ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS EM JUNTAS SOLDADAS DE ESTRUTURAS NAVAIS. Daniel Casassola Gonçalves, Maria Cindra Fonseca

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1 ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS EM JUNTAS SOLDADAS DE ESTRUTURAS NAVAIS Daniel Casassola Gonçalves, Maria Cindra Fonseca 1 UFF - Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia/Departamento de Engenharia Mecânica / Mestrado Profissional em Montagem Industrial, Niterói-RJ, Brasil, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, Sala 302, CEP , São Domingos, Niterói-RJ, Brasil, mcindra@vm.uff.br RESUMO O comportamento das tensões residuais geradas no processo de soldagem apresenta especial importância no desempenho e na vida útil das estruturas e componentes soldados. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo estudar o nível de tensões residuais geradas em juntas soldadas usadas na construção naval. As tensões foram analisadas por difração de raios-x, pelo método do sen2psi, usando radiação CrKα. Em algumas regiões as tensões residuais foram da ordem do limite de escoamento do material. Um estudo comparativo do aumento do nível de tensão quando adotadas restrições para manter a geometria de projeto da junta complementa o trabalho, bem como a análise da influência da operação de desempeno a quente no comportamento das tensões residuais. Foi analisada a microdureza Vickers das juntas soldadas. Palavras-chave: Soldagem; tensões residuais; tensometria por difração de raios-x, Processo FCAW. INTRODUÇÃO As construções navais, normalmente soldadas, devem apresentar requisitos de 5547

2 confiabilidade que atendam a determinados critérios de projeto, fabricação e montagem e garantam uma longa e bem sucedida vida em serviço, conforme as especificações. As tensões residuais são tensões auto-equilibradas, em condições de temperatura homogênea e sem carregamentos externos. Elas podem ser prejudiciais, pois podem se somar aos carregamentos externos, como no caso de uma junta soldada em serviço (Withers & Bhadeshia, 2001). As tensões residuais são intrínsecas ao processo de soldagem e decorrem basicamente dos fenômenos de contração, gradientes no resfriamento através da espessura e transformação de fases (Zinn & Scholtes, 2002). Assim sendo, o surgimento, a natureza e o comportamento das tensões residuais, apresentam especial importância no desempenho e vida útil das estruturas e componentes soldados. No presente trabalho foram estudadas as tensões residuais decorrentes do processo de soldagem pelo processo arame tubular, com proteção gasosa (FCAW - Flux Cored Arc Welding), de chapas de aço ASTM A131 Gr. A, com e sem desempeno a quente e os resultados foram comparados com um método analítico de cálculo de tensões residuais em juntas soldadas (Okumoto, 1998). Ensaios de microdureza e a caracterização microestrutural de uma das juntas soldadas complementam o presente estudo. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foi estudado o aço ASTM 131 Gr. A, fabricado na forma de chapa laminada a quente com 15mm de espessura, cuja composição química e propriedades mecânicas estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Tabela 1 Composição química do aço (em % de peso). C máx Si máx Mn min P máx S máx. 0,21 0,50 0,52 0,035 0,

3 Tabela 2 Propriedades mecânicas do material. LE (MPa) LR (MPa) Alongamento (%) Para a soldagem do material foi adotado o processo arame tubular com proteção gasosa (FCAW Flux Cored Arc Welding), modo unilateral, com backing removível de cerâmica. A junta de topo, com chanfro em V, para soldagem unilateral foi realizada com uma abertura de raiz de 6 a 8 mm, ângulo de chanfro de 30 e cobre-junta de cerâmica removível. Foi soldada uma junta sem restrição e outra com restrição, na qual foramusados grampos (cachorros) para fixação. Em uma junta soldada sem restrição foi aplicado desempeno a quente, a fim de minimizar as distorções. A Tabela 3 apresenta os parâmetros de soldagem adotados em todas as juntas. Tabela 3 Parâmetros de soldagem. Tensão (V) 29 Corrente (A) 196 Velocidade de arame (m/min) 9 Corrente/polaridade contínua / positiva Classificação do arame E71T-1 Ø1,2 mm Velocidade de passe (mm/s) 2 As tensões residuais foram medidas pela técnica de tensometria por difração de raios-x, pelo método do sen², usando radiação Crκα ( = 2,29092Å), difratando o plano (211) do material, com tensão de 30kV e corrente de 6,0mA. Foi usado um analisador de tensões do modelo XStress3000, fabricado pela Stresstech e adquirido pela Rede de Materiais Petrobras/TMEC. O equipamento (Figura 2) fornece, através de um software, o valor das tensões no ponto analisado. 5549

