstas no projeto original. Enquanto o procedimento de solda de junção está amplamente estudado, desde o inicio do século passado, através dos métodos experimentais, numéricos e teóricos, a solda de reparo começou a ser assunto das amplas pesquisas recentemente. O processo de shot peening, abordado neste projeto, é um dos pós-tratamentos utilizados para alívio das tensões de soldagem que consequentemente tem como sua principal vantagem atuar no aumento da vida útil da estrutura. Este trabalho tem como objetivo, portanto, estudar o efeito da distribuição das tensões induzidas por shot peening sobre metal depositado, zona termicamente afetada e metal base próximo ao cordão de solda, para chapas navais soldadas de topo, sem considerar os efeitos desta aplicação na microestrutura e propriedades mecânicas do material. O processo de soldagem escolhido foi soldagem a arco elétrico com arame tubular e as chapas soldadas possuindo tensões pré-existentes, que comprovadamente influenciam no resultado final das distribuições. 2. Motivação A soldagem está presente em todas as etapas de fabricação de embarcações sendo uma das principais técnicas usadas nos estaleiros. Estima-se que aproximadamente um por cento de todo o peso do navio é proveniente dos consumíveis de solda. Painéis enrijecidos constituem estruturas básicas na construção de navios, sendo estes obtidos por meio da união entre placas de aço e enrijecidos com a soldagem de reforços transversais e longitudinais, em alguns casos ainda são enrijecido em ambos os lados, como na figura 1. Os processos básicos empregados 1

13 na confecção dos painéis são, portanto, o corte, a conformação mecânica e a soldagem. Figura 1 - Método de fabricação por blocos na construção de um navio Porém os processos de soldagem empregados na fabricação naval inserem diferentes níveis de tensões residuais, por diversas causas que serão abordadas neste trabalho. Os principais efeitos da presença de tensões residuais em componentes soldados: Flambagem; Falha por fadiga; Fratura Frágil; Formação de trincas. Estas imperfeições constituem, portanto, sérias complicações, podendo causar desde danos estruturais a atrasos nos prazos de conclusão do projeto, além de aumentar o custo final do empreendimento, pois, parte considerável do tempo total para construir uma embarcação é gasto com retrabalho para corrigir imperfeições. As distorções inseridas em componentes oceânicos devido aos processos de fabricação têm por fim um efeito negativo gerando estruturas com reduzido limite à resistência. 2

14 Figura 2 - Distorções de fabricação na indústria naval Dita a importância da soldagem para a indústria naval, porém não apenas nesta, e também as consequências que pode implicar nas estruturas, é clara a necessidade de desenvolvimento de novas tecnologias e estudos para um melhor entendimento das consequências e possíveis ações mitigadoras no uso deste processo Histórico de Falhas Pode-se apresentar um histórico de casos de falha em navios provocados pelo uso inadequado de processos de soldagem. O caso mais clássico é o da fratura frágil dos navios da classe Liberty ( ). A Classe Liberty foi uma série de navios cargueiros/militar, construídos nos EUA durante a Segunda Guerra Mundial. Figura 3 - Navio da classe Liberty construído durante a II guerra mundial 3

15 Na Segunda Guerra Mundial as estruturas dos navios eram soldadas para economizar tempo na montagem devido a grande demanda de suprimentos que atravessavam o Oceano Atlântico do EUA para Inglaterra principalmente, com a finalidade para abastecer as tropas aliadas durante a época de guerra. Os efeitos da temperatura, dos concentradores de tensão e de tensões residuais não eram bem compreendidos para a época. Muitos deles acabavam afundando antes de cumprir a travessia do Atlântico, alguns fraturavam em alto mar e outros atracados no porto onde foi observado que o material perdia ductilidade necessária para resistir à baixa temperatura. Foram construídos 4694 navios deste tipo, dos quais 1289 sofreram fratura frágil. Destas, 233 foram catastróficas, com perda completa e, em 19 casos, os navios partiram-se ao meio, como os navios tanques SS Schenectady e o Charles S. Haight, figuras 4 e 5. Figura 4 - Vista da ruptura do navio Charles S. Haight entre a secção central do navio e popa. O SS Schenectady, figura 5, fraturou em 16 de janeiro de 1943, atracado no píer de acabamento do estaleiro, com mar calmo. A fratura frágil foi súbita, sem aviso e foi ouvida pelo menos a 1500 metros de distância. Figura 5 - Fratura frágil do navio SS Schenectady ainda no porto. 4

16 Estes acidentes tiveram grande repercussão na mídia e na época surgiram muitas críticas ao processo de soldagem, ao ensaio Charpy e a metodologia de projeto (resistência dos materiais), o que levou ao desenvolvimento de uma nova abordagem técnica, conhecida hoje como Mecânica da Fratura e uma preocupação com a qualidade dos processos de soldagem já naquela época. Figura 6 - Repercussão dos acidentes nos jornais Outros acidentes ainda, no ramo offshore, podem ser relatados como, por exemplo, a semi-submersível de perfuração Sedco 135 que sofreu uma falha por fadiga em 1967 no Golfo do México e a jaqueta de perfuração Ranger I que sofreu um colapso devido a um fissura por fadiga em 1979 também no Golfo do México. Assim como estes estruturas de exploração offshore muitos casos similares e na mesma época foram verificados no Mar do Norte, Mar do Sul da China, Canadá e Austrália. 5

