Alívio de tensões em juntas soldadas

Alívio de tensões em juntas soldadas

O processo de soldagem é utilizado em grande parte dos processos modernos de fabricação, mas há uma consequência a ser considerada à soldagem: impõe uma tensão residual devido ao aquecimento e resfriamento localizado, principalmente proveniente dos processos por fusão ao arco elétrico.

A Fig. 1 representa a deformação que ocorre em uma junta soldada, onde o esquema à esquerda representa dilatação provocada pelo aquecimento gerado pelo processo de soldagem e após o resfriamento há uma contração da solda localizada provocando uma deformação plástica na áreas adjacentes à solda no metal base, esquema do lado direito, formando assim, as tensões residuais.

A força resultante deste processo é complexa e é difícil de se determinar com precisão seu grau de deformação e tensões residuais, pois há muitas variáveis envolvidas. Então, como podemos minimizar esse efeito causado no processo de fabricação? Quais são os fatores que influenciam na ocorrência das tensões residuais?

Um dos fatores é a tensão residual introduzida devido ao intenso aquecimento e resfriamento ocorrido em uma pequena área da região provocando uma concentração de tensões, que de acordo com uma série de variáveis principais podem fragilizar o conjunto soldado, reduzindo a vida útil de operação, ou tornando-se frágil onde poderá ocorrer fratura e o sistema entrar em colapso. O resultado das tensões residuais permanece após a solda ser executada. Por exemplo, a deformação dimensional da peça (empenamento) e torção, que se a peça estiver livre é notadamente observado, mas se o conjunto mecânico estiver travado ou constrito, haverá menor deformação, porém as tensões residuais continuaram a atuar neste conjunto com mais intensidade, podendo em algumas situações provocar uma fratura localizada.

O tratamento térmico de alívio de tensões é a mais importante operação para garantir a estabilidade de um conjunto soldado. O tratamento térmico em metais é um conjunto de operações que envolve aquecimento, tempo de permanência em uma determinada temperatura e resfriamento sob condições controladas. Seu objetivo é melhorar as propriedades do material ou conferir-lhe características pré-determinadas. Na soldagem, o tratamento térmico para alívio de tensões permite reduzir a um limite mínimo e aceitável as tensões residuais, que conforme o código ASME devem ser atenuadas em no mínimo 80%, que é provocado pelas operações de soldagem e ou conformação mecânica.

No gráfico da Fig. 2, pode-se observar que quanto maior a temperatura de alívio de tensões, maior será a queda das tensões residuais. Na temperatura de 700°C, muito próximo de A1, as tensões residuais chegam próximo de zero, ou seja, quando a temperatura ultrapassar a temperatura de recristalização do aço, as tensões serão eliminadas, porém há uma redução significativa da resistência mecânica. Portanto, normas limitam a temperatura do tratamento térmico de alívio de tensões entre 100°C à 150°C abaixo de A1. Assim, é possível conservar a resistência mecânica em níveis adequados e reduzir as tensões residuais a níveis que não interfiram no desempenho da junta soldada.

Existem métodos mecânicos e térmicos para reduzir ou aliviar as tensões residuais. Os processos mecânicos mais usuais são o martelamento e vibração. Já os térmicos são o alívios de tensões, o recozimento a altas temperaturas e o alívio de tensões a baixas temperaturas, conhecido como envelhecimento.

O alívio de tensões é análogo ao tratamento térmico de revenimento, geralmente feito após operação de têmpera em aços. Suas características são muito semelhantes, inclusive quando na ocasião da soldagem de aços temperados e revenidos, as temperaturas de tratamento devem ser inferiores a 50°C para garantir as propriedades mecânicas do aço. As temperaturas de patamar devem ser inferiores às temperaturas de recristalização do material (A1). Não confundir as operações de alívio de tensões com o tratamento de recozimento, pois suas temperaturas são mais elevadas.

Os cálculos para determinar as tensões residuais são complexos e dependem de uma série de variáveis, onde as mais importantes são: a tensão de escoamento do material base na temperatura em que foi submetido, os elementos de liga e sua respectiva quantidade (%) no material base, a restrição da junta, temperatura de pré-aquecimento, temperatura máxima de aquecimento durante o processo de soldagem e velocidade de resfriamento.

Para a escolha do Tratamento Térmico de Alívio de Tensões (TTAT), há outras variáveis a serem consideradas, como a estabilidade dimensional. Se a estrutura estiver sujeita a solicitações severas de tensões, corrosão sob tensão e se o equipamento em serviço estiver com os elementos como amônia, hidrogênio e ácido sulfúrico (serviço letal). O alívio de tensões tem como principais benefícios aumentar a ductilidade, diminuir a dureza e melhorar as condições metalúrgicas da zona afetada pelo calor durante o processo de soldagem. Pode-se citar o exemplo da Fig. 2 para o uso de TTAT em um vaso de pressão de grandes dimensões, onde foi necessário o emprego do tratamento térmico em duas partes: forno convencional e posterior alívio de tensões localizado.

Nas próximas edições será detalhado mais o uso do TTAT, como determinar as tensões residuais e aplicações práticas em estruturas metálicas, máquinas, vasos de pressão, caldeiras, conjuntos mecânicos e tubulações.

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