Fundamentos da soldadura de juntas: Um guia completo

I. Juntas e cordões de soldadura

As juntas de soldadura por arco são constituídas por quatro partes: o cordão de soldadura, a zona de fusão, a zona afetada pelo calor e o material de base próximo do cordão de soldadura.

1 - Metal de solda
2 - Arame derretido
3 - Zona afetada pelo calor
4 - Material de base

1. Características mecânicas das juntas soldadas

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.

2. Formas básicas de juntas

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 dos bordos de duas peças de trabalho que se encontram no mesmo plano. Este tipo de junta é o mais comummente adotado e o mais refinado em várias estruturas soldadas, apresentando um tratamento superior das tensões, uma elevada resistência e uma utilização eficiente de materiais metálicos.

No entanto, uma vez que se trata de uma ligação borda a borda, os requisitos de processamento e montagem das peças ligadas são bastante elevados.

Na produção de soldadura, o cordão de soldadura da junta de topo é normalmente ligeiramente mais alto do que a superfície do material de base. A presença desta altura excessiva resulta numa superfície não lisa no componente, causando concentração de tensões na transição entre o cordão de soldadura e o material de base.

2. Articulação em T

Uma junta em T (ou junta transversal) é formada pela ligação de peças perpendiculares utilizando um soldadura em ângulo. As juntas em T podem suportar forças e binários de várias direcções. Esta forma é mais comum em estruturas em caixa e é também predominante no fabrico de recipientes sob pressão, incluindo ligações tubo-casca e a união de anéis de reforço de câmaras de visita ao corpo do recipiente.

Devido à transição acentuada do cordão de soldadura para o material de base nas juntas em T, há uma distorção significativa da linha de força sob forças externas, levando a uma distribuição de tensões muito desigual e complexa. Isto resulta numa concentração de tensão substancial tanto na raiz como na ponta da soldadura de filete. Assegurar penetração total é uma medida crucial para reduzir a concentração de tensões nas juntas em T.

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:

1. Assegurar que o junta soldada satisfaz os requisitos de utilização.

2. A forma da junta pode adaptar-se ao método de soldadura escolhido.

3. A forma conjunta deve ser tão simples quanto possível, com soldadura plana e métodos de soldadura automáticos utilizados sempre que possível. Evitar a soldadura aérea e vertical e não colocar a tensão máxima na soldadura.

4. O processo de soldadura deve garantir que a junta soldada possa funcionar corretamente à temperatura de projeto e em meios corrosivos.

5. A deformação e a tensão de soldadura devem ser minimizadas para satisfazer as condições técnicas, de pessoal e de equipamento necessárias para a construção.

6. Conceber a soldadura para servir de soldadura de ligação sempre que possível.

7. A junta soldada deve ser fácil de inspecionar.

8. A preparação para a soldadura e o custo da soldadura devem ser baixos.

9. Evitar escolher e projetar ângulos de soldadura demasiado grandes para soldaduras em ângulo. Os ensaios demonstram que os cordões de soldadura de grandes dimensões têm uma capacidade de carga inferior por unidade de área.

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.

3. Formas básicas de cordões de soldadura

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:

4. Cordões de soldadura de trabalho e cordões de soldadura de contacto

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.

5. Formas básicas de ranhuras

1. Tipos de ranhuras

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.

II. Métodos de representação de juntas soldadas

Para garantir que os seus projectos são fabricados com precisão e corretamente pelos fabricantes, os projectistas devem expressar de forma abrangente as condições técnicas das estruturas e dos produtos nos desenhos de projeto e nos documentos de especificação do projeto.

Para as juntas soldadas, os projectistas utilizam normalmente símbolos normalizados para os cordões de soldadura e códigos para os métodos de soldadura. Também podem utilizar métodos de desenho técnico, mas detalhar graficamente ou textualmente os requisitos e considerações do processo de soldadura para juntas soldadas pode ser bastante incómodo e complicado.

Por conseguinte, é extremamente necessário utilizar símbolos e códigos normalizados para indicar claramente o tipo, a forma, o tamanho, a posição, o estado da superfície, o método de soldadura e as condições relacionadas da junta soldada.

1. Símbolos de cordões de soldadura e códigos de métodos de soldadura

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
• símbolos suplementares
• símbolos adicionais
• símbolos de tamanho do cordão de soldadura
• linhas directrizes.

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.

2. Representação de juntas de soldadura em desenhos

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

3. Anotação de símbolos 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

4. Anotação simplificada de juntas de soldadura

Em GB/T12212-1990, os métodos de anotação simplificados para juntas de soldadura também são estipulados em determinadas circunstâncias.