CARACTERIZAÇÃO DA TENSÃO RESIDUAL PELA TÉCNICA DO FURO CEGO EM AMOSTRAS SOLDADAS

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO DA TENSÃO RESIDUAL PELA TÉCNICA DO FURO CEGO EM AMOSTRAS SOLDADAS Éverson Fabiano Santos, 1 Sandro Rosa Corrêa, 1 Marcos Flávio de Campos, 1 José Flávio Silveira Feiteira, 1 Célio de Jesus Marcelo, 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, 420, Vila Santa Cecília, Volta Redonda, RJ. Resumo: Uma avaliação criteriosa nos componentes soldados se faz necessária devido à presença de tensões residuais que são geradas durante o processo de soldagem, pois estas serão somadas às tensões aplicadas durante a atuação destes componentes. As tensões residuais estão entre os principais determinantes da qualidade das peças soldadas e podem ocasionar uma redução da vida útil do componente. Portanto, são de extrema importância a determinação de sua distribuição e o seu controle. Estas tensões residuais na soldagem são consequência da heterogeneidade da temperatura no material. Neste artigo, amostras dos aços AISI 1020 e AISI 4340 foram soldadas pelo processo MAG (Metal Active Gas) e tratadas termicamente para alívio de tensões. Realizaram-se ensaios de furo cego pelo método da perfuração em alta velocidade (high-speed hole drilling method), e desta forma, foi possível caracterizar as distribuições das tensões residuais no metal base (MB) e na zona termicamente afetada (ZTA) das amostras, e compará-las com resultados teóricos. Palavras-chave: Tensões Residuais, Furo Cego, Soldagem. 1. INTRODUÇÃO Segundo Masabuchi (1983), a soldagem por fusão consiste no aquecimento do metal de solda e do metal base até o ponto de fusão gerando o coalescimento localizado da junta. Embora a soldagem por fusão seja um processo operacionalmente simples, ela engloba diversos fenômenos complexos que ocorrem simultaneamente. Três fenômenos acoplados estão presentes em uma junta soldada por fusão: térmico, mecânico e transformação de fase. A interação desses fenômenos pode afetar a integridade estrutural da junta, alterando as propriedades mecânicas, e gerando tensões residuais. Para Raj et al. (1997), a avaliação de componentes soldados é muito importante por questões econômicas e por razões de segurança. A integridade destes componentes depende da ausência de defeitos que possam ser prejudiciais, da presença de tensões residuais dentro de níveis aceitáveis (se sua eliminação não for possível) e da presença de uma microestrutura apropriada com as propriedades mecânicas desejadas, para que não haja degradação sob condições de operação. Uma avaliação do estado de tensões residuais na região do metal base e na zona termicamente afetada (ZTA) é apresentada neste trabalho, relativa aos aços AISI 1020 e AISI 4340 soldados pelo processo MAG. Tal avaliação é obtida através da técnica de furo cego com perfuração em alta velocidade. 2. TENSÕES RESIDUAIS GERADAS PELA SOLDAGEM Tensões residuais são aquelas que permanecem na peça quando todas as suas solicitações externas são removidas. As tensões residuais são acumuladas no componente como consequência dos processos de fabricação. Uma das principais causas de seu aparecimento ao longo de uma seção da peça é a ocorrência de deformações plásticas não uniformes. Estas, por sua vez, podem ser originadas por efeitos mecânicos ou térmicos, e, durante a soldagem, podem também ser resultantes de transformações microestruturais não homogêneas que impliquem em alterações volumétricas (Totten et al, 2003). Por exemplo, se um objeto for submetido a um aquecimento e a um resfriamento homogêneo em toda sua secção, e se a sua variação dimensional decorrente das alterações térmicas ocorrerem livremente, o objeto não apresentará tensões residuais decorrentes do processo. Entretanto, se a variação térmica não for uniforme ao longo do objeto ou se este não puder se dilatar e contrair livremente durante o ciclo térmico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver. Isto é exatamente o que ocorre na soldagem, pois pelo fato do aporte de calor ser extremamente

