22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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1 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE SOLDAGEM NO CÁLCULO DE TENSÕES RESIDUAIS ATRAVÉS DO MÉTODO DE DESLOCAMENTO DE PONTOS COORDENADOS (DPC) EM CHAPAS NAVAIS SOLDADAS L. G. T. C. de Melo Av. Arquitetura S/N Cidade Universitária CEP: R. A. S. Ferreira C. E. Mendes P. S. Barros T. L. Rolim O. O. de Araujo Y. P. Yadava RESUMO A influência da velocidade de soldagem nas tensões residuais foi avaliada a partir de amostras soldadas, utilizando o método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC) em chapas de aço naval ASTM A-131 grau AH-36. Chapas de 7812

2 teste com dimensões de 200 mm x 70 mm e 13,7mm de espessura foram soldadas através do processo GMAW seguindo o sentido de laminação. Para uma melhor comparação, enquanto que a velocidade de soldagem foi variada, os demais parâmetros foram mantidos constantes. Foi encontrado que com a redução da velocidade de soldagem de 6mm/s para 3,5mm/s, se obteve uma redução na tensão residual, de uma média de 138,13MPa para 34,67Mpa a 3mm do cordão de solda e 153,65MPa para 42,32MPa a 2mm do cordão de solda. Com isso, observa-se que num processo multipasses, o maior aporte térmico contribui para a redução das tensões residuais. Palavras-chave: tensões residuais, velocidade de soldagem, deslocamento de pontos coordenados, chapas navais, gmaw. INTRODUÇÃO As tensões residuais podem modificar o comportamento mecânico de componentes e estruturas soldadas. Os materiais que se deformam plasticamente podem falhar pela formação e propagação de trincas no material, sendo para isso necessária a existência de uma tensão residual trativa na ordem da tensão de escoamento do material. (1) No caso da soldagem, as tensões residuais são introduzidas pelo elevado gradiente de temperatura devido ao aquecimento e resfriamento não uniforme. As três principais fontes para a produção das tensões residuais no processo de soldagem são decorrentes da contração no resfriamento, do resfriamento superficial intenso e da transformação de fases. (2) Para que fosse possível o comparativo entre as amostras, apenas a velocidade de soldagem sofreu variação durante todo o processo, de modo que permaneceram constantes a tensão de soldagem e corrente. Como a velocidade de soldagem influi diretamente no aporte térmico, que pode ser calculado através da Eq. (A), a redução na velocidade de soldagem resulta num aumento inversamente proporcional do aporte térmico. (A) 7813

3 Com a variação no aporte térmico, o fluxo de calor é modificado, alterando por sua vez os valores de tensões residuais. O aporte térmico é uma característica importante, pois assim como as temperaturas de preaquecimento e interpasses, influencia a taxa de resfriamento, que afeta as microestruturas e as propriedades mecânicas das Zonas Termicamente Afetadas (ZTA) pelo calor (3) e, consequentemente, afeta a distribuição de tensões residuais na região da junta. Todos os materiais sólidos deformam quando submetidos a carregamento externos e se essa deformação for do tipo plástica, existirá deformação permanente no material após a carga ser removida. É bem estabelecido que, na maior parte da região elástica, a deformação é diretamente proporcional à carga. Esta é conhecida como Lei de Hooke. Então, é com base nessas características e nas leis que governam as relações entre tensão e deformação que muitos métodos para medição de tensões residuais funcionam. (4) O método de Deslocamento de Pontos Coordenados também trabalha com essas relações, e consiste em medir o deslocamento de pontos previamente mapeados por meio de uma Mesa de Medição de Coordenadas (MMC). Com esses valores, o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do material em questão, as tensões residuais podem ser calculadas. MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de chapas de aço naval ASTM A-131 grau AH-36 foram usinadas e soldadas com o objetivo de se calcular as tensões residuais através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC). Foi adotada uma altura de raiz de 2mm e ângulo de bisel de 25º (Fig.1). 7814

4 Figura 1. Chapas em processo de usinagem Foram realizadas soldagens através do processo GMAW automatizado, utilizando-se uma máquina multiprocesso (Fig. 2) em conjunto com uma máquina de corte a gás adaptada para realizar o translado da tocha (Fig. 3). Figura 2. Máquina de soldagem MAG semiautomática. Figura 3. Máquina de corte a gás. O arame utilizado foi o AWS ER70S-6 com 1,2mm de diâmetro e o gás, uma mistura de 75% de Ar e 25% de CO2. Para simular as restrições impostas presentes nas soldagens de painéis navais, utilizaram-se travas laterais nas chapas de teste. A máquina de corte a gás foi então alinhada para o passe de raiz e os passes subsequentes. Os passes foram realizados sempre se alternando o sentido para evitar distorções. Após cada passe, o filme vítreo formado foi removido com uma escova de aço. 7815