4 Figura 2 Analisador de tensões por difração de raios-x, XStress3000. As tensões foram analisadas nas direções longitudinal (L) e transversal (T), ao cordão de solda, conforme apresentado na Figura 3. Figura 3 Posição dos pontos e das direções de medição das tensões residuais. Para obtenção do perfil da variação das tensões residuais através da profundidade foi o polimento eletrolítico. Foi utilizado um eletrólito à base de cloreto de sódio em solução saturada, com parâmetros de tensão e corrente de 30V e 18A, respectivamente. Este processo se dá através da remoção gradual de finas camadas superficiais do material, da ordem de micrometros (µm) aferidas por relógio comparador digital e subsequente medição das tensões por difração de raios-x. Para o cálculo analítico foram usadas formulações teóricas para a estimativa das tensões residuais máxima e mínima, em juntas de topo, em função do aporte térmico 5550

5 e espessura da chapa (Tabela 4). Tabela 4 Cálculo das tensões longitudinais (Fonte: Okumoto, modificado, 1998) Q = aporte térmico (cal/cm); h: espessura da chapa (cm). O aporte térmico é dado pela equação: Q= e a 60VI/v, onde: Q - aporte térmico em J/cm; V - Tensão = 29V; I: Corrente = 196A; v: velocidade de passe = 12cm/min; e a : eficiência do arco = 0,75. Fazendo-se as substituições, chega-se ao seguinte valor: Q = 21315J/cm = 5091cal/cm. Assim, a tensão teórica longitudinal para o modelo estudado é de σ 1 = 250MPa. A análise microestrutural das juntas soldadas foi realizada através de microscopia óptica. A amostra foi extraída de uma das amostras soldadas, compreendendo a região do metal de base, ZTA e metal de solda. A análise foi realizada na seção transversal. A preparação consistiu de lixamento utilizando politriz e lixas com granulação de 220, 320, 400, 600 e 1200 ao final da qual a amostra foi atacada com reagente Nital 2%. Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados no Laboratório de Metalografia e Tratamentos Térmicos LABMETT/UFF, utilizando o microdurômetro digital Time Group HVS RESULTADOS E DISCUSSÕES Foi feita a medição das tensões residuais nas chapas (metal de base, MB), antes da soldagem, obtendo-se a média de -215MPa. Após a soldagem as tensões residuais foram analisadas no metal de solda (MS) e na zona termicamente afetada (ZTA), nas posições 1 (próximo à borda) e na posição 2, no centro da junta. Os resultados estão 5551

6 apresentados nas Tabelas 4 e 5. Tabela 4 Tensões residuais longitudinais nas juntas. Tensão Teórica (MPa) Região e Posição Tensões Residuais nas Juntas (MPa) Sem restrição Com restrição Sem restrição desempenada 250 MS pos ZTA pos MS pos ZTA pos Tabela 5 Tensões residuais transversais nas juntas. Tensões Residuais (MPa) Região e Posição Sem restrição Com restrição Sem restrição desempenada MS pos ZTA pos MS pos ZTA pos Os resultados apresentados nas Tabelas 4 e 5 mostram que o desempeno não provocou alteração significativa na magnitude e na natureza das tensões residuais superficiais presentes no MB (215MPa), em ambas as direções, longitudinal e transversal. Entretanto, no MS, na direção transversal, provocou um alívio das tensões residuais da Junta 1, tanto na posição 1, quanto na posição 2, na qual a tensão residual de -250MPa teve sua natureza compressiva alterada para trativa, atingindo 70MPa após o desempeno. As tensões residuais analisadas na ZTA apresentaram comportamento muito heterogêneo em ambas as posições e direções. Na direção longitudinal, as tensões residuais superficiais apresentaram um comportamento semelhante, tanto na ZTA quanto no MS, na posição 1: o desempeno provocou uma grande elevação nas tensões trativas, que após o desempeno atingiram 280MPa no centro do cordão (MS). Na posição 2, as tensões residuais longitudinais foram muito aliviadas pelo desempeno (de 280 para 10 MPa, na ZTA). Na posição 2 da junta desempenada, uma análise do comportamento subsuperficial 5552