2 intenso e localizado, cada região se comporta de modo diferente, com temperaturas diferentes, taxas de resfriamento diferentes, e, portanto, microestruturas diferentes (Modenesi, 2008). A seguir, na Fig. 1 está ilustrada uma representação esquemática da relação entre variações de temperatura e tensões residuais durante o processo de soldagem. (a) (b) (c) Figura 1. (a) Região da solda. (b) Gradiente de temperatura ao longo do cordão de solda. (c) Distribuição de tensões ao longo do cordão de solda (Modenesi, 2008). Tensões residuais de soldagem são consequência da variação heterogênea de temperatura no material decorrente da realização da soldagem. As etapas de aquecimento e resfriamento são de suma importância. Se um objeto for aquecido e resfriado de modo uniforme e não existirem restrições às suas variações dimensionais (dilatação e contração), estas não resultam em efeitos mecânicos importantes no objeto, isto é, após o ciclo térmico, o objeto não deverá apresentar nem tensões residuais nem distorções. Contudo, conforme mostrado por Aggen et al. (1998), se a variação de temperatura não for uniforme ao longo da peça ou se esta não puder se expandir ou contrair livremente durante o ciclo térmico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver. Pode-se dizer, portanto, que tensões residuais térmicas são aquelas resultantes de deformações plásticas não uniformes causadas por variações térmicas desiguais ao longo do material. Segundo Macherauch e Wohlfahrt (1977), o comportamento das tensões residuais de soldagem transversais ao cordão de solda é proveniente dos efeitos de contração (C), resfriamento superficial mais intenso (R) e transformação de fase (T). Tais efeitos e suas combinações estão representados na Fig. 2: Figura 2. Representação esquemática da variação de tensões residuais transversais ao cordão de solda provenientes 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 (Macherauch e Wohlfahrt, 1977). Durante a soldagem por fusão a arco elétrico, como a estudada neste trabalho, ocorre no material de base um aquecimento muito localizado, o que faz com que, num dado momento, uma pequena porção deste material atinja a

3 fusão, formando a poça de fusão, que posteriormente se solidificará formando a zona fundida. Como existe uma continuidade no material, a região adjacente à zona fundida atinge uma temperatura bem próxima à de fusão do material. Sabe-se que quando um material metálico é aquecido, sofre dilatação, assim como sofre contração quando é resfriado. No entanto, durante a soldagem, o metal aquecido é impedido de se expandir pelas regiões mais frias do material, podendo resultar por exemplo, em tensões residuais de compressão nas regiões próximas à zona de fusão, e tensões residuais de tração nas regiões que impediram sua dilatação (as mais distantes da zona de fusão e mais frias). 3. TÉCNICA DO FURO CEGO Esta técnica para determinação de tensão residual é uma das mais utilizadas e difundidas por ser bem estabelecida e relativamente fácil de ser aplicada. O método consiste em usinar um pequeno furo na superfície do componente a ser analisado. A usinagem do furo provocará o alívio das tensões existentes que atuam no volume de material removido, que por sua vez provocará mudanças nos estados de deformação em pontos da região no entorno do furo. Extensômetros são colados próximos à região onde será usinado o furo para medirem as mudanças nas deformações provocadas pelas tensões aliviadas devido à usinagem. Desta forma, é possível medir a tensão residual ao longo da profundidade do material analisado. A técnica do furo cego é considerada como um ensaio semidestrutivo, pois pode causar a destruição total ou parcial da amostra analisada. Dependendo da amostra analisada (uma peça de pequenas dimensões ou um componente sensível) o furo realizado pode comprometer a sua vida útil, mas também em outros casos, como por exemplo, para componentes robustos este pequeno furo pode não representar um dano considerável que afete a sua integridade e bom funcionamento. No entanto, independentemente do tamanho da amostra não é possível realizar mais de uma medição por furo cego exatamente na mesma posição de uma amostra aonde já se tenha realizado o ensaio anteriormente. 4. METODOLOGIA No presente trabalho foram utilizadas chapas de aços AISI 1020 e AISI 4340, conforme indicado na Tab. 1. Tabela 1. Propriedades mecânicas dos aços AISI 1020 e AISI Aço Limite de escoamento (MPa) Módulo de Young (MPa) Coeficiente de Poisson AISI ,30 AISI ,30 As chapas foram preparadas sem chanfro nas dimensões 200x40x5 mm e soldadas pelo processo MAG, onde um cordão de solda foi depositado em um único passe de forma automatizada (Delgado Júnior, 2010), como ilustrado na Fig. 3. Figura 3. Sistema automatizado de soldagem, UFF Volta Redonda. A Tabela 2 apresenta os parâmetros de soldagem utilizados na confecção das amostras (Delgado Júnior, 2010).