5 Dois pares de chapas de 70 x 200mm foram soldadas duas a duas com parâmetros definidos como padrões, conforme listado na Tab. 1. A tensão de soldagem média foi de 19,63V. Amostra Tensão média Corrente média Velocidade de Aporte médio (V) (A) soldagem (mm/s) (W) αbisel (º) 1 19,53 173, , ,72 169, ,72 25 Tabela 1. Parâmetros de soldagem para chapas padrões Dois pares de chapas de 70 x 200mm foram soldadas duas a duas reproduzindo os parâmetros de soldagem supracitados, contudo, elevando a tensão de soldagem média para 26,48V, conforme Tab. 2. Amostra Tensão média Corrente média Vel. de soldagem Aporte médio (V) (A) (mm/s) (W) αbisel (º) 3 19,80 174,67 3,5 988, ,49 174,75 3,5 972,98 25 Tabela 2. Parâmetros de soldagem para chapas com tensão de soldagem alterada O método utilizado para medir as tensões residuais foi o DPC (5), que consiste em se observar o deslocamento de pontos da chapa. Para tal, foram realizados cinco furos com 2mm de profundidade usando uma broca de 2mm de diâmetro (Fig. 4), cujos centros foram então mapeados em (X, Y). Figura 4. Furos realizados na amostra. A distribuição dos furos é dada conforme a ilustração a seguir (Fig. 5). 7816

6 Figura 5. Distribuição de furos nas chapas soldadas A medição e mapeamento dos furos é realizada com uma Máquina de Medição de Coordenadas (MMC) com controle numérico computadorizado (Fig. 6). Figura 6. Medição sendo realizada na MMC. Em seguida, foi realizado um tratamento térmico de recozimento a 740ºC (Fig. 7), com o objetivo de aliviar as tensões existentes. A medição das extensões dos deslocamentos dos pontos previamente medidos é o que possibilita o cálculo das tensões, uma vez que ocorre a reversão da plastificação (tensão de recuo). Os métodos mecânicos de alivio de tensão podem ser eficazes, contudo, o método mais utilizado atualmente para aliviar as tensões residuais causadas é o recozimento, também conhecido como tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT). (2) 7817

7 Figura 7. Chapa retirada do forno após tratamento térmico. Os pontos mapeados sofreram deslocamentos devido ao escoamento reverso do material e foram remapeados, de acordo com a técnica de medição de coordenadas, que determina os parâmetros dimensionais através da medição da medição das coordenadas de pontos sobre a superfície de uma peça e os processa matematicamente. (6) Com isso, é possível calcular a deformação através da Eq. B, tanto no sentido longitudinal quanto transversal. (B) Sendo: ɛ: deformação específica; ΔL: variação na distância dos pontos coordenados (mm); L0: distância entre o ponto e o centro da chapa (mm). Com as coordenadas dos pontos medidos antes e após o tratamento térmico, as tensões de soldagem podem ser calculadas através das equações (C) e (D) (7) : (C) (D) Sendo: : tensão residual longitudinal direção de soldagem (Pa); : tensão residual transversal normal à direção de soldagem (Pa); 7818

8 : deformação específica na linha de solda; : deformação específica normal a linha de solda; E: módulo de elasticidade do material (GPa); : coeficiente de Poisson. Ainda, os valores de tensões residuais e são obtidos pela medição de e, que são as deformações residuais nos pontos onde se deseja conhecer a tensão residual. (7) Para calculá-los, adotou-se o módulo de elasticidade de um aço carbono similar de 207GPa e coeficiente de Poisson de 0,3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram calculadas as tensões na direção longitudinal e perpendicular ao cordão de solda para cada um dos cinco pontos de cada amostra. Os módulos das tensões foram então agrupados de acordo com a distância entre o ponto em questão e o cordão de solda. Assim sendo agrupados os pontos 1 e 2, cujos centros distanciamse 3mm do cordão de solda, e 3, 4 e 5, com centros localizados a 2mm do cordão de solda. A média dos valores dos pontos agrupados foi então compilada na Tabela 3 abaixo. Amostra Velocidade de soldagem (mm/s) σx1,2a (MPa) σx3,4,5a (MPa) σy1,2a (MPa) σy3,4,5a (MPa) ,18 202,96 232,29 252, ,08 104,34 109,56 123,68 3 3,5 24,55 38,04 31,99 48,39 4 3,5 44,78 46,71 54,93 56,37 Tabela 3. Tensões residuais Para melhor visualização dos dados, foram compilados os gráficos (Fig. 8-11) a seguir. Cada gráfico diz respeito ao comparativo entre uma chapa padrão (1 ou 2) e uma chapa com variação na tensão de soldagem (3 ou 4) e destaca como a redução na velocidade de soldagem (de 6mm/s para 3,5mm/s) implica numa redução nas tensões residuais. Conforme a Eq. A, ao se manter constantes a corrente e tensão de soldagem, com a redução da velocidade de soldagem, o aporte térmico aumenta de modo inversamente proporcional e, como estamos lidando com uma soldagem multipasses, cada passe atua como um mecanismo de alívio de tensões. O aporte térmico de soldagem tem grande efeito nas tensões residuais, e com o crescimento 7819

9 do aporte térmico, numa soldagem multipasses, as tensões residuais são reduzidas. (8) As tensões em X e Y são aproximadas pela tensão de recuo do material e, portanto, neste trabalho, foram apresentados os gráficos com apenas as tensões em X. Figura 8. Comparativo entre amostras 1 e 3. Figura 9. Comparativo entre amostras 1 e 4. Figura 10. Comparativo entre amostras 2 e 3. Figura 11. Comparativo entre amostras 2 e 4. Os resultados encontrados estão condizentes com os intervalos de valores de tensões residuais em chapas com espessuras similares. (9) CONCLUSÕES Ao variar parâmetros de soldagem, diferentes tamanhos e formatos de cordões de soldas são obtidos. Foi possível estabelecer uma relação entre a velocidade de soldagem e as tensões residuais de soldagem, através do aporte térmico. Contudo, esta relação apenas não justifica os resultados observados para os valores calculados de tensões residuais. As tensões residuais calculadas apresentaram valores dentro dos esperados. A partir do momento em que se reduz a velocidade de soldagem mantendo-se os demais parâmetros constantes tensão de soldagem, 7820

10 corrente, velocidade de alimentação do arame -, o volume de material por passe é alterado, de modo que pode ser necessário menos passes para o preenchimento total do chanfro, o que por si só já é uma variação indireta do processo. REFERÊNCIAS [1] Hosford, W. F. Mechanical Behaviour of Materials. Cambridge University Press, [2] Modenesi, P. J. Efeitos Mecanicos do Ciclo Térmico. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG [3] Zinn, W.; Scholtes, B. Residual Stress Formation Processes During Welding and Joining, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM Inter., p , [4] Lu, J. Handbook of Measurements of Residual Stress, SEM, [5] Siqueira Filho, A. V.; Rolim, T. L.; Yadava, Y. P.; Cardoso, F. I. B.; Guimaraes, P. B.; Maciel, T. M.; Sanguinett Ferreira, R. A.. Development os Methodology for Measurements of Residual Stresses in Welded Joint Based on Displacement of Points in a Coordinated Table. Materials Research, v. 16, p , [6] Rolim, T. L Sistemática Indicadora De Método Para Calibração De Máquinas De Medição Por Coordenadas. Tese De Doutorado, Ufpb, João Pessoa, Pb. [7] Okumura, T.; Tanigusgi, C Engenharia De Soldagem E Aplicações. Rio De Janeiro: Livros Técnicos E Científicos Editora. [8] Jiang, W.C.; Wang, B.Y.; Gong, J.M.; Tu, S.T. Finite element analysis of the effect of welding heat input and layer number on residual stress in repairwelds for a stainless steel clad plate. Materials & Design 32, , [9] Kim, T.-J.; Jang, B.-S.; Kang, S.W. Kang.. Welding deformation analysis based on improved equivalent strain method considering the effect of temperature gradients. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, v. 7, p ,

11 INFLUENCE OF WELDING VOLTAGE IN CALCULATION OF RESIDUAL STRESS BY USING DCP METHOD IN NAVAL WELDED SHEETS ABSTRACT Welding speed influence over residual stress was evaluated from welded samples, by using the Displacement of Coordinated Points Method (DCP) in naval ASTM A-131 grade AH-36 welded steel sheets. Pairs of 200 x 70mm with 13,7mm thickness samples were welded through GMAW process with bead in rolling direction. For a better comparison, while welding speed was reduced, the rest of parameters were kept constant. It was found that while reducing welding speed from 6mm/s to 3,5mm/s, residual stress was reduced from an average of 138,13MPa to 34,67MPa by 3mm of the weld bead, and 153,65MPa to 42,32MPa by 2mm of the weld bead. This leads to observe that in a multiple layer welding process, the higher heat input contributes to reducing residual stress. Keywords: residual stress, welding speed, displacement of coordinated points, naval sheets, gmaw. 7822