Análise e previsão da distorção angular na soldagem de juntas a topo em aço estrutural - Adamczuk, Paulo Cezar (2017)
A aplicação do calor de forma não uniforme em estruturas soldadas origina distribuições de temperatura altamente transientes, produzindo tensões térmicas não uniformes que, por sua vez, geram deformações plásticas, tensões residuais e deformações permanentes (distorções). As distorções são desvios geométricos indesejáveis na estrutura, causando grandes perdas. Em chapas espessas soldadas a topo, com chanfro em V, o principal problema são as distorções angulares, principalmente quando a estrutura é soldada sem restrição e com múltiplos passes. Uma das formas mais eficientes de controle da distorção angular é prever o seu valor antes da soldagem. Este trabalho teve como objetivo principal desenvolver métodos e modelos analíticos para previsão da distorção angular, os quais foram aplicados em juntas a topo em chanfro em V na soldagem multipasse. Para atingir tal objetivo, duas abordagens foram aplicadas. A primeira foi baseada em evidências experimentais e a segunda, em uma equação analítica disponível na literatura. Investigou-se, também, a relação existente entre a distorção angular e o comportamento termomecânico do material na junta soldada. Nos experimentos realizados, utilizou-se corpos de prova constituídos de chapas de aço estrutural ASTM A36, soldadas pelo processo de soldagem ao arco elétrico com proteção por gás e eletrodo consumível (doravante neste texto denominado “MAG”), nas espessuras de 9,75; 12,75; 16,0 e 19,0 mm. Os experimentos foram reunidos em nove grupos, classificados de acordo com as dimensões dos corpos de prova, parâmetros da fonte (tensão e corrente), velocidade de soldagem, energias de soldagem e número de passes Para os grupos 1-6, as distorções foram medidas ao longo dos passes através de LVDT – “Linear Variable Differential Transformer” (Transformadores Lineares Diferenciais Variáveis) - e, em todos os grupos, mediu-se a distorção final através de um goniômetro. Para investigar a relação entre a distorção angular e o comportamento termomecânico do material, termopares do tipo K e tipo S foram utilizados para obtenção dos ciclos térmicos. Em relação à abordagem baseada em evidências experimentais, os métodos e modelos foram obtidos em duas fases. A primeira fase, fundamentou-se no comportamento da distorção angular ao longo dos passes, na qual utilizou-se os resultados dos experimentos dos grupos 1-4 (espessuras 16,0 e 19,0 mm) e verificou-se que, independentemente da energia de soldagem utilizada em cada grupo, a distorção angular em um passe qualquer apresentava o mesmo valor. Essa constatação levou à escolha de um modelo analítico modelo B), a partir do qual se definiu uma metodologia envolvendo análise experimental em que é possível extrapolar a previsão da distorção. A segunda fase da abordagem experimental decorreu da análise dos resultados obtidos dos grupos 1-6 (espessuras 9,75; 12,75; 16,0 e 19,0 mm). A partir da constatação de que a distorção angular possuía o mesmo comportamento linear em função da energia de soldagem para as quatro espessuras e, além disso, utilizando os resultados obtidos na primeira fase, desenvolveu-se metodologias próprias com a finalidade de obter modelos analíticos para previsão da distorção angular (modelos D, E, F e G). Esses modelos permitem prever a distorção angular em função da energia de soldagem e espessura da chapa ou alternativamente, através da área da seção transversal do chanfro, nos intervalos de [0,35; 2,5] kJ/mm e [9,75; 19,0] mm. O comparativo preliminar dos modelos com resultados experimentais mostrou que eles podem ser utilizados para previsão da distorção angular, bem como novos modelos podem ser obtidos a partir da metodologia desenvolvida. Em relação à segunda abordagem, baseada na equação analítica para soldas “bead on plate” (deposição de cordão de solda sobre a superfície da chapa), o procedimento desenvolvido permitiu adequar a equação para prever a distorção angular em junta a topo com chanfro V. O método foi testado em diversas condições de soldagem, onde se observou concordância entre os resultