ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE SOLDAGEM NA TENSÃO RESIDUAL DE JUNTAS SOLDADAS PELO PROCESSO GMAW

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1 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE SOLDAGEM NA TENSÃO RESIDUAL DE JUNTAS SOLDADAS PELO PROCESSO GMAW C. E. Mendes Av. Arquitetura S/N Cidade Universitária L. G. T. C. de Melo R. A. S. Ferreira P. S Barros T. L. Rolim Y. P. Yadava RESUMO A velocidade de soldagem é um parâmetro que influência o aspecto do cordão de solda e na determinação do aporte térmico trabalhado nas juntas soldadas. Portanto, esse trabalho busca identificar da influência da velocidade de soldagem, pela análise das tensões residuais na zona termicamente afetada (ZTA). Será executado um planejamento fatorial de um fator a cinco níveis com três réplicas. Na ZTA foram realizadas medidas de tensão residual pelo método de deslocamento por pontos coordenados (DPC), para estudar a variação da tensão residual em função da velocidade de soldagem. 7906

2 Palavras-chave: planejamento experimental, tensão residual, velocidade de soldagem. INTRODUÇÃO Tensões residuais são definidas como as tensões internas que permanecem no material, elemento mecânico ou produto final ao se encerrarem os esforços mecânicos e/ou térmicos. As tensões residuais podem ser prejudiciais para o desempenho de um material ou a vida de um componente mecânico, então é de fundamental importância o conhecimento de suas características e medidas para a prevenção e o controle. (1) As tensões residuais podem existir em peças ou materiais submetidos a diferentes processos térmicos e mecânicos. Nesse trabalho observaremos o comportamento de chapas navais laminadas submetidas ao processo de soldagem. As tensões residuais na soldagem devido ao processo de resfriamento, ocorrem quando as regiões aquecidas e resfriadas são vizinhas. Essa diferença de temperatura fará com que o material dilate e resfrie de forma diferente dependendo da temperatura que cada região vá atingir, de modo que a região do cordão de solda e a sua vizinhança apresentarão tensões térmicas diferentes. Porém, no processo de soldagem de chapas, se existir algum tipo de restrição ao movimento de contração e dilatação, como por exemplo, ponteamento da chapa, surgirão as tensões térmicas residuais à temperatura ambiente. Para o cordão de solda, o acúmulo de tensões térmicas será do tipo tração, atingindo valores da ordem do limite de escoamento do material da solda. As tensões residuais devido ao resfriamento superficial intenso acontecem ao longo da espessura da junta sol dada, já que a parte exposta ao ar ambiente resfria mais rápido que a parte interna. Quando o processo de resfriamento começa, a superfície se contrai rapidamente em relação ao interior da peça, provocando assim o escoamento localizado do material que por sua vez, provocará a existência da tensão residual. Observa-se que as tensões são mais intensas na soldagem de chapas ou tubulações com grandes espessuras. (2) O objetivo principal desse trabalho é estudar a influência da mudança de velocidade de soldagem no cálculo das tensões residuais obtidas através do método 7907

3 de deslocamento de pontos coordenados DPC de chapas laminadas soldadas pelo processo de soldagem GMAW. MATERIAIS E MÉTODOS As chapas utilizadas no trabalho foram fornecidas pelo Estaleiro Atlântico Sul, localizado no Porto de Suape - Cabo de Santo Agostinho PE, com as dimensões de 1200 x 500 x 13,7 mm e classificação ASTM A131 grau AH-36. Para as chapas de teste serem soldadas foi necessária a preparação das mesmas, sendo preciso cortá-las nas dimensões de 70 x 200 x 13,7 mm. O processo de soldagem GMAW foi realizado de forma semiautomática com uma máquina, Fig. 1 de soldagem ESAB Smashweld 318 Topflex e uma máquina de oxicorte (tartaruga) fornecidos pelo programa PRH PB203. Figura 1. Máquina GMAW para soldagem da ESAB Smashweld 318 Topflex e tartaruga utilizada para a soldagem. Para o processo de soldagem GMAW foi utilizado um arame de bitola de 1,2 mm e tipo ASME SFA 5,18 ER70S-6, com um gás de 25% de Ar e 75% de CO2. Para o cálculo do aporte térmico médio, foi considerado a eficiência do processo de soldagem GMAW de 80% como demonstra a Tab. 1. Chapa Tensão de soldagem (V) Corrente de soldagem (A) Velocidade de soldagem (mm/s) Aporte térmico (kj/m) 1 19,62 174,50 3, ,08 213,6 5, ,72 169,42 6, ,08 206,8 8, ,08 213,6 10,0 309 Tabela 1. Parâmetros de soldagem utilizados na soldagem das chapas. 7908

4 O DCP (3) mede as tensões residuais utilizando uma Máquina de Medição por Coordenadas. O método consiste em realizar pequenos furos com broca de centro de 2,5 mm de diâmetro por 2 mm de profundidade e, em seguida cada coordenada (x,y) do centro dos furos deve ser mapeada na Máquina de Medição por Coordenadas (MMC) com controle numérico computadorizado. Para o mapeamento dos pontos é preciso realizar um ponto de referência em cada chapa. Após essa etapa o material deve ser submetido a um tratamento térmico para o alívio de tensões com temperatura inferior à de recristalização do material. Ao término do tratamento térmico do material os pontos mapeados sofrerão deslocamentos devido ao escoamento do material e com isso, deverão ser novamente mapeados, a partir do ponto de referência, de acordo com a técnica de medição por coordenadas, que determina os parâmetros dimensionais através da medição das coordenadas de pontos sobre a superfície de uma peça e processa matematicamente (4), possibilitando a cálculo das deformações através das equações (A) e (B) para o sentido longitudinal e transversal, respectivamente: X f X i x (A) X i i Y f Yi y (B) Y Onde: εx: deformação específica na direção x; εy: deformação específica na direção y; Xi: Coordenada inicial do ponto na direção x (mm); Xf: Coordenada final do ponto na direção x (mm); Yi: Coordenada inicial do ponto na direção y (mm); Yf: Coordenada final do ponto na direção y (mm). Com os valores das deformações específicas nas duas direções, as tensões residuais no estado plano de tensões geradas pelo processo de soldagem podem ser calculadas pelas equações (C) e (D): 7909

5 x E 1 2 x y (C) y E 1 2 y x (D) Onde: σx: tensão residual transversal direção normal à linha de solda ; σy: tensão residual longitudinal direção da solda ; εx: deformação específica normal a linha de solda; εy: deformação específica na linha de solda; E: módulo de elasticidade do material (GPa); υ: coeficiente de Poisson. Os valores das tensões residuais σx e σy são obtidos pela medição de εx e εy (5), que são os valores das deformações residuais nos pontos onde se deseja conhecer as tensões residuais. Depois das chapas soldadas, foram realizados furos com brocas de centro de 2,5 mm de diâmetro por 2 mm de profundidade sobre a ZTA. Em seguida, as coordenadas (x,y) do centro de cada furo foram mapeadas em uma Máquina de Medição por Coordenadas (MMC) com controle numérico computadorizado, modelo CRYSTA 574 (curso de medição de 700 mm e resolução de 0,0005 mm), fabricação MITUTOYO, ano 2004, com certificado de calibração 03206/2013, do Laboratório de Medição por Coordenada (LAMECO) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE. Após a realização do mapeamento inicial dos pontos em cada chapa, foi preciso realizar um tratamento térmico de alívio de tensão à temperatura de 680 C por 30 min. Ao término do TT do material, os pontos mapeados sofreram deslocamentos devido ao escoamento do material e com isso, foram novamente mapeados. Destas novas coordenadas dos centros dos furos medidas na MMC, foram encontradas as deformações geradas pelo processo de soldagem. Com os valores das coordenadas de antes e depois do tratamento térmico de cada furo, foram calculadas as deformações pelas equações A e B e posteriormente, 7910

