Entendendo a resistência à fadiga em estruturas soldadas

Causas de falha por fadiga de estruturas soldadas

As causas da falha por fadiga em estruturas soldadas abrangem vários fatores críticos:

① Embora as juntas soldadas normalmente apresentem uma capacidade de suporte de carga estática comparável à do metal de base, seu desempenho sob cargas cíclicas é significativamente comprometido. Essa resistência à fadiga é fortemente influenciada pela configuração da junta e pelo projeto estrutural geral. Consequentemente, a falha prematura geralmente ocorre em conexões soldadas, comprometendo a integridade de toda a estrutura.

② Historicamente, o projeto de estruturas de soldagem priorizava a resistência à carga estática, negligenciando considerações cruciais sobre fadiga. Esse descuido, aliado à ausência de padrões abrangentes de projeto de fadiga, levou a projetos de juntas abaixo do ideal, que agora são reconhecidos como inadequados para cargas cíclicas de longo prazo.

③ Existe uma lacuna de conhecimento entre os projetistas e técnicos de engenharia em relação às características exclusivas de resistência à fadiga das estruturas soldadas. Essa deficiência geralmente resulta na aplicação inadequada de critérios de projeto de fadiga e formas estruturais de estruturas metálicas não soldadas, deixando de abordar os desafios específicos apresentados pelas juntas soldadas.

④ A proliferação de estruturas soldadas, combinada com as tendências do setor que favorecem a economia e a redução de peso, levou ao aumento das cargas de projeto. Esse impulso de otimização, embora benéfico para cenários estáticos, muitas vezes exacerba os problemas relacionados à fadiga, levando os materiais para mais perto de seus limites de resistência.

⑤ Como as estruturas soldadas são cada vez mais utilizadas em aplicações de alta velocidade e carga pesada, as demandas por sua capacidade de suporte de carga dinâmica se intensificaram. No entanto, as pesquisas sobre a resistência à fadiga de estruturas soldadas não acompanharam o ritmo desses requisitos em evolução, criando uma lacuna crítica de conhecimento no projeto e na previsão de desempenho.

⑥ As concentrações de tensão inerentes aos pontos e raízes da solda, juntamente com possíveis defeitos de solda, como falta de fusão ou porosidade, servem como locais de início para trincas por fadiga. Essas descontinuidades microestruturais e geométricas reduzem significativamente a vida útil à fadiga dos componentes soldados em comparação com seus equivalentes não soldados.

⑦ As tensões residuais introduzidas durante o processo de soldagem, especialmente as tensões residuais de tração próximas à zona de solda, podem reduzir substancialmente a resistência efetiva à fadiga da estrutura, facilitando o início e a propagação de trincas sob carga cíclica.

2. Causas da falha por fadiga da estrutura soldada

2.1 Efeito da resistência da carga estática na resistência à fadiga da estrutura soldada

No estudo de materiais de ferro e aço, os pesquisadores se esforçam para obter alta resistência específica, ou seja, a capacidade de suportar cargas pesadas e, ao mesmo tempo, ser leve. Isso permite que as estruturas tenham maior capacidade de suporte, mantendo o mesmo peso, ou que tenham a mesma capacidade sendo mais leves. Como resultado, o aço de alta resistência foi desenvolvido e apresenta alta resistência à fadiga.

A resistência à fadiga dos metais básicos aumenta com o aumento da resistência à carga estática. No entanto, isso não se aplica a estruturas soldadas. A resistência à fadiga de juntas soldadas tem 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.

Em outras palavras, considerando os mesmos detalhes da junta soldada, a resistência à fadiga do aço de alta resistência e do aço com baixo teor de carbono é a mesma, e eles apresentam a mesma curva S-N. Isso se aplica a vários tipos de juntas, como juntas de topo, juntas de canto e vigas soldadas.

Maddox conduziu um estudo sobre o crescimento de trincas por fadiga em aço carbono-manganês com um ponto de escoamento variando de 386 a 636 MPa e metal de solda e zonas afetadas pelo calor soldadas com seis eletrodos diferentes.

Os resultados indicam que as propriedades mecânicas do material têm algum impacto sobre a taxa de crescimento da trinca, 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 atender aos requisitos de engenharia. O aço de alta resistência só é necessário para o metal de base da junta soldada quando a taxa de tensão é maior que +0,5 e a condição de resistência estática desempenha um papel dominante.

A razão para esses resultados é a presença de defeitos de cunha de escória semelhantes a rebaixos ao longo da linha de fusão na ponta da solda da junta, com espessura de 0,075 mm a 0,5 mm e raio de ponta inferior a 0,015 mm. Os defeitos pontiagudos são a origem das trincas por fadiga, equivalentes ao estágio de formação de trincas por fadiga.

