INFLUÊNCIA DA TENSÃO 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: 50740-550 lgtmelo@terra.com.br R. A. S. Ferreira C. E. Mendes P. S. Barros T. L. Rolim O. O. de Araujo Y. P. Yadava RESUMO A tensão de soldagem foi variada em amostras soldadas para se analisar como ela influenciaria as tensões residuais. O cálculo das tensões residuais foi realizado através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC) em chapas de 7834
aço naval ASTM A-131 grau AH-36. Chapas de 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, sendo variada a tensão de soldagem enquanto que os demais parâmetros foram mantidos. Foi encontrado que com o aumento da tensão de soldagem média de 19,63V para 26,48V, se obteve uma redução na tensão residual, de uma média de 138,13MPa para 50,81Mpa a 3mm do cordão de solda e 153,65MPa para 47,39MPa a 2mm do cordão de solda. Com isso, observase que num processo multipasses, o maior aporte térmico contribui para a redução das tensões residuais. Palavras-chave: tensões residuais, tensão de soldagem, deslocamento de pontos coordenados, chapas navais, gmaw. INTRODUÇÃO Temos como tensões residuais as tensões internas que permanecem no material, elementos mecânicos e peças acabadas, mesmo quando não mais sob influência térmica ou mecânica. As tensões residuais são tensões auto equilibradas existentes nos materiais em condições de temperatura homogênea e sem carregamento externo. (1) Como num processo de soldagem existe um elevado gradiente de temperatura devido ao aquecimento e resfriamento não homogêneo, as tensões residuais são introduzidas. Isso se dá principalmente devido à contração no resfriamento, somada ao resfriamento superficial intenso e às mudanças de fase. Por ser um material termicamente tratável, o aço em questão sofre transformações de fase em função do fluxo de calor durante a soldagem, modificando sua microestrutura e as propriedades da área afetada, sendo então, este fluxo de calor, o grande responsável pela existência de tensões residuais e distorções. Para que fosse possível o comparativo entre as amostras, apenas a tensão de soldagem sofreu variação durante todo o processo, de modo que permaneceram constantes a velocidade de soldagem e corrente. Como a tensão de soldagem influi diretamente no aporte térmico, que pode ser calculado através da Eq. (A), o 7835
aumento na tensão de soldagem resulta num aumento proporcional do aporte térmico. (A) 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 (2) e, consequentemente, afeta a distribuição de tensões residuais na região da junta. A determinação das tensões residuais pode ser realizada através de diversos procedimentos experimentais, como as técnicas baseadas no furo cego ou difração de raios-x, e que podem ou não envolver procedimentos destrutivos. (3) Para estudar a influência dos parâmetros de soldagem nas tensões residuais, o método de Deslocamento de Pontos Coordenados foi utilizado, consistindo 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 O experimento foi conduzido em amostras de chapas de aço naval ASTM A- 131 grau AH-36 com o objetivo de se calcular as tensões residuais através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC). As amostras foram usinadas com altura de raiz de 2mm e ângulo de bisel de 25º (Fig.1). 7836
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. 7837
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 19,53 173,67 6 565,38 25 2 19,72 169,42 6 556,72 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 26,91 178,42 6 800,15 25 4 26,04 184,00 6 798,56 25 Tabela 2. Parâmetros de soldagem para chapas com tensão de soldagem alterada O método utilizado para medir as tensões residuais foi o DPC (4), 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). 7838
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). (5) 7839
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); 7840
: 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 Tensão Média (V) σx1,2a (MPa) σx3,4,5a (MPa) σy1,2a (MPa) σy3,4,5a (MPa) 1 19,53 184,18 202,96 232,29 252,45 2 19,72 92,08 104,34 109,56 123,68 3 26,91 18,12 14,26 25,82 19,72 4 26,04 83,49 80,51 104,16 102,83 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 o aumento na tensão de soldagem (de 19,63V para 26,48V) implica numa redução nas tensões residuais. Conforme a Eq. A, ao se manter constantes a corrente e velocidade de soldagem, com o aumento da tensão de soldagem, o aporte térmico 7841
aumenta proporcionalmente 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 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 tensão 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 7842
valores dentro dos esperados. A partir do momento em que se eleva a tensão de soldagem mantendo-se os demais parâmetros constantes velocidade de soldagem, 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] MACHERAUCH, E., KLOSS, K. H., 1997. Origin, Measurements and Evaluation of Residual Stress in Science and Technology. Ed. by Macherauch, V. Hauk, DGM VERLAG. [2] Zinn, W.; Scholtes, B. Residual Stress Formation Processes During Welding and Joining, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM Inter., p. 391-396, 2002. [3] CALLE, G. M. A, 2004. 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. [4] 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. 322-326, 2013. [5] Modenesi, P.J. Efeitos Mecanicos do Ciclo Térmico. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. 2001. [6] Rolim, T. L. 2003. Sistemática Indicadora De Método Para Calibração De Máquinas De Medição Por Coordenadas. Tese De Doutorado, Ufpb, João Pessoa, Pb. [7] Okumura, T.; Tanigusgi, C. 2002. Engenharia De Soldagem E Aplicações. Rio De Janeiro: Livros Técnicos E Científicos Editora. 7843
[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, 2851 2857, 2011. [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. 157 173, 2015. INFLUENCE OF WELDING VOLTAGE IN CALCULATION OF RESIDUAL STRESS BY USING DCP METHOD IN NAVAL WELDED SHEETS ABSTRACT Welding voltage value was switched in welded samples in order to analyze how it would influence residual stress. Residual stress calculation was done by using Displacement of Coordinated Points (DCP) method 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, while the rest of parameters were kept constant. It was found that while raising average welding voltage from 19,63V to 26,48V, residual stress was reduced from an average of 138,13MPa to 50,81MPa by 3mm of the weld bead, and 153,65MPa to 47,39MPa 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 voltage, displacement of coordinated points, naval sheets, gmaw. 7844