O uso de aços estruturais com grão fino e alta resistência mecânica tem apresentado significativo aumento na construção de superestruturas e equipamentos de elevação. Essa tendência levou ao desenvolvimento de metais-base e de materiais para adição ao longo dos últimos anos (1). Devido à sua alta resistência mecânica e boa soldabilidade, esses aços viabilizaram a confecção de estruturas mais leves e com paredes de menor espessura, além de influenciar a intensificação dos requisitos de segurança referentes à fabricação de componentes (2). A análise dos fenômenos metalúrgicos leva ao estudo da evolução térmica que ocorre durante a soldagem, fator que possibilita a formação de microestruturas cujas propriedades promovem a efusão do hidrogênio e a supressão da nucleação de trincas (3,4) . Um parâmetro adequado para determinar a evolução térmica é o tempo de resfriamento Δt8/5 , ou seja, o intervalo entre as faixas de temperatura de 800°C e 500°C, além de fórmulas e algoritmos que definem os parâmetros de evolução térmica em casos específicos (4-6) .

Altas tensões internas favorecem a nucleação de trincas. Além da avaliação da magnitude e distribuição das tensões residuais decorrentes da soldagem, é necessário diminuí-las pela aplicação de uma evolução térmica adequada antes, durante e após a união de aços estruturais, principalmente no caso dos que apresentam grão fino e alta resistência mecânica. Contudo, isso requer um conhecimento profundo sobre a interação entre evolução térmica, material e razões de rigidez na região adjacente à estrutura (figura 1) (7,8) . As investigações feitas até o momento tiveram como foco as tensões locais, sobretudo sob contração livre, em corpos de prova soldados em escala laboratorial (9,11). Entretanto, outros estudos numéricos e experimentais comprovam a relação entre o surgimento de solicitações decorrentes da soldagem e as dimensões do componente e relações de rigidez (8,12-18) .

As tensões residuais locais decorrentes da soldagem se sobrepõem às tensões de reação

Fig. 1 – Interações durante a montagem do componente (7,8)

que atuam globalmente, as quais decorrem de restrições externas (19). Assim, pode ocorrer, particularmente no cordão de solda, uma elevação das tensões residuais máximas até que elas atinjam níveis críticos, em razão da magnitude da rigidez da região adjacente da estrutura (12). Além disso, conforme mostrado pelas análises feitas a partir de ensaios de soldagem sob condições definidas de restrição à contração, a evolução térmica influencia significativamente as solicitações decorrentes da soldagem (8,13-16,20) . Foram constatados efeitos particularmente significativos sobre as tensões de reação globais provenientes da temperatura durante os passes de soldagem, em razão do aporte de energia específico. Devido a isso, é necessário

que as análises considerem as solicitações decorrentes da soldagem como, por exemplo, efeitos de apoio e condições de condução térmica nos componentes reais. Já foram elaboradas normas para operações de soldagem (por exemplo, DIN EN 1011-2, SEW 088, EC 3) as quais são preferencialmente aplicáveis a aços de menor resistência mecânica ( 5,6, 21) . De forma geral, as solicitações decorrentes da soldagem devem ser consideradas para a determinação de coeficientes de segurança. Ainda há uma carência de estudos que possibilitem uma melhor avaliação, bem como redução e consideração, das tensões residuais em aços estruturais com grão fino e alta resistência mecânica. Entretanto, a determinação da segurança de uma solda de alta resistência mecânica requer um maior conhecimento da magnitude e distribuição de tensões induzidas pela soldagem, uma vez que elas influenciam diretamente a capacidade de suportar carga da junta. Os resultados aqui apresentados foram obtidos a partir de análises baseadas num planejamento estatístico de experimentos realizados para um projeto de pesquisa patrocinado pela Associação Industrial

Ensaio

Fig. 2 – a) Dimensões dos corpos de prova para os ensaios sob contração livre; e b) configuração das camadas, preparação do cordão e parâmetros de soldagem.

de Pesquisa e Desenvolvimento alemã (Industrielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.).

Procedimento experimental

Foi estudado o aço estrutural com grão fino e alta resistência mecânica S960QL, temperado em água, na forma de chapas com espessura de 20 mm, bem como um material similar para adição durante a soldagem, definido pela norma técnica DIN EN ISO 16834-A – G 89 6 M21 Mn4Ni2CrMo. O primeiro passe de soldagem foi feito utilizando material para adição com menor resistência mecânica, em razão da sua melhor capacidade de escoamento (tabelas 1 e 2, pág. 57).

