Imagine-se a construir uma ponte ou um arranha-céus, apenas para o ver falhar devido a falhas despercebidas na soldadura. A resistência à fadiga em estruturas soldadas é um fator crítico para garantir a durabilidade e a segurança de tais construções. Este artigo analisa as causas da falha por fadiga, incluindo os efeitos da resistência da carga estática, da concentração de tensões e dos defeitos de soldadura. Ao compreender estes factores, os engenheiros podem conceber e fabricar estruturas soldadas mais fiáveis, evitando falhas catastróficas e prolongando a vida útil de infra-estruturas vitais.
As causas da falha por fadiga de estruturas soldadas incluem principalmente os seguintes aspectos:
① Objetivamente, a capacidade de suporte de carga estática das juntas soldadas não é tipicamente mais fraca do que a do metal de base. No entanto, quando sujeitas a cargas dinâmicas alternadas, a sua capacidade é significativamente menor e está intimamente relacionada com o tipo de junta soldada e estrutura. Este facto é um dos principais contribuintes para a falha prematura de algumas estruturas devido à fadiga nas juntas soldadas. juntas soldadas.
② Cedo estrutura de soldadura O projeto centrava-se essencialmente na resistência à carga estática, ignorando o projeto à fadiga. Alguns projectos de juntas soldadas são agora considerados pouco razoáveis devido à falta de especificações perfeitas de conceção à fadiga.
③ Os projectistas e técnicos de engenharia não têm conhecimentos adequados sobre as características de resistência à fadiga das estruturas soldadas, o que leva a que os projectos copiem frequentemente os critérios de conceção à fadiga e as formas estruturais de outras estruturas metálicas.
④ As estruturas soldadas estão a tornar-se cada vez mais comuns e, no processo de conceção e fabrico, há uma tendência para estruturas leves e de baixo custo, o que resulta num aumento das cargas de projeto para estas estruturas.
⑤ À medida que as estruturas soldadas avançam para alta velocidade e cargas pesadas, a demanda por sua capacidade de carga dinâmica continua a aumentar. No entanto, o nível de investigação sobre a resistência à fadiga das estruturas soldadas continua a ser inadequado.
No estudo dos materiais de ferro e aço, os investigadores esforçam-se por obter uma elevada resistência específica, ou seja, a capacidade de suportar cargas pesadas sendo ao mesmo tempo leves. Isto permite que as estruturas tenham uma maior capacidade de suporte mantendo o mesmo peso, ou que tenham a mesma capacidade sendo mais leves. Como resultado, foi desenvolvido o aço de alta resistência, que apresenta uma elevada resistência à fadiga.
A resistência à fadiga dos metais comuns aumenta com o aumento da resistência à carga estática. No entanto, isto não se aplica às estruturas soldadas. A resistência à fadiga das juntas soldadas tem uma correlação limitada com a resistência estática do metal de base, o metal de solda, a microestrutura e as propriedades da zona afetada pelo calor e a correspondência de resistência do metal de solda.
Por outras palavras, tendo em conta os mesmos pormenores da junta soldada, a resistência à fadiga do aço de alta resistência e do aço de baixo teor de carbono é a mesma e apresentam a mesma curva S-N. Isto aplica-se a vários tipos de juntas, tais como juntas de topo, juntas de canto e vigas soldadas.
Maddox realizou um estudo sobre o crescimento de fissuras por fadiga em aço carbono-manganês com um ponto de escoamento que varia entre 386 e 636 MPa, e metal de solda e zonas afectadas pelo calor soldadas com seis eléctrodos diferentes.
Os resultados indicam que as propriedades mecânicas do material têm algum impacto na taxa de crescimento da fissura, mas o efeito não é significativo.
No projeto de estruturas soldadas sujeitas a cargas alternadas, a seleção de aço de alta resistência não é significativa para satisfazer os requisitos de engenharia. O aço de alta resistência só é necessário para o metal de base da junta soldada quando o rácio de tensão é superior a +0,5 e a condição de resistência estática desempenha um papel dominante.
A razão para estes resultados é a presença de defeitos em cunha de escória semelhantes a rebaixos ao longo da linha de fusão na extremidade da junta, com uma espessura de 0,075 mm a 0,5 mm e um raio de ponta inferior a 0,015 mm. Os defeitos acentuados são a origem de fissuras de fadiga, equivalentes à fase de formação de fissuras de fadiga.
Por conseguinte, a vida à fadiga da junta sob uma certa amplitude de tensão é determinada principalmente pela fase de propagação da fenda de fadiga. Estes defeitos resultam no mesmo tipo de juntas soldadas para todos os aços com a mesma resistência à fadiga, independentemente da resistência estática do metal de base e dos materiais de soldadura.
2.2.1 Influência do tipo de junta
As juntas soldadas incluem as juntas de topo, as juntas cruzadas, as juntas em T e as juntas sobrepostas. Estas juntas são susceptíveis de concentração de tensões devido à interferência da linha de transmissão de forças.
A interferência da linha de tensão das juntas de topo é mínima, resultando numa baixa concentração de tensão e numa maior resistência à fadiga em comparação com outras juntas. No entanto, as experiências mostraram que a resistência à fadiga das juntas de topo pode variar muito, devido a vários factores como o tamanho da amostra, a forma da ranhura, o método de soldadura, o tipo de elétrodo, a posição de soldadura, a forma da soldadura, o processamento da soldadura pós-soldadura e o tratamento térmico pós-soldadura.
