Formas de mitigação de tensoes residuais pos soldagem

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TÍTULO DO TCC: Controle e Alívio de Tensões Residuais e Distorções em Componentes Metálicos Soldados por Arco Elétrico
RESUMO
A soldagem a arco elétrico é um processo fundamental na união de componentes metálicos em diversas indústrias. Contudo, as características térmicas do processo induzem tensões residuais e distorções nas peças, que podem comprometer a integridade estrutural, a vida útil e a estabilidade dimensional dos componentes soldados. Este trabalho de conclusão de curso apresenta uma revisão da literatura sobre a origem das tensões residuais e distorções, seus efeitos prejudiciais e os métodos disponíveis para sua detecção, controle e alívio, com especial ênfase em tratamentos térmicos e mecânicos. O estudo visa identificar os benefícios do controle e alívio de tensões após a soldagem, ressaltando a importância dessas práticas para a melhoria da confiabilidade e desempenho de estruturas soldadas.
Palavras-chave: Soldagem; Tensões Residuais; Distorções; Tratamento Térmico; Tratamento Mecânico.
1. INTRODUÇÃO
A união de metais, um pilar da civilização humana, remonta a milênios. Desde as primeiras evidências de soldagem por martelamento em máscaras e ornamentos egípcios, por volta de 2000 a 3000 a.C., até o notável Pilar de Ferro de Delhi erguido por volta de 310 d.C., a capacidade de unir metais tem sido crucial para o desenvolvimento tecnológico e social (TWI Global, acessado em 2025). A soldagem por forja, praticada por ferreiros na Idade Média, demonstrava a arte de aquecer e martelar metais até sua união, consolidando as bases para futuras inovações (Valdeci, acessado em 2025).
O grande divisor de águas na história da soldagem ocorreu por volta de 1800, com a descoberta do arco elétrico por Sir Humphry Davy e, posteriormente, por Vasily Petrov em 1803 (Valdeci, acessado em 2025). Contudo, foi somente em 1881-82 que o arco elétrico contínuo foi aplicado à soldagem, por Nikolai Bernados e Stanislaw Olszewski, resultando na criação da soldagem a arco de carbono, considerada a primeira máquina de solda da história (TWI Global, acessado em 2025). O aprimoramento seguiu com a invenção dos eletrodos de metal por Nikolai Slavyanov e Charles Coffin em 1888, e o desenvolvimento de revestimentos para eletrodos em 1900, que estabilizaram o arco e melhoraram a qualidade das soldas.
A Primeira Guerra Mundial impulsionou a demanda por soldagem, com sua aplicação na construção de navios e aeronaves, marcando uma nova era para o processo. A introdução da soldagem automática na década de 1920, com a alimentação contínua do eletrodo, pavimentou o caminho para a modernização e automação que vemos hoje (TWI Global, acessado em 2025). Atualmente, a soldagem é o processo de fabricação mais empregado para a união de componentes mecânicos, oferecendo uma vasta gama de processos e aplicações, desde eletrônicos minúsculos até estruturas aeroespaciais complexas (Marques et al., 2011).
Apesar dos avanços, o processo de soldagem, especialmente os por fusão, está intrinsecamente associado ao aquecimento localizado e intenso da região da junta. Esse aquecimento e subsequente resfriamento resultam em variações volumétricas, gerando tensões residuais e distorções na forma e dimensão da peça soldada (Modenesi, 2008). Tensões residuais são aquelas que permanecem no material após a remoção de todas as cargas externas (Modenesi, 2008). Essas tensões podem levar a problemas como trincas, instabilidade dimensional, fratura frágil e diminuição da vida útil do componente (Modenesi, 2008; Soares, 1998).
Diante da criticidade desses fenômenos, este trabalho se propõe a realizar uma revisão da literatura sobre tensões residuais e distorções em peças metálicas submetidas à soldagem a arco elétrico. O objetivo geral é identificar os benefícios do controle e alívio de tensões após a soldagem, utilizando processos térmicos e tratamentos mecânicos.
1.1 Objetivos Específicos
· Realizar um estudo aprofundado sobre a origem das tensões residuais e distorções.