A soldagem a arco sob gás ativo (processo MAG), com aplicação de múltiplas camadas, foi feita de maneira totalmente mecanizada, usando os parâmetros de processo mostrados na figura 2b. Primeiramente, os corpos de prova foram soldados sem restrições externas à contração, estabelecendo um ponto de partida para as análises de tensões residuais (figura 2a). Soldados sob

condições de contração livre, eles foram submetidos a ensaios para a determinação das propriedades mecânicas do cordão de solda. A seguir foram estabelecidas as condições de restrição à contração durante a soldagem e resfriamento, usando uma máquina de ensaios com capacidade de carga de 2 MN (figura 3, pág. 59). Foi adotada a escala de fixação proposta por Satoh e outros para que fossem feitas comparações entre as estruturas soldadas com relação ao nível de restrição construtiva à contração. Portanto, é o grau de fixação na direção transversal ao cordão de solda, R Fy, o qual corresponde à constante de mola ao longo do cordão, que a junta soldada impõe ao componente (22,23) . Tal restrição pode ser determinada no caso das juntas soldadas de topo simples. No caso das juntas do componente analisado nesse trabalho, o cálculo do grau de fixação para um cordão de solda para a união de componentes de guindaste móvel foi feito pelo método de elementos finitos (12). Para garantir a obtenção de uma restrição construtiva à contração

Fig. 3 – a) Dimensões do corpo de prova extraído de elemento de construção; e b) máquina de ensaios com capacidade de 2 MN e configuração do ensaio. 1) Pirômetro bicolor; 2) Tocha MAG; 3) Manta de aquecimento; 4) Corpo de prova extraído de elemento de construção com termopares; 5) Garra com dispositivo para fixação; 6) Cilindro hidráulico.

próxima das condições reais na direção transversal ao cordão de solda, o correspondente grau de fixação foi transposto ao arranjo experimental. Esse grau de fixação R Fy foi igual a 3 kN/(mm x mm). Chapas de entrada e de saída foram temporariamente unidas às metades do corpo de prova para minimizar a influência de valores instáveis da razão do arco durante a ignição e o desligamento. Nos ensaios, a variação da evolução térmica ocorreu pela alteração da temperatura de aplicação do passe de soldagem Ti (tabela 3, pág. 60). A evolução térmica foi determinada pelo tempo de resfriamento Δt 8/5' ou seja, o intervalo de tempo decorrido entre as faixas de temperatura de 800°C e 500°C, o qual é relevante para a prática industrial.

A máquina de ensaios com 2 MN de capacidade monitorou as forças

Ensaio

de reação durante o pré-aquecimento, a soldagem e o resfriamento do corpo de prova analisado até que ele obtivesse a temperatura ambiente, enquanto era submetido à contração. As temperaturas de pré-aquecimento oriundas dos passes de soldagem durante os ensaios foram medidas por termopares do tipo K, a 10 mm de distância do flanco do cordão de solda. Além disso, as temperaturas no cordão durante os passes de soldagem foram controladas por meio de um termopar posicionado sobre ele. As temperaturas da camada de metal depositada por soldagem foram medidas por meio de um pirômetro bicolor, com faixa de medição entre 350°C e 1.300°C; com o objetivo de calcular o tempo de resfriamento Δt8/5. As tensões transversais locais na superfície do cordão de solda foram analisadas por um difratômetro portátil de raios-X, tanto na condição fixa como descarregada.

Resultados experimentais e discussão

Tempo de resfriamento e ensaios do cordão de solda

A figura 4 mostra uma macrografia do cordão de solda e os valores do tempo de resfriamento Δt8 /5 que foram obtidos durante os ensaios. As propriedades mecânicas e tecnológicas determinadas experimentalmente a partir de um corpo de prova soldado sob condição de contração livre, com os mesmos valores de tempo de resfriamento Δt 8/5, não mostraram desvios significativos em relação aos requisitos impostos pela norma.

