CAPIT11 TENSÕES E DEFORMAÇÕES EM SOLDAGEM

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CAPÍTULO 11 
 
TENSÕES E 
DEFORMAÇÕES 
EM SOLDAGEM 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TENSÕES E DEFORMAÇÕES 
EM SOLDAGEM 
 
 Nas operações de soldagem, principalmente as que envolvem a fusão 
dos materiais, temos uma variação não uniforme e rápida da temperatura. Isso 
implica um aquecimento localizado muito alto, que traz como conseqüência a 
dilatação da região, a qual sofre restrições das partes adjacentes da junta 
soldada. As diferentes regiões da junta soldada ao serem submetidas a 
variações térmicas, reagem estabelecendo diferentes expansões e contrações 
ao longo de toda a extensão afetada. Como resultado, ao final da soldagem 
teremos tensões residuais e deformações que podem atingir o valor do limite 
de elasticidade do material. Essas tensões e deformações podem afetar 
sobremaneira a utilidade e a estabilidade dimensional da peça soldada, que 
podem ser otimizadas com o conhecimento de suas características e de 
medidas para sua prevenção e controle. O aparecimento de tensões residuais 
em peças e estruturas soldadas pode criar diversos problemas , tais como a 
formação de trincas, maior tendência para a ocorrência de fadiga do material, 
surgimento de corrosão sob tensão e o aparecimento da fratura frágil. 
O alívio dessas tensões residuais pode ser assegurado por tratamentos 
térmicos ou tratamentos mecânicos. Quando esse alívio é realizado 
termicamente, nos casos dos aços, aparecem modificações de caráter 
metalúrgico, que podem ser desfavoráveis no caso de ciclos repetidos ou de 
permanência por longos períodos em temperaturas altas. 
Uma forma de visualizar o desenvolvimento de tensões internas em uma 
junta soldada é mostrada na figura abaixo. No instante em que é depositado, o 
metal de adição está aquecido e no estado líquido, ocupando o volume 
mostrado em (1). Na temperatura ambiente, essa mesma quantidade de metal 
solidificado ocupa somente o volume mostrado em (2). 
 
 
 
Para o metal de base, como foram formadas ligações em níveis 
atômicos durante o processo, o volume ocupado ao final da operação é o 
mesmo inicial, ficando, portanto sujeito a um nível elevado de tensão e de 
deformação. 
ANÁLISE DAS TENSÕES EM UM DISPOSITIVO 
 
Ao aquecermos um objeto metálico, suas dimensões aumentarão 
proporcionalmente à variação de temperatura, obedecendo a expressão 
abaixo: 
Δl= l – l0 = l0.α.Δt, 
sendo Δl a variação do comprimento inicial (l0) e α o coeficiente de dilatação 
linear. Se não existirem restrições ao aumento de sua dimensão, não 
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acontecerão efeitos mecânicos importantes nesse objeto. Caso haja restrições 
à sua expansão, surgirão tensões e/ou deformações que poderão em casos 
extremos, inviabilizar sua utilização com segurança. Isso pode ser melhor 
ilustrado utilizando a analogia da barra aquecida mostrada abaixo. 
 
 
 Consideremos o dispositivo constituído de duas barras metálicas de 
seção robusta, unidas por outras três barras de seção transversal mais 
reduzida denominadas barras A, B e C. Na temperatura ambiente, se não 
acontecer nenhum esforço mecânico, o nível de tensões internas dessas três 
barras será nulo. Admitamos que a barra B agora seja aquecida por um 
maçarico independentemente das outras duas. 
 A dilatação térmica restringida provoca tensões de compressão na barra 
B e de tração – para poder ser mantido o equilíbrio – nas barras A e C. 
 