· Descrever os métodos para detecção, alívio, redução ou extirpação das tensões residuais pós-soldagem.
· Apresentar os processos térmicos e mecânicos utilizados para alívio de tensões após a soldagem, incluindo suas características e aplicabilidades.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Tensões Residuais
O processo de soldagem, especialmente os por fusão, envolve um aquecimento localizado e intenso da região de ligação, seguido por um resfriamento (Modenesi et al., 2006). Durante o aquecimento, as regiões aquecidas experimentam dilatações térmicas. Contudo, a expansão é restringida pelas partes adjacentes, que estão em temperaturas mais baixas, gerando deformações elásticas e, em muitos casos, até deformações plásticas na região da solda (Marques, 2013). Após a solidificação e o resfriamento, essas deformações levam ao surgimento de tensões residuais e distorções na forma e dimensão da junta soldada (Modenesi, 2008).
Tensões residuais são definidas como aquelas que permanecem na peça quando todas as solicitações externas são removidas (Modenesi, 2008). Elas podem surgir de diversos processos de fabricação, como fundição, soldagem, laminação, forjamento, usinagem, dobramento e têmpera (Modenesi, 2008). A soldagem, ao causar um aquecimento localizado e uma distribuição de temperatura desigual, resulta em alterações estruturais e metalúrgicas na solda e na Zona Afetada pelo Calor (ZAC) (Kou, 2002).
À medida que a poça de solda solidifica e se contrai, ela tensiona o metal de solda circundante e a ZAC. Inicialmente, a tensão é baixa devido à alta temperatura do metal. No entanto, com o resfriamento à temperatura ambiente, a tensão aumenta e pode atingir o ponto de escoamento do metal base e da ZAC (Masubuchi, 1980). A soldagem progressiva faz com que as partes já solidificadas resistam à contração das seções posteriores do cordão, gerando tensão longitudinal ao longo do cordão. Em juntas de topo, a movimentação transversal da solda é limitada, o que também leva ao surgimento de tensão residual transversal (Masubuchi, 1980). Já em soldas de filete, a tensão de contração é de tração ao longo do comprimento e na face da solda (Marques, 2013).
As tensões residuais na soldagem podem ocasionar dois problemas principais: distorção ou falha prematura do componente (Marques, 2013). A distorção ocorre quando a região aquecida da solda contrai de forma desigual, gerando forças excêntricas na seção transversal, o que causa uma deformação elástica não uniforme e, consequentemente, uma distorção visível (Miranda, 2006).
2.2 Distorções em Juntas Soldadas
Em juntas de topo em chapas, a distorção pode se manifestar como contração longitudinal e transversal, ou como uma alteração angular (rotação) (Marques, 2013). Essa rotação acontece porque a face da solda se contrai mais intensamente do que a raiz, resultando em uma flexão transversal das chapas ao longo do comprimento da solda (Marques, 2013). As distorções em soldas de filete são semelhantes às de topo, incluindo contração transversal e longitudinal, e distorção angular. Dada a frequência com que soldas de filete são integradas em estruturas complexas, a distorção resultante pode ser extremamente intrincada (Marques, 2013).
O controle da distorção é crucial e pode ser alcançado por meio de diversas técnicas que manipulam a geometria da junta soldada antes ou durante o processo (Marques, 2013; Masubuchi, 1980). As estratégias mais comuns incluem: (1) pré-posicionar as peças de forma que a distorção natural da solda as leve à geometria final desejada; (2) restringir as peças para impedir sua distorção durante a soldagem; e (3) projetar e executar a solda de modo que os depósitos de solda sejam equilibrados em relação à linha central da solda (Marques, 2013). A seleção do processo de soldagem e a sequência de soldagem também são fatores críticos nesse controle (Marques, 2013; Okumura & Taniguchi, 1982).