Fig. 4 – Macrografia e tempo de resfriamento Δt8/5 medido

Forças e tensões de reação

A figura 5 mostra um exemplo da evolução da força de reação Fy (t) e da temperatura T(t) ao longo do tempo para o ensaio n° 3, tabela 3. Primeiramente, a força de compressão ocorrida durante o pré-aquecimento atuou sobre os dois lados das metades unidas do corpo de prova. Isso corresponde, no primeiro passe da soldagem, a uma força de reação Fy igual a -82 kN. Durante a soldagem do primeiro passe o metal depositado e solidificado promoveu um nítido aumento da força de contração transversal. Durante o resfriamento da raiz do cordão a força de reação se elevou ainda mais em razão da contração transversal

Fig. 5 – Força de reação Fy (t) e temperatura T(t) (ensaio n° 3, número de camadas, 10; temperatura de pré-aquecimento (T ), 120°C; temperatura Pde aplicação do passe (T ), 100°C; aporte de energia específica (E), i0,95 kJ/mm; tempo de resfriamento Δt8/5, 6 s).

restringida, alcançando um primeiro valor máximo de Fy igual a 121 kN sob temperatura Ti igual a 100°C. A deposição da camada seguinte fez com que ocorresse uma redução da força de reação, uma vez que o aporte térmico local promove o relaxamento do material na raiz do cordão de solda. Um novo e contínuo aumento da força de reação ocorreu durante a fase de resfriamento seguinte, sob temperatura Ti entre passes de soldagem igual a 100°C. Isso também foi observado durante a aplicação das camadas seguintes de solda para o preenchimento e cobertura, e foi constatado que a amplitude da força de reação cresceu a cada ciclo de soldagem, uma vez que a seção transversal do cordão de solda se expande em razão do aporte de calor de cada ciclo. A força de reação atingiu o seu valor máximo após o resfriamento pleno, até a temperatura ambiente.

A figura 6 (pág. 62) mostra a evolução das forças de reação Fy(t) para dois valores de temperatura durante os passes de soldagem, Ti, 100°C e 200°C (ensaios n° 2 e 3). A comparação dos gráficos mostra que o comportamento das curvas é qualitativamente semelhante. Foi constatada a necessidade de aplicação de aquecimento adicional para manter

Ensaio

um valor elevado da temperatura Ti após o primeiro passe de soldagem, igual a 200°C. Contudo, ocorreu uma diminuição do tempo de soldagem que se fez necessária.

Pode-se constatar uma diferença quantitativa adicional em termos da evolução das forças de reação F y (t), particularmente quando são comparadas as amplitudes de força nos ciclos de soldagem isolados. Foram constatados, sob maiores valores da temperatura dos passes de soldagem, níveis significativamente menores da amplitude das forças de reação durante o processo. Isso pode ser atribuído às fases de resfriamento mais curtas decorrentes das maiores temperaturas oriundas dos passes de soldagem e à maior quantidade de calor que permanece entre as camadas isoladas de metal depositado, e depende dos correspondentes ciclos de soldagem, além da redução comparativamente menor das forças de contração transversal. No início

Fig. 6 – Força de reação F (t) para diferentes temperaturas de aplicação dos passes de soldagem (ensaios n° 2 e 3; aporte de energia específica (E), 0,95 kJ/mm; número de camadas, 10; temperatura de pré-aquecimento (TP ), 120°C; temperatura de aplicação do passe (Ti): 200°C (ensaio n° 2) ou 100°C (ensaio n° 3); tempo de resfriamento Δt8/5 : 7,5 s (ensaio n° 2) ou 6 s (ensaio n° 3)).

do resfriamento da camada de cobertura, a temperatura elevada faz com que a força de reação aumente apenas um valor correspondente à sua metade. Contudo, é necessário considerar que, devido aos menores tempos para o resfriamento entre os ciclos de soldagem, ocorre um aporte térmico global significativamente elevado após a aplicação do último passe de soldagem.

O elevado aporte térmico global promove, após o resfriamento até a temperatura ambiente, um aumento da ordem de 30% da força ou tensão de reação final. A figura 7 (pág. 63) mostra as tensões de reação σ_y,end na direção transversal do cordão de solda após o resfriamento pleno. Foi feita uma análise estatística das tensões de reação, uma vez que elas estão associadas à seção transversal do corpo de prova (área A igual a 200 x 20 mm), que revelou que as tensões de reação dependem, de forma significativa, da temperatura entre passes de soldagem, tendo apresentado concordância com os resultados obtidos em trabalhos anteriores (15,16,20).

