Já alguma vez se interrogou sobre a forma como a soldadura transforma peças metálicas separadas num todo unificado? Este artigo explora o fascinante mundo das juntas soldadas, examinando os seus tipos, características mecânicas e os factores críticos na sua conceção. Descubra como estas juntas afectam a resistência e a durabilidade das estruturas metálicas.
As juntas de soldadura por arco são estruturas complexas compostas por quatro regiões distintas, cada uma com caraterísticas e propriedades únicas:
1 - Metal de solda
2 - Arame derretido
3 - Zona afetada pelo calor
4 - Material de base
Processo de soldadura confere à junta as seguintes características mecânicas:
1) Desempenho mecânico heterogéneo das juntas de soldadura
Devido aos vários processos metalúrgicos que ocorrem durante a soldadura, e devido aos diferentes ciclos térmicos e ciclos de deformação que afectam diferentes áreas, ocorrem disparidades significativas na estrutura e nas propriedades dessas áreas. Isto resulta num desempenho mecânico heterogéneo de toda a junta.
2) Distribuição e concentração irregular de tensões em juntas de soldadura
As descontinuidades geométricas inerentes às juntas de soldadura conduzem a uma distribuição desigual da tensão de trabalho e à subsequente concentração de tensões. Quando existem defeitos de soldadura, ou quando a forma do cordão de soldadura ou da junta é impraticável, a concentração de tensões intensifica-se, afectando a resistência da junta, particularmente a sua resistência à fadiga.
3) Tensão residual e deformação devido a aquecimento irregular durante a soldadura
A soldadura é um processo de aquecimento localizado. Durante soldadura por arcoA temperatura no cordão de soldadura pode atingir o ponto de ebulição do material, mas diminui rapidamente para longe do cordão até à temperatura ambiente. Este campo de temperatura desigual conduz a tensões residuais e a deformações no interior da soldadura.
4) Elevada rigidez das juntas de soldadura
Através da soldadura, a costura e os componentes tornam-se unificados, produzindo um maior grau de rigidez em comparação com as juntas rebitadas ou encolhidas.
Junta soldada (também designada por junta): Uma junta ligada por soldadura.
Juntas soldadas mais utilizadas:
Junta de topo, junta em T, junta cruzada, junta sobreposta, junta de canto, junta de borda, junta de manga, junta de topo biselada, junta flangeada e junta de topo em duplo V, entre outras.
Os tipos básicos de juntas soldadas.
Nome | Formação de cordões de soldadura | Nome | Formação de cordões de soldadura |
Junta de topo | Conector de terminal | ||
Junta em T | Conector de topo oblíquo | ||
Junta de canto | Conector flangeado | ||
Junta sobreposta | Conector de topo selado |
1. Junta de topo
Uma junta de topo é formada pela soldadura das arestas adjacentes de duas peças de trabalho posicionadas no mesmo plano. Esta configuração de junta é amplamente adoptada em várias estruturas soldadas devido ao seu design refinado, capacidade de carga superior, elevada relação resistência/peso e utilização eficiente dos materiais.
A popularidade da junta de topo deve-se à sua capacidade de transmitir forças diretamente através da soldadura, resultando numa distribuição de tensões mais uniforme em comparação com outros tipos de juntas. Esta caraterística torna-a particularmente adequada para aplicações que envolvam cargas cíclicas ou ambientes propensos à fadiga, tais como recipientes sob pressão, condutas e estruturas de aço estrutural.
No entanto, a natureza de borda a borda da ligação impõe requisitos rigorosos na preparação e alinhamento das superfícies de contacto. A preparação precisa da borda, incluindo o chanfro para materiais mais espessos, e a manutenção de tolerâncias de ajuste apertadas são cruciais para garantir a penetração total e minimizar o risco de defeitos de soldadura.
Na produção de soldadura, o cordão de soldadura de uma junta de topo apresenta normalmente um perfil ligeiramente convexo, sobressaindo acima da superfície do material de base. Embora este reforço possa proporcionar uma resistência adicional, também cria uma descontinuidade geométrica. Esta superfície não uniforme pode levar a uma concentração de tensões no topo da soldadura - a zona de transição entre o metal de soldadura e o material de base. Para mitigar este problema, podem ser empregues tratamentos pós-soldadura, como a retificação ou a maquinagem, para obter uma superfície nivelada, particularmente em aplicações em que a resistência à fadiga ou as propriedades aerodinâmicas são críticas.