A utilização de uma placa de apoio permanente numa junta de topo pode causar uma concentração significativa de tensões na placa de apoio e reduzir a resistência à fadiga da junta. As fissuras de fadiga neste tipo de junta ocorrem na junta entre a soldadura e a placa de apoio, em vez de na ponta da soldadura, e a sua resistência à fadiga é geralmente igual à de uma junta de topo com a pior forma sem placa de apoio.
As juntas cruzadas e as juntas em T são muito utilizadas em estruturas soldadas.
Nestas juntas de suporte de carga, a mudança óbvia de secção na transição da soldadura para o metal de base resulta num fator de concentração de tensões mais elevado em comparação com a junta de topo, levando a uma menor resistência à fadiga para as juntas cruzadas e em T em comparação com as juntas de topo.
Para as juntas não biseladas ligadas por soldaduras de filete e juntas ranhuradas com soldaduras de penetração local, as fracturas por fadiga podem ocorrer em dois elos fracos, isto é, a junção entre o metal de base e o dedo do pé da soldadura ou a soldadura, quando a soldadura transmite a tensão de trabalho. Para as juntas cruzadas com penetração de ranhura, as fracturas ocorrem geralmente apenas na ponta da soldadura, e não na soldadura.
A resistência à fadiga das juntas em T e das juntas cruzadas, em que a soldadura não suporta a tensão de trabalho, depende principalmente da concentração de tensões na junção da soldadura e da placa principal sujeita a tensão. As juntas em T têm maior resistência à fadiga, enquanto as juntas cruzadas têm menor resistência à fadiga.
A melhoria da resistência à fadiga das juntas em forma de T ou cruzadas pode ser conseguida utilizando a soldadura de ranhuras e maquinando a transição da soldadura para criar uma transição suave. Esta medida pode melhorar significativamente a resistência à fadiga.
A resistência à fadiga das juntas sobrepostas é muito baixa devido à grave distorção da linha de força. A utilização de uma junta de topo de placa de cobertura dita "reforçada" é extremamente irrazoável.
A utilização de uma placa de cobertura numa junta de topo enfraquece significativamente a sua elevada resistência à fadiga devido ao aumento da concentração de tensões.
Nas juntas de chapa de cobertura que suportam carga, podem ocorrer fissuras de fadiga no metal de base ou na soldadura. Além disso, a alteração da largura da chapa de cobertura ou do comprimento da soldadura alterará a distribuição de tensões no metal de base, afectando a resistência à fadiga da junta. A resistência à fadiga da junta aumenta à medida que a relação entre o comprimento da soldadura e a largura da chapa de cobertura aumenta, uma vez que isto tende a resultar numa distribuição de tensões mais uniforme no metal de base.
2.2.2 Influência da forma da soldadura
Independentemente da forma da junta, são ligadas por dois tipos de soldaduras: soldaduras de topo e soldaduras de filete.
A forma das soldaduras afecta o fator de concentração de tensões, conduzindo a variações significativas na resistência à fadiga.
A forma da soldadura de topo tem o maior impacto na resistência à fadiga da junta.
(1) Influência do ângulo de transição
Yamaguchi et al. estabeleceram a relação entre a resistência à fadiga e o ângulo de transição (ângulo obtuso externo) entre o metal de base e o metal de solda.
Nos testes, a largura (W) e a altura (H) da soldadura mudaram, mas a relação H/W permaneceu constante, o que significa que o ângulo incluído permaneceu inalterado. Os resultados mostraram que a resistência à fadiga também permaneceu inalterada.
No entanto, quando a largura da soldadura se manteve constante e a altura foi alterada, verificou-se que um aumento da altura resultou numa diminuição da resistência à fadiga da junta. Este facto deve-se claramente a uma diminuição do ângulo de inclusão externo.
(2) Influência do raio de transição da soldadura
Os resultados da investigação de Sander et al. indicam que o raio de transição da soldadura também tem um impacto significativo na resistência à fadiga da junta. À medida que o raio de transição aumenta (enquanto o ângulo de transição permanece inalterado), a resistência à fadiga aumenta.
A forma do filete de soldadura também tem um impacto significativo na resistência à fadiga da junta. Quando o rácio entre a espessura calculada (a) de uma única soldadura e a espessura da placa (b) é inferior a 0,6 a 0,7, geralmente parte-se na soldadura. Quando a/b > 0,7, geralmente parte-se do metal de base.
O aumento do tamanho da soldadura não pode alterar a resistência de outra secção fraca, ou seja, o metal de base na extremidade do dedo do pé da soldadura e, por conseguinte, a resistência à fadiga não pode ser excedida na melhor das hipóteses.
Soete e Van Crombrugge realizaram ensaios em placas de 15 mm de espessura soldadas com diferentes cordões de soldadura sob carga de fadiga axial.
Os resultados mostraram que, quando a perna de soldadura era de 13 mm, ocorriam fracturas no metal de base ou na ponta da soldadura. Se a perna de soldadura fosse inferior a este valor, ocorriam fracturas por fadiga na soldadura. Quando o tamanho da perna era de 18mm, as fracturas ocorriam no metal de base.
Com base nestas conclusões, propuseram um limite para a dimensão da perna de soldadura: S = 0,85B, em que S é a dimensão da perna de soldadura e B é a espessura da chapa.
