Projeto Submarino

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ALPHA ENGENHARIA – LISTEN.THINK. SOLVE. 
 
 
 
 
Quem somos 
 
Fundada em 1990 na cidade de São Paulo, o Grupo Alpha atua no mercado da 
engenharia com uma equipe capacitada em soldagem e na montagem de estruturas 
metálicas em geral. Buscamos satisfazer nossos clientes por meio de atendimento a suas 
necessidades, garantindo mão de obra capacitada e altamente qualificada em nossos 
serviços. 
 
Nossa Missão 
 
Satisfazer nossos clientes através de um trabalho de ótima qualidade dentro dos 
prazos estabelecidos, respeitando o meio ambiente e priorizando a segurança dos 
envolvidos nas atividades. 
 
Nossa Visão 
 
Ser referência no mercado nacional na área de caldeiraria. 
 
Nossos Valores 
 
 Segurança em primeiro lugar 
 Respeito ao meio ambiente 
 Respeito aos nossos clientes 
 Valorizar nossos colaboradores e parceiros 
 
Nosso lema 
 
LISTEN. THINK. SOLVE. 
 
ALPHA ENGENHARIA – LISTEN.THINK. SOLVE. 
 
 
 
1- Projeto Submarino nuclear 
 
Com o objetivo de projetar, realizar e acompanhar todo o processo de soldagem 
do primeiro submarino nuclear brasileiro, colocando assim o Brasil entre os 8 seletos 
países que dominam a tecnologia de construção desse tipo de submarino, o Grupo Alpha 
disponibilizou dois engenheiros de sua renomada equipe para desenvolver este projeto. 
Contando então com os serviços do Engenheiro Gabriel Ribeiro e Engenheira Myrella 
Ramos, ambos com formação em Engenharia Metalúrgica e especialização em soldagem. 
 
2- Especificação do aço e tonelagem das chapas 
 
Após pesquisa de alguns meses, o aço a ser utilizado será o aço da norma ASTM 
A727 Grau 50 N modificado. Essa norma define um aço-carbono micro ligado de alta 
resistência mecânica, alta resistência a corrosão atmosférica e alta temperabilidade. 
A composição do aço utilizado está apresentada na tabela 1. 
 
C Mn Si P S Mo V Nb Ni B Cr 
0,18 1,0 0,35 =<0,04 =<0,04 0,20 0,25 0,10 0,30 0,006 0,25 
 
Tabela 1: Composição química do aço 
 
Depois de sua especificação, foi realizado o pedido de compra. 
Este aço possui limite de resistência mínimo de 465 MPa. Foram fornecidas 
chapas de espessuras diferentes para o corpo e as aletas do submarino. As chapas para o 
corpo do submarino possuem 10 x 3,5 metros e 35 mm de espessura. As chapas para as 
aletas possuem 12 x 3,5 metros e 25 mm de espessura. 
A quantidade de chapas utilizadas para a composição do corpo e das aletas do 
submarino estão dispostas na tabela 2. 
 
Chapas para corpo Chapas para aletas 
20 1 
 
Tabela 2: Quantidade de chapas utilizadas no projeto 
 
 
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Figura 1: Dimensões da chapa utilizada para o corpo 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Dimensões da chapa utilizada para as aletas 
 
Chapas Qtde 
Peso comprado 
(t) 
Vol. Utilizado 
(m3) 
Peso Utilizado (t) 
Sucata 
(t) 
Corpo 20 254 30,7 246 8,6 
Aletas 1 8,4 0,45 3,6 4,8 
Total 24 262,4 31,15 249,6 13,4 
 
Tabela 3: Tonelagem das chapas 
 
 
0,025 m 
 
3,5 m 
 
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Para as aletas a chapa de 12 metros foi dividida em 8 chapas de 1,5 metros de 
comprimento e sua largura foi diminuída de 3,5 para 3 metros, formando assim 8 chapas 
de 1,5 x 3 metros, a espessura foi mantida. Dessas 8 chapas, 4 foram aplicadas para a 
construção do submarino 
A empresa escolhida para o fornecimento desse aço foi a USIMINAS. O aço foi 
encomendado com a composição já citata e foi pedido que as chapas já viesse cortadas 
com as dimensões desejadas. 
 