17 3. Revisão Bibliográfica 3.1. Soldagem A Soldagem é o processo de união de materiais, particularmente metais, utilizado na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas, todos dos mais variados tamanhos e setores industriais. Ou ainda, é caracterizada como a operação que visa à união de duas ou mais peças, assegurando na junta, a continuidade das propriedades físicas e químicas do material. Solda é o nome dado para o resultado do procedimento de soldagem. Após muitos avanços tecnológicos, atualmente existe uma vasta gama de diferentes processos de soldagem, sendo necessária a seleção do processo adequado para uma dada aplicação. As principais características positivas e negativas deste processo podem ser vistas abaixo: Vantagens: Juntas de integridade e eficiência elevadas; Grande variedade de processos; Aplicável a diversos materiais; Operação manual ou automática; Pode ser altamente portátil; Juntas totalmente estanques (ao contrário da rebitagem); Custo, em geral, razoável; Junta não apresenta problemas de perda de aperto; Montagens de um único lado de acesso (ao contrário do aparafusamento); Suporta esforços no próprio plano (ao contrário da rebitagem). Desvantagens: Prazo de validade limitado e resultados permanentes; Apresentam formulações numerosas e variadas; 6

18 Exigem controle, montagem e testes complexos; Somente testes destrutivos; Exigem mão-de-obra altamente capacitada; Ás vezes são necessários processos de cura (forno); Exigem limpeza minuciosa; Exigem preparação das superfícies a serem unidas. A soldagem pode ser dividida de modo geral em dois grandes grupos de operações: soldagem por fusão ou soldagem por pressão (deformação), e cada tipo se subdivide ainda em uma extensa lista de procedimentos de soldagem existentes, de acordo com suas peculiaridades conforme mencionado. A quantidade total é um número dinâmico, pois vários outros processos estão em constante desenvolvimento em nível de pesquisa e projetos para breves inserções no mercado de soldagem. A ilustração 7 apresenta um breve resumo dos tipos de procedimentos disponíveis. Figura 7 - Principais tipos de procedimento de soldagem 7

19 Dentre estes, os processos de soldagem a arco, que será adotado no procedimento experimental deste trabalho, são os de maior importância industrial na atualidade. Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações. A figura 8 mostra as variáveis envolvidas no processo de soldagem, observa-se que para ter um bom resultado no processo deve-se levar em conta principalmente o tipo de processo utilizado, o material e a sequência de realização da solda. Figura 8 - Variáveis que influenciam no procedimento de soldagem Após a operação de soldagem é necessário inspecionar e verificar as propriedades das juntas soldadas, de acordo com o critério de aceitação da norma adotada. Os principais métodos de ensaio não destrutivos (END) aplicados com esta finalidade podem ser de quatro tipos: líquido penetrante, partícula magnética, ultrassom e raio-x, além do ensaio visual que é considerado como um teste básico que precede a todos os outros END s. Conforme o nome indica, estes testes não alteram as características físicas, mecânicas ou dimensionais e não interferem na vida útil da peça. Cada método apresenta grau de complexibilidade e custos relacionados bem diferentes, assim como seu nível de abrangência da solda, e por isso, de acordo com o processo, solda, equipamento e outras circunstâncias a serem verificadas um método será mais aplicável. A escolha dos ensaios não destrutivos está diretamente relacionada às características das descontinuidades. 8

20 Algumas definições de conceitos são importantes para compreensão do procedimento da soldagem, muitas vezes envolvendo o entendimento da nomenclatura e siglas apropriadas. Algumas destas importantes terminologias podem ser vistas a seguir: Material de Base (MB): É o material que sofre o processo de soldagem, e, portanto, constitui as partes a unir. Material de Adição (MA): É o material que será usado como enchimento no processo de soldagem, capaz de preencher a região livre entre as superfícies a serem unidas. Este material é da mesma natureza das partes e será usado para assegurar a continuidade de propriedades no caso da soldagem por fusão, de chapas ou peças relativamente espessas. Figura 9 - Procedimento de soldagem e terminologia adotada Poça de fusão (PF): Região em fusão, a cada instante, durante uma soldagem. Zona termicamente afetada (ZTA): É a região da solda que não se fundiu durante a soldagem, porém teve sua microestrutura e propriedades alteradas devido ao calor induzido pela soldagem ou operações de corte. Figura 10 Terminologia de soldagem: poça de fusão, zona termicamente afetada e metal base 9

21 Junta: Região entre duas ou mais peças que serão unidas. Classificação em alguns tipos de juntas, porém, mais a mais comumente juntas de topo, que pode ser ainda de penetração total ou parcial. Chanfro: Corte efetuado na junta para possibilitar/facilitar a soldagem em toda a sua espessura. Raiz: Região mais profunda do cordão de solda conforme ilustrado na figura 11. Tende a ser a região mais propensa à formação de descontinuidades em uma solda. Face: Superfície oposta à raiz da solda conforme ilustrado na figura 11. Passe: Depósito de material obtido pela progressão sucessiva de uma só poça de fusão. Uma solda pode ser feita em um único ou em vários passes conforme ilustrado na figura 11. Camada: Conjunto de passes localizados em uma mesma altura no chanfro conforme ilustrado na figura 11. Reforço: Altura máxima alcançada pelo excesso de material de adição, medida a partir da superfície do material de base conforme ilustrado na figura 11. Margem: Linha de encontro entre a face da solda e a superfície do metal de base conforme ilustrado na figura

22 Figura 11 - Procedimento de soldagem e terminologia adotada Soldagem a Arco Elétrico com Arame Tubular O processo de soldagem escolhido para ser adotado no procedimento deste projeto foi a soldagem a arco elétrico com arame tubular. A utilização deste processo tem apresentado um aumento em razão de ser mais produtivo que a soldagem com eletrodos revestidos e também devido ao desenvolvimento de novos tipos de consumíveis, que tornou possível soldar em qualquer posição e com qualquer tipo de junta. Sua aplicação é notável nas indústrias nuclear e naval. Este processo de soldagem, também conhecido pela sigla FCAW (Flux-cored Arc Welding), é definido como sendo um processo de soldagem por fusão, onde o calor necessário para ligação das partes é fornecido por um arco elétrico estabelecido entre a peça e um arame alimentado continuamente. Em algumas situações pode utilizar gás de proteção durante a soldagem e ainda, com ou sem proteção gasosa, este processo pode ser do tipo semi-automático ou automático. 11