Mesmo que o tamanho da perna da soldadura tenha atingido a espessura da placa (15 mm), ainda ocorreram fracturas na soldadura, o que confirma os resultados teóricos.
2.2.3 influência de defeitos de soldadura
Existem vários tipos de defeitos na extremidade da soldadura que conduzem ao aparecimento precoce de fissuras de fadiga e a uma diminuição significativa da resistência à fadiga do metal de base (até 80%).
Os defeitos de soldadura podem ser geralmente divididos em duas categorias:
Os defeitos planares (como as fissuras e a falta de fusão) e os defeitos volumétricos (como os poros e a inclusão de escória) têm diferentes graus de influência.
Além disso, o impacto da defeitos de soldadura sobre a resistência à fadiga das juntas depende do tipo, direção e localização dos defeitos.
1) Crack
Fissuras na soldaduraAs fissuras a frio e a quente são fontes significativas de concentração de tensões, para além de uma microestrutura frágil, e podem reduzir significativamente a resistência à fadiga de estruturas ou juntas.
Estudos anteriores mostraram que numa amostra de junta de topo em aço de baixo teor de carbono com uma largura de 60mm e uma espessura de 12,7mm, quando existem fissuras com um comprimento de 25mm e uma profundidade de 5,2mm na soldadura (que ocupam cerca de 10% da área da secção transversal da amostra), a sua resistência à fadiga sob carga alternada é reduzida em 55% a 65% após 2 milhões de ciclos.
2) Penetração incompleta
É importante notar que a penetração incompleta nem sempre é considerada um defeito, uma vez que pode ser intencionalmente concebida para determinadas juntas, como os bocais dos recipientes sob pressão.
Os defeitos de penetração incompleta podem ser defeitos superficiais (soldadura de uma face) ou defeitos internos (soldadura de duas faces), e podem ser locais ou globais. Enfraquecem principalmente a área da secção transversal e causam concentração de tensões.
Os testes mostraram que, em comparação com os resultados sem esses defeitos, a resistência à fadiga é reduzida em 25%, o que significa que o impacto não é tão grave como o das fissuras.
3) Fusão incompleta
Apesar de ser uma questão importante, a investigação sobre este tema tem sido limitada devido às dificuldades na preparação das amostras.
No entanto, é evidente que a falta de fusão é um tipo de defeito plano que não pode ser ignorado. É frequentemente tratada como uma forma de penetração incompleta.
4) Rebaixo
Os principais parâmetros que descrevem o corte inferior são o comprimento do corte inferior (L), a profundidade do corte inferior (h) e a largura do corte inferior (W).
Atualmente, o principal parâmetro que afecta a resistência à fadiga é a profundidade do corte inferior (h), que pode ser avaliada pela profundidade (h) ou pela relação entre a profundidade e a espessura da chapa (h/B).
5) Estomas
Harrison analisou e resumiu os resultados dos testes anteriores relacionados com defeitos volumétricos.
A diminuição da resistência à fadiga deve-se principalmente à redução da área da secção transversal causada pelos poros. Existe uma relação linear entre eles.
No entanto, alguns estudos mostram que, quando a superfície da amostra é maquinada, resultando na localização dos poros na superfície ou logo abaixo dela, o impacto negativo dos poros aumenta. Estes actuarão como uma fonte de concentração de tensões e tornar-se-ão o ponto de partida das fissuras de fadiga.
Isto sugere que a localização dos poros tem um maior impacto na resistência à fadiga da junta do que o seu tamanho, e que os poros localizados na superfície ou sob a superfície têm o efeito negativo mais significativo.
6) Inclusão de escórias
A investigação conduzida pelo IIW mostrou que, entre os defeitos volumétricos, a inclusão de escória tem um maior impacto na resistência à fadiga das juntas em comparação com a porosidade.
O impacto dos defeitos de soldadura na resistência à fadiga das juntas não depende apenas da dimensão do defeito, mas também é influenciado por vários outros factores, como o facto de os defeitos superficiais terem um impacto maior do que os defeitos internos e de os defeitos planos perpendiculares à direção da força terem um impacto maior do que noutras direcções.
A influência dos defeitos localizados em zonas de tensão residual de tração é maior do que a dos defeitos localizados em zonas de tensão residual de compressão, e os defeitos localizados em zonas de concentração de tensões, como as fissuras nos dedos dos pés da soldadura, têm um impacto maior do que os mesmos defeitos em campos de tensão uniformes.
Soldadura tensão residual é uma caraterística das estruturas soldadas que é amplamente estudada pelo seu impacto na resistência à fadiga destas estruturas. Foram efectuados numerosos estudos experimentais para analisar esta questão.
Os ensaios de fadiga são frequentemente efectuados comparando amostras com tensão residual de soldadura para aqueles que foram submetidos a um tratamento térmico para remover a tensão residual. Isto deve-se ao facto de a geração de tensão residual de soldadura ser frequentemente acompanhada por alterações nas propriedades do material resultantes da ciclo térmico de soldaduraO tratamento térmico não só elimina a tensão residual como também restaura parcial ou totalmente as propriedades do material.
No entanto, devido à variabilidade dos resultados dos ensaios, existem diferentes interpretações dos resultados e avaliações do impacto da tensão residual da soldadura. Isto pode ser visto através da análise da investigação inicial e recente efectuada por vários indivíduos.
Por exemplo, diferentes investigadores chegaram a conclusões diferentes de ensaios de ciclo de 2×106 em juntas de topo com reforço.