As técnicas de soldadura modernas, como a soldadura a laser automatizada ou a soldadura por feixe de electrões, podem produzir juntas de topo de alta qualidade com distorção mínima e zonas afectadas pelo calor estreitas, melhorando ainda mais as propriedades mecânicas da junta e a integridade estrutural global.
2. Articulação em T
Uma junta em T (ou junta cruzada) é formada pela ligação de membros perpendiculares utilizando uma soldadura de filete, criando uma configuração semelhante à letra "T". Esta junta versátil pode suportar forças e binários multidireccionais, o que a torna essencial em várias aplicações estruturais. As juntas em "T" encontram-se predominantemente em estruturas de caixas, no fabrico de recipientes sob pressão (tais como ligações tubo-casca) e na fixação de anéis de reforço de câmaras de visita aos corpos dos recipientes.
A geometria das juntas em T apresenta desafios únicos na distribuição de tensões. A transição abrupta do cordão de soldadura para o material de base provoca uma distorção significativa do fluxo de forças sob cargas externas, resultando num campo de tensões altamente não-uniforme e complexo. Este fenómeno leva a concentrações de tensão substanciais tanto na raiz como na ponta da soldadura de filete, que são áreas críticas propensas a falhas por fadiga.
Para atenuar estas concentrações de tensão e melhorar o desempenho da junta, podem ser utilizadas várias estratégias:
Ao conceber e fabricar juntas em T, os engenheiros devem considerar cuidadosamente factores como a seleção de materiais, parâmetros de soldadura e potenciais cenários de carga para garantir um desempenho ideal da junta e a sua longevidade em serviço.
3. Junta sobreposta
Uma junta sobreposta é criada através da sobreposição de duas placas e da realização de uma soldadura de filete na extremidade ou no lado, ou através da adição de uma soldadura de encaixe ou de ranhura. Devido ao desalinhamento das linhas de centro das duas placas na junta sobreposta, é gerado um momento de flexão adicional sob carga, que pode afetar resistência da soldadura.
Por conseguinte, as juntas sobrepostas não são normalmente utilizadas para os principais elementos de suporte de pressão em caldeiras e recipientes sob pressão.
A alteração significativa da forma dos componentes devido às juntas sobrepostas leva a uma concentração de tensões mais complexa em comparação com as juntas de topo, resultando numa distribuição de tensões extremamente desigual ao longo da junta.
Nas juntas sobrepostas, com base nas diferentes direcções de tensão que actuam na soldadura de filete de sobreposição, estas soldaduras podem ser classificadas como frontais, laterais ou diagonais soldaduras de filete.
Para além da soldadura de duas chapas de aço empilhadas na extremidade ou no lado, as juntas sobrepostas também envolvem a soldadura de ranhuras e a soldadura de tampões (orifícios redondos e orifícios alongados). A estrutura de uma junta sobreposta soldada com ranhura é apresentada na figura.
Primeiro, a peça de trabalho a ser ligada é perfurada numa ranhura e, em seguida, a ranhura é preenchida com metal de solda. A secção transversal da soldadura de ranhura é retangular e a sua largura é o dobro da espessura do componente ligado. O comprimento da ranhura deve ser ligeiramente mais curto do que o comprimento da volta.
A soldadura de tampões envolve perfuração furos nas placas a serem unidas, substituindo a ranhura na soldadura de ranhura, e utilizando metal de solda para preencher estes furos, ligando assim as duas placas. A soldadura de tampões pode ser dividida em dois tipos: soldadura de tampões com orifícios circulares e soldadura de tampões com orifícios alongados, como mostra a figura.
4. Junta de canto
Uma junta de canto é formada quando duas placas são soldadas nas suas extremidades num determinado ângulo. As juntas de canto são normalmente utilizadas em estruturas em caixa, juntas de tubos em sela e ligações com corpos cilíndricos. A ligação entre os tubos de fogo e as tampas das extremidades em pequenas caldeiras também assume esta forma.