4 Tabela 2. Parâmetros utilizados na soldagem MAG. Após a soldagem, foram realizados os ensaios de furo cego e metalográficos. Algumas das amostras foram destinadas ao tratamento de alívio de tensões, realizado no trabalho de Corrêa et al. (2012), de acordo com os parâmetros listados na Tab. 3 relativos às amostras indicadas na Fig. 4. Tabela 3. Parâmetros utilizados no tratamento de alívio de tensões. Figura 4. Amostras utilizadas nos ensaios. (A) AISI 1020 com alivio de tensões; (B) AISI 1020 sem alívio de tensões; (C) AISI 4340 com alívio de tensões; (D) AISI 4340 sem alívio de tensões. As regiões de interesse deste trabalho são a ZTA (Zona Termicamente Afeta) e o metal base (MB). Para a análise destas regiões foram fixados extensômetros (HBM 1-RY61-1.5/120R, tipo B), mostrados na Fig. 5.

5 Figura 5. Amostra após a fixação dos extensômetros. O ensaio de furo cego foi efetuado segundo a norma ASTM E e realizado na Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda EEIMVR/UFF. O equipamento utilizado foi o SINT MTS 3000, com Perfuração em Alta Velocidade (~ RPM), conforme Fig. 6. Figura 6. Sistema MTS3000 com perfuração em alta velocidade. (A) Sistema óptico e sistema de furação; (B) Unidade de controle eletrônico; (C) Aquisitor de Dados Spider 8.30; (D) Software de cálculo e controle; (E) Amostra metálica para medição de tensões residuais. 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados dos ensaios de furo cego foram tratados segundo a norma ASTM E para tensão residual não uniforme, pois o processo de soldagem gera tensões residuais não uniformes. Para os materiais analisados consideraram-se amostras com alívio de tensões (CAT) e sem alívio de tensões (SAT). Nestas, as regiões analisadas foram as compostas pelo metal base (MB) e pela zona termicamente afeta (ZTA). Desta forma, pôde-se obter uma curva de Tensão Residual versus Profundidade, para cada tipo de amostra (CAT ou SAT), e em cada região analisada (MB ou ZTA), para os aços AISI 1020 e AISI 4340, respectivamente. Na Figura 7 é apresentado o resultado de tensão residual para o aço AISI 1020, onde podem-se observar tensões trativas na ZTA, e compressivas no metal base, sendo mais evidente esta caraterística nas amostras sem alívio de tensões. Nota-se uma redução de valores das tensões trativas e compressivas nas amostras com alívio de tensões, ou seja, as tensões residuais após o alívio de tensões tendem a aproximar-se de zero, com isto, verifica-se a influência do tratamento térmico no aço AISI 1020.

6 Figura 7. Resultado do ensaio de furo cego para o aço AISI A Tabela 4 relaciona as tensões residuais médias para cada ensaio de furo cego das amostras do aço AISI 1020, com e sem tratamento de alívio de tensões. Tabela 4. Tensões residuais dos ensaios para o aço AISI AÇO AISI 1020 Tensão Residual Média (MPa) Desvio Padrão (MPa) MB SAT MB CAT ZTA SAT ZTA CAT A seguir, na Fig. 8 e na Fig. 9, são apresentadas as micrografias das amostras de aço AISI Figura 8. Aço AISI Microestrutura do metal de base constituída de ferrita e perlita (14μm). O resultado da micrografia do metal de base do aço AISI 1020 apresentou um alinhamento de grãos constituídos de perlita e ferrita, conforme observado na Fig. 8.