Verificou-se que a resistência à fadiga de uma amostra após tratamento térmico para aliviar a tensão era 12,5% superior à da mesma amostra no seu estado soldado. No entanto, alguns estudos concluíram que a resistência à fadiga das amostras soldadas e tratadas termicamente era a mesma, com poucas diferenças. Noutros resultados, a resistência à fadiga aumentou após o tratamento térmico para remover a tensão residual, mas o aumento foi muito inferior a 12,5%.
Foram encontrados resultados semelhantes nos ensaios de amostras de juntas de topo com retificação de superfície. Alguns ensaios mostraram que a resistência à fadiga podia ser aumentada em 17% após o tratamento térmico, enquanto outros não mostraram qualquer melhoria.
Esta questão tem sido uma fonte de confusão durante algum tempo. No entanto, uma série de testes sob carga alternada realizados por académicos da antiga União Soviética ajudou a esclarecer o problema. A investigação de Trufyakov sobre o efeito da tensão residual de soldadura na resistência à fadiga da junta sob diferentes características do ciclo de tensão é especialmente digna de nota.
Os ensaios foram realizados com aço estrutural de baixa liga 14Mn2 comum e envolveram uma soldadura de topo transversal na amostra, com um cordão de soldadura longitudinal sobreposto em ambos os lados.
Um grupo de amostras foi submetido a um tratamento térmico para eliminar a tensão residual após a soldadura, enquanto o outro grupo não foi tratado. O ensaio de comparação da resistência à fadiga foi efectuado utilizando três coeficientes característicos do ciclo de tensão, r = -1, 0 e +0,3.
Sob carga alternada (r = -1), a resistência à fadiga da amostra com tensão residual aliviada era próxima de 130 MPa, enquanto a amostra sem eliminação tinha uma resistência à fadiga de apenas 75 MPa.
Sob carga pulsante (r = 0), a resistência à fadiga de ambos os grupos de amostras foi a mesma, de 185 MPa.
Quando r = 0,3, a resistência à fadiga da amostra com tensão residual eliminada por tratamento térmico era de 260 MPa, ligeiramente inferior à da amostra sem tratamento térmico, que tinha uma resistência à fadiga de 270 MPa.
As principais razões para este fenómeno são:
Quando o valor de r é elevado, tal como sob carga pulsante (r = 0), a resistência à fadiga é elevada e a tensão residual é rapidamente libertada sob a influência de uma tensão de tração elevada, reduzindo o impacto da tensão residual na resistência à fadiga. Quando r aumenta para 0,3, a tensão residual diminui ainda mais sob carga, não tendo qualquer efeito sobre a resistência à fadiga.
O tratamento térmico não só elimina a tensão residual, mas também amolece o material, levando a uma diminuição da resistência à fadiga após o tratamento.
Este ensaio demonstra a influência da tensão residual e das alterações materiais causadas pelo ciclo térmico de soldadura na resistência à fadiga. Também indica que o impacto da tensão residual de soldadura na resistência à fadiga de uma junta está relacionado com as características do ciclo de tensão da carga de fadiga. Quando o valor caraterístico do ciclo é baixo, o impacto é relativamente elevado.
Foi anteriormente observado que, devido à tensão residual que atinge o rendimento do material numa soldadura estrutural, numa junta com um ciclo de tensão de amplitude constante, o ciclo de tensão real perto da soldadura cairá abaixo do ponto de cedência do material, independentemente das características originais do ciclo.
Por exemplo, o ciclo de tensão nominal deve ser de +S1 a -S2, com um intervalo de tensão de S1 + S2. No entanto, o intervalo real do ciclo de tensão na junta será de sy (amplitude de tensão no ponto de escoamento) a SY-(S1 + S2).
Este é um fator crucial a considerar quando se estuda a resistência à fadiga de juntas soldadas, levando alguns códigos de projeto a substituir a caraterística cíclica r pela gama de tensões.
Além disso, o tamanho do espécime, o modo de carregamento, o rácio do ciclo de tensão e o espetro de carga também têm um impacto significativo na resistência à fadiga.
A iniciação de fissuras por fadiga em juntas soldadas ocorre tipicamente na raiz da soldadura e na ponta da soldadura. Se o risco de iniciação de fissuras por fadiga na raiz da soldadura for controlado, os pontos mais vulneráveis das juntas soldadas concentram-se na extremidade da soldadura.
Existem várias formas de melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas:
① Reduzir ou eliminar defeitos de soldadura, especialmente aberturas;
② Melhorar a geometria do dedo do pé da solda e diminuir o fator de concentração de tensão;
③ Ajustar o campo de tensão residual de soldadura para produzir um campo de tensão residual de compressão. Estes métodos de melhoria podem ser divididos em duas categorias, como mostrado na Tabela 1.
Otimizar o processo de soldadura não só melhora a resistência à fadiga da estrutura soldada, como também melhora a sua resistência à carga estática e as propriedades metalúrgicas das juntas soldadas. Existe uma grande quantidade de dados sobre este tópico, que não serão repetidos aqui.