Portanto, a vida em fadiga da junta sob uma determinada amplitude de tensão é determinada principalmente pelo estágio de propagação da trinca por fadiga. Esses defeitos resultam no mesmo tipo de junta soldada para todos os aços com a mesma resistência à fadiga, independentemente da resistência estática do metal de base e dos materiais de soldagem.

2.2 Efeito da concentração de tensão na resistência à fadiga

2.2.1 Influência do tipo de junta

As juntas soldadas incluem juntas de topo, juntas cruzadas, juntas em T e juntas sobrepostas. Essas juntas são suscetíveis à concentração de tensão devido à interferência da linha de transmissão de força.

A interferência da linha de tensão das juntas de topo é mínima, resultando em baixa concentração de tensão e maior resistência à fadiga em comparação com outras juntas. No entanto, os experimentos mostraram que a resistência à fadiga das juntas de topo pode variar muito, devido a vários fatores, como tamanho da amostra, forma do sulco, método de soldagem, tipo de eletrodo, posição de soldagem, formato da solda, processamento da solda pós-soldagem e tratamento térmico pós-soldagem.

O uso de uma placa de apoio permanente em uma junta de topo pode causar uma concentração significativa de tensão na placa de apoio e reduzir a resistência à fadiga da junta. As trincas por fadiga nesse tipo de junta ocorrem na junta entre a solda e a placa de apoio, em vez de na ponta da solda, e sua resistência à fadiga é geralmente igual à de uma junta de topo com o pior formato sem placa de apoio.

As juntas cruzadas e as juntas em T são amplamente usadas em estruturas soldadas.

Nessas juntas de suporte de carga, a mudança óbvia na seção na transição da solda para o metal de base resulta em um fator de concentração de tensão maior em comparação com a junta de topo, levando a uma resistência à fadiga menor para as juntas cruzadas e em T em comparação com as juntas de topo.

Para juntas não chanfradas conectadas por soldas de filete e juntas ranhuradas com soldas de penetração local, as fraturas por fadiga podem ocorrer em dois elos fracos, ou seja, na junção entre o metal de base e a ponta da solda ou a solda, quando a solda transmite a tensão de trabalho. Para juntas cruzadas com penetração de ranhura, as fraturas geralmente ocorrem apenas na ponta da solda, não na solda.

A resistência à fadiga das juntas em forma de T e cruzadas, em que a solda não suporta a tensão de trabalho, depende principalmente da concentração de tensão na junção da solda e da placa principal tensionada. As juntas em T têm maior resistência à fadiga, enquanto as juntas cruzadas têm menor resistência à fadiga.

A melhoria da resistência à fadiga de juntas em forma de T ou cruzadas pode ser obtida com o uso de solda de ranhuras e a usinagem da transição da solda para criar uma transição suave. Essa medida pode melhorar muito a resistência à fadiga.

A resistência à fadiga das juntas sobrepostas é muito baixa devido à grave distorção da linha de força. O uso da chamada junta de topo de placa de cobertura "reforçada" é extremamente irracional.

O uso de uma placa de cobertura em uma junta de topo enfraquece significativamente sua alta resistência à fadiga devido ao aumento da concentração de tensão.

Em juntas de placas de cobertura que suportam carga, as rachaduras por fadiga podem ocorrer no metal de base ou na solda. Além disso, mudar a largura da chapa de cobertura ou o comprimento da solda alterará a distribuição de tensão no metal de base, afetando a resistência à fadiga da junta. A resistência à fadiga da junta aumenta à medida que a proporção entre o comprimento da solda e a largura da placa de cobertura aumenta, pois isso tende a resultar em uma distribuição de tensão mais uniforme no metal de base.

2.2.2 Influência do formato da solda

Independentemente da forma da junta, elas são conectadas por dois tipos de solda: solda de topo e solda de topo de aço. soldas de filete.

O formato das soldas afeta o fator de concentração de tensão, levando a variações significativas na resistência à fadiga.

O formato da solda de topo tem o maior impacto sobre a 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 solda 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 solda permaneceu constante e a altura foi alterada, verificou-se que um aumento na altura resultou em uma diminuição na resistência à fadiga da junta. Isso se deve claramente a uma diminuição do ângulo de inclusão externo.

(2) Influência do raio de transição da solda

Os resultados da pesquisa de Sander et al. indicam que o raio de transição da solda também afeta significativamente a 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.

O formato do filete de solda também tem um impacto significativo sobre a resistência à fadiga da junta. Quando a proporção entre a espessura calculada (a) de uma única solda e a espessura da chapa (b) é menor que 0,6 a 0,7, ela geralmente se rompe na solda. Quando a/b > 0,7, ela geralmente se rompe a partir do metal de base.