23 A soldagem com arame tubular apresenta uma camada de escória que deve ser removida antes que um novo cordão seja executado. O tipo de arame utilizado condiciona a consistência e a aderência da escória; assim, existem escórias que se partem ao esfriar e se destacam facilmente do cordão, enquanto que outras aderem de tal modo ao cordão que precisam ser quebradas por meios mecânicos. A escolha do arame tubular para soldagem segue as normas AWS que consideram fatores como soldagem monopasse ou multipasse, uso ou não de gás protetor, tipo de corrente, posições de soldagem e propriedades mecânicas desejadas para o cordão de solda. O fluxo contido dentro do arame é responsável pela proteção do arco e do cordão de solda e pode ser complementado por um fluxo de gás fornecido por fonte externa conforme mencionado. Esta proteção gasosa é realizada na maioria das vezes utilizando CO2 e em alguns casos podem-se utilizar misturas específicas. No caso de soldagem com arame autoprotegido, a própria fusão, a queima, a formação de escória e a vaporização dos elementos do fluxo são suficientes para proteger a poça de fusão e o arco elétrico. Figura 12 - Desenho esquemático da soldagem a arco elétrico com arame tubular Resumidamente é um processo semelhante ao processo MIG/MAG, diferindo deste pelo fato de possuir um arame no formato tubular, que possui no seu interior um fluxo composto por materiais inorgânicos e metálicos que possuem várias funções, entre as quais a melhoria das características do arco elétrico, a transferência do metal de solda a proteção do banho de fusão e em alguns casos a adição de elementos de liga, além de atuar, como mencionado, na formação de escória. 12

24 A soldagem com arame tubular apresenta as seguintes vantagens perante outros processos de soldagem: Alta produtividade; Alta taxa de deposição do metal de solda; Soldagem pode ser executada em todas as posições; Requer menos limpeza antes da soldagem que o GMAW; Distorção reduzida sobre o SMAW; Uso de eletrodos autoprotegidos elimina a necessidade do uso de aparelhos de gás além de ser mais tolerante para condições ao ar livre; Alta tolerância com relação a contaminantes que podem originar trincas; Resistente a trincas do cordão Tensões Residuais de Soldagem Tensões residuais podem ser definidas como qualquer tensão que existe no volume de um material sem aplicação de carga externa. Tais tensões influenciam substancialmente nas características de resistência mecânica e no funcionamento dos elementos da estrutura, podendo contribuir para o surgimento de trincas. Portanto, para preservação da segurança e da capacidade de trabalho dos elementos da estrutura é fundamental o entendimento do surgimento e atuação dessas tensões. As tensões residuais provenientes da soldagem são tensões residuais internas em equilíbrio, que permanecem na estrutura após a realização de uma operação desta magnitude. São tensões geradas por escoamentos parciais localizados que ocorrem durante o ciclo térmico de soldagem, e podem surgir tanto no metal depositado, zona termicamente afetada e/ou metal base próximo ao cordão de solda, com variação significante no seu valor absoluto (tanto tensões de compressão como de tração). No geral, as tensões residuais de soldagem surgem como consequências dos seguintes fatos: Contração no resfriamento de regiões diferentemente aquecidas e plastificadas durante a operação de soldagem; 13

25 Resfriamento superficial mais intenso; Transformações de fase. A contração no resfriamento de regiões diferentemente aquecidas e plastificadas durante a operação de soldagem normalmente representa a principal fonte de tensões residuais. O nível de tensões varia ainda com o grau de restrição da estrutura na direção considerada. Na maioria dos casos, a restrição é total na direção longitudinal do cordão de solda. Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se deformam, tendendo a aliviar as tensões residuais através de escoamentos parciais localizados. Estas deformações são proporcionais à extensão da zona plastificada. A distribuição das tensões, considerando apenas as tensões de contração, pode ser vista na figura 13. Figura 13 - Terminologia e distribuição de tensões residuais de uma solda Tensões residuais também surgem devido ao resfriamento mais rápido da superfície, pois o processo de resfriamento não é homogêneo ao longo da espessura, a superfície resfria-se mais rapidamente do que o interior. Desta forma, além do gradiente de temperatura nas direções longitudinal e transversal ao cordão de solda, será também estabelecido um gradiente de temperatura ao longo da espessura da 14

26 peça. Este gradiente de temperatura poderá ocasionar deformação plástica localizada e, consequentemente, tensões residuais ao longo da espessura. Ocorrerá um nível elevado de tensões residuais deste tipo quando a junta soldada apresentar elevado gradiente de temperatura ao longo da espessura (no caso de chapas espessas), e baixo limite de escoamento nesta faixa de temperatura. Se o resfriamento mais rápido da superfície fosse a única fonte de tensões residuais, tensões compressivas seriam obtidas na superfície e, em equilíbrio, tensões trativas seriam obtidas no interior. A distribuição de tensões residuais transversais, devido somente ao efeito de resfriamento mais rápido da superfície, ao longo do eixo, é observado na figura 14b. Figura 14 - Representação esquemática da variação de tensões residuais transversais (σ t ) mostrando a superposição linear dos efeitos a) contração (C); b) resfriamento superficial mais intenso (R); c) transformação de fase (T); d)c+r; e)c+r+t f)c+t; Tensões residuais devido às transformações de fases na solda ocorrem porque a transformação de fase da austenita para ferrita, bainita, perlita ou martensita, ocorre com variação de volume decorrente de mudanças no arranjo cristalino. Desta forma, numa junta soldada, o material da zona fundida e da zona termicamente afetada (ZTA) que sofre transformação de fase tenderá a se expandir, o que será impedido (pelo 15

27 menos na direção longitudinal da solda) pelo restante do material frio e não transformado. Explica-se então a geração de tensões residuais de compressão na região transformada. A distribuição de tensões residuais transversais na superfície, devido somente à transformação de fase, é mostrada na figura anterior 14c. A superposição das tensões residuais transversais devido à contração, resfriamento mais rápido da superfície e transformação de fase, é mostrada figura anterior 14e). O estado de tensões na área do cordão de solda não é o mesmo, como foi mostrado na figura 14. Ele depende muito da espessura das chapas soldadas e das condições de resfriamento, conforme mostrado para diferentes casos na figura 15. Figura 15 - Tensões de solda em aço: a) espessura 2,5 mm resfriamento com ar, b)espessura de 10 mm resfriamento com ar, c) espessura 2,5 mm resfriamento com água. 16