Quadro 1 métodos de melhoria da resistência à fadiga de estruturas soldadas
| Método de melhoria da resistência à fadiga de estruturas soldadas | Otimização do processo de soldadura | Geometria local | Controlo de qualidade | Controlo dos defeitos de soldadura | 1 | |
| Melhoria da geometria | 2 | |||||
| Processo tecnológico | Sequência de soldadura | 3 | ||||
| Tensão residual(<0) | Tratamento metalúrgico do dedo do pé da soldadura | 4 | ||||
| Modelação de cordões de soldadura | Geometria da ponta de soldadura | 5 | ||||
| Estado do ouro e do metal | 6 | |||||
| Melhoria da soldadura | Geometria local | Maquinação | Retificação de dedos de soldadura | 7 | ||
| Impacto na água | 8 | |||||
| Refusão local | Reparação TG | 9 | ||||
| Reparação com plasma | 10 | |||||
| Tensão residual | Método de libertação do stress | Tratamento térmico | 11 | |||
| Tratamento mecânico | 12 | |||||
| Aquecimento local | 13 | |||||
| Método mecânico | Contacto mecânico | Tiro descasque | 14 | |||
| Martelagem | 15 | |||||
| Impacto ultrassónico | 16 | |||||
| soldadura | Estampagem | 17 | ||||
| Compressão local | 18 | |||||
Os principais métodos para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas são discutidos em pormenor em três partes, com destaque para os métodos de processo.
1) Tratamento TIG
Estudos demonstraram que a reparação TIG pode aumentar significativamente a resistência à fadiga das juntas soldadas, tanto a nível nacional como internacional. O processo envolve a utilização de Soldadura TIG para fundir novamente a secção de transição da junta soldada, criando uma transição suave entre a soldadura e o metal de base. Isto reduz a concentração de tensões e elimina pequenas não metálico inclusões de escória, resultando numa melhoria da resistência à fadiga da junta.
A pistola de soldadura é normalmente posicionada a uma distância de 0,5 a 1,5 mm do dedo do pé de soldadura durante o processo de reparação, e a área refundida deve ser mantida limpa. A adição de uma ligeira lixagem prévia melhorará os resultados.
É crucial manusear corretamente o processo de rearco se ocorrer a extinção do arco durante a refusão, uma vez que isto terá impacto na qualidade do cordão de soldadura refundido. A melhor posição para o re-arco é geralmente 6 mm à frente da cratera do cordão de soldadura.
Recentemente, a Sociedade Internacional de Soldadura colaborou com institutos de investigação de soldadura em vários países europeus e no Japão para realizar um estudo unificado sobre a eficácia dos métodos para aumentar a resistência à fadiga das juntas. As amostras foram preparadas pelo British Welding Research Institute.
O estudo confirmou que a resistência à fadiga nominal da junta após 2×106 ciclos foi aumentado em 58% após o tratamento com este método. Este valor nominal de resistência à fadiga de 211MPa corresponde a um valor caraterístico (índice K) de 144MPa. Ultrapassa o valor mais elevado de FAT na resistência à fadiga de pormenor da junta estabelecido pela Sociedade Internacional de Soldadura.
2) Maquinação
A maquinagem da superfície da soldadura pode reduzir significativamente a concentração de tensões e melhorar a resistência à fadiga da junta de topo. Se a soldadura estiver isenta de defeitos, a sua resistência à fadiga pode mesmo ultrapassar a do metal de base. No entanto, a maquinagem é um processo dispendioso e só deve ser efectuada quando os benefícios justificam o custo.
No caso de soldaduras com defeitos significativos e sem soldadura de fundo, a concentração de tensões no defeito ou na raiz da soldadura é muito mais grave do que na superfície, tornando a maquinagem inútil. Se não houver um defeito de penetração, as fissuras de fadiga não se iniciam no reforço e na ponta da soldadura, mas transferem-se para a raiz da soldadura. Nestes casos, a maquinagem pode efetivamente reduzir a resistência à fadiga da junta.
O esmerilamento apenas da ponta da solda, em vez de todo o metal de solda, também pode melhorar a resistência à fadiga da junta. A investigação demonstrou que o ponto de iniciação da fissura neste cenário é transferido do dedo do pé da soldadura para o defeito de soldadura.
Os ensaios de resistência à fadiga realizados por Makorov, da antiga União Soviética, em aço de alta resistência (resistência à tração σb = 1080MPa) mostraram que a resistência à fadiga das soldaduras de topo transversais sob carga alternada era de ± 150MPa após 2×106 ciclos como soldado. A maquinação da soldadura e a remoção do reforço aumentaram a resistência à fadiga para ± 275MPa, equivalente à resistência à fadiga do metal de base. A retificação local na extremidade da soldadura de topo resultou numa resistência à fadiga de ± 245MPa, equivalente a 83% do efeito da maquinagem e uma melhoria de 65% em relação ao estado soldado.
É importante notar que deve ser utilizada uma técnica adequada na maquinagem ou na retificação para garantir a melhoria desejada da resistência à fadiga.
3) Retificação de mós
A retificação com uma mó pode não ser tão eficaz como a maquinagem, mas continua a ser um método útil para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas. A International Welding Society recomenda a utilização de uma mó de alta velocidade, eléctrica ou hidráulica, com uma velocidade de 15.000 a 40.000 RPM, feita de material de tungsténio-carbono. O diâmetro da mó deve garantir que a profundidade e o raio de retificação sejam iguais ou superiores a 1/4 da espessura da chapa.