Tensões internas locais decorrentes da soldagem

Em função da sobreposição das tensões de reação na direção da seção transversal do cordão de solda, esta análise se concentrou na interação entre a distribuição local de tensões internas transversais σ Ey(y), evolução térmica e grau de fixação. A figura 8 (pág. 64) mostra a distribuição de tensões internas transversais σEy(y) ao longo do cordão de solda para ‘x’ igual a zero (meio do cordão) e duas condições de fixação (ensaios no 1 e 2). Os gráficos mostram as distribuições de tensões residuais transversais típicas para o caso de aços processáveis, conforme os conceitos de formação de tensões residuais (10,24,25).

O valor máximo das tensões residuais transversais ocorreu próximo à linha intermediária da última camada de metal depositada por soldagem. Foi constatado que áreas próximas à linha de fusão apresentaram valores máximos secundários de tensão residual. Os perfis de tensões internas transversais apresentaram pontos de sela acentuados no meio das três últimas camadas de metal depositadas

Fig. 7 – Força de reação na direção transversal do cordão de solda σy,end sob resfriamento pleno até a temperatura ambiente, em razão da temperatura de deposição dos passes de soldagem T i.

por soldagem, os quais decorreram da sobreposição de tensões internas de transformação. Particularmente, as tensões residuais transversais máximas de tração, apresentando 650 MPa (cerca de 70% do limite de escoamento a 0,2% de deformação (Rp0.2) do metal depositado por soldagem) foram aumentadas quando o corpo de prova soldado foi fixado. A elevação da temperatura entre passes de soldagem do componente (ensaios no 2 e 3) levou a um aumento das tensões residuais de tração na região do cordão (figura 9, pág. 64). Por esse motivo, foram acentuadamente elevados os valores máximos das tensões internas de tração transversais nas últimas camadas de metal depositado.

Tal constatação foi possível graças ao alto aporte térmico utilizado após a aplicação sob alta temperatura da camada de cobertura durante a soldagem, como já havia sido verificado no caso da força de reação Fy (t) (figura 6, pág. 62). O resfriamento pleno posterior promove uma elevada restrição local à contração não-homogênea no cordão de solda (25). Além disso, as tensões globais

Ensaio

Fig. 8 – Tensões internas transversais σEy(y) sobre o cordão de solda na posição ‘x’ igual a zero (meio do cordão), para duas condições de fixação (ensaios n° 1 e 2; T i igual a 200°C).

Fig. 9 – Tensões internas transversais σEy (y) sobre o cordão de solda na posição ‘x’ igual a zero (meio do cordão) no componente (ensaio n° 2; temperatura de aplicação dos passes de soldagem Ti, 200°C; ensaio n° 3; Ti, 100°C).

de reação se elevaram quando os passes de soldagem foram aplicados sob menores temperaturas. A sobreposição de solicitações mecânicas decorrente dessa situação está associada, de forma correspondente, ao surgimento de tensões internas de tração transversais mais elevadas.

A figura 10 mostra a distribuição de tensões internas transversais σ Ey (y) no cordão de solda, as quais foram medidas antes e depois do descarregamento de um corpo de prova extraído da peça analisada. A liberação da fixação do corpo de prova soldado surtiu efeito semelhante a um deslocamento paralelo do perfil de tensão residual transversal. A magnitude desse deslocamento correspondeu, aproximadamente, à tensão de reação. No exemplo mostrado, o deslocamento médio das tensões internas transversais, Δσy, foi da ordem de 115 Mpa.

As tensões internas transversais médias nas proximidades do cordão de solda, ΔσEym (y 1 igual a -20, y2 igual a +20), foram calculadas pela equação (1):

e analisadas estatisticamente, sendo comparadas em função do grau de fixação e da temperatura de aplicação do passe de soldagem conforme mostra a figura 11 (pág. 66). Portanto, foi possível constatar que uma elevada rigidez construtiva RFy, igual a 3 kN/(mm x mm), promoveu um aumento de cerca de 80% da tensão residual transversal. A redução da temperatura de aplicação dos passes de soldagem do componente, por sua vez, levou a uma redução de aproximadamente 20% do valor médio da tensão residual transversal.