28 Existem diversos métodos para medição destas tensões, e estes podem ser divididos nos seguintes dois grupos: Métodos destrutivos; Métodos não-destrutivos. Nos métodos do grupo destrutivo, como o nome já indica, a medição é acompanhada de destruição parcial ou total da peça. Enquanto que os métodos do grupo não-destrutivos permitem manter a forma e dimensões originais da estrutura, permitindo também com isso medições repetidas durante o processo de medição a ser executado. Entre os métodos destrutivos mais comuns pode-se citar: método da amostragem, método da trepanação, método da perfuração e método da remoção de camadas. E os principais métodos não-destrutivos consiste em: métodos magnéticos, métodos acústicos, métodos elétricos e métodos de raio-x, que será adotado na atividade experimental deste trabalho. Cada técnica possui suas particularidades, vantagens e restrições, cabe analisar perante cada situação qual o método adequado para uma aplicação correta. O uso dessas técnicas traz consequências positivas, 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 Tratamentos de Alívio de Tensões Já relatada a importância da soldagem na cadeia produtiva de um navio, e também o fato deste processo ser um dos principais fatores gerador de tensões residuais e distorções, que podem vir a trazer consequências indesejáveis à estrutura, os tratamentos de alívio de tensões são vistos como de extrema importância e desafiador às empresas fornecedoras deste serviço. As tensões residuais podem ter sua origem em diversas causas, e não sendo sempre possível controlar e suprimir o surgimento das tensões residuais durante o processo de fabricação, o procedimento de alívio das tensões assim como o nome já 17

29 diz é aplicado posteriormente para diminuir o nível das tensões e/ou redistribuí-las de maneira mais uniforme. Diversos métodos para alívio de tensões são oferecidos hoje em dia no mercado, todos com o objetivo em comum de reduzir uma das principais dificuldades do setor que são as já mencionadas distorções. Estes podem variar desde tratamentos térmicos a métodos com vibração ou mecânicos conhecidos como martelamento, porém cada um com suas particularidades, tanto positivas quanto negativas, e devendo, portanto ser estudada sua aplicabilidade perante cada caso desejado. O tratamento em questão neste trabalho é o tratamento mecânico de Shot Peening apresentado a seguir, e mais em seguida outros tipos de tratamentos também disponíveis serão abordados em nível de comparação Shot Peening Processo de shot peening é um dos pós-tratamentos, também conhecido como martelamento, utilizado para alívio das tensões de soldagem. Este método consiste em um processo mecânico de trabalho a frio, amplamente utilizado nas indústrias nos dias atuais, de custos relativamente baixos. Figura 16 - Máquina industrial de shot peening Basicamente, o procedimento consiste no jateamento da superfície da peça por granalhas aceleradas com velocidades controladas. Estas granalhas adotadas usualmente são partículas esféricas metálicas, de cerâmica ou ainda de vidro. 18

30 Neste processo cada granalha golpeia o material na superfície, como um martelo, provocando com este impacto a formação de um pequeno sulco/deformação sobre a superfície tratada, e na região exatamente abaixo deste impacto o surgimento de um volume de material deformado plasticamente a frio, figura 17. Considerando um fluxo contínuo na aplicação destas granalhas ocorre então uma sobreposição destas regiões encruadas, desenvolvendo-se uma camada regular de metal com tensão residual compressiva. A metalurgia mecânica estabelece que a propagação das trincas necessita de tensões de natureza contrária, ou seja, de tensões trativas, e assim as falhas por fadiga mecânica ou por corrosão tem o seu avanço e/ou surgimento prejudicado. O choque das partículas com a superfície do material tratado pode gerar uma camada de tensões compressivas de até 80% do limite de escoamento ou 60% da tensão de resistência máxima do material. Deste modo as tensões de compressão, introduzidas na superfície pelo shot peening, são de extrema importância agindo de modo a proporcionar uma espécie de barreira para a propagação de trincas e, de uma maneira geral, aumentos consideráveis na vida útil das peças tratadas. Figura 17 - Zona de compressão formada pelo impacto do shot peening Além da possibilidade em vista de induzir uma distribuição desejável das tensões residuais de compressão numa camada sub-superficial, entre os principais fatores benéficos do shot peening são considerados o endurecimento das camadas superficiais do material tratado, refinamento de grãos, uniformização dos valores das tensões residuais na superfície e aumento na resistência à corrosão. 19

31 O perfil ideal da distribuição das tensões residuais esperado de um tratamento por shot peening numa cama sub-superficial é apresentado na figura 18. Esta distribuição é caracterizada por um valor da tensão de compressão na superfície σ s que é constante em qualquer direção, um valor máximo da tensão de compressão σ t introduzido conforme esperado, e sua profundidade h c no qual a compressão atinge seu valor máximo e por fim a profundidade da camada sub-superficial atingida. Figura 18 Perfil ideal da distribuição das tensões induzidas por shot peening A profundidade das tensões obtidas com o shot peening varia entre 0,03 e 2 milímetros do material. A eficácia do processo, assim como a profundidade da camada resultante são fortemente dependentes de vários fatores do processo de aplicação de shot peening que irão influenciar no resultado, entre eles, velocidade, tamanho e material das granalhas lançadas contra superfície e seu ângulo de impacto, tempo de aplicação e percentual de cobertura. A propriedade do material é mais um fator que influencia no resultado de shot peening, por exemplo, o mesmo procedimento resulta numa distribuição completamente deferente para dos materiais com dureza diferente. 20