O aumento do tamanho da solda não pode alterar a resistência de outra seção fraca, ou seja, o metal de base na extremidade do dedo do pé da solda e, portanto, a resistência à fadiga não pode ser excedida, na melhor das hipóteses.

Soete e Van Crombrugge realizaram testes em placas de 15 mm de espessura soldadas com diferentes soldas de filete sob carga de fadiga axial.

Os resultados mostraram que, quando a perna da solda era de 13 mm, ocorriam fraturas no metal de base ou na ponta da solda. Se a perna da solda fosse menor que esse valor, ocorriam fraturas por fadiga na solda. Quando o tamanho da perna era de 18 mm, as fraturas ocorriam no metal de base.

Com base nessas descobertas, eles propuseram um limite para o tamanho da perna de solda: S = 0,85B, em que S é o tamanho da perna de solda e B é a espessura da chapa.

Mesmo que o tamanho da perna da solda tenha atingido a espessura da placa (15 mm), ainda ocorreram fraturas na solda, o que confirma os resultados teóricos.

2.2.3 influência de defeitos de soldagem

Há vários tipos diferentes de tipos de defeitos na ponta da solda, o que leva à formação precoce de trincas por fadiga e a uma diminuição significativa da resistência à fadiga do metal de base (até 80%).

Os defeitos de soldagem podem ser divididos em duas categorias:

Os defeitos planares (como rachaduras e falta de fusão) e os defeitos volumétricos (como poros e inclusão de escória) têm diferentes graus de influência.

Além disso, o impacto de defeitos de soldagem A influência dos defeitos na resistência à fadiga das juntas depende do tipo, da direção e da localização dos defeitos.

1) Crack

Rachaduras na soldagemAs trincas a frio e a quente são fontes significativas de concentração de tensão, além de uma microestrutura frágil, e podem reduzir significativamente a resistência à fadiga de estruturas ou juntas.

Estudos anteriores mostraram que, em uma amostra de junta de topo de aço de baixo carbono com largura de 60 mm e espessura de 12,7 mm, quando há trincas com comprimento de 25 mm e profundidade de 5,2 mm na solda (que ocupam cerca de 10% da área da seção transversal da amostra), sua resistência à fadiga sob carga alternada é reduzida em 55% a 65% após 2 milhões de ciclos.

2) Penetração incompleta

É importante observar que a penetração incompleta nem sempre é considerada um defeito, pois pode ser intencionalmente projetada para determinadas juntas, como bicos de vasos de pressão.

Os defeitos de penetração incompleta podem ser defeitos de superfície (solda de um lado) ou defeitos internos (solda de dois lados), e podem ser locais ou gerais. Eles enfraquecem principalmente a área da seção transversal e causam concentração de tensão.

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 quanto o das rachaduras.

3) Fusão incompleta

Apesar de ser um problema significativo, as pesquisas sobre esse tópico são limitadas devido às dificuldades na preparação das amostras.

No entanto, está claro que a falta de fusão é um tipo de defeito planar e não pode ser ignorada. Ela 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 afeta a resistência à fadiga é a profundidade do rebaixo (h), que pode ser avaliada pela profundidade (h) ou pela relação entre a profundidade e a espessura da chapa (h/B).

5) Estômatos

Harrison analisou e resumiu os resultados de testes anteriores relacionados a defeitos volumétricos.

A diminuição da resistência à fadiga deve-se principalmente à redução da área da seção transversal causada pelos poros. Há uma relação linear entre eles.

No entanto, alguns estudos mostram que, quando a superfície da amostra é usinada, o que faz com que os poros fiquem localizados na superfície ou logo abaixo dela, o impacto negativo dos poros aumenta. Eles agirão como uma fonte de concentração de tensão e se tornarão o ponto de partida das trincas por fadiga.

Isso sugere que a localização dos poros tem um impacto maior sobre a resistência à fadiga da junta do que seu tamanho, e os poros localizados na superfície ou abaixo dela têm o efeito negativo mais significativo.

6) Inclusão de escória

A pesquisa realizada pelo IIW mostrou que, entre os defeitos volumétricos, a inclusão de escória tem um impacto maior sobre a resistência à fadiga das juntas em comparação com a porosidade.

O impacto dos defeitos de soldagem na resistência à fadiga das juntas não depende apenas do tamanho do defeito, mas também é influenciado por vários outros fatores, como o fato de os defeitos de superfície terem um impacto maior do que os defeitos internos, e os defeitos planares perpendiculares à direção da força terem um impacto maior do que em outras direções.

A influência dos defeitos localizados em áreas de tensão residual de tração é maior do que a dos defeitos localizados em áreas de tensão residual de compressão, e os defeitos localizados em áreas de concentração de tensão, como trincas na ponta da solda, têm um impacto maior do que os mesmos defeitos em campos de tensão uniformes.