3- Carbono Equivalente 
 
Sabe-se que o teor de carbono de um aço influencia fortemente na sua 
soldabilidade, como por exemplo prejudicando a soldabilidade fragilizando a região da 
junta e diminuindo a tenacidade da solda. Por esse motivo é importante o conhecimento 
sobre o teor de carbono do aço para prever o comportamento do mesmo à um ciclo térmico 
e adotar o procedimento de soldagem mais adequado e que não irá comprometer a 
qualidade da solda. 
Entretanto existe um conceito chamado de carbono equivalente. Isso se deve ao 
fato de que os elementos de liga aumentam a temperabilidade do aço, portanto ao se levar 
em consideração o teor de carbono do aço, temos que avaliar o carbono equivalente, pois 
ele certamente apresentará um teor mais alto que o teor de carbono do aço, portanto o 
valor mais crítico é o que deve ser levado em consideração. 
Os 3 principais métodos de cálculo de carbono equivalente são: 
 
Método IIW: 
 
𝐶𝐸(𝐼𝐼𝑊) = %𝐶 + (
%𝑀𝑛
6
) + (
%𝐶𝑢 + %𝑁𝑖
15
) + (
%𝐶𝑟 + %𝑀𝑜 + %𝑉
5
) 
 
Método de Yurioka: 
 
𝐶𝐸𝑁 = %𝐶 + ∆(𝐶)
∗ [
%𝑆𝑖
4
+
%𝑀𝑛
6
+
%𝐶𝑢
15
+
%𝑁𝑖
20
(
%𝐶𝑟 + %𝑀𝑜 + %𝑁𝑏 + %𝑉
5
) + 5%𝐵] 
 
 
 
 
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Método Pcm: 
 
𝑃𝑐𝑚 = %𝐶 +
%𝑆𝑖
30
+ (
%𝑀𝑛 + %𝐶𝑢 + %𝐶𝑟
20
) +
%𝑁𝑖
60
+
%𝑀𝑜
15
+
%𝑉
10
+ 5%𝐵 
 
 
Utilizando a composição química fornecida e fazendo os devidos cálculos encontramos 
os seguintes resultados: 
 
 
Método Ceq 
IIW 0,50 
Yurioka 0,52 
Pcm 0,29 
 
Tabela 4: Carbono equivalente em diferentes métodos. 
 
O método adotado para a análise e cálculo foi o método de Yurioka (CEN), que 
nos dá um teor com uma maior margem de segurança. 
 
4- Análise de potenciais trincas 
 
Existe uma tendência a formação de fissuras por parte das estruturas soldadas, seja 
devido ao processo mal feito ou por uma má especificação. 
O principal e mais crítico tipo de fissura suscetível em uma junta são as trincas. 
As trincas formam-se quando tensões de tração se desenvolvem em um material 
fragilizado (torna-se incapaz de se deformar plasticamente para absorver estas tensões). 
Tensões de tração elevadas se desenvolvem na região da solda como resultado das 
expansões e contrações térmicas localizadas (associadas com o aquecimento não 
uniforme característico da soldagem), das variações de volume devido a transformações 
de fase e como resultado das ligações entre as peças sendo soldadas e o restante da 
estrutura. As principais trincas de soldagem foram levadas em consideração no projeto e 
as medidas necessárias para evitá-las foram tomadas. 
 
-Trincas de solidificação 
 
É um tipo de trinca que ocorre em elevadas temperaturas quando o material está 
solidificando. É caracterizada por ocorrer em contornos de grãos interdendríticos. Quando 
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a solidificação se inicia, é comum haver segregações de impurezas da fase que se 
solidificou para a parte que ainda se encontra no estado líquido. Neste caso, as últimas 
regiões que se solidificam, que geralmente estão nos contornos de grão interdendríticos, 
ainda se encontram na fase líquida. Devido às tensões de contração e a um filme líquido 
envolvendo os grãos o material pode perder a capacidade de se deformar e gerar uma 
trinca nesta região. 
 