32 Figura 19 Exemplo de uma aplicação do jateamento das granalhas em uma peça O Shot Peening ainda que vastamente divulgado pelas indústrias em processos automatizados possui a vantagem da existência da sua aplicação manual, sendo esta de fácil manuseio e podendo ser levado até as peças a serem tratadas, eliminando possíveis custos com o transporte da peça. Exemplo desta aplicabilidade são os grandes blocos de navio da construção naval. A eficiência do tratamento é controlada de maneira indireta e relativa, utilizando o método de Almen, que parte do princípio de que deformações iguais em chapas padronizadas correspondem às aplicações com iguais intensidades. Neste método, são utilizados três tipos de plaquetas padronizadas, uma tira é colocada em um dispositivo paralelamente ao componente a ser tratado. Durante o processo, as esferas induzem simultaneamente tensões residuais na tira, a qual se deforma no formato de um pequeno arco. Após o processo, é medida a altura do arco da tira e através de uma tabela de conversão obtém-se o valor de intensidade Almen. 21

33 Figura 20 - Desenho esquemático do método de Almen Existem ainda diferentes modificações do processo de shot peening, entre elas os processos de stress peening e peen forming, quando a peça submetida ao tratamento por shot peening é pré-tencionada e, consecutivamente, pré-deformada. Neste caso a superfície submetida ao shot peening encontra-se no estado de tração elástica por tensões atuantes (não residuais) externas. E também o lazer peening em que um único tiro de alta energia repetido várias vezes na superfície da peça causa o mesma efeito de compressão causado pelo impacto das partículas no shot peening tradicional Outros Tratamentos de Alívio Uma outra forma de minimizar as tensões oriundas do processo de soldagem, ou seja, aliviá-las, é pela utilização do tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT) que, como o próprio nome já sugere, consiste em uma operação de aquecimento da peça de trabalho, utilizando, por exemplo, um forno, após a conclusão da operação de soldagem. A temperatura de aquecimento na peça deve ser inferior à temperatura crítica de transformação do material, ou seja, antes que ocorra alguma mudança de fase. Depois de atingida essa temperatura, a peça é mantida aquecida durante um determinado tempo, denominado tempo de patamar ou de encharque. É importante que a peça atinja a temperatura uniformemente em todo seu comprimento. Segue-se então para o 22

34 resfriamento uniforme e controlado da peça, geralmente a uma taxa relativamente baixa. O gráfico 1demonstra as principais etapas operacionais do alívio de tensões. Gráfico 1 - Gráfico de temperaturas para TTAT Os principais parâmetros para se definir um Tratamento Térmico de Alívio de Tensões como taxa de aquecimento (TA), o tempo e a temperatura de patamar e a Taxa de Resfriamento (TR) são definidos com o auxílio de normas internacionais. Basicamente que neste tipo de tratamento ocorre que ao se aquecer um material a tensão de escoamento do material se torna muito baixa, de modo a não suportar as tensões internas dos componentes e o material se deforma, aliviando a tensão. O fato de o processo ser controlado faz com que não haja geração de tensão durante o processo de resfriamento, garantindo assim restar um menor nível de tensão residual ao final da aplicação do tratamento. Gráfico 2 - Variações das tensões durante TTAT 23

35 Os principais objetivos do TTAT são: Aumento da ductilidade; Diminuição da dureza tanto da zona fundida quanto da zona termicamente afetada; Redução de empeno; Aumento da resistência à fadiga; Aumento da resistência à corrosão sob tensão. Por outro lado, esse método requer alto investimento em equipamentos e custos relacionados ao alto consumo de energia, além do inconveniente do uso de peças de grandes dimensões devido às limitações de tamanho dos fornos disponíveis e as distorções que podem ocorrer nas estruturas e componentes tratados. O seu uso também é restrito a estruturas homogêneas. Por fim, um segundo tratamento que vem se destacando é o de alívio de tensões por vibração mecânica, caracterizado por ser um método com custo inferior em relação aos tratamentos térmicos e também por ser aplicável em materiais com estruturas heterogêneas. O alívio de tensões por vibração mecânica é um método baseado na ressonância vibratória, em que as peças são submetidas a vibrações de baixa frequência por um período de tempo. Essa energia aplicada é capaz de gera um estado de deformação plástica em determinadas partes da estrutura, que realinha a estrutura cristalina para que as tensões residuais sejam reduzidas a um nível mais baixo, ou seja, aliviando-as. Este método é bastante flexível, pois em alguns casos sua aplicação não depende da paralisação do equipamento que contém a parte a ser tratada, o que representa uma das suas principais vantagens, senão a principal. Este novo método possui algumas outras relevantes vantagens quando comparado com os tratamentos térmicos, pois além de não alterar as propriedades mecânicas, as tensões não reaparecem. Os tratamentos por vibração mecânica apresentam custos até 90% inferiores, com utilização de apenas 1% da energia empregada nos tratamentos térmicos convencionais e duração aproximada de 30 minutos. 24

36 No entanto, a falta de compreensão completa do fenômeno é a principal limitação para a aplicação deste tratamento em larga escala, estando ainda em pesquisa a influência dos parâmetros de vibração nos resultados, tais como o tipo e a frequência de excitação Tensões Residuais Pré-Existentes Na maioria dos trabalhos experimentais dedicados ao estudo dos efeitos de shot peening os autores não apresentavam nenhuma informação sobre estado inicial das tensões residuais. Porém, o conhecimento deste estado inicial proporciona um quadro mais completo do processo de distribuição das tensões de shot peening, especialmente quanto se trata de comparação dos resultados do mesmo procedimento para peças diferentes. Em estudo prévio realizado buscou-se estudar as tensões residuais induzidas por shot peening em peças com tensões residuais pré-existentes de compressão, especificamente, as tensões pré-existente de origem térmica. Para tal, foram utilizados corpos de prova de tamanho 300 x 35 x 6 milímetros confeccionados de aço carbono SAE Primeiro os corpos de prova foram submetidos ao tratamento térmico de alívio das tensões, que resultou numa redistribuição uniforme das tensões residuais na faixa de 40 Mpa, observada na superfície dos corpos de prova e numa camada sub-superficial com profundidade de até 0.20 milímetros. Após o alívio das tensões, um dos corpos de prova foi submetido ao processo de cementação. Observou-se que os valores das tensões residuais e sua distribuição com profundidade são diferentes na direção longitudinal e transversal para material com mesma dureza. Podemos atribuir este resultado ao fato que os processos térmicos durante cementação ocorreram de maneira diferente nestas direções por causa da geométrica alongada do corpo de prova. Observou-se também que este processo modificou as características do material aumentando o seu limite de escoamento e as tensões resíduas de compressão atingiram o valor de -350MPa. Os dois corpos de prova, com e sem cementação, foram submetidos ao mesmo tratamento por shot peening utilizando equipamento GP-9075 em regime manual, com granalha de aço esférica S-110, intensidade Almen C, cobertura de 100%, pressão do ar 100 PSIG e ângulo de jato 90 graus. As tensões residuais de 25