 
À medida que a temperatura se eleva, a barra B sofre um esforço de 
compressão, que tende a crescer com a elevação da temperatura, deformando-
se elasticamente por compressão, até que as tensões internas atinjam o limite 
de escoamento em compressão (ponto 1). A partir desse ponto a dilatação 
térmica é absorvida com a deformação plástica da barra B. As curvas indicam a 
variação do limite de escoamento com a temperatura. Conforme a temperatura 
sobe, a tensão na barra B cresce ao longo de 1,2, com a plastificação 
impedindo o estabelecimento de tensões superiores ao limite de escoamento. 
O ponto 2 corresponde à temperatura máxima atingida (T2). 
Parando o aquecimento, a barra B começa a resfriar e se contrai, 
reduzindo o esforço de compressão, até que o mesmo fica nulo, ao atingir a 
temperatura indicada pelo ponto 3. 
A partir do ponto 3, conforme a temperatura cai, a contração térmica é 
absorvida por deformação elástica, com a barra B sujeita a esforços de tração. 
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Ao atingir o limite de escoamento (ponto 4), a barra passa então a se deformar 
plasticamente, até a temperatura atingir o valor da temperatura ambiente. 
No final do processo, portanto, a barra B, inicialmente livre de qualquer 
esforço interno, agora apresenta tensões internas, denominadas tensões 
residuais, com valores equivalentes ao limite de escoamento à tração; as 
barras A e C agora ficam sujeitas a tensões de compressão. 
Comparativamente, em soldagem, o cordão de solda e as regiões adjacentes 
se comportam de maneira similar à barra central, com valores de tensões de 
tração próximos do limite de escoamento do material. Essas tensões residuais 
desenvolvem-se ao longo do cordão de solda e no caso de peças espessas, ao 
longo da espessura adjacente ao cordão. 
 
(I) (II) 
(I) Comparação entre as tensões desenvolvidas na montagem das três barras e (II) as tensões 
residuais longitudinais formadas ao longo da direção transversal de uma solda de topo. 
As tensões residuais influem de forma significativa no comportamento de 
componentes soldados, podendo ser analisadas através de ensaios destrutivos 
ou não destrutivos. Um ensaio destrutivo freqüentemente empregado é o que 
utiliza extensômetros elétricos para determinar a deformação que ocorre 
quando uma peça contendo tensões residuais é cortada; como ensaio não 
destrutivo costuma-se utilizar a difração por raio X. 
 
ENSAIO PRÁTICO PARA DETERMINAÇÃO DE TENSÕES RESIDUAIS 
 
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A falha de componentes estruturais submetidos a cargas de compressão 
pode ser bastante diferente da observada em peças submetidos à tração ou 
torção, particularmente quando essas forem delgadas (isto é, com um 
comprimento muito maior do que as suas dimensões transversais) ou 
submetidas a cargas fora da linha de centro. Nesses casos, os componentes 
podem falhar por flambagem. Essa ocorre pela deflexão lateral (a) do 
componente submetido à compressão a qual, quando atinge um valor crítico, 
leva à falha instável do componente com uma carga, em geral, menor que o 
limite de escoamento do material. 
Uma vez que as tensões residuais são de compressão em regiões mais 
afastadas da solda (e de tração próximo desta), as tensões residuais nessas 
regiões podem reduzir a resistência à flambagem de estruturas soldadas. 
Como estruturas soldadas tendem a apresentar também distorções e como a 
flambagem está associada com deformações perpendiculares ao eixo ou plano 
do componente e à aplicação de cargas fora de centro, distorções causadas 
por soldagem ou outros processos podem comprometer seriamente a 
resistência à flambagem. Em juntas soldadas feitas em chapas ou outros 
componentes de pequena espessura, a distorção por flambagem resultante das 
tensões térmicas e residuais pode também ocorrer dando à junta um aspecto 
irregular ou “enrugado”. 
 