2.3 Impacto das Tensões Residuais e Distorções
É fundamental notar que a tensão residual e a distorção exercem uma influência significativa no comportamentodos materiais frente à fratura (Soares, 1998). Elas podem contribuir para a ocorrência de flambagem e fraturas frágeis mesmo sob níveis relativamente baixos de tensão aplicada (Modenesi, 2008). Quando presentes, a flambagem pode ocorrer com cargas compressivas inferiores às previstas. Em situações de tração, a tensão residual é capaz de gerar tensões locais elevadas em regiões da solda que possuem baixa tenacidade ao entalhe (Bhadeshia & Withers, 2000b). Essa tensão localizada tem o potencial de iniciar fissuras frágeis que, por sua vez, podem se propagar mesmo sob qualquer tensão geral baixa que esteja presente (Bhadeshia & Withers, 2000b). Adicionalmente, a tensão residual pode ser um fator contribuinte para a fadiga do material ou para a falha por corrosão (Ensaio de Fadiga, acessado em 2015).
2.4 Métodos para Redução e Alívio de Tensões Residuais e Distorções
A tensão residual pode ser efetivamente reduzida ou eliminada por meio de abordagens térmicas e mecânicas (Silva et al., 2002).
2.4.1 Alívio de Tensão Térmico
Durante o alívio de tensão térmico (PWHT - Post-Weld Heat Treatment), a soldagem é aquecida a uma temperatura específica onde o ponto de escoamento do metal é suficientemente baixo para permitir o fluxo plástico, o que resulta no relaxamento da tensão (Dong et al., 2014; Gimenez Jr., 2000). As propriedades mecânicas da soldagem são geralmente impactadas por esse processo. Por exemplo, a resistência à fratura frágil de muitas soldagens de aço frequentemente melhora com o alívio de tensão térmica, visto que a tensão residual na solda é atenuada e as zonas afetadas pelo calor são revenidas, o que aprimora sua tenacidade (ASM, 1990; Dong et al., 2014).
2.4.2 Alívio de Tensão Mecânico
Já os tratamentos mecânicos de alívio de tensão também são eficazes na redução da tensão residual, mas, diferentemente do método térmico, não promovem alterações significativas na microestrutura ou na dureza da solda ou da zona afetada pelo calor (Bergamo, 2006; Martins et al., 2012). Exemplos incluem martelamento, vibração sub-ressonante e compressão (Bergamo, 2006; Braga, acessado em 2015; Energyarc, acessado em 2015).
A melhora da confiabilidade em estruturas metálicas soldadas representa um objetivo de suma importância. Durante a fase de projeto, os engenheiros precisam considerar cuidadosamente os efeitos da tensão residual e da distorção, a possível presença de descontinuidades, as propriedades mecânicas da soldagem, os requisitos para inspeção não destrutiva e, obviamente, os custos totais de fabricação (ASME, 1993; Soares, 1998).
A redução da tensão residual e da distorção pode ser alcançada por meio de várias técnicas, incluindo as seguintes estratégias (Marques, 2013; Terasaki, 2008):
· Escolha de processos, procedimentos, sequência de soldagem e fixação que sejam os mais adequados (Modenesi et al., 2006; Okumura & Taniguchi, 1982).
· Seleção de métodos ideais para alívio de tensões e remoção de distorções (Silva et al., 2002).
· Utilização de detalhes de projeto e materiais que minimizem os efeitos da tensão residual e da distorção (ASME, 1990; Marques et al., 2011).
3. METODOLOGIA
Este trabalho consistiu em uma revisão bibliográfica abrangente sobre o tema de tensões residuais e distorções em componentes metálicos soldados por arco elétrico. A pesquisa foi realizada com base em livros técnicos, artigos científicos, apostilas universitárias e normas técnicas, focando em publicações relevantes para o campo da engenharia de soldagem e ciência dos materiais. A seleção dos materiais foi guiada pela busca de informações sobre a origem, detecção, controle e métodos de alívio das tensões residuais e distorções, com particular atenção aos tratamentos térmicos e mecânicos pós-soldagem.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ótimo! Para detalhar a seção de Resultados e Discussão do seu TCC, podemos seguir uma abordagem que aprofunde os conceitos e os ligue diretamente às suas referências.