2.3 Efeito da tensão residual da soldagem na resistência à fadiga

Soldagem tensão residual é uma característica das estruturas soldadas que é amplamente estudada por seu impacto na resistência à fadiga dessas estruturas. Diversos estudos experimentais foram realizados para examinar essa questão.

Os testes de fadiga geralmente são realizados comparando amostras com tensão residual de soldagem para aqueles que foram submetidos a tratamento térmico para remover a tensão residual. Isso ocorre porque a geração de tensão residual de soldagem é frequentemente acompanhada por alterações nas propriedades do material resultantes da ciclo térmico de soldagemO tratamento térmico não apenas elimina a tensão residual, mas também restaura parcial ou totalmente as propriedades do material.

No entanto, devido à variabilidade dos resultados dos testes, há diferentes interpretações dos resultados e avaliações do impacto da tensão residual da soldagem. Isso pode ser visto ao analisar as pesquisas iniciais e recentes realizadas por várias pessoas.

Por exemplo, diferentes pesquisadores chegaram a conclusões diferentes de testes de ciclo de 2×106 em juntas de topo com reforço.

Descobriu-se que a resistência à fadiga de uma amostra após o tratamento térmico para aliviar a tensão era 12,5% maior do que a mesma amostra em seu estado soldado. No entanto, alguns estudos constataram que a resistência à fadiga das amostras soldadas e tratadas termicamente era a mesma, com pouca diferença. Em outras descobertas, a resistência à fadiga aumentou após o tratamento térmico para remover a tensão residual, mas o aumento foi muito menor do que 12,5%.

Resultados semelhantes foram encontrados nos testes de amostras de juntas de topo com retificação de superfície. Alguns testes mostraram que a resistência à fadiga poderia ser aumentada em 17% após o tratamento térmico, enquanto outros não mostraram nenhuma melhora.

Essa questão tem sido uma fonte de confusão há algum tempo. No entanto, uma série de testes sob carga alternada realizados por acadêmicos da antiga União Soviética ajudou a esclarecer o problema. A pesquisa de Trufyakov sobre o efeito da tensão residual da soldagem na resistência à fadiga da junta sob diferentes características do ciclo de tensão é especialmente notável.

Os testes foram realizados com aço estrutural de baixa liga comum 14Mn2 e envolveram uma solda de topo transversal na amostra, com um cordão de solda longitudinal sobreposto em ambos os lados.

Um grupo de amostras foi submetido a tratamento térmico para eliminar a tensão residual após a soldagem, enquanto o outro grupo não foi tratado. O teste de comparação da resistência à fadiga foi realizado usando 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 foi próxima de 130 MPa, enquanto a amostra sem eliminação teve 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 foi de 260 MPa, um pouco menor do que a amostra sem tratamento térmico, que teve uma resistência à fadiga de 270 MPa.

Os principais motivos para esse fenômeno são:

Quando o valor de r é alto, como sob carga pulsante (r = 0), a resistência à fadiga é alta, e a tensão residual é rapidamente liberada sob a influência da alta tensão de tração, 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 efeito sobre a resistência à fadiga.

O tratamento térmico não apenas elimina a tensão residual, mas também amolece o material, levando a uma diminuição da resistência à fadiga após o tratamento.

Esse teste demonstra a influência da tensão residual e das alterações materiais causadas pelo ciclo térmico de soldagem na resistência à fadiga. Ele também indica que o impacto da tensão residual da soldagem na resistência à fadiga de uma junta está relacionado às características do ciclo de tensão da carga de fadiga. Quando o valor da característica do ciclo é baixo, o impacto é relativamente alto.

Foi observado anteriormente que, devido à tensão residual que atinge o rendimento do material Em um ponto de solda estrutural, em uma junta com um ciclo de tensão de amplitude constante, o ciclo de tensão real próximo à solda cairá abaixo do ponto de escoamento do material, independentemente das características originais do ciclo.

Por exemplo, o ciclo de tensão nominal deve ser de +S1 a -S2, com uma faixa de tensão de S1 + S2. No entanto, a faixa real do ciclo de tensão na junta será de sy (amplitude de tensão no ponto de escoamento) a SY-(S1 + S2).

Esse é um fator crucial a ser considerado ao estudar a resistência à fadiga de juntas soldadas, levando alguns códigos de projeto a substituir a característica cíclica r pela faixa de tensão.

Além disso, o tamanho do corpo de prova, o modo de carregamento, a taxa de ciclo de tensão e o espectro de carga também têm um impacto significativo na resistência à fadiga.

3. Método de processo para melhorar a resistência à fadiga da estrutura soldada

O início da trinca por fadiga em juntas soldadas geralmente ocorre na raiz e na ponta da solda. Se o risco de início de trinca por fadiga na raiz da solda for controlado, os pontos mais vulneráveis das juntas soldadas se concentrarão na ponta da solda.