-Trincas de liquação 
 
Refere-se a trincas formadas na ZTA, em regiões aquecidas a temperaturas 
próximas do sólidus do metal base, e que são associadas com a formação, por diferentes 
causas, de bolsões de material líquido nesta região. Este líquido, em contato com 
contornos de grão e dependendo de sua capacidade de molhá-los, pode espalhar-se entre 
os grãos na forma de um fino filme. Nestas condições, o material fica fragilizado e trincas 
podem se formar no resfriamento, com o aparecimento de tensões trativas.-Trincas a frio induzidas pelo hidrogênio 
 
É considerada um dos maiores problemas de soldabilidade dos aços estruturais. 
Ela pode ocorrer tanto na ZTA como na ZF. A trinca se forma quando o material está 
próximo da temperatura ambiente. A sua formação se inicia após um período inicial, 
tendendo a crescer de forma lenta e descontínua e levando até 48 horas após soldagem 
para a sua completa formação. 
É muito associada com falha prematura de componentes soldados, ajudando a 
iniciação de fratura frágil ou por fadiga. Essas tricas podem ser longitudinais, transversais, 
superficiais ou sub-superficiais, se originando, freqüentemente, a partir de concentradores 
de tensão, como a margem ou a raiz da solda. Ocorre principalmente na ZTA, na região 
de crescimento de grão, mas pode também ocorrer na zona fundida. 
A fissuração pelo hidrogênio é causada quando ocorrem simultaneamente 3 
fatores: 
 Presença de hidrogênio na região da solda, 
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 Formação de microestrutura de elevada dureza, capaz de ser fortemente 
fragilizada pelo hidrogênio 
 Solicitação de tensões residuais e externas. 
 
Quanto maior o carbono equivalente maior a fragilidade e maior a tendência da 
formação de trinca induzida pelo hidrogênio e consequentemente, métodos especiais de 
soldagem devem ser adotados para prevenção desta trinca, como por exemplo, pré-
aquecimento e uso de processo com baixo nível de hidrogênio (ambiente de baixa 
umidade, eletrodos básicos, limpeza superficial, etc). 
Finalmente, a fissuração por hidrogênio pode ser controlada pelo pré-aquecimento 
da peça a ser soldada. Esta medida reduz a velocidade de resfriamento, possibilitando a 
formação de uma estrutura menos dura na ZTA e propiciando um maior tempo para que 
o hidrogênio escape da peça antes que se atinjam as temperaturas de fragilização por este 
elemento. O pré-aquecimento pode ser uniforme em toda a peça ou, mais comumente, ser 
localizado, na região da junta. Neste caso, deve-se garantir que uma faixa suficientemente 
larga do material seja aquecida até uma temperatura adequada (por exemplo, 75 mm de 
cada lado da junta). 
 Em casos particularmente sensíveis à fissuração, a junta ou toda a peça pode ser 
mantida aquecida após a soldagem (pós-aquecimento). Este procedimento permite que o 
hidrogênio escape da região da solda, reduzindo, assim, a chance de formação de trincas. 
Para ser efetivo, temperaturas superiores a 200ºC e tempos relativamente longos 
(superiores a 2 horas) devem ser usados e o resfriamento final, até a temperatura 
ambiente, deve ser lento. 
 
 
-Decoesão Lamelar 
 
A decoesão lamelar, ou trinca lamelar, é uma forma de fissuração que ocorre no 
metal base (e às vezes na ZTA), em planos que são essencialmente paralelos à superfície 
da chapa. Estas trincas ocorrem tipicamente em soldas de vários passes em juntas em T 
feitas em chapas ou placas laminadas de aço com espessura entre cerca de 10 e 60 mm. 
Foram observadas na construção de prédios e pontes de estrutura metálica e na fabricação 
de vasos de pressão, navios, estruturas "off-shore" e caldeiras e equipamento nuclear. 
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A trinca lamelar apresenta uma aparência típica em degraus. Esta aparência está 
associada com o seu mecanismo de formação, que está ligado à decoesão ou fissuração 
de inclusões alongadas, quando o metal base é submetido a tensões de tração no sentido 
da espessura (direção Z). Os vazios formados crescem e se unem por rasgamento plástico 
da matriz entre as inclusões ao longo de planos horizontais e verticais, resultando na sua 
morfologia característica. A melhor forma de prevenir esse tipo de fissuração é 
especificando aços de baixo teor de impurezas. 
 