Aqui está uma sugestão de como estruturar e preencher essa seção, com ideias para cada subtópico:
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção, exploraremos em detalhes as descobertas da revisão bibliográfica, analisando a fundo a origem das tensões residuais e distorções, os métodos para sua detecção e, principalmente, as abordagens térmicas e mecânicas para seu controle e alívio, conforme o objetivo deste trabalho.
4.1 Origem e Geração das Tensões Residuais e Distorções na Soldagem
A compreensão das tensões residuais e distorções começa com a análise dos fenômenos térmicos e metalúrgicos que ocorrem durante o processo de soldagem. Como Modenesi (2008) aponta, o aquecimento intenso e localizado da junta soldada, seguido por um rápido resfriamento, é o principal catalisador para o surgimento desses problemas.
Durante o aquecimento, o metal na região da solda se expande. No entanto, as áreas adjacentes, que permanecem mais frias, restringem essa expansão, gerando deformações elásticas e, frequentemente, deformações plásticas (Marques, 2013). Essa restrição é fundamental, pois é a base para o desenvolvimento das tensões. Quando a poça de fusão solidifica e o metal resfria até a temperatura ambiente, ele tenta contrair-se. Contudo, essa contração é impedida pelas partes da peça que já estão frias e rígidas, resultando na formação de tensões residuais (Masubuchi, 1980; Kou, 2002).
As tensões residuais podem ser classificadas em longitudinais e transversais. Em cordões de solda, as tensões longitudinais ocorrem ao longo do comprimento do cordão, resultantes da restrição à contração das seções posteriores do cordão pelas partes já solidificadas. Já as tensões transversais surgem em juntas de topo, onde a movimentação lateral da solda é limitada (Marques, 2013). Em soldas de filete, a tensão de contração é predominantemente de tração, tanto ao longo do comprimento quanto na face da solda (Marques, 2013).
A consequência mais visível dessas tensões é a distorção, que se manifesta como uma mudança na forma e dimensão da peça soldada (Miranda, 2006). A distorção angular, por exemplo, é comum em juntas de topo, onde a contração mais intensa da face da solda em relação à raiz causa uma flexão transversal das chapas (Marques, 2013). Em juntas complexas ou com múltiplos cordões, a distorção pode ser extremamente intrincada, exigindo métodos de controle rigorosos (Marques, 2013).
4.2 Impacto das Tensões Residuais e Distorções na Integridade Estrutural
As tensões residuais e distorções não são meros inconvenientes estéticos ou dimensionais; elas afetam profundamente o comportamento e a vida útil dos componentes soldados. A presença dessas tensões pode levar a diversos problemas, como a iniciação e propagação de trincas, instabilidade dimensional, e uma maior suscetibilidade à fratura frágil (Modenesi, 2008; Soares, 1998).
Quando tensões residuais compressivas são superadas por cargas de compressão externas, a peça pode sofrer flambagem com cargas significativamente menores do que o previsto (Soares, 1998). Por outro lado, tensões residuais de tração podem elevar os níveis de tensão local em regiões da solda que possuem baixa tenacidade ao entalhe. Isso é crítico, pois essas tensões localizadas podem iniciar fissuras frágeis que se propagam mesmo sob baixos níveis de tensão externa (Bhadeshia & Withers, 2000b). Além disso, a tensão residual contribui para a fadiga do material e a corrosão sob tensão, fenômenos que reduzem drasticamente a vida útil do componente em serviço (Ensaio de Fadiga, acessado em 2015).
A confiabilidade de estruturas metálicas soldadas depende diretamente da mitigação desses efeitos. Engenheiros precisam integrar a análise das tensões residuais e distorções ao projeto, considerando também descontinuidades, propriedades mecânicas da solda, requisitos de inspeção não destrutiva e, claro, os custos de fabricação (ASME, 1993; Soares, 1998).
4.3 Métodos para Detecção de Tensões Residuais
Para controlar e aliviar as tensões residuais, é fundamental primeiro conseguir detectá-las e quantificá-las. A literatura oferece diversas técnicas,que podem ser classificadas em destrutivas e não destrutivas.