37 compressão induzidas por shot peening na superfície da amostra cementada ficaram iguais em ambas às direções, longitudinal e transversal, com valor de -380MPa, embora existisse uma diferença significativa na sua distribuição antes do shot peening. As tensões residuais de compressão de shot peening atingiram o valor maior de - 770MPa, na direção transversal, e o valor de -680MPa na direção longitudinal. O fato que as tensões resíduas chegaram a estes valores de compressão bem elevados está atribuído, além de endurecimento pela cementação, ao efeito de endurecimento da camada superficial por deformação mecânica, que pode ser observado também na amostra sem cementação, aonde a tensões máximas de compressão chegam até - 330MPa, valor acima do limite de escoamento do material do corpo de prova no seu estado original. A comparação das tensões de shot peening nos corpos de prova com e sem cementação mostra o efeito esperado da dureza do material na distribuição das tensões residuais. A localização do ponto de tensão máxima compressiva para corpo de prova cementado encontra-se mais próximo da superfície do que no caso do corpo de prova sem cementação. Observou-se que na profundidade mm os valores das tensões residuais do corpo de prova cementado chegam aos mesmos níveis das tensões do corpo de prova sem cementação. Estes resultados podem ser vistos no gráfico 3. 26

38 Gráfico 3 - Distribuição das tensões residuais numa camada sub-superficial dos corpos de prova em relação à profundidade. (1) corpo de prova sem cementação; (2) e (3) corpo de prova após a cementação, tensões na direção longitudinal e transversal, respectivamente. Portanto, efeito da presença das tensões de compressão pré-existentes deve ser considerado com um dos fatores que influenciam na distribuição final das tensões residuais de shot peening de mesma maneira como contribuem nesta distribuição as características do material e parâmetros do próprio processo de shot peening aplicado, e por isso foi levado em consideração no tema principal do trabalho a ser apresentado neste relatório. Considerando a aplicação do shot peening em peças que possuem tensões residuais de soldagem, como tensões pré-existentes, neste trabalho estudamos o efeito do shot peening, levando em consideração o fato que o próprio campo das tensões pré-existentes de soldagem varia com tempo. 27

39 3.5. Métodos e Equipamentos de Medição Raystress Os valores absolutos das tensões residuais foram medidos com o equipamento portátil de raios-x, chamado Raystress. Este é um equipamento de tecnologia não destrutiva caracterizado pelo seu tamanho portátil e peso reduzido, que lhe proporciona a vantagem de realizar medições em praticamente qualquer condição de campo, superfície de peças de geometria complexa e em locais de difícil acesso. O método utilizado por este equipamento consiste em uma dupla exposição e radiação K do Cr, técnica esta amplamente testada e utilizada com sucesso durante vários anos em diferentes aplicações industriais. O equipamento Raystress, figura21, apresenta as seguintes partes incluídas como componentes deste equipamento: Unidade de controle com fonte de alta tensão, que permite monitoramento e o ajuste do nível de potência de alimentação do tubo de raios-x; Fonte de alta tensão e tubo de raios-x. Uma das qualidades do equipamento é que o tubo de raios-x é acoplado à fonte de alta tensão. A tensão e a corrente de trabalho da fonte de raios-x são de 25 kv e 1,5 ma, respectivamente. O tubo de raios-x possui dois anodos de cromo com resfriamento ao ar, e produz dois feixes convergentes de raios-x para realizar a técnica de duas exposições de medição de tensões por raios-x. O ângulo de convergência dos feixes de raios-x é de 50 graus; O suporte magnético permite instalar o equipamento diretamente na peça analisada e ajustar o equipamento na posição de exposição; O colimador com cassete para filme de raios-x. Duas janelas no cassete permitem captar partes das linhas difratadas no intervalo angular de 2θ de 148 a 164 graus. 28

40 Figura 21 Equipamento Raystress Os princípios da tensometria por raios-x se baseiam, por um lado, na teoria de difração de raios-x para materiais cristalinos, e por outro em mecânica dos materiais e, em particular, na teoria da elasticidade do corpo sólido. Os valores das tensões são definidos a partir da deformação da estrutura cristalina causada pela ação destas tensões. As deformações são medidas por sua vez, conforme lei de Bragg: 2 d sin θ = λ, através do deslocamento da linha de difração. Os princípios de técnica de dupla exposição, usada para medição de tensões utilizando o equipamento portátil descrito acima, baseiam-se na determinação de duas componentes de deformação:e φ, ψ 1 e E φ, ψ 2. Sendo a deformação é determinada por meio da fórmula: E φ,ψ = 1 + υ E σ φ. seno 2 ν ψ E(σ 1 + σ 2 ) (1) Logo a diferença entre duas componentes da deformação fica: E φ, ψ 2 E φ, ψ 1 = 1 + υ E σ φ. (seno 2 ψ 2 seno 2 ψ 1 ) (2) Onde: 29