Uma investigação recente da Sociedade Internacional de Soldadura revelou que a resistência à fadiga nominal da amostra após 2 ciclos aumentou em 45% após a retificação. O valor nominal da resistência à fadiga de 199 MPa corresponde a um valor caraterístico (135 MPa), que é superior ao valor FAT mais elevado na resistência à fadiga de pormenor da junta estabelecido pela Sociedade Internacional de Soldadura.
É importante notar que a direção de retificação deve estar alinhada com a direção da linha de tensão. A retificação numa direção diferente pode deixar um entalhe perpendicular à linha de tensão, actuando efetivamente como uma fonte de concentração de tensão e reduzindo a resistência à fadiga da junta.
4) Método do elétrodo especial
Este método envolve o desenvolvimento de um novo tipo de elétrodo. O seu metal líquido e a escória líquida têm uma elevada molhabilidade, o que aumenta o raio de transição da soldadura, reduz o ângulo na extremidade da soldadura, reduz a concentração de tensões na extremidade da soldadura e melhora a resistência à fadiga da junta soldada.
Tal como a reparação por soldadura TIG, tem uma forte preferência por certas posições de soldadura, particularmente a soldadura plana e em ângulo, enquanto os seus benefícios são significativamente reduzidos para a soldadura vertical, horizontal e soldadura suspensa.
1) Método de pré-sobrecarga
Quando uma carga de tração é aplicada a uma amostra com concentração de tensões até que ocorra a cedência no entalhe, resultando em alguma deformação plástica de tração, será gerada uma tensão de compressão no local da deformação plástica de tração perto do entalhe carregado após a descarga. A tensão de tração abaixo do ponto de cedência será equilibrada noutras secções da amostra.
Em ensaios de fadiga subsequentes, a gama de tensões da amostra submetida a este tratamento será diferente da amostra original sem pré-carga, e será significativamente reduzida. Isto pode melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas.
A investigação mostra que é necessário efetuar um ensaio de pré-carga antes da entrada em funcionamento de grandes estruturas soldadas, como pontes e recipientes sob pressão. Isto irá melhorar o seu desempenho à fadiga.
2) Aquecimento local
O aquecimento local pode ajustar o campo de tensões residuais na soldadura, gerando tensões residuais de compressão nos pontos de concentração de tensões, o que pode melhorar a resistência à fadiga da junta. Atualmente, este método só é aplicável a soldaduras descontínuas longitudinais ou a juntas com placas rígidas longitudinais.
Para placas de filete de um lado, a posição de aquecimento é tipicamente cerca de 1/3 da largura da placa a partir da soldadura. Para placas de filete de dupla face, a posição de aquecimento é o centro da placa. Isto gera uma tensão de compressão na soldadura, aumentando a resistência à fadiga da junta.
Diferentes investigadores obtiveram resultados variados utilizando este método. Para as chapas de reforço de uma face, a resistência à fadiga aumentou 145-150%, enquanto que para as chapas de reforço de duas faces, a resistência à fadiga aumentou 70-187%.
A posição do aquecimento local tem um impacto significativo na resistência à fadiga da junta. O aquecimento pontual na extremidade da soldadura causa tensão residual compressiva no entalhe e aumenta a resistência à fadiga em 53%. No entanto, o aquecimento por pontos no centro da amostra na extremidade da soldadura, com a mesma distância da extremidade da soldadura, tem o mesmo efeito metalográfico mas produz tensão residual de tração, resultando na mesma resistência à fadiga que a amostra não tratada.
3) Método de extrusão
O mecanismo de extrusão local é semelhante ao método de aquecimento pontual, na medida em que melhora a resistência à fadiga da junta através da geração de tensões residuais de compressão. No entanto, o seu ponto de ação é diferente e a posição de extrusão deve ser onde se pretende obter uma tensão residual de compressão.
O método de extrusão tem um efeito mais significativo nas amostras de aço de alta resistência do que nas de aço de baixo teor de carbono.
4) Método de Gurnnert
Gunnert propôs um método para obter resultados satisfatórios devido à dificuldade em determinar com exatidão a posição e a temperatura de aquecimento no método de aquecimento local. A chave para este método é aquecer diretamente o entalhe, em vez da área circundante, a uma temperatura que possa causar deformação plástica mas que seja inferior à temperatura de transformação de fase de 55°C ou 550°C, e depois arrefecê-lo rapidamente.
O arrefecimento tardio do metal sob a superfície e do metal circundante que não é arrefecido causará retração e gerará tensão de compressão na superfície arrefecida. Esta tensão de compressão pode aumentar a resistência à fadiga da barra.
É importante notar que o processo de aquecimento deve ser lento para aquecer a camada inferior. Gunnert recomenda um tempo de aquecimento de 3 minutos, enquanto Harrison recomenda 5 minutos.
Ohta conseguiu evitar fissuras de fadiga em tubos de topo utilizando este método. O exterior da tubagem foi aquecido por indução e o interior foi arrefecido por circulação de água, gerando tensão de compressão na tubagem e impedindo eficazmente a formação de fissuras de fadiga. Após o tratamento, a taxa de crescimento de fissuras de fadiga do tubo de soldadura de topo foi grandemente reduzida e atingiu a mesma taxa de crescimento de fissuras que o metal de base.
1) Método de martelagem
O martelamento é um método de trabalho a frio que cria uma tensão de compressão na superfície do dedo de solda numa junta. A eficácia deste método depende da deformação plástica na superfície do dedo do pé da soldadura.