As técnicas destrutivas, como a furação de orifício (hole drilling), envolvem a remoção de material para permitir que as tensões se relaxem e sejam medidas indiretamente. Já as técnicas não destrutivas são preferíveis para componentes em serviço ou de alto valor. Dentre elas, destacam-se a difração de raios-X, que analisa as mudanças no espaçamento atômico da estrutura cristalina do material para inferir o estado de tensão, e as técnicas baseadas em ultrassom (Bhadeshia & Withers, 2000a; Veqter, acessado em 2015). Embora o texto original não detalhe, a menção a Bhadeshia & Withers (2000a) e Veqter (acessado em 2015) abre a porta para aprofundar essas metodologias, explicando brevemente como funcionam e suas aplicabilidades.
4.4 Estratégias de Controle e Alívio de Tensões Residuais e Distorções
O controle da distorção pode ser alcançado através de técnicas que manipulam a geometria da junta antes ou durante a soldagem. Isso inclui o pré-posicionamento estratégico das peças, o uso de restrições (grampos, dispositivos de fixação) para impedir a distorção, e o projeto da solda para equilibrar os depósitos em relação à linha central (Marques, 2013; Masubuchi, 1980). A escolha adequada do processo de soldagem e da sequência de soldagem também são cruciais (Modenesi et al., 2006; Okumura & Taniguchi, 1982). No entanto, mesmo com essas medidas preventivas, as tensões residuais podem persistir e requerer tratamentos adicionais.
O alívio de tensões residuais pode ser realizado por métodos térmicos e mecânicos (Silva et al., 2002; Souza, 2016).
4.4.1 Tratamentos Térmicos para Alívio de Tensões (PWHT)
O Tratamento Térmico Pós-Soldagem (PWHT), ou alívio de tensão térmico, é uma das metodologias mais eficazes e amplamente utilizadas para reduzir as tensões residuais em componentes soldados (Dong et al., 2014; Gimenez Jr., 2000). O princípio reside em aquecer a peça soldada a uma temperatura específica, abaixo da temperatura de transformação de fase, mas alta o suficiente para que o limite de escoamento do metal seja drasticamente reduzido (Gimenes Jr., 2000).
Nessas temperaturas elevadas, o metal sofre um processo de fluência (creep), que permite o fluxo plástico das regiões sob tensão, redistribuindo e relaxando as tensões residuais. Os parâmetros críticos do PWHT incluem a temperatura de patamar, o tempo de permanência nessa temperatura, e as taxas de aquecimento e resfriamento (Dong et al., 2014; INFOSOLDA, acessado em 2015). Um controle inadequado desses parâmetros pode, inclusive, gerar novas tensões ou comprometer as propriedades do material.
Os benefícios do PWHT são múltiplos: além do relaxamento das tensões residuais, ele pode promover o revenimento da Zona Afetada pelo Calor (ZAC), melhorando a tenacidade e reduzindo a dureza excessiva (ASM, 1990; Dong et al., 2014). Isso resulta em uma melhoria da resistência à fratura frágil de muitas soldas de aço, um aspecto crítico para a segurança de estruturas como vasos de pressão (ASME, 1990). Contudo, é importante notar que o PWHT pode alterar as propriedades mecânicas gerais da solda e do metal base, o que deve ser considerado em projeto (Marques et al., 2011).
4.4.2 Tratamentos Mecânicos para Alívio de Tensões
Diferente dos tratamentos térmicos, os tratamentos mecânicos para alívio de tensões não dependem de altas temperaturas para funcionar, e, portanto, não promovem alterações significativas na microestrutura ou dureza da solda ou da ZAC (Bergamo, 2006; Martins et al., 2012). Sua eficácia reside na indução de novas tensões que contrabalançam ou redistribuem as tensões residuais de tração.
O martelamento (peening), por exemplo, envolve a aplicação de impactos mecânicos na superfície da solda. Esses impactos induzem tensões compressivas superficiais, que ajudam a neutralizar as tensões residuais de tração, melhorando a resistência à fadiga e a corrosão sob tensão (Bergamo, 2006).