Fig. 10 – Tensões internas transversais σEy (y) sobre o cordão de solda na posição ‘x’ igual a zero (meio do cordão) no componente antes e depois do descarregamento (ensaio n° 2; temperatura de aplicação dos passes de soldagem Ti, 200°C).

Conclusões

Esse trabalho tratou da influência da evolução térmica sobre as solicitações mecânicas induzidas pela soldagem em componentes feitos com aço estrutural com grão fino e alta resistência mecânica. Para tanto, foram feitos ensaios de soldagem MAG com aplicação de múltiplas camadas em chapas com 20 mm de espessura, sob contração livre ou sob condições de restrição à contração, definidas e próximas das condições reais. A evolução térmica variou em função da temperatura de aplicação dos passes de soldagem (Ti), a qual foi igual a 100°C ou 200°C. Medições feitas em linha, usando um aparato experimental, possibilitaram observar a atuação das forças de reação durante a soldagem e o resfriamento. As tensões residuais locais induzidas pela soldagem no cordão de solda foram determinadas por meio de difratometria de raios-X. As análises efetuadas permitem enunciar as seguintes conclusões:

• O resfriamento pleno até as temperaturas mais baixas de aplicação dos passes de soldagem levou a uma significativa redução das tensões de reação, confirmando os resultados obtidos pelas análises feitas anteriormente (15,16). Neste trabalho, esse efeito foi demonstrado para o aço de alta resistência S960QL.

• Com base em estudos sobre a influência da evolução térmica sobre as tensões de reação em função de restrições externas (15,16,20 ), foram analisadas as tensões internas locais induzidas pela soldagem. Foi possível, particularmente devido ao auxílio proporcionado pela abordagem desenvolvida para as tensões internas transversais médias, quantificar os efeitos e a interação da evolução térmica, bem como das condições de fixação, e comparar as solicitações mecânicas globais induzidas pela soldagem nos corpos de prova de elementos de construção e nos soldados com restrição livre.

• A sobreposição das solicitações globais e locais induzidas pela soldagem promoveu um aumento das tensões residuais. A elevação das tensões residuais transversais médias correspondeu, aproximadamente, às tensões de reação finais que foram medidas. O deslocamento paralelo do perfil de tensões residuais transversais que ocorreu ao se descarregar o corpo de prova de elemento de construção correspondeu igualmente, de forma aproximada, à tensão de reação final.

Além disso, uma adaptação da evolução térmica, proveniente da redução da temperatura dos passes de soldagem, promoveu uma redução de mais de 20% das tensões residuais transversais de tração. O

 

Fig. 11 – Valores médios das tensões residuais transversais na direção transversal ao cordão de solda σ Ey,m em função: a) do grau de fixação R (temperatura de Fy aplicação dos passes de soldagem Ti igual a 200°C); e b) da temperatura de aplicação dos passes de soldagem (grau de fixação RFy, 3 kN/(mm x mm)).

 

tempo de resfriamento Δt8/5 e as propriedades mecânicas e tecnológicas do cordão de solda devem ser considerados ao serem definidas as evoluções térmicas adequadas, por exemplo, pela elevação do aporte de energia durante a soldagem (4) .

Os resultados e conhecimentos obtidos a partir das análises apresentadas nesse trabalho podem servir de base para que sejam estabelecidos conceitos e recomendações otimizados em termos da evolução térmica, os quais deverão ser agregados às normas de soldagem de aços estruturais com grão fino e alta resistência mecânica.

Agradecimentos

O projeto de pesquisa da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento ( Indus trielle Gemeinschaf tsforschung, IGF ) de número IGF-17267 N (P922), intitulado “Influência da evolução térmica sobre a formação de tensões residuais e a probabilidade de trincamento a frio em estruturas soldadas feitas de aço estrutural com grão fino e alta resistência mecânica”, proposto pela Associação de Pesquisa sobre Aplicação de Aços (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.), foi patrocinado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.) por meio do Programa de Promoção da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (IGF) do Ministério Federal Alemão para Economia e Energia, com base numa resolução do Parlamento Alemão. Os autores agradecem por esse apoio e pela ativa cooperação dos representantes das empresas que participaram do comitê de acompanhamento desse projeto.

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