Há várias maneiras de melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas:

① Reduza ou elimine defeitos de solda, especialmente aberturas;

② Melhorar a geometria da ponta da solda e diminuir o fator de concentração de tensão;

③ Ajustar o campo de tensão residual da soldagem para produzir um campo de tensão compressiva residual. Esses métodos de aprimoramento podem ser divididos em duas categorias, conforme mostrado na Tabela 1.

Otimização do processo de soldagem não só melhora a resistência à fadiga da estrutura soldada, mas também aumenta sua resistência à carga estática e as propriedades metalúrgicas das juntas soldadas. Há uma grande quantidade de dados sobre esse tópico, que não serão repetidos aqui.

Tabela 1 Métodos de aprimoramento da resistência à fadiga da estrutura soldada

Os principais métodos para aumentar a resistência à fadiga das juntas soldadas são discutidos em detalhes em três partes, com foco nos métodos de processo.

3.1 Métodos para melhorar a geometria da ponta da solda e reduzir a concentração de tensão

1) Tratamento TIG

Estudos demonstraram que o reparo TIG pode aumentar significativamente a resistência à fadiga de juntas soldadas, tanto no mercado interno quanto no internacional. O processo envolve o uso de Soldagem TIG para fundir novamente a seção de transição da junta soldada, criando uma transição suave entre a solda e o metal de base. Isso reduz a concentração de tensão e elimina pequenos não metálico inclusões de escória, resultando em uma melhoria da resistência à fadiga da junta.

Normalmente, a pistola de soldagem é posicionada a uma distância de 0,5 a 1,5 mm do dedo do pé da solda durante o processo de reparo, e a área refundida deve ser mantida limpa. A adição de um leve esmerilhamento prévio melhorará os resultados.

É fundamental manusear adequadamente o processo de rearco se ocorrer a extinção do arco durante a refusão, pois isso afetará a qualidade do cordão de solda refundido. A melhor posição para o novo arco é geralmente 6 mm à frente da cratera do cordão de solda.

Recentemente, a International Welding Society colaborou com institutos de pesquisa de soldagem de vários países europeus e do 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 esse método. Esse valor nominal de resistência à fadiga de 211 MPa corresponde a um valor característico (índice K) de 144 MPa. Ele supera o valor mais alto de FAT na resistência à fadiga de detalhes da junta estabelecido pela International Welding Society.

2) Usinagem

A usinagem da superfície da solda pode reduzir bastante a concentração de tensão e melhorar a resistência à fadiga da junta de topo. Se a solda estiver livre de defeitos, sua resistência à fadiga pode até superar a do metal de base. No entanto, a usinagem é um processo caro e só deve ser realizada quando os benefícios justificarem o custo.

No caso de soldas com defeitos significativos e sem solda de fundo, a concentração de tensão no defeito ou na raiz da solda é muito mais grave do que na superfície, tornando a usinagem sem sentido. Se houver falta de defeito de penetração, as trincas por fadiga não se iniciarão no reforço e na ponta da solda, mas serão transferidas para a raiz da solda. Nesses casos, a usinagem pode, na verdade, reduzir a resistência à fadiga da junta.

O esmerilhamento apenas da ponta da solda, em vez de todo o metal de solda, também pode melhorar a resistência à fadiga da junta. Pesquisas demonstraram que o ponto de início da trinca nesse cenário é transferido da ponta da solda para a parte inferior do metal de solda. defeito de solda.

Os testes de resistência à fadiga realizados por Makorov, da antiga União Soviética, em aço de alta resistência (resistência à tração σb = 1080 MPa) mostraram que a resistência à fadiga das soldas de topo transversais sob carga alternada era de ± 150 MPa após 2×10⁶ ciclos como soldado. A usinagem da solda e a remoção do reforço aumentaram a resistência à fadiga para ± 275 MPa, equivalente à resistência à fadiga do metal de base. O esmerilhamento local na ponta da solda de topo resultou em uma resistência à fadiga de ± 245MPa, equivalente a 83% do efeito da usinagem e uma melhoria de 65% em relação ao estado soldado.

É importante observar que a técnica adequada deve ser usada na usinagem ou no esmerilhamento para garantir a melhoria desejada na resistência à fadiga.

3) Retificação de rebolo

O esmerilhamento com um rebolo pode não ser tão eficaz quanto a usinagem, mas ainda é um método útil para aumentar a resistência à fadiga das juntas soldadas. A International Welding Society recomenda o uso de um rebolo de alta velocidade, elétrico ou hidráulico, com velocidade de 15.000 a 40.000 RPM, feito de material de tungstênio carbono. O diâmetro do rebolo deve garantir que a profundidade e o raio de esmerilhamento sejam iguais ou superiores a 1/4 da espessura da chapa.