7 Figura 9. Aço AISI Microestrutura da zona termicamente afetada constituída de grãos aciculares de ferrita e perlita (13μm). Já na micrografia da zona termicamente afetada (ZTA), a mesma apresentou grãos aciculares de perlita e ferrita, porém sem transformações de fases devido ao baixo de teor de carbono do aço analisado, sem a presença de microestrutura frágil (martensita ou bainita), conforme ilustrado na Fig. 9. De acordo com as micrografias (Fig. 8 e Fig. 9), para comparar os resultados das amostras do aço AISI 1020 (Fig. 7) com a teoria é necessário considerar os efeitos de contração (C) e resfriamento superficial mais intenso (R), e não considerar a transformação de fase (T). Nesta comparação é possível observar comportamentos semelhantes, pois como não houve transformação de fase, as tensões residuais foram trativas, sendo que na ZTA foram maiores do que no metal base. Os resultados das distribuições de tensões residuais para as amostras de aço AISI 4340 dos ensaios de furo cego são apresentados a seguir na Fig. 10. Figura 10. Resultado do ensaio de furo cego para o aço AISI Para as amostras de aço AISI 4340 sem tratamento de alívio de tensão verifica-se que tanto no metal base quanto na ZTA apresentam tensões residuais compressivas. Na Tab. 5 são apresentados os valores médios de tensão residual para as curvas dos resultados da Fig. 10.

8 Tabela 5. Tensões residuais médias dos ensaios para o aço AISI AÇO AISI 4340 Tensão Residual Média (MPa) Desvio Padrão (MPa) MB SAT MB CAT ZTA SAT ZTA CAT Na amostra ZTA-CAT observaram-se tensões residuais trativas, porém com valor médio menor em módulo em comparação, na mesma região, com valores da amostra sem tratamento de alívio de tensões. Na amostra MB-CAT verificaram-se tensões residuais compressivas, com valores inferiores ao da amostra MB-SAT. Considerando os desvios padrões de cada ensaio, foi observado que após o tratamento de alívio de tensões as curvas de tensões residuais tendem a se aproximar do valor zero, característica típica de um tratamento de alívio de tensões. Está característica também foi observada nas amostras dos aços AISI A seguir, nas Fig. 11 e Fig. 12, são apresentadas as micrografias realizadas nas amostras relativas às microestruturas do material no metal base e na ZTA. Figura 11. Aço AISI Microestrutura do metal de base constituída de ferrita e perlita. A micrografia do aço AISI 4340 apresentou no metal base, uma microestrutura de grãos equiaxiais constituídos de ferrita e perlita fina, conforme Fig. 11. Figura 12. Aço AISI Microestrutura da zona termicamente afetada constituída de bainita e martensita.