Tal como as juntas em T, as juntas de canto de uma face têm uma resistência extremamente baixa aos momentos de flexão inversa. A menos que as chapas sejam muito finas ou a estrutura não seja crítica, os chanfros devem geralmente ser feitos para soldadura de dupla face, caso contrário, a qualidade não pode ser assegurada.
Ao selecionar o tipo de junta, deve ter-se em conta, em primeiro lugar, a estrutura do produto, bem como factores como as condições de tensão e os custos de processamento.
Por exemplo:
As juntas de topo são muito utilizadas porque distribuem uniformemente as tensões e poupam metal. No entanto, as juntas de topo requerem dimensões de corte e montagem precisas.
As juntas em T suportam, na sua maioria, pequenas tensões de corte ou servem apenas como soldaduras de ligação.
As juntas sobrepostas não exigem grande precisão de montagem e são fáceis de montar, mas a sua capacidade de carga é baixa, pelo que são geralmente utilizadas em estruturas não críticas.
Os requisitos de qualidade da soldadura, dimensão da soldadura, posição da soldadura, espessura da peça de trabalho, dimensões geométricas e condições de trabalho na conceção de juntas soldadas determinam a diversidade na seleção de métodos de soldadura e processos de formulação. A conceção e a seleção razoáveis das juntas soldadas não só garantem a resistência das soldaduras e da estrutura global do aço, como também simplificam o processo de produção e reduzem os custos de fabrico.
Principais factores na conceção e seleção de juntas soldadas:
Tabela 1-2: Conceção comparativa de formas de juntas soldadas
Princípios de conceção de juntas | Conceção propensa a falhas | Design melhorado |
Aumentar a frente soldadura angular | ||
A posição do cordão de soldadura concebida deve facilitar a soldadura e a inspeção | ||
Para reduzir a concentração de tensões no cordão de soldadura por sobreposição, este deve ser concebido como uma junta com um certo alívio de tensões | ||
Cortar os cantos afiados das nervuras de reforço | ||
Os cordões de soldadura devem ser distribuídos | ||
Evitar os cordões de soldadura cruzada | ||
Os cordões de soldadura devem ser concebidos no eixo neutro ou perto dele, numa posição simétrica | ||
Os cordões de soldadura sujeitos a flexão devem ser concebidos no lado da tensão e não no lado da compressão não soldada. | ||
Evitar colocar os cordões de soldadura onde a tensão está concentrada. | ||
Os cordões de soldadura devem ficar afastados das zonas de tensão máxima. | ||
A superfície de processamento deve estar isenta de cordões de soldadura. | ||
A posição dos cordões de soldadura automáticos deve ser concebida de forma a minimizar o ajuste do equipamento de soldadura e o número de viragens da peça de trabalho. |
Um cordão de soldadura é a junta formada após a soldadura de peças.
Categorias:
1. Com base no posicionamento espacial, pode ser dividido em: cordões de soldadura planos, cordões de soldadura horizontais, cordões de soldadura verticais e cordões de soldadura suspensos.
2. Com base no método de junção, podem ser classificados em: cordões de soldadura de topo, cordões de soldadura de canto e cordões de soldadura de encaixe.
3. Com base na continuidade, podem ser classificados em: cordões de soldadura contínuos e cordões de soldadura intermitentes.
4. Com base no suporte de carga, pode ser dividido em: cordões de soldadura de trabalho e cordões de soldadura de contacto.
O cordão de soldadura é um componente crucial da junta soldada. As formas básicas do cordão de soldadura são o cordão de soldadura da junta de topo e o cordão de soldadura da junta de canto.
1. Costuras de soldadura de topo:
Os cordões de soldadura de topo são formados ao longo da junção entre duas peças. Podem ter uma configuração sem ranhura (ou ranhura em forma de I) ou uma configuração com ranhura. A forma da superfície da costura de soldadura pode ser convexa ou nivelada com a superfície.
2. Costuras de soldadura de canto:
Cordões de soldadura de trabalho (também conhecidos como cordões de soldadura de suporte de carga)
São cordões de soldadura que, em série com as peças soldadas, suportam principalmente cargas. Se estes cordões se romperem, a estrutura de aço sofrerá imediatamente danos graves.