Uma pesquisa recente da International Welding Society constatou 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 característico (135 MPa), que é maior do que o valor FAT mais alto na resistência à fadiga de detalhes da junta estabelecida pela International Welding Society.

É importante observar que a direção do esmerilhamento deve estar alinhada com a direção da linha de tensão. O esmerilhamento em uma direção diferente pode deixar um entalhe perpendicular à linha de tensão, atuando efetivamente como uma fonte de concentração de tensão e reduzindo a resistência à fadiga da junta.

4) Método de eletrodo especial

Esse método envolve o desenvolvimento de um novo tipo de eletrodo. Seu metal líquido e escória líquida têm alta molhabilidade, o que aumenta o raio de transição da solda, reduz o ângulo na ponta da solda, reduz a concentração de tensão na ponta da solda e melhora a resistência à fadiga da junta soldada.

Assim como o reparo de soldagem TIG, ele tem uma forte preferência por determinadas posições de soldagem, especialmente a soldagem plana e de filete, enquanto seus benefícios são significativamente reduzidos para a soldagem vertical, horizontal e de filete. soldagem suspensa.

3.2 Método de ajuste do campo de tensão residual para produzir tensão compressiva

1) Método de pré-sobrecarga

Quando uma carga de tração é aplicada a um corpo de prova com concentração de tensão até que ocorra o escoamento no entalhe, resultando em alguma deformação plástica de tração, a tensão compressiva será gerada no local da deformação plástica de tração próximo ao entalhe carregado após a descarga. A tensão de tração abaixo do ponto de escoamento será equilibrada em outras seções da amostra.

Em testes de fadiga subsequentes, a faixa de tensão do corpo de prova submetido a esse tratamento será diferente daquela do corpo de prova original sem pré-carregamento e será significativamente reduzida. Isso pode melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas.

Pesquisas mostram que é necessário um teste de pré-carga antes que grandes estruturas soldadas, como pontes e vasos de pressão, sejam colocadas em operação. Isso melhorará seu desempenho em termos de fadiga.

2) Aquecimento local

O aquecimento local pode ajustar o campo de tensão residual na soldagem, gerando tensão residual compressiva nos pontos de concentração de tensão, o que pode melhorar a resistência à fadiga da junta. Atualmente, esse método só é aplicável a soldas descontínuas longitudinais ou a juntas com placas rígidas longitudinais.

Para placas de filete de um lado, a posição de aquecimento é normalmente cerca de 1/3 da largura da placa a partir da solda. Para placas de filete de dupla face, a posição de aquecimento é o centro da placa. Isso gera tensão compressiva na solda, aumentando a resistência à fadiga da junta.

Diferentes pesquisadores obtiveram resultados variados usando esse método. Para placas de reforço de um lado, a resistência à fadiga aumentou em 145-150%, enquanto para placas de reforço de dois lados, a resistência à fadiga aumentou em 70-187%.

A posição do aquecimento local tem um impacto significativo sobre a resistência à fadiga da junta. O aquecimento pontual na extremidade da solda causa tensão residual compressiva no entalhe e aumenta a resistência à fadiga em 53%. Entretanto, o aquecimento por pontos no centro da amostra na extremidade da solda, com a mesma distância da extremidade da solda, 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, pois melhora a resistência à fadiga da junta ao gerar tensão residual compressiva. No entanto, seu ponto de ação é diferente, e a posição de extrusão deve ser onde a tensão residual compressiva é desejada.

O método de extrusão tem um efeito mais significativo em amostras de aço de alta resistência do que em aço de baixo carbono.

4) Método de Gurnnert

Gunnert propôs um método para obter resultados satisfatórios devido à dificuldade de determinar com precisão a posição e a temperatura de aquecimento no método de aquecimento local. O segredo desse método é aquecer diretamente o entalhe, e não a área ao redor, 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 resfriá-lo rapidamente.

O resfriamento tardio do metal sob a superfície e do metal circundante que não foi resfriado causará encolhimento e gerará tensão compressiva na superfície resfriada. Essa tensão compressiva pode aumentar a resistência à fadiga do membro.

É importante observar 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 rachaduras por fadiga em tubos de topo usando esse método. A parte externa da tubulação foi aquecida por indução e a parte interna foi resfriada por circulação de água, gerando tensão compressiva na tubulação e impedindo efetivamente a formação de trincas por fadiga. Após o tratamento, a taxa de crescimento de trincas por fadiga do tubo de solda de topo foi bastante reduzida e atingiu a mesma taxa de crescimento de trincas do metal de base.