9 Na figura 12, observa se a região da ZTA, onde os grãos foram mais aciculares e constituídos de bainita e martensita. Como a transformação de austenita para martensita ou para bainita implica em expansão volumétrica, e as regiões vizinhas menos aquecidas ou até frias e não transformadas impedem tal expansão, isto justifica o alto valor de tensões residuais compressivas no material transformado. O efeito de contração tende a gerar tensões residuais trativas, enquanto que o resfriamento superficial mais intenso e a transformação de fase tendem a gerar tensões compressivas na ZTA (Macherauch e Wohlfahrt, 1977). Com isso, pode-se perceber que é a interação entre esses efeitos que determinará o comportamento de uma peça soldada. No aço AISI 1020, na região da ZTA-SAT surgiram tensões residuais trativas, enquanto que no aço AISI 4340 surgiram tensões compressivas. E isto é consistente com a teoria, pois nas amostras de aço AISI 4340 ocorreram transformações de fases, indutoras de tensões compressivas. Pode-se observar que as tensões residuais analisadas apresentaram um comportamento não uniforme ao longo da profundidade (1mm), e também que a região do metal base apresentou tensões residuais compressivas com valores significativos próximos a superfície das amostras. Este fato pode ser relacionado à usinagem realizada antes da soldagem. 6. CONCLUSÃO Com este trabalho foi possível constatar a sensibilidade do ensaio de furo cego ao tratamento de alívio de tensões, e observar que as tensões residuais apresentaram comportamento não uniforme ao longo da profundidade analisada. Os resultados de tensões residuais para as amostras sem tratamento de alívio de tensão para o aço AISI 1020 apresentaram características compressivas no metal base e trativas na ZTA. Já para o aço AISI 4340 observou-se o comportamento compressivo no metal base e na ZTA. Tais resultados podem ser correlacionados com a teoria, porém, para a obtenção de valores mais acurados, é necessário que se aumente o número de ensaios. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CAPES pela concessão da bolsa de Mestrado, e à FAPERJ pelo apoio na aquisição do equipamento de medição de tensão residual pela técnica do furo cego (SINT MTS 3000), pela EEIMVR da UFF. 8. REFERÊNCIAS Aggen, G.; Akstens, F. W.; Allen, C. M.; Avery, H.S.; Babu, P.; Bayer, A. M.; Bello, F.; Bhat, S., Amercian Society for Metals International. ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering. ASM International, USA. Corrêa, S. R.; Campos, M. F.; Marcelo, C. J.; Castro, J. A.; Fonseca, M. C.; Chuvas, T. C.; Xavier, C. R.; Júnior, H. G. D.; Campos, M. A.; Padoves, L. R., Avaliações das Tensões Residuais em Amostras Soldadas pelo Processo de Soldagem MAG Através das Técnicas do Ruído Magnético de Barkhausen e por Difração de Raio-X. Anais do 7º Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. Delgado Júnior, H. G., Modelamento Matemático e Investigação Experimental da Evolução das Tensões na Soldagem de Aços. Tese de Doutorado, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda-RJ, Brasil. Macherauch, E.; Wohlfahrt, H., Different Sources of Residual Stress as a Result of Welding. Masabuchi, K., Residual Stresses and Distortion, Welding, Brazing and Soldering. Metals Handbook, American Society for Metals. Vol. 6. Modenesi, P. J., Efeitos Mecânicos do Ciclo Térmico. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte-MG, Brasil, Raj, B.; Jayakumar, T., NDE Methodologies for Characterisation of Defects, Stresses and Microstructures in Pressure Vessels and Pipes. Totten, G; Howes, M; Inoue, T. Handbook of residual stress and deformation of steel. ASM International. Ohio, USA, RESPONSABILIDADE AUTORAL Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.

10 CHARACTERISTICS OF RESIDUAL STRESS S BY BLIND HOLE TECHNIQUE IN WELDED SAMPLE Éverson Fabiano Santos, eversonfs@id.uff.br 1 Sandro Rosa Corrêa, sandro_rcorrea@yahoo.com.br 1 Marcos Flávio de Campos, mcampos@metal.eeimvr.uff.br 1 José Flávio Silveira Feiteira, joseflavio@vm.uff.br 1 Célio de Jesus Marcelo, celiomarcelo@ig.com.br 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, 420, Vila Santa Cecília, Volta Redonda, RJ. Abstract: A careful evaluation of the welded components is required due to the presence of residual stresses that are generated during the welding process, since these will be added to the applied voltages during operation of these components. Residual stresses are major determinants of the quality of welded parts and can cause a reduction in component life. Therefore, it is of utmost importance to determine its distribution and its control. These residual stresses in welding are a consequence of the heterogeneity of the material temperature. In this paper, samples of AISI 1020 and AISI 4340 were welded by MAG (Metal Active Gas) and heat treated for stress relief. Assays were performed high-speed hole drilling method, and thus, it was possible to characterize the distribution of the residual stress in the base metal (BM) and the heat affected zone (HAZ) of samples and compare them with the results presented in theory. Keywords: Residual Stresses, Blind Hole, Welding.