 
FLAMBAGEM DE UMA BARRAUma das maneiras que as tensões residuais atuam sobre uma junta 
soldada é na resistência à fadiga. Fadiga é a forma mais comum de falha em 
componentes mecânicos submetidos a tensões que variam com o tempo. 
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 A fratura por fadiga ocorre pela nucleação e o crescimento de trincas 
devido a tensões de tração variáveis, mas freqüentemente de intensidade 
inferior ao limite de escoamento. 
 
A presença de tensões residuais de compressão na superfície de um 
componente reduz a chance de iniciação de trincas de fadiga, pois essas 
tendem a reduzir o efeito das tensões de tração (necessárias para a nucleação 
e crescimento de trincas de fadiga). Por outro lado, em um componente 
soldado, a presença de tensões residuais de tração pode ter um efeito negativo 
no seu desempenho à fadiga, embora não existam resultados claros quanto a 
este efeito devido, possivelmente a: (1) sob a ação de cargas variáveis, as 
tensões residuais de soldagem devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas 
e (2) as irregularidades superficiais (reforço, mordeduras e escamas), atuando 
como concentradores de tensão têm um efeito mais marcante na redução da 
resistência à fadiga. 
Estruturas soldadas são também propensas à falhas por fratura frágil. 
Falhas por fratura frágil podem ocorrer em componentes metálicos em 
situações em que a deformação plástica (associada com o desenvolvimento de 
uma ruptura dúctil) é inibida. A fratura frágil é favorecida pela presença de 
concentradores de tensão como, por exemplo, trincas. Ela pode ocorrer para 
níveis de tensão relativamente baixos, inferiores ao limite de escoamento do 
material e de forma súbita, inesperada e rápida. 
Entre os fatores que contribuem para o surgimento de fratura frágil 
destacam-se: 
• Uma estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces (como em 
uma estrutura rebitada ou aparafusada) que possam interromper a propagação 
de uma trinca de fratura frágil. 
• A região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas, 
freqüentemente, por um aumento do tamanho de grão em relação ao metal de 
base, o que, em materiais de estrutura cristalina CCC, tende a diminuir a 
tenacidade do material. 
• A região da solda pode apresentar diversas descontinuidades ou defeitos, tais 
como trincas, inclusões de escória e deficiências (falta) de fusão, que podem 
atuar como concentradores de tensão e pontos de iniciação da fratura. 
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• Tensões residuais elevadas de tração existem na região da solda. 
A fratura frágil é favorecida por baixa temperatura do material, elevada 
taxa de deformação, elevada espessura do componente ou a presença de 
concentradores de tensão e por uma microestrutura de baixa tenacidade (por 
exemplo, de elevada dureza, com granulação grosseira ou com precipitados e 
inclusões grandes). Diversos destes fatores podem estar presentes em uma 
estrutura soldada. Durante a fratura frágil, uma ou mais trincas podem se 
propagar sob tensões inferiores ao limite de escoamento, em velocidades muito 
elevadas (limitadas pela velocidade do som no material) e praticamente sem 
deformação plástica. 
Nestas situações, as tensões residuais associadas com a junta soldada 
podem ser suficientemente elevadas ou podem se adicionar às tensões 
externas para causar a fratura frágil. Devido a este risco, em diversas 
situações, componentes soldados devem ser tratados termicamente para alívio 
de tensões residuais e/ou refino da estrutura na região da solda. 
Existem diversos exemplos de falha por fratura frágil de componentes 
soldados, muitos com grande perda material e de vidas humanas. O exemplo 
mais citado pela literatura é o relacionado aos problemas surgidos nos navios 
construídos em larga escala na II Guerra Mundial, conhecidos como Liberty 
Ships. 
Trincas são freqüentemente formadas em soldas. Estas trincas podem 
ser associadas basicamente a dois fatores: (a) uma solicitação, isto é tensões 
mecânicas de tração e (b) uma incapacidade (fragilização), muitas vezes 
momentânea, do material de acomodar esta solicitação deformando-se 
plasticamente. As figuras abaixo dão uma idéia da forma como este 
trincamento pode ocorrer. 
 