3.3 Métodos para reduzir a concentração de tensão e gerar tensão de compressão

1) Método de martelamento

O martelamento é um método de trabalho a frio que cria uma tensão compressiva na superfície do dedo do pé da solda em uma junta. A eficácia desse método depende da deformação plástica na superfície do dedo do pé da solda.

Além disso, o martelamento pode reduzir a nitidez do entalhe e, portanto, a concentração de tensão, levando a uma melhoria significativa na resistência à fadiga da junta. A International Welding Society 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 a 12 mm, e é recomendável usar quatro impactos para garantir uma profundidade de martelamento de 0,6 mm.

Uma pesquisa da International Welding Society 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) Shot peening

O shot peening é outra forma de martelamento e é um tipo de usinagem de impacto. A eficácia do shot peening depende do diâmetro do shot peening. O diâmetro não deve ser muito grande para tratar de pequenos defeitos, mas também não deve ser muito pequeno para atingir um determinado nível de endurecimento por trabalho a frio. Normalmente, o shot peening pode impactar a superfície a uma profundidade de alguns milésimos de milímetro.

Pesquisas mostram que o shot peening pode melhorar muito a resistência à fadiga de juntas de aço de alta resistência e tem um efeito particularmente forte sobre soldagem a arco de argônio materiais de aço de alta resistência, superando até mesmo o reparo TIG. O uso de shot peening também pode aumentar o impacto do reparo por fusão TIG.

4. A mais recente tecnologia para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas

4.1 Método de tratamento por impacto ultrassônico

Nos últimos anos, o impacto ultrassônico foi desenvolvido como um meio de melhorar a resistência à fadiga de juntas e estruturas soldadas. Seu mecanismo é semelhante ao do martelamento e do shot peening.

No entanto, o impacto ultrassônico tem vantagens como peso leve, bom controle, uso flexível e conveniente, ruído mínimo, alta eficiência, menos restrições na aplicação, baixo custo e eficiência energética. Ele é adequado para todos os tipos de juntas e é um método eficaz para melhorar o desempenho de fadiga das juntas soldadas após a soldagem.

Foram realizados estudos usando o tratamento de impacto ultrassônico em juntas de topo e juntas de canto longitudinais sem rolamento de vários aços estruturais típicos soldados. Em seguida, foram realizados testes comparativos de fadiga em juntas soldadas e tratadas por impacto. Os resultados, mostrados na Tabela 2, indicam que a resistência à fadiga das juntas soldadas aumentou em 50-170% após o tratamento de impacto ultrassônico.

Tabela 2 Comparação da resistência à fadiga antes e depois do tratamento de impacto ultrassônico

4.2 Método de tira de solda a ponto com baixa mudança de fase

4.2.1 Princípio e desenvolvimento do aprimoramento da resistência à fadiga de juntas soldadas

A tensão compressiva pode aumentar a resistência à fadiga de juntas soldadas, o que tem sido amplamente discutido na literatura. No entanto, o desafio está em como introduzir facilmente a tensão compressiva nas juntas soldadas.

É sabido que a composição química, o teor de liga e a taxa de resfriamento podem resultar em diferentes alterações microestruturais durante o processo de resfriamento de materiais de ferro e aço. Essas transformações estruturais são acompanhadas pela expansão do volume, que pode criar tensão de transformação de fase quando restringida, levando à tensão compressiva.

Para o metal de solda, isso reduz a tensão residual de tração e até mesmo resulta em tensão residual de compressão, melhorando assim as propriedades mecânicas das juntas soldadas.

O eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) é um novo material de soldagem que utiliza a tensão de transformação de fase para produzir tensão compressiva em juntas soldadas e aumentar sua resistência à fadiga.

Já na década de 1960, especialistas em soldagem da antiga União Soviética propuseram o método de baixa transformação de fase soldagem por pontos para melhorar a resistência à fadiga das estruturas soldadas, embora o termo "tira de solda por pontos com baixa transformação de fase" não fosse usado na época e fosse simplesmente chamado de eletrodo especial.

O revestimento composição metálica consiste principalmente de 3-4% Mn para reduzir a temperatura de transformação de fase e obter a transformação de fase metalúrgica. A literatura sugere que a resistência à fadiga de espécimes pequenos após a surfaçagem com esses eletrodos especiais é 75% maior do que sem surfaçagem.

Recentemente, o desenvolvimento do aço de carbono ultrabaixo e o uso de Cr e Ni para reduzir a temperatura de transformação martensítica do metal depositado em materiais de soldagem levaram a um rápido progresso na faixa de soldagem por pontos de baixa transformação.

Tanto o Japão quanto a China realizaram muitas pesquisas nessa área, embora ainda estejam em fase de laboratório.