6 as tensões residuais pelas equações C e D em cada ponto. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram escolhidos três pontos sobre a ZTA de cada condição de soldagem para o cálculo das tensões residuais. A Tab. 2 demonstra os resultados das medições de tensões residuais em X e Y pelo método DPC. Chapa Velocidade de soldagem (mm/s) σx σy 3,5 45,0 53,5 1 3,5 44,6 56,3 3,5 47,8 54,2 5,0 61,1 64,0 2 5,0 56,9 65,9 5,0 68,5 50,9 6,0 82,3 107,7 3 6,0 49,7 68,6 6,0 63,5 79,3 8,0 97,3 99,6 4 8,0 92,5 104,7 8,0 60,8 74,8 10,0 69,3 70,2 5 10,0 96,2 109,3 10,0 104,5 97,6 Tabela 2. Tensões residuais para cada condição de velocidade de soldagem. Onde podemos observar que o valor das tensões residuais, tanto em X quanto em Y, foram aumentando com o aumento da velocidade de soldagem. E isso traduz-se em aporte térmicos menores. Mostrando que com o aumento do aporte térmico através da redução da velocidade de soldagem resulta na redução da tensão residual de juntas soldadas. (6) Utilizando o software Action Stat versão ano 2016 podemos analisar os efeitos da velocidade de soldagem no cálculo das tensões residuais. A tensão residual em X aumenta em 15 MPa quando aumentamos a velocidade de soldagem de 3,5 para 5,0 mm/s. E continuar a aumentar quando aumentamos as velocidades de soldagem. Esse tipo de comportamento também acontece para a tensão residual calculada em Y como mostra a Fig

7 cálculo da tensão residual em X e Y. Figura 1. Efeito da velocidade de soldagem no A Tab. 3 mostra os valores dos limites e efeitos das velocidades de soldagem nas tensões residuais. Velocidade de Soldagem (mm/s) Limite Inferior Tabela de Efeito Direção X Limite Efeito Superior Limite Inferior Direção Y Efeito Limite Superior 3,5 27,2 45,8 64,3 35,3 54,7 74,1 5 43,6 62,2 80,7 40,9 60,3 79,6 6 46,6 65,2 83,7 65,8 85,2 104,6 8 65,0 83,5 102,1 73,6 93,0 112, ,4 90,0 108,5 73,0 92,4 111,8 Tabela 3. Tabela de efeito das velocidades de soldagem tanto para X quanto para Y. 7912

8 Fica evidenciado que as tensões residuais em Y são maiores que em X, tanto para os limites inferiores e superiores quanto para o efeito da velocidade de soldagem na resposta (tensão residual). Essa condição acontece devido ao tratamento térmico realizado nas chapas. Durante o tratamento térmico a tensão de recuo atua revertendo as barreiras (discordâncias bloqueadas) contribuindo para o deslocamento (escoamento) na direção contrária à plastificação. CONCLUSÕES Para as velocidades de soldagem escolhidas nesse trabalho, conclui-se que: Ao diminuirmos a velocidade de soldagem de 10 mm/s para 3,5 mm/s, conseguimos reduzir a tensão residual em até 44,2 MPa para o sentido X e 37,7 MPa para Y. Desta forma, deve-se preferir a utilização de velocidade de soldagem menores para tensões residuais menores. A diferença entre as tensões residuais em X e Y são devido a textura de recozimento que amplifica esse deslocamento no sentido Y. REFERÊNCIAS [1] MACHERAUCH, E., KLOSS, K. H., Origin, Measurements and Evaluation of Residual Stress in Science and Technology. Ed. by Macherauch, V. Hauk, DGM VERLAG. [2] CALLE, G. M. A, Análise Numérico-Computacional das Tensões Residuais Induzidas pelo Jateamento com Granalha. p. 96, Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil. [3] SIQUEIRA FILHO, A. V. Estudo Comparativo das Tensões Residuais em Juntas Soldadas pelas Técnicas de Medição por Coordenadas e Difração de Raios-X. Tese de Doutorado. Universidade Federal de Pernambuco, Fev

9 [4] ROLIM, T. L. Sistemática indicadora de método para calibração de máquinas de medição por coordenadas. Tese de Doutorado. Universidade Federal da Paraíba. Dez [5] OKUMURA, T.; TANIGUSGI, C Engenharia De Soldagem E Aplicações. Rio De Janeiro: Livros Técnicos E Científicos Editora. [6] PEEL, M., STEUWER, A., PREUSS, M., WITHERS, P.J., Microstructure, mechanicalproperties and residual stresses as a function of welding speed in aluminiumaa5083 friction stir welds. Acta Mater. 51, THE STUDY OF WELDING SPEED INFLUENCE ON GMAW WELDED JOINTS RESIDUAL STRESS ABSTRACT The welding speed is a parameter that influences the welding bead appearance and the heat input of welded joints. Therefore, this study aims to identify the influence of travel speed, by analyzing residual stress in the Heat Affected Zone (HAZ). A factorial design using one factor with five levels and three replicates was performed. The method of Displacement of Coordinated Points (DPC) was used to measure the residual stress by switching the welding speed. Keywords: experimental design, residual stress, travel speed. 7914

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