Cordões de soldadura de contacto (também conhecidos como cordões de soldadura sem carga)
São cordões de soldadura que unem paralelamente duas ou mais peças soldadas (ou seja, proporcionando conetividade). Estas juntas não suportam diretamente cargas e estão sujeitas a uma força mínima durante o funcionamento. Se uma costura deste tipo se rompesse, a estrutura não falharia imediatamente.
Uma ranhura é uma cavidade formada pela maquinagem de determinadas formas geométricas nas partes a soldar de uma peça de trabalho, de acordo com os requisitos do projeto ou do processo.
Preparação da ranhura:
O processo de maquinação da ranhura utilizando métodos mecânicos, chama ou arco elétrico.
Objetivo da preparação do sulco:
(1) Para garantir que o arco penetra profundamente na raiz do cordão de soldadura para uma fusão completa, para obter uma formação óptima do cordão de soldadura e para facilitar a remoção da escória.
(2) Para aços de ligaA ranhura também ajusta a relação entre o metal de base e o metal de adição (ou seja, a relação de fusão).
Dependendo da espessura da chapa, os bordos de soldadura dos cordões de soldadura de topo podem ser laminados, esquadriados ou maquinados em ranhuras em forma de V, X, K e U.
(2) Em função da espessura da peça de trabalho, da estrutura e das condições de suporte de carga, as formas das ranhuras para juntas de canto e juntas em T podem ser divididas em forma de I, forma de V unilateral com um bordo rombo e forma de K.
a) Em forma de I
b) Forma de V de uma face (com bordo rombo)
c) Em forma de K (com o bordo rombo)
2. Princípios para a conceção de ranhuras
A forma e as dimensões da ranhura são escolhidas e concebidas principalmente com base na espessura da estrutura de aço, no método de soldadura selecionado, na posição de soldadura e no processo de soldadura. O projeto deve:
1) Minimizar a quantidade de material de enchimento no cordão de soldadura;
2) Expor bem soldabilidade;
3) Assegurar que a forma da ranhura é fácil de maquinar;
4) Facilitar o ajuste da deformação da soldadura;
Em geral, para a soldadura de peças de trabalho até 6 mm de espessura utilizando a soldadura por arco com elétrodo, ou para a soldadura automática de peças de trabalho até 14 mm de espessura, é possível obter um cordão de soldadura qualificado sem preparação de ranhuras.
No entanto, deve ser mantida uma folga entre as placas para garantir que o metal de enchimento preenche a poça de fusão, assegurando uma fusão completa. Se o chapa de aço exceder a espessura acima mencionada, o arco não pode penetrar através da placa, e deve ser considerada a preparação da ranhura.
Para garantir o fabrico preciso e exato dos seus projectos, os engenheiros devem comunicar exaustivamente as especificações técnicas das estruturas e produtos através de desenhos de projeto pormenorizados e documentos de especificação abrangentes.
Para juntas soldadas, os projectistas utilizam principalmente símbolos de soldadura normalizados e códigos de processos de soldadura. Embora possam ser utilizados métodos tradicionais de desenho técnico, detalhar gráfica ou textualmente os intrincados requisitos e considerações do processo de soldadura para juntas complexas pode tornar-se excessivamente complicado e propenso a erros de interpretação.
Consequentemente, a implementação de símbolos e códigos normalizados é crucial para especificar sem ambiguidade os seguintes aspectos críticos das juntas soldadas:
Estas representações normalizadas não só simplificam o fluxo de trabalho da conceção ao fabrico, como também minimizam os erros de comunicação, aumentam a produtividade e garantem uma qualidade consistente em vários ambientes de fabrico. Além disso, facilitam a conformidade com as normas internacionais de soldadura, como a AWS A2.4 ou a ISO 2553, que são essenciais para operações de fabrico globais e garantia de qualidade.
Símbolos de cordões de soldadura: Símbolos marcados nos desenhos para representar a forma, a dimensão e o método do cordão de soldadura.