 
Trinca junto à ZTA 
Trinca junto ao Metal Base 
 
 
Trinca no cordão de solda 
 
Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes à solda pode 
acorrer por diversos motivos (formação de filmes de líquido em contornos de 
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grão a alta temperatura, crescimento de grão, presença de hidrogênio 
dissolvido no material, precipitação, etc) durante e após a soldagem. 
Na presença de um ambiente agressivo, também podem se desenvolver 
trincas de corrosão de forma acelerada, devido à presença de tensões de 
tração. No caso de aços estruturais ao carbono ou de baixa liga, por exemplo, 
este fenômeno é desencadeado pelo contato com hidróxidos ou com sulfeto de 
hidrogênio. Em estruturas soldadas, as tensões residuais são muitas vezes 
suficientes para o desenvolvimento de corrosão sob tensão dependendo do 
material e do ambiente. Neste sentido, por exemplo, certos códigos impõem 
limitações quanto à dureza máxima da ZTA (por exemplo, inferior a 325 HV) 
como uma forma de limitar o nível da tensões residuais e prevenir a corrosão 
sob tensão em tubulações soldadas para transporte de petróleo (ambiente que 
pode apresentar teores perigosos de H2S). 
Quando um componente soldado é usinado ou submetido à outra 
operação de remoção de material, o equilíbrio das forças responsáveis pelas 
tensões residuais é perturbado. Para restaurar o equilíbrio de forças e de 
momento, o componente sofre pequenas distorções que causam uma 
redistribuição das tensões residuais. O mesmo princípio é usado para a 
medição de tensões residuais, mas pode também causar problemas, por 
exemplo, na usinagem de precisão de componentes com tensões residuais. 
As distorções de peças soldadas são alterações de forma e dimensões 
permanentes que surgem como resultado do movimento de material 
(deformação plástica) que ocorre em função das tensões térmicas 
desenvolvidas durante o processo de soldagem. A distorção final de um 
componente soldado é sempre oposta e, em geral, da mesma ordem de 
grandeza do movimento de material que ocorre durante a soldagem. 
 
 
 Durante a soldagem, o aquecimento causa uma maior expansão 
térmica da região superior da peça e sua conseqüente distorção. Ao final da 
soldagem, com o resfriamento do material na região da solda, ocorre a sua 
contração. Como a região superior da peça foi a mais aquecida e sofreu a 
maior deformação plástica, a peça agora apresenta uma distorção final voltada 
para a direção oposta da distorção transiente máxima. 
Em juntas simples, três tipos básicos de distorção podem ocorrer: (1) 
contração transversal (perpendicular à linha da solda), (2) contração 
longitudinal (paralela à linha da solda) e (3) distorção angular (rotação em torno 
da linha da solda). 
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 Estas distorções básicas causam distorções mais complexas em juntas 
reais de solda como, por exemplo, o dobramento e a torção de vigas e a 
distorção por flambagem em juntas de peças de pequena espessura. 
 
 
Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço 
ao carbono ou de baixa liga é dada pela equação empírica: 
 
 
 
onde AW é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e 
f é a abertura (fresta) da raiz do chanfro. O valor real de CT depende de vários 
fatores como, por exemplo, o grau de restriçãoda junta e a quantidade de de 
passes usados. De uma forma geral, um maior número de passes (através do 
uso de eletrodos de menor diâmetro ou de uma maior velocidade de soldagem) 
causa maiores contração transversal e distorção angular. 
A contração longitudinal tende a ser menor que a transversal (cerca de 
1/1000 do comprimento da solda), contudo, ela pode causar efeitos importantes 
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como o dobramento ou flexão em peças soldadas fora de sua linha neutra e a 
distorção por flambagem ou enrugamento em chapas finas. 
Distorção angular ocorre quando a contração transversal não é uniforme 
ao longo da espessura da junta, podendo ocorrer tanto em soldas de topo 
como em soldas de filete. A figura abaixo ilustra as variações angulares em 
juntas T de aço carbono soldadas dos dois lados da junta em função da 
espessura de parede e do peso de metal depositado por comprimento da 
mesma. 
 