4.2.2 EEfeito do eletrodo LTTE na melhoria da resistência à fadiga

A Escola de Materiais da Universidade de Tianjin projetou e otimizou o Eletrodo de Soldagem de Baixa Temperatura de Transformação (LTTE) e realizou extensos testes de fadiga e testes de desempenho de processo em várias juntas soldadas.

(1) Método LTTE

O eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) e o eletrodo comum E5015 foram usados para soldar a junta de topo transversal, a junta transversal sem carga, a junta de filete circunferencial longitudinal, a junta de filete paralela longitudinal e a junta de filete circunferencial. junta de solda de filetee junta de topo longitudinal, respectivamente. Foi realizado um teste comparativo de fadiga.

Os resultados indicam que a resistência à fadiga da junta LTTE do ponto de mudança de fase Vareta de solda foi 11%, 23%, 42%, 46% e 59% maior do que a do eletrodo comum E5015. A vida útil da fadiga aumentou de várias vezes para centenas de vezes.

Tabela 3 Efeito de melhoria da resistência à fadiga de diferentes tipos de juntas soldadas

Como o eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) cria uma tensão compressiva residual a partir da expansão do volume da transformação martensítica em uma temperatura mais baixa, a magnitude da tensão compressiva residual está intimamente ligada à restrição da junta soldada.

Quanto mais restrita for a junta soldada, maior será a tensão compressiva residual e mais significativa será a melhoria na resistência à fadiga.

(2) Método de tratamento LTTE para soldagem por pontos com baixa transformação de fase

No entanto, adicionar mais elementos de liga A necessidade de se fazer com que os materiais de solda atinjam a transformação martensítica em uma taxa de resfriamento normal e em baixa temperatura aumenta significativamente o custo do eletrodo de solda de baixa temperatura de transformação (LTTE). Se todas as soldas em uma estrutura soldada forem feitas com materiais de solda de baixa mudança de fase, o custo geral da estrutura também será significativamente maior, tornando-a economicamente inviável.

É sabido que o fratura por fadiga em juntas soldadas geralmente ocorre na ponta da solda. Se a tensão compressiva residual for gerada na ponta da solda, a resistência à fadiga da junta soldada poderá ser melhorada sem o uso de todas as tiras de solda por pontos com baixa mudança de fase, reduzindo o custo dos materiais.

Com essa ideia em mente, a Universidade de Tianjin propôs o método de revestimento do dedo do pé do eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas, com base em resultados experimentais. A resistência à fadiga do revestimento LTTE e das juntas soldadas com eletrodo comum foi comparada usando dois tipos de juntas cruzadas sem carga e juntas de solda de filete circunferencial longitudinal. A resistência à fadiga da primeira foi 19,9% e 41,7% maior do que a da segunda, respectivamente, comprovando a viabilidade e a praticidade da ideia.

Essa pesquisa preliminar oferece uma aplicação mais razoável do eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) na prática da engenharia.

Ao mesmo tempo, a junta de revestimento da ponta do eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) também pode refletir sua aplicação em soldas de cobertura e cordões de solda próximos à cobertura da ponta.

4.2.3 AVantagens e desvantagens da fita de solda a ponto com baixa mudança de fase

Vantagens:

(1) O método do eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE) é realizado durante o processo de soldagem, eliminando a necessidade de processamento pós-soldagem.

(2) O método LTTE não requer habilidades operacionais especiais, o que o torna simples e conveniente de usar.

(3) Ao usar o eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE), a resistência à fadiga das juntas soldadas pode ser melhorada. Como não é afetado pelos efeitos térmicos dos cordões de solda subsequentes, ele é adequado para melhorar a resistência à fadiga de soldas ocultas, soldas cobertas, soldas posteriores de solda de um lado e outras soldas que não podem ser processadas após a soldagem.

(4) O eletrodo LTTE também pode ser usado para reparar trincas por fadiga em estruturas soldadas.

Desvantagens:

A adição de mais elementos de liga aos materiais de soldagem aumenta o custo dos materiais do eletrodo de soldagem de baixa temperatura de transformação (LTTE), mas isso pode ser compensado com o uso de curativos LTTE e outros métodos.

5. Conclusão

Concluindo, os requisitos de capacidade de suporte de carga dinâmica para estruturas soldadas têm aumentado à medida que elas estão sendo usadas para cargas pesadas e de alta velocidade. Como resultado, o desenvolvimento e a utilização de novas tecnologias para aprimorar o desempenho de fadiga das juntas soldadas são cruciais para a aplicação mais ampla das estruturas soldadas.

Tanto a tecnologia de impacto ultrassônico quanto o uso do Eletrodo de Soldagem de Baixa Temperatura de Transformação (LTTE) para melhorar a resistência à fadiga das juntas soldadas são importantes direções de pesquisa no campo da melhoria do desempenho da fadiga e do processo de estruturas soldadas.