INFLUÊNCIA DO ÂNGULO DE BISEL 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 influência exercida pelo ângulo de bisel no cálculo de tensões residuais foi avaliada através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC) em chapas de aço naval ASTM A-131 grau AH-36. Chapas de teste com dimensões de 7823
200 mm x 70 mm e 13,7 mm de espessura foram soldadas pelo processo GMAW seguindo o sentido de laminação. Nestas amostras foi variado o ângulo de bisel, enquanto que os demais parâmetros foram mantidos. Os resultados preliminares mostraram que o aumento do ângulo de bisel de 25º para 35º, produziu uma redução na tensão residual. Os valores de tensão passaram de uma média de 138,13MPa para 28,29MPa a 3mm do cordão de solda e 153,65MPa para 31,96MPa a 2mm do cordão de solda. Estes resultados evidenciaram que, num processo multipasses, o maior número de passes e maior volume de metal depositado (bisel 35 ) contribuíram para redução das tensões residuais. Palavras-chave: tensões residuais, ângulo de bisel, deslocamento de pontos coordenados, chapas navais, gmaw. INTRODUÇÃO Tensões residuais são comumente classificadas como 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) Na soldagem, tensões residuais são introduzidas pelo elevado gradiente de temperatura devido ao aquecimento e resfriamento não homogêneo, e são originadas principalmente devido à contração no resfriamento, somada ao resfriamento superficial intenso e às mudanças de fase. Como o aço em questão é um aço termicamente tratável, é possível afirmar que o fluxo de calor durante a soldagem produz transformação de fase, modificando sua microestrutura e as propriedades da área afetada, sendo então o grande responsável pela existência de tensões residuais e distorções. Para que fosse possível o comparativo entre as amostras, durante todo o processo os parâmetros de soldagem foram mantidos constantes, de modo que o aporte térmico não variasse. Este pode ser calculado através da Eq. (A) a seguir: 7824
(A) Quando o aporte térmico varia, o fluxo de calor é modificado, modificando também 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 ZTAs - Zonas Termicamente Afetada 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, e consiste em medir o deslocamento de pontos previamente mapeados por meio de uma Mesa de Medição de Coordenadas (MMC). Com esses valores e o módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do material em questão, as tensões residuais podem ser calculadas. MATERIAIS E MÉTODOS Usinaram-se (Fig.1) chapas de aço naval ASTM A-131 grau AH-36 com altura de raiz de 2mm e seus respectivos ângulos de bisel de 25 e 35 graus com o objetivo de se calcular as tensões residuais através do método de Deslocamento de Pontos Coordenados (DPC). 7825
Figura 1. Chapa 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. 7826
Dois pares de chapas de 70 x 200mm foram soldadas duas a duas com parâmetros definidos como padrões, com ângulo de bisel de 25º, conforme listado na Tab. 1. 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, variando o ângulo de bisel para 35º, conforme Tab. 2. Amostra Tensão média Corrente média Vel. de soldagem Aporte médio (V) (A) (mm/s) (W) αbisel (º) 3 19,82 169,70 6 560,58 35 4 19,99 169,33 6 564,13 35 Tabela 2. Parâmetros de soldagem para chapas com ângulo de bisel alterado 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 (Fig. 5). 7827
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. A próxima etapa consiste na realização de um tratamento térmico de recozimento a 740ºC (Fig. 7) com o objetivo de aliviar as tensões, sendo assim possível a medição das extensões dos deslocamentos dos pontos medidos, uma vez que houve 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). 7828
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 puderam ser calculadas para condição de estado plano através das equações (C) e (D) (7) : (C) (D) Sendo: 7829
: tensão residual longitudinal direção de soldagem (Pa); : tensão residual transversal normal à direção de soldagem (Pa); : 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, foram 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 αbisel (º) σx1,2a (MPa) σx3,4,5a (MPa) σy1,2a (MPa) σy3,4,5a (MPa) 1 25 184,18 202,96 232,29 252,45 2 25 92,08 104,34 109,56 123,68 3 35 40,24 54,17 49,17 64,84 4 35 16,33 9,76 21,15 11,88 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 no ângulo de bisel (3 ou 4) e destaca como o aumento no ângulo de bisel (de 25 para 35 graus) implica numa redução nas tensões residuais, uma vez que há uma maior interface metal de base x cordão de solda, favorecendo 7830
a dissipação térmica, além do maior volume a ser preenchido demandar mais passes, de modo que cada passe subsequente atua como um mecanismo de alívio de tensões para o passe prévio. O número de passes tem grande efeito na distribuição de tensões residuais, de modo que com o aumento no número de passes, 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 o ângulo de bisel 7831
e as tensões residuais de soldagem, 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 eleva o ângulo de bisel mantendo-se os demais parâmetros constantes velocidade de soldagem, corrente, tensão, velocidade de alimentação do arame -, mais passes se fazem necessários 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. 7832
[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 BEVEL ANGLE IN CALCULATION OF RESIDUAL STRESS BY USING DCP METHOD IN NAVAL WELDED SHEETS ABSTRACT The influence of bevel angle in calculation of residual stress was evaluated by using the Displacement of Coordinated Points Method in naval ASTM A-131 grade AH-36 steel sheets. Pairs of 200 x 70mm with 13,7mm thickness samples were welded through GMAW process with bead in rolling direction. In these samples, bevel angle was switched while the rest of parameters were kept constant. It was observed that that by raising bevel angle from 25º to 35º, residual stress was reduced. Residual stress values went from an average of 138,13MPa to 28,29MPa at 3mm of the weld bead, and 153,65MPa to 31,96MPa at 2mm of the weld bead. These results show that in a multiple-layer welding, the higher number of layers and greater weld volume (35º bevel) contributed to reducing residual stress. Keywords: residual stress, bevel angle, displacement of coordinated points, naval sheets, gmaw. 7833