Além disso, o martelamento pode reduzir a nitidez do entalhe e, consequentemente, a concentração de tensões, levando a uma melhoria significativa da resistência à fadiga da junta. A Sociedade Internacional de Soldadura recomenda uma pressão de martelo de ar de 5-6 Pa.
A parte superior da cabeça do martelo deve ser sólida, com um diâmetro de 8-12 mm, e recomenda-se a utilização de quatro impactos para garantir uma profundidade de martelagem de 0,6 mm.
A investigação da Sociedade Internacional de Soldadura mostra que, para juntas em T sem suporte de carga, o martelamento aumenta a resistência à fadiga em 54% abaixo de 2×106 ciclos.
2) Granalhagem
O shot peening é outra forma de martelagem e é um tipo de maquinagem de impacto. A eficácia do shot peening depende do diâmetro do shot peening. O diâmetro não deve ser demasiado grande para resolver pequenos defeitos, mas também não deve ser demasiado pequeno para atingir um determinado nível de endurecimento por trabalho a frio. Normalmente, o shot peening pode afetar a superfície até uma profundidade de alguns milésimos de milímetro.
A investigação mostra que a granalhagem pode melhorar significativamente a resistência à fadiga das juntas de aço de alta resistência e tem um efeito particularmente forte sobre soldadura por arco de árgon materiais de aço de alta resistência, ultrapassando mesmo a reparação TIG. A utilização de shot peening também pode aumentar o impacto da reparação por fusão TIG.
Nos últimos anos, o impacto ultrassónico tem sido desenvolvido como um meio de melhorar a resistência à fadiga de juntas e estruturas soldadas. O seu mecanismo é semelhante ao do martelamento e do shot peening.
No entanto, o impacto ultrassónico tem vantagens como peso leve, bom controlo, utilização flexível e conveniente, ruído mínimo, elevada eficiência, menos restrições na aplicação, baixo custo e eficiência energética. É adequado para todos os tipos de juntas e é um método eficaz para melhorar o desempenho à fadiga das juntas soldadas após a soldadura.
Foram realizados estudos utilizando o tratamento de impacto ultrassónico em juntas de topo e juntas de canto longitudinais sem suporte de vários aços estruturais típicos soldados. Em seguida, foram efectuados ensaios comparativos de fadiga em juntas soldadas e tratadas por impacto. Os resultados, apresentados no Quadro 2, indicam que a resistência à fadiga das juntas soldadas aumentou em 50-170% após o tratamento de impacto ultrassónico.
Quadro 2 Comparação da resistência à fadiga antes e depois do tratamento por impacto ultrassónico
| Material e forma da junta | Resistência à fadiga Ds / MPa | Aumentar o grau (%) | |
|---|---|---|---|
| Como soldado | Estado tratado por choque | ||
| Q235B (R= 0,1) - junta de topo | 152 | 230 | 51 |
| SS800 (R= 0,05) - junta de topo | 306 | 101 | |
| 16Mn (R= 0,1) - junta de topo | 285 | 88 | |
| Q235B (R=0,1) - junta de canto longitudinal | 104 | 200 | 92 |
| SS800 (R=0,05) - junta de canto longitudinal | 279 | 168 | |
| 16Mn (R=0,1) - junta de canto longitudinal | 212 | 104 | |
4.2.1 Princípio e desenvolvimento da melhoria da resistência à fadiga das juntas soldadas
A tensão de compressão pode aumentar a resistência à fadiga das juntas soldadas, o que tem sido amplamente debatido na literatura. No entanto, o desafio reside na forma de introduzir facilmente a tensão de compressão nas juntas soldadas.
É bem sabido que a composição química, o teor de liga e a taxa de arrefecimento podem resultar em diferentes alterações microestruturais durante o processo de arrefecimento de materiais de ferro e aço. Estas transformações estruturais são acompanhadas por uma expansão de volume, que pode criar tensões de transformação de fase quando restringidas, conduzindo a tensões de compressão.
Para o metal de solda, isto reduz a tensão de tração residual e resulta mesmo em tensão de compressão residual, melhorando assim as propriedades mecânicas das juntas soldadas.
O elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) é um novo material de soldadura que utiliza a tensão de transformação de fase para produzir tensão de compressão em juntas soldadas e melhorar a sua resistência à fadiga.
Já nos anos 60, os peritos em soldadura da antiga União Soviética propuseram o método da transformação de fase baixa soldadura por pontos para melhorar a resistência à fadiga das estruturas soldadas, embora o termo "tira de soldadura por pontos de baixa transformação de fase" não fosse utilizado na altura e fosse simplesmente referido como um elétrodo especial.
O revestimento composição metálica consiste principalmente em 3-4% Mn para reduzir a temperatura de transformação de fase e conseguir a transformação de fase metalúrgica. A literatura sugere que a resistência à fadiga de pequenos espécimes após a aplicação destes eléctrodos especiais é 75% mais elevada do que sem aplicação de eléctrodos.
Recentemente, o desenvolvimento de aço de carbono ultra-baixo e a utilização de Cr e Ni para baixar a temperatura de transformação martensítica do metal depositado em materiais de soldadura levou a um rápido progresso na tira de soldadura por pontos de baixa transformação.
Tanto o Japão como a China realizaram uma investigação aprofundada neste domínio, embora ainda se encontre na fase de laboratório.