São regulamentados por GB/T324-1998 "Representação simbólica de cordões de soldadura" (aplicável à soldadura por fusão de metais e à soldadura por resistência) e GB/T5185-1999 "Códigos de representação para soldadura de metais e Brasagem Métodos em desenhos.
Um símbolo de cordão de soldadura é constituído por:
Símbolos básicos: Estes símbolos representam a forma da secção transversal do cordão de soldadura, aproximando-se da forma da secção transversal do cordão de soldadura.
Nomes de cordões de soldadura | Forma da secção transversal do cordão de soldadura. | Símbolo |
Cordão de soldadura em forma de I | ||
Cordão de soldadura em forma de V | ||
Cordão de soldadura em forma de V com arestas vivas | ||
Cordão de soldadura em V de uma face | ||
Cordão de soldadura em V de um só lado com arestas vivas | ||
Cordão de soldadura em U com arestas vivas | ||
Vedação do cordão de soldadura | ||
Soldadura de filete | ||
Soldadura de encaixe ou soldadura de ranhura | ||
Soldadura Flare-V | ||
Soldadura por pontos | ||
Soldadura de costura |
Símbolos suplementares: Estes símbolos representam requisitos adicionais para as características da forma da superfície do cordão de soldadura. Os símbolos suplementares são geralmente utilizados em conjunto com os símbolos básicos do cordão de soldadura quando existem requisitos especiais para a forma da superfície do cordão de soldadura.
Nome | Assistido Técnica de soldadura | Símbolo | Instruções |
Símbolo plano | Indica uma superfície de soldadura nivelada. | ||
Símbolo côncavo | Indica uma superfície de soldadura côncava. | ||
Símbolo convexo | Indica uma superfície de soldadura convexa. |
Símbolos de reforço de soldadura: Estes símbolos são utilizados para ilustrar melhor certas características de um cordão de soldadura.
Nome | Formulário | Símbolo | Indicação |
Símbolo com almofada | Indica a presença de uma tira de apoio na parte inferior do cordão de soldadura. | ||
Símbolo de soldadura de três lados | Sugere costuras de soldadura de três lados e a direção da abertura. | ||
Símbolo de soldadura de perímetro | Simboliza um cordão de soldadura que envolve a peça de trabalho. | ||
Símbolo do campo | Designa a soldadura efectuada no local ou num estaleiro de construção. | ||
Símbolo da cauda | A referência à extremidade traseira do símbolo da linha de chumbo pode ser feita em GB5185-1999 para métodos de soldadura e notações semelhantes." |
Símbolos de dimensão de cordão de soldadura: Estes símbolos são utilizados para representar as dimensões das características das ranhuras e dos cordões de soldadura.
Símbolo | Nome | Diagrama esquemático |
σ | Espessura da folha | |
c | Largura do cordão de soldadura | |
b | Lacuna na raiz | |
K | Altura do dedo do pé da soldadura | |
p | Altura da aresta romba | |
d | Diâmetro do ponto de soldadura | |
a | Ângulo de ranhura | |
h | Reforço de soldadura | |
s | Espessura efectiva da soldaduraA mesma junta de soldadura | |
N | Símbolo de quantidade | |
e | Espaçamento de soldadura | |
l | Comprimento da soldadura | |
R | Raio da raiz | |
H | Altura da ranhura |
Linha da frente: Composto por uma linha de orientação com setas, duas linhas de referência (linhas horizontais) - uma linha sólida e outra linha tracejada, e uma secção de cauda.
A fim de simplificar a anotação e a explicação textual dos métodos de soldadura, podem ser utilizados os códigos que representam vários métodos de soldadura, tais como a soldadura de metais e a brasagem, indicados por números árabes de acordo com a norma nacional GB/T 5185-1999.
As anotações do método de soldadura estão localizadas no final da linha de guia.