41 E = constantes elásticas do material; ψ e φ = ângulos polar e azimutal respectivamente; σ φ = Componente medida de tensão; σ 1 e σ 2 = São as tensões principais; Da equação (2) a componente medida de tensão (σ φ ), se torna: σ φ = E 1 + ν. E φ,ψ2 E φ,ψ1 seno 2 ψ 2 seno 2 ψ 1 (3) Derivando a lei de Bragg, tem-se: E φ,ψ = d φ,ψ d 0 d 0 = ctg θ 0 (θ φ,ψ θ 0 ) (4) Onde: d φ,ψ, d 0 = distancias entre planos para materiais com e sem tensão respectivamente; θ φ,ψ, θ 0 = ângulos de difração para materiais com e sem tensão respectivamente; Usando as fórmulas (3) e (4), tem-se: σ φ = E 1 + ν. ctg θ 0(θ φ,ψ2 θ φ,ψ1 ) seno 2 ψ 2 seno 2 (5) ψ 1 Desta maneira, para determinar qualquer componente da tensão é necessário medir os ângulos de difração correspondentes às reflexões dos planos cristalinos com normais caracterizadas por ângulos ψ 1 e ψ 2. 30

42 Figura 22 - Esquema de medição de tensões com o equipamento portátil Os ângulos usados no equipamento são ψ 1 = 0 graus e ψ 2 = 50 graus e para se medir as tensões é usada geometria de ψ - goniômetro, figura 22. A precisão da medição do valor absoluto da tensão por equipamento utilizado neste trabalho é de ±10MPa Stressvision Para o mapeamento do estado das tensões foi utilizado um equipamento magnético portátil, que emprega o efeito inverso de magnetostrição, com sensor do tipo MAS (sensor magneto-anisotrópico). O efeito inverso de magnetostrição consiste na variação de magnetização do material ferromagnético sujeito às tensões mecânicas, devido às mudanças na estrutura dos domínios magnéticos. O equipamento utilizado, figura 23, é composto por: Sensor de tipo MAS (diâmetro 20 mm); Unidade de controle; Computador portátil para visualização dos resultados em tempo real. 31

43 Figura 23 Equipamento Stressvision O sensor MAS utilizado tem duas bobinas na forma de U, posicionadas entre si nas posições ortogonais. Uma delas é a da indução (magnetização), a outra é a da detecção. A bobina de indução produz uma onda eletromagnética que, passando pelo material, gera uma onda refletida, captada pela bobina de detecção. Seja uma onda senoidal com intensidade do campo magnético H 0 e frequência ω transmitida na diração do eixo z ortogonal à superfície do metal. Para semi-espaço ferromagnético com permeabilidade magnética μ temos a intensidade do campo magnético Η na profundidade z. Onde: Η = Η 0. exp(ikz) k = i + 1 δ δ = C 2πμω Consideramos que o ângulo α entre a direção do Η e uma das direções de tensão mecânica principal é de 45 graus. 32

44 Figura 24 Esquema do funcionamento do sensor magneto-anisotrópico. O fluxo magnético registrado pela bobina de detecção é proporcional à projeção do vetor da indução magnética Β na direção entre os polos da bobina. A força eletromotriz induzida na bobina de detecção fica: du = Μ (Β x Β y ). exp(ikz) dz Onde: Μ = Coeficiente que caracteriza as propriedades do metal analisado; Integrando com relação à espessurahda camada, encontramos o sinal captado pela bobina de detecção: h U = ΜΗ 2 (μ x (z) μ y (z)). exp (2ikz) dz 0 Com a variação da tensão mecânica σ variam também as permeabilidades magnéticas na direção longitudinal μ x e transversal μ y. Esta variação é proporcional a σ, ou seja: μ x μ y = β. σ Onde: β = Constante do material; 33

45 Assim, para voltagem captada pelo sensor temos: Onde: A = Constante específica do sensor; h U = A σ(z). exp (2ikz) dz 0 Desta maneira, o sensor registra o valor σ reg da desmodulação em amplitude da onda com frequência ω utilizada posteriormente para encontrar a diferença entre os valores das tensões principais, cujo módulo é igual ao valor dobro da tensão cisalhante máxima, utilizada diretamente no critério do escoamento de Tresca-Guest. σ reg = h 0 σ(z). exp (2ikz) dz h exp (2ikz) dz 0 4. Procedimento Experimental Para o procedimento experimental foi realizado uma parceria com o estaleiro EISA, na Ilha do Governador/RJ. A primeira etapa, que antecedeu os testes, foi a preparação de dois corpos de prova a serem utilizados. Para tal foi utilizado chapas de aço AWS A5.20 com 10 milímetros de espessura utilizadas na construção naval, cortadas no formato quadrado e com dimensões 400 x 400 milímetros. Em seguida em cada uma das chapas foi realizado o corte de um furo vazado localizado em seu centro e de formato retangular no tamanho 190 x 20 milímetros, de acordo com as figuras 25 e

46 Figura 25 - Preparação do corpo de prova no EISA Figura 26 - Corpo de prova com solda de reparo 35

47 A segunda etapa consistiu na aplicação da solda de reparo fechando o furo central da chapa, realizada por profissionais da soldagem do estaleiro. A solda de reparo foi executada utilizando processo de soldagem a arco com arame tubular (FCAW Flux Cored Arc Welding), conforme processo descrito no item 3.1.1, com a máquina MIG 408-T da marca ESAB, arame de solda E71T-1C de diâmetro 1.2 mm e gás ativo de proteção CO2, figura 27. Figura 27 - Equipamento de soldagem A soldagem foi realizada com backing cerâmico, tendo um passe de raiz e dois passes de face seguidos de passe de acabamento. Para os três primeiros passes a voltagem e a velocidade de arame eram de 25,5V e 176 m/min, respectivamente, e para o passe de acabamento a voltagem era de 25,5V e a velocidade 168 m/min. Logo após o término da operação de soldagem apenas um dos corpos de prova foi encaminhado para a aplicação do tratamento de shot peening. Os parâmetros do shot peening aplicados no corpo de prova correspondem aos normalmente utilizados nos estaleiros para trabalhos de acabamento superficial das chapas e sua preparação para pintura, que são: Grau de jateamento SA2 ½; Grão angular; Granometria G40 angular; Ângulo de jateamento de 90 graus. 36