4.2.2 EEfeito do elétrodo LTTE na melhoria da resistência à fadiga
A Escola de Materiais da Universidade de Tianjin concebeu e optimizou o Elétrodo de Soldadura de Baixa Temperatura de Transformação (LTTE) e realizou extensos testes de fadiga e testes de desempenho do processo em várias juntas soldadas.
(1) Método LTTE
O elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) e o elétrodo normal E5015 foram utilizados para soldar a junta de topo transversal, a junta transversal sem carga, a junta de filete circunferencial longitudinal, a junta de filete paralela longitudinal junta de soldadura em ânguloe junta longitudinal de topo, respetivamente. Foi efectuado um ensaio comparativo de fadiga.
Os resultados indicam que a resistência à fadiga da junta LTTE do ponto de mudança de fase vareta de soldadura foi 11%, 23%, 42%, 46% e 59% superior ao do elétrodo normal E5015. A vida à fadiga aumentou de várias vezes para centenas de vezes.
Tabela 3 Efeito de melhoria da resistência à fadiga de diferentes tipos de juntas soldadas
| Tipo de elétrodo | Junta de topo transversal | Junta transversal não portadora de carga | Junta de soldadura em ângulo circunferencial longitudinal | Junta de soldadura em ângulo paralela longitudinal | Junta longitudinal de topo |
|---|---|---|---|---|---|
| Vareta de soldadura E5015 | 176.9 | 202.1 | 167.0 | 182.7 | 179.4 |
| Elétrodo LTTE | 157.8 | 164.8 | 118.3 | 124.9 | 113.0 |
| Grau de melhoria | 11% | 23% | 41% | 47% | 58% |
| Concentração de tensões | Suave K1 | Médio K2 | K3 forte | Particularmente forte N4 | Particularmente forte K4 |
| Grau de restrição | Pequeno grande | ||||
Uma vez que o elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) cria uma tensão compressiva residual a partir da expansão do volume da transformação martensítica a uma temperatura mais baixa, a magnitude da tensão compressiva residual está intimamente ligada à restrição da junta soldada.
Quanto mais restringida for a junta soldada, maior será a tensão de compressão residual e mais significativa será a melhoria da resistência à fadiga.
(2) Método de preparação LTTE para a soldadura por pontos com baixa transformação de fase
No entanto, a adição de mais elementos de liga para que os materiais de soldadura atinjam a transformação martensítica a uma taxa de arrefecimento normal e a uma temperatura baixa aumenta significativamente o custo do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE). Se todas as soldaduras de uma estrutura soldada forem feitas com materiais de soldadura com baixa mudança de fase, o custo global da estrutura também será significativamente mais elevado, tornando-a economicamente inviável.
É sabido que o fratura por fadiga em juntas soldadas ocorre normalmente na extremidade da soldadura. Se a tensão compressiva residual for gerada na extremidade da soldadura, a resistência à fadiga da junta soldada pode ser melhorada sem utilizar todas as tiras de soldadura por pontos com baixa mudança de fase, reduzindo o custo dos materiais.
Com esta ideia em mente, a Universidade de Tianjin propôs o método de revestimento do dedo do pé do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas, com base em resultados experimentais. A resistência à fadiga das juntas soldadas com elétrodo LTTE e com elétrodo normal foi comparada utilizando dois tipos de juntas cruzadas sem carga e juntas de soldadura longitudinal circunferencial em ângulo. A resistência à fadiga da primeira foi 19,9% e 41,7% superior à da segunda, respetivamente, provando a viabilidade e a praticabilidade da ideia.
Esta investigação preliminar proporciona uma aplicação mais razoável do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) na prática da engenharia.
Ao mesmo tempo, a junta de revestimento dos dedos dos pés do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) também pode refletir a sua aplicação em soldaduras de cobertura e em cordões de soldadura próximos da cobertura dos dedos dos pés.
4.2.3 Advantagens e desvantagens da fita de soldadura por pontos com baixa mudança de fase
Vantagem:
(1) O método do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) é realizado durante o processo de soldadura, eliminando a necessidade de processamento pós-soldadura.
(2) O método LTTE não requer competências operacionais especiais, o que o torna simples e cómodo de utilizar.
(3) Ao utilizar o elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE), a resistência à fadiga das juntas soldadas pode ser melhorada. Uma vez que não é afetado pelos efeitos térmicos dos cordões de soldadura subsequentes, é adequado para melhorar a resistência à fadiga de soldaduras ocultas, soldaduras cobertas, soldaduras posteriores de soldadura de uma só face e outras soldaduras que não podem ser processadas após a soldadura.
(4) O elétrodo LTTE pode também ser utilizado para reparar fissuras de fadiga em estruturas soldadas.
Desvantagens:
A adição de mais elementos de liga aos materiais de soldadura aumenta o custo dos materiais do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE), mas isto pode ser compensado através da utilização de tratamento LTTE e de outros métodos.
Em conclusão, os requisitos de capacidade de carga dinâmica para estruturas soldadas têm vindo a aumentar à medida que estas são utilizadas para cargas pesadas e a alta velocidade. Consequentemente, o desenvolvimento e a utilização de novas tecnologias para melhorar o desempenho à fadiga das juntas soldadas são cruciais para uma aplicação mais alargada das estruturas soldadas.
Tanto a tecnologia de impacto ultrassónico como a utilização do elétrodo de soldadura de baixa temperatura de transformação (LTTE) para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas são direcções de investigação importantes no domínio da melhoria do desempenho à fadiga e do processo de estruturas soldadas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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