Outra técnica relevante é o alívio de tensão por vibração, que utiliza vibrações sub-ressonantes para reorganizar a estrutura cristalina do metal e, assim, reduzir as tensões residuais (Braga, acessado em 2015; Martins et al., 2012; Walker, 2011; Energyarc, acessado em 2015). Embora o mecanismo exato ainda seja objeto de pesquisa, acredita-se que a energia vibratória ajude a liberar as tensões presas na rede cristalina, resultando em um estado de energia mais baixa. Este método é particularmente vantajoso para peças grandes e complexas que seriam difíceis de tratar termicamente devido ao seu tamanho ou configuração (Energyarc, acessado em 2015).
Os tratamentos mecânicos são uma alternativa importante, especialmente quando o aquecimento da peça é inviável ou quando as propriedades originais do material precisam ser preservadas.
4.5 Boas Práticas de Projeto e Fabricação para Minimização de Tensões e Distorções
A melhor forma de lidar com tensões residuais e distorções é minimizá-las desde a fase de projeto e fabricação. Isso envolve uma combinação de fatores (Marques, 2013; Terasaki, 2008):
· Seleção de processos e procedimentos de soldagem adequados: A escolha do processo (ex: TIG, MIG/MAG, Eletrodo Revestido) e dos parâmetros operacionais (corrente, tensão, velocidade de soldagem) impacta diretamente a entrada de calor e, consequentemente, a magnitude das tensões.
· Sequência de soldagem otimizada: Planejar a ordem dos passes e a direção da soldagem pode ajudar a equilibrar as tensões e reduzir a distorção acumulada (Okumura & Taniguchi, 1982).
· Uso de fixações e dispositivos: A restrição física da peça durante a soldagem pode limitar a distorção (Masubuchi, 1980).
· Detalhamento de projeto e seleção de materiais: Projetar juntas com menor volume de metal de solda, utilizar materiais com menor coeficiente de expansão térmica ou ligas menos suscetíveis a tensões residuais também são estratégias válidas (ASM, 1990; Marques et al., 2011).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A soldagem, um processo de união de componentes mecânicos de importância ímpar na indústria moderna, traz consigo desafios intrínsecos relacionados à geração de tensões residuais e distorções. A revisão bibliográfica realizada neste trabalho evidenciou que esses fenômenos, resultantes do ciclo térmico de aquecimento e resfriamento localizado, podem comprometer severamente a integridade estrutural, a estabilidade dimensional e a vida útil de componentes soldados, manifestando-se em trincas, fratura frágil, flambagem e fadiga.
Ficou claro que a compreensão da origem e dos mecanismos de formação dessas tensões é o primeiro passo para sua mitigação. A literatura consultada demonstra a existência de métodos robustos para detecção, permitindo a quantificação e localização das tensões residuais. Mais importante, a pesquisa reforçou a eficácia e a complementaridade dos tratamentos térmicos (PWHT) e mecânicos para o alívio dessas tensões. Enquanto o PWHT atua relaxando as tensões através da fluência em altas temperaturas e promovendo o revenimento da ZAC, os tratamentos mecânicos, como o martelamento e a vibração sub-ressonante, induzem tensões compressivas benéficas ou redistribuem as tensões, sem alterar significativamente a microestrutura.
O controle e alívio de tensões pós-soldagem não são apenas práticas de correção, mas sim elementos essenciais para a melhoria da confiabilidade e do desempenho de estruturas soldadas. A escolha da técnica mais adequada depende de fatores como o tipo de material, as exigências de projeto, o tamanho da peça e considerações econômicas. A integração de boas práticas de projeto, seleção de materiais, otimização de processos e sequências de soldagem, juntamente com a aplicação criteriosa de tratamentos de alívio de tensões, são fundamentais para garantir a segurança e a durabilidade dos componentes.
Este estudo reitera a necessidade de engenheiros e projetistas considerarem as tensões residuais e distorções desde as fases iniciais do desenvolvimento, utilizando o conhecimento disponível para minimizar seus efeitos e maximizar a qualidadee a vida útil das estruturas soldadas.
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