7 Tensão Residual (MPa) Tensão Residual (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais das tensões foi feita adicionalmente, na região do MS, através de remoção de camadas, a fim de se investigar a natureza, o comportamento e a distribuição das tensões em profundidade até 175µm. Os resultados obtidos estão apresentados na Figura 4. Longitudinal Transversal Profundidade ( m) -200 Profundidade ( m) (a) (b) Figura 4 Perfiis das tensões residuais subsuperficiais: (a) longitudinais e (b) transversais. Os resultados dos ensaios de microdureza Vickers foram realizados na amostra da macrografia estão apresentados na Figura 6. (a) (b) Figura 6 Junta soldada 1: (a) Macrografia e (b) Microdureza Vickers. 5553

8 A análise dos resultados de microdureza apresentados na Figura 6 permite visualizar claramente que a soldagem provocou um grande aumento nos valores da dureza da ZTA e zona fundida, com caráter heterogêneo e atingindo valores de cerca de 180HV nestas zonas. Outro aspecto que pode ser considerado na ZTA é a diferença dos valores de dureza nos dois lados da junta, que do lado esquerdo apresenta menores e mais homogêneos valores. CONCLUSÕES O presente estudo permite as seguintes conclusões: 1. Em todas as juntas soldadas, as tensões residuais superficiais longitudinais apresentaram comportamento heterogêneo em tração, tanto no MS, quanto na ZTA, sendo que no metal de solda elas são pouco elevadas e similares ao longo da junta, enquanto que na ZTA elas são de maiores magnitudes e heterogêneas (145 e 275 MPa). Entretanto, na direção transversal as tensões residuais superficiais analisadas foram compressivas, com comportamento bastante homogêneo. 2. Os perfis das tensões, obtidos em profundidade no centro do cordão de solda, mostraram que o comportamento das tensões subsuperficiais difere muito conforme a direção analisada. Na direção longitudinal, logo nas primeiras camadas o baixo valor em compressão da superfície é invertido e as tensões permanecem em tração ao longo de toda a profundidade avaliada. Na direção transversal há uma alternância entre tração e compressão. 4. A soldagem provocou um grande aumento nos valores da dureza da ZTA e zona fundida, com caráter heterogêneo e atingindo valores de cerca de 180HV. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ, pelo apoio financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho, assim como à equipe de produção do Estaleiro Ilha S.A., pela soldagem das amostras. 5554

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BHADESHIA,K.D.H., WITHERS, P.J. Residual stress Part 1 Measurement techniques, 2000, Material Science and Technology April 2001, vol 17 pp ZINN, W., SCHOLTES, B. Residual Stress Formation during Welding and Joining. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. ASM International,First edition, Ohio, CINDRA FONSECA, M. P. (2000), Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação Durante Ciclos de Fadiga, Tese de Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE/UFRJ. RESIDUAL STRESS ANALYSIS IN WELDING CONNECTIONS OF SHIPBUILDING INDUSTRY ABSTRACT The behaviour of the residual stresses generated in welding process presents special relevance on design life of structures and welded components. In this context, this work has the objective analyze the residual stresses generated in welding joints normally used in shipbuilding industry. The residual stresses were measured by X- ray diffraction, with method sin2psi, with radiation CrKα. At some regions the measured residual stresses reached the yielding limit of the material. A comparative study of the residual stress raising due application of restraining in the welding joint and the influence of flame line heating are also included. The welding joints were also characterized by Vickers hardness testing. Key-words: Welding; residual stresses; X-ray diffraction stress measurement, FCAW process. 5555

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