Nome | Método de soldadura |
Soldadura por arco | 1 |
Blindado Arco metálico Soldadura | 111 |
Soldadura por arco submerso | 12 |
Metal Inerte Soldadura a gás (MIG) | 131 |
Soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG) | 141 |
Soldadura por pressão | 4 |
Soldadura por ultra-sons | 41 |
Soldadura por fricção | 42 |
Soldadura por difusão | 45 |
Soldadura por explosão | 441 |
Soldadura por resistência | 2 |
Soldadura por pontos | 21 |
Soldadura por costura | 22 |
Soldadura por flash | 24 |
Soldadura a gás | 3 |
Soldadura oxi-acetilénica | 311 |
Soldadura oxi-propano | 312 |
Outros métodos de soldadura | 7 |
Soldadura a laser | 751 |
Feixe de electrões | 76 |
Representação esquemática de soldaduras
De acordo com a norma nacional GB/Tl2212-1990 "Desenho Técnico - Dimensões, Proporções e Representação Simplificada de Símbolos de soldadura"Quando é necessário representar as soldaduras de uma forma simplificada nos desenhos, estas podem ser representadas através de vistas, vistas seccionais ou vistas transversais, ou mesmo vistas axonométricas para fins ilustrativos.
Regra geral, só é permitido um tipo de representação por desenho.
(a) Método de desenho da vista da face da extremidade da soldadura
(b) Método de desenho da vista da secção do cordão de soldadura
(c) Método de desenho do perfil de soldadura
As normas nacionais GB/T324-1988, GB/T5185-1999 e GB/T12212-1990 estipulam os métodos de anotação para símbolos de soldadura e códigos de métodos de soldadura.
(1) Os símbolos de soldadura e os códigos dos métodos de soldadura podem ser representados de forma precisa e inequívoca através de linhas de orientação e regulamentos relevantes.
(2) Ao anotar as soldaduras, anotar primeiro os símbolos básicos de soldadura em cima ou por baixo das linhas de referência, e os outros símbolos são anotados nas respectivas posições, conforme prescrito.
(3) Em geral, não há requisitos específicos para a posição da linha da seta em relação à soldadura, mas ao anotar soldaduras em forma de V, em forma de V de um lado, em forma de J, etc., a seta deve apontar para a peça de trabalho com a ranhura.
(4) Quando necessário, a linha da seta pode ser dobrada uma vez.
(5) A linha de referência imaginária pode ser traçada acima ou abaixo da linha de referência real.
(6) A linha de referência deve, em geral, ser paralela ao bordo inferior do desenho, mas, em condições especiais, pode também ser perpendicular ao bordo inferior.
(7) Se a soldadura e a linha de seta estiverem do mesmo lado da junta, o símbolo de soldadura de base é anotado do lado da linha de referência real; inversamente, se a soldadura e a linha de seta não estiverem do mesmo lado da junta, o símbolo de soldadura de base é anotado do lado da linha de referência imaginária.
Quando necessário, o símbolo de soldadura básico pode ser acompanhado por símbolos de tamanho e dados.
Princípios de anotação:
1) As dimensões da secção transversal do cordão de soldadura são marcadas no lado esquerdo do símbolo de base, tais como: altura da aresta romba p, altura da ranhura H, tamanho do ângulo de soldadura K, altura residual do cordão de soldadura h, espessura efectiva do cordão de soldadura S, raio de raiz R, largura do cordão de soldadura C e diâmetro do nugget de soldadura d.
2) As dimensões na direção do comprimento do cordão de soldadura são marcadas no lado direito do símbolo de base, tais como: comprimento do cordão de soldadura L, intervalo do cordão de soldadura e, e número de cordões de soldadura idênticos n.
3) O ângulo da ranhura α, o ângulo da face da ranhura β, a folga da raiz b e outras dimensões estão marcados na parte superior ou inferior do símbolo de base.
4) O símbolo do número de cordões de soldadura idênticos está marcado na extremidade da cauda.
5) Quando existem muitas dimensões a serem marcadas e não são fáceis de distinguir, o símbolo da dimensão correspondente pode ser adicionado à frente dos dados.
Nome | Diagrama esquemático | Etiquetagem |
Costura de solda de topo | ||
Cordão de soldadura de filete intermitente | ||
Cordão de soldadura de filete intermitente escalonado | ||
Costura de soldadura por pontos | ||
Vedação Vedação de solda | ||
Vedação de soldadura de encaixe ou vedação de soldadura de ranhura |
Em GB/T12212-1990, os métodos de anotação simplificados para juntas de soldadura também são estipulados em determinadas circunstâncias.