5- Processos de Soldagem 
 
As chapas para o corpo foram retificadas e conformadas em formato de anel, um 
chanfro de topo foi utilizado, a figura 3 mostra com mais detalhes o processo. 
 
Figura 3: Anel conformado e soldado. 
 
Foram utilizados no total 20 anéis soldados entre si com solda de topo na estrutura 
do navio. 
Para as aletas foram utilizadas soldas de filete, conforme a figura 4. 
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Figura 4: Solda de filete aplicada nas aletas. 
 
Na figura 5 e 6 temos representações em 3D do resultado esperado após todo 
processo de soldagem. 
 
 
O processo utilizado para as soldas de topo será o arco submerso e para as soldas 
de filete, o processo será eletrodo revestido. 
 
6- Eletrodos e Fluxos 
 
 Serão utilizados dois tipos de consumíveis, eletrodos revestidos e fluxos, abaixo 
serão especificados cada um dos escolhidos para a aplicação no projeto. 
 
 
 
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ESPECIFICAÇÃO DE CONSUMÍVEL: ELETRODO. FONTE: 
http://www.kestra.com.br/uploads/product/files/1014/DSEL_-_0053_-
_KST_CORTEN_KB.pdf 
 
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ESPECIFICAÇÃO DE CONSUMÍVEL: FLUXO. FONTE: 
http://www.esab.com.br/br/pt/support/documentation/upload/catalogo-consumiveis-
esab.pdf 
 
 
A correta armazenagem dos produtos consumíveis - eletrodos, arames e 
fluxos - é fundamental para garantir as suas propriedades e a qualidade da solda 
aplicada. Trincas, poros e fragilidade da solda são defeitos normalmente 
associados a falhas na estocagem de produtos consumíveis. 
Foram seguidos os cuidados recomendados pelos fabricantes dos 
eletrodos/fluxos, e podem ser vistos na tabela abaixo: 
 
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Armazenamento Ressecagem Manutenção 
 
Nas embalagens originais, 
não violadas, ou em latas 
fechadas a uma temperatura 
mínima de +18ºC e umidade 
relativa máxima do ar de 
50%. 
 
Os fluxos devem ser 
armazenados em 
tambores/sacos fechados 
com uma relativa umidade 
máxima de 70%, e 
temperatura ambiente 
mínima de +18 °C. 
 
Eletrodos revestidos: 
325 ± 25 ºC por 1.5 ± 
0.5 horas 
 
Fluxos: Faixa de 
temperatura efetiva 
uniforme do fluxo: 250-
300°C, durante 2-3 
horas na temperatura 
efetiva/patamar 
 
 
Após a abertura da 
embalagem, manter os 
consumíveis em estufa 
aquecida entre 100ºC e 
120ºC. 
 
Para utilização em 
canteiros, os eletrodos 
revestidos devem ser 
colocados em estufas 
portáteis individuais e 
retirados somente no seu 
emprego. 
 
Eletrodos e fluxos 
contaminados por água, 
óleo ou tinta devem ser 
descartados. 
 
Tabela 4: Cuidados de armazenamento, ressecagem e manutenção. 
 
7- Chanfro 
 
Para fazer a soldagem das chapas do corpo em anéis, serão feitos chanfros nos 
flanges, esses chanfros serão em V, corte longitudinal deverá ser feito nos dois lados da 
chapa. As chapas posicionadas verticalmente (alma e reforços) terão suas bordas 
torneadas com um formato positivo V, realizando encaixe, favorecendo o equilíbrio na 
hora da soldagem. 
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α = 120º 
β = 60º 
S= 3mm 
f = 5mm 
Espessura da chapa é de 35mm. 
 
 
8 - Cálculo da Temperatura de Pré-aquecimento 
 
A partir de agora, será determinada a temperatura de pré aquecimento e o calor 
adicionado. Com base na tabela 5, utilizando um arame com diâmetro e alma com 5 mm, 
iremos utilizar o range de corrente de 400 – 1300 A. 
 
 
Tabela 5: Faixas de corrente de soldagem x diâmetros do arame. 
 