48 Com esta aplicação deu-se fim ao procedimento experimental que havia sido proposto para este trabalho. As medições em ambos os corpos de prova foram realizadas no mesmo dia da soldagem e da aplicação do shot peening para a obtenção do resultado inicial, e novamente duas semanas depois para obtenção do resultado final. 5. Resultados Experimentais das Medições As medições das tensões residuais nos dois corpos de prova foram realizadas segundo o método de raios-x descrito no item 3.5. Estas foram feitas na superfície frontal em pontos localizados no meio do corpo de prova, numa linha perpendicular ao cordão de solda na superfície frontal (direção A), e numa linha de continuação do cordão de solda para lado externo do corpo de prova (direção B), conforme mostrado na figura 28. Figura 28 - Localização dos pontos de medição das tensões resíduas de soldagem com relação à solda de reparo 37

49 Para cada uma das direções, A e B, as medições foram realizadas em três pontos do metal de base (pontos 1, 2 e 3) localizados conforme a figura 28 e também no metal depositado (ponto MD), na zona termicamente afetada (ponto ZTA), e metal base próximo ao cordão de solda (ponto MB), totalizando seis pontos de medição em cada direção. Em cada um desses pontos as tensões foram medidas na direção paralela ao cordão de solda (tensão longitudinal σ L ), na direção perpendicular ao cordão de solda (tensão transversal σ T ) e na direção diagonal entre estas duas (σ 45 ). O processo de polimento eletrolítico foi aplicado em cada um dos pontos para uma remoção controlável das camadas superficiais e realização das medições de tensões residuais com profundidade. Com este polimento busca-se garantir a ausência das tensões mecânicas induzidas na superfície da chapa durante o processo de fabricação. A espessura da comada removida foi controlada com relógio comparador eletrônico. Figura 29 - Polimento eletrolítico sendo aplicado no primeiro dia 38

50 O mapeamento das tensões foi realizado através do método magnético, também descrito no item 3.5., em uma área de 360 x 360 milímetros, em 361 pontos da malha retangular com passo uniforme de 20 milímetros, conforme na figura 30. As medições foram feitas sobre área composta dos materiais com diferentes propriedades mecânicas e magnéticas (especificamente metal base, metal depositado e ZTA). Por esta razão, os resultados deste mapeamento têm caráter relativo para cada uma das partes da área mapeada. Além disso, mapeamento magnético envolve mais pontos de análise do que as medições feitas por raios-x. E, finalmente, o método magnético representa um valor médio na profundidade de até três milímetros sob a superfície, enquanto os resultados das medições pelo método de raios-x representam os valores superficiais absolutos das tensões. Por estas razões, os resultados do mapeamento foram utilizados neste trabalho somente para comparar entre si a evolução com o tempo das tensões residuais. Figura 30 Corpo de prova com a malha de pontos desenhada 39

51 Quando se trata de análise das tensões residuais induzidas pelo tratamento de shot peening as seguintes condições devem ser avaliadas, de preferência, na sequência apresentada: Uniformidade dos valores das tensões no ponto (uniformidade local). Na situação ideal, os valores das tensões em qualquer direção devem ser iguais; Uniformidade dos valores das tensões em toda superfície tratada (uniformidade global). Na situação ideal, os valores das tensões não devem variar de um ponto para outro; Os valores das tensões na superfície devem ser de compressão; Perfil da distribuição das tensões com profundidade deve atingir a curva desejada, com valor máximo de compressão numa camada sub-superficial; O primeiro critério pode ser avaliado em termos da tensão cisalhante máxima, uma vez que, menores valores da tensão cisalhante máxima correspondem a uma maior uniformidade do campo das tensões no ponto. Por esta razão, os nossos resultados de medição dos valores absolutos das tensões são apresentados na forma de valores das tensões cisalhantes máximas. Medições pelo método de raios-x e mapeamento magnético foram realizadas no mesmo dia da soldagem e shot peening (resultados inicial), e duas semanas depois (resultado final). Figura 31 - Medição realizada após duas semanas 40

52 O mapeamento através do método magnético representa uma distribuição do fator de concentração da tensão cisalhante máxima. Observou-se nos resultados iniciais uma forma simétrica na distribuição das tensões residuais no corpo de prova e a localização dos pontos críticos das tensões no metal base ao longo das duas linhas, uma perpendicular ao cordão de solda e outra direcionada na sua continuação para o lado externo ao corpo de prova. Observou-se também a variação na posição das linhas de nível apresentadas no mapeamento, quando comparado o resultado inicial com final, figuras 32 e 33. Figura 32 - Solda de reparo com shot peening. Mapa de distribuição do fator de concentração da tensão cisalhante máxima. Resultado inicial. 41

53 Figura 33 - Solda de reparo com shot peening. Mapa de distribuição do fator de concentração da tensão cisalhante máxima. Resultado final. A distribuição inicial e final dos valores da tensão cisalhante máxima, nas posições A e B, para o corpo de prova submetido ao tratamento de shot peening está apresentada nos gráficos 4. Tanto na posição de medição A como na posição B, existe uma variação entre os valores iniciais e finais das tensões cisalhante máxima, sendo esta mais explicita no caso das tensões medidas na posição B. Na posição A, a diferença entre os valores inicias e finais é mínima, ou seja, o shot peening aplicado foi suficiente para uniformizar as tensões residuais superficiais de soldagem nos pontos localizados do lado esquerdo e direto do cordão de solda. Os resultados iniciais de medição das tensões apontam numa variação bem significativa dos valores da tensão cisalhante máxima na posição de medição B, porém os resultados finais mostram que 42