O dobramento de uma viga de aço soldada ao longo de todo o seu 
comprimento (L) pode se estimado por : 
Δ = 0,005 AW d L
2 
 I 
onde AW é a área da seção transversal da solda ou soldas, d é a distância do 
centro de gravidade da(s) solda(s) em relação à linha neutra da viga e I é o 
momento de inércia do elemento. 
 
 
CONTROLE E CORREÇÃO DA DISTORÇÃO 
 
Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distorção em 
soldagem. 
(a) No projeto de estruturas soldadas: 
• Projetar estruturas com a menor quantidade possível de soldas. 
• Usar chanfros que necessitem a deposição de menos metal de adição. 
• Usar chanfros simétricos (X, K, duplo U, etc). 
• Posicionar soldas junto da linha neutra da peça ou em posições simétricas em 
relação à linha neutra. 
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• Especificar o menor tamanho possível das soldas compatível com as 
solicitações existentes. 
(b) Na fabricação: 
• Estimar a distorção que ocorrerá na estrutura e posicionar as peças de forma 
a compensar esta distorção. (Difícil de aplicar em estruturas complexas) 
• Colocar peças na sua posição correta, ou próximo desta, e utilizar dispositivos 
de fixação ou outras técnicas para aumento da restrição das peças ao 
movimento (ponteamento antes da soldagem, gabaritos, etc). 
• Usar seqüência de deposição de cordões de solda (deposição por partes, uso 
de mais de um soldador iniciando a operação no mesmo ponto e soldando em 
direções opostas) e de montagem (montagem por subcomponentes, etc) que 
minimizem a distorção. 
• Usar técnicas ativas de controle da distorção. Em geral, estas técnicas usam, 
durante a soldagem, fontes adicionais de aquecimento (e de resfriamento) de 
forma a gerar tensões térmicas adicionais capazes de contrabalancear as 
tensões geradas pela soldagem e, desta forma, reduzir a distorção. Um 
exemplo desta técnica envolve o emprego de fontes de aquecimento 
(maçaricos) colocadas lateralmente e deslocando-se junto com a tocha de 
soldagem. Estas técnicas ainda são muito pouco usadas industrialmente. 
(c) Após a soldagem (correção da distorção): 
c.1. Remoção a quente: 
• Aquecimento localizado (isto é, de forma similar ao que gerou a distorção, 
mas de forma a contrabalanceá-la). 
• Aquecimento uniforme e conformação mecânica. 
c.2. Remoção a frio: 
• Calandragem. 
• Prensagem. 
• Martelamento, etc. 
 
UTILIZAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE FIXAÇÃO 
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DESEMPENO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO 
 
CONTROLE E ALÍVIO DE TENSÕES RESIDUAIS 
 
O nível de tensões residuais em uma junta soldada pode ser diminuído 
reduzindo-se a quantidade de calor fornecido à junta ou o peso de metal 
depositado. Na prática, isto pode ser feito otimizando-se o desenho do chanfro 
(reduzindo-se o ângulo do chanfro ou usando se preparações simétricas, por 
exemplo) e evitando-se depositar material em excesso (evitando-se reforço 
excessivo em soldas de topo ou minimizando-se o tamanho de soldas de 
filete). A seleção de processos de maior eficiência térmica (fonte de maior 
intensidade) 
é uma possível alternativa de controle, mas difícil de ser justificável 
economicamente na maioria dos casos. 
Tensões residuais também podem ser reduzidas pelo uso de metal de 
adição com a menor resistência permissível no projeto, assim como uma 
redução dos vínculos externos da junta soldada (minimizando-se, assim, as 
tensões de reação). Após a soldagem, as tensões residuais podem ser 
aliviadas por métodos térmicos ou mecânicos. 
 
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