 
Para cálculo do calor adicionado utilizamos a fórmula: 
 
𝐶𝐴 = 𝜂 
𝑇 . 𝐼
𝑣
 Equação 1 
 
A tabela 6 indica os parâmetros de soldagem escolhidos parao processo de arco 
submerso com base no fluxo utilizado. 
 
 
 
 
 
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Calor Adicionado para arco submerso 
Tensão (V) 24 
Corrente (A) 1300 
Velocidade (cm/min) 60 
Rendimento 1 
Calor (kJ/mm) 3,12 
 
Tabela 6: Parâmetros de soldagem por arco submerso 
 
A tabela 7 mostra os parâmetros a serem utilizados a partir do eletrodo escolhido 
 
 
 
Tabela 7: Características e parâmetros de soldagem do eletrodo revestido 
 
Também iremos utilizar o diâmetro de 5 mm, e uma corrente de 260 A. 
 
Calor Adicionado para eletrodo revestido 
Tensão (V) 16 
Corrente (A) 260 
Velocidade (cm/min) 10 
Rendimento 0,85 
Calor (kJ/mm) 2,12 
 
Tabela 8: Parâmetros de soldagem por eletrodo revestido. 
 
 
 Para evitar o aparecimento de trincas a frio, deve-se fazer o pré-aquecimento da 
superfície que será soldada, para isso devemos calcular a temperatura de pré-
aquecimento. 
 Para o cálculo da TPA é necessário o valor do carbono equivalente, o calor 
adicionado (CA) e espessura combinada. 
 Tomando o carbono equivalente do método Yurioka = 0,52, partimos para o 
cálculo de TPA. A tabela 9 é a base para a determinação desta temperatura. 
Foi decidido a utilização de solda de topo, com nível de hidrogênio extra baixo do tipo 
A. 
 
 
 
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Tabela 9: Tabela que relaciona carbono equivalente e o tipo do teor extra baixo de 
hidrogênio. 
 
 
O valor aproximado de carbono equivalente para o nível de hidrogênio extra baixo 
do tipo A foi de 0,51 dessa forma, usamos esses valores para os cálculos de determinação 
da temperatura de pré-aquecimento, através do gráfico I. 
 
 
 
 
 
Gráfico 1: Espessura combinada versus calor adicionado. 
 
 
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As temperaturas de pré-aquecimento foram: 
 
 
 
 
 
Tabela 10: Relação entre tipo da solda, processo de soldagem e temperatura de pré-
aquecimento. 
*A solda deve ser realizada simultaneamente dos dois lados da solda de filete. 
 
9- Fornecimento e sequência de montagem 
 
Como dito anteriormente todas as chapas serão fornecidas pela USIMINAS com 
sede em Ipatinga (MG), o transporte será feito por caminhões da Alpha Engenharia até a 
filial do grupo na cidade de Angra dos Reis, parte da soldagem será feita dentro das 
dependências da empresa e a parte final será feita em campo. 
Após conformadas e usinadas conformes as necessidades, e confirmando que 
todos os pré-requisitos se enquadram no que a equipe pré-definiu, as chapas serão 
soldadas seguindo a seguinte ordem: 
 
Etapa Processo de soldagem Solda 
1 Arco submerso Topo 
2 Arco submerso Topo 
3 Eletrodo revestido Filete 
 
Tabela 11: Tabela relaciona as etapas de montagem com o processo de soldagem e o 
tipo de solda realizada. 
 
Primeiramente os anéis serão soldados entre si com soldas de topo com o processo 
de arco submerso, após será feito a soldagem das aletas com o processo de eletrodo 
revestido. Após o término da soldagem teremos uma aparência parecida com as das 
figuras 5 e 6. 
Tipo de solda Processo utilizado 
TPA 
(°C) 
Topo Arco submerso 135 
Filete Eletrodo revestido 75* 
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Figura 5 - Representação em vista 3D do resultado esperado. 
 
 
Figura 6 – Representação lateral do resultado esperado 
 
 
 
 
 
 
11- Teste de soldabilidade 
 
Os testes de soldabilidade servem para analisar a suscetibilidade das trincas aos 
tipos de trincas potenciais acima abordados. Os principais testes são: 
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Ensaio CTS: Este ensaio foi concebido para avaliar a sensibilidade de aços à 
fissuração (pelo hidrogênio) em condições de resfriamento que são controladas pela 
espessura das chapas usadas na montagem do corpo de prova e pelo número de caminhos 
disponíveis para o escoamento do calor de soldagem. 
O corpo de prova consiste de duas chapas, uma quadrada (chapa de topo, de 
espessura t) e a outra retangular (chapa de base, de espessura b), unidas por um parafuso 
de 12,5mm de diâmetro (figura 9). Duas soldas de teste são depositadas em cada corpo 
de prova. Primeiro deposita-se a solda mostrada à direita na figura 9. 
Após o corpo de prova se resfriar completamente, a solda à esquerda é depositada. 
Esta última apresenta condições mais favoráveis para a difusão do calor de soldagem, 
apresentando uma maior velocidade média de resfriamento e, portanto, maior chance de 
vir a trincar. Após o corpo de prova permanecer por 72 horas à temperatura ambiente, três 
amostras metalográficas da seção transversal de cada solda de teste são retiradas e o 
comprimento das trincas eventualmente presentes é medido. 
A severidade do ensaio pode ser aumentada usando-se chapas de topo e de base 
de maior espessura ou, alternativamente, aumentando-se a abertura da raiz das soldas de 
teste pela usinagem de um pequeno rebaixo na chapa de topo ou pela colocação de uma 
arruela no parafuso, entre as chapas de topo e de base (ensaio CTS modificado). O ensaio 
CTS é usado na Inglaterra como um teste padrão para avaliar a sensibilidade à fissuração 
pelo hidrogênio de aços estruturais de média e alta resistência. 
 
 
 
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Figura 7: Corpo de prova do ensaio CTS (esquemático). 
 
Ensaio Tekken: O ensaio Tekken foi desenvolvido no Japão, tendo se tornado 
um dos mais utilizados para a avaliação de problemas de fissuração pelo hidrogênio em 
aços estruturais de alta resistência. Esta popularidade se justifica por ser este ensaio 
considerado um dos mais sensíveis à fissuração pelo hidrogênio, por permitir a avaliação 
e medição de seus resultados de uma forma relativamente simples e por apresentar uma 
razoável repetibilidade de resultados. A figura 10 ilustra o corpo de prova usado neste 
ensaio. A solda de teste (de um único passe) é realizada na parte central do corpo de prova 
de cerca de 80mm. Decorrido um período de tempo após a soldagem, usualmente 48 
horas, amostras metalográficas são retiradas da seção transversal da solda de teste e a 
presença ou não de trincas é observada. As trincas são observadas principalmente na raiz 
da solda, tanto na ZTA como na ZF. 
 
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Figura 8: Esquema do ensaio Tekken. 
 
Ensaio Houldcroft: O ensaio Houldcroft foi desenvolvido para avaliar a 
sensibilidade à fissuração na solidificação em chapas finas. Neste ensaio, uma série de 
entalhes de profundidade variável é feita nos dois lados do corpo de prova de forma a 
desenvolver um grau de restrição variável ao longo deste (figura 11). A soldagem é feita 
usualmente com o processo GTAW, sem metal de adição, em condições de soldagem que 
permitam a obtenção de um cordão de penetração total e é feita da região de maior 
restrição (menores entalhes) para a de maior restrição. O resultado do ensaio é expresso 
como o comprimento da trinca formada. 
 
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Figura 9: Esquema do ensaio Houldcroft. 
 
Ensaio de Filete: Este ensaio é usado para avaliar o desempenho de um 
consumível de soldagem ou verificar a seleção adequada de parâmetros e técnica de 
soldagem para produzir soldas isentas de descontinuidades em juntas de filete. Sua 
execução consiste na deposição de uma pequena solda de filete, a sua ruptura pela raiz 
(figura 12) e o exame da superfície de fratura para avaliar a presença de porosidade, falta 
depenetração e outras descontinuidades. Este ensaio é descrito na norma AWS B 4.0. 
 
 
Figura 10: Esquema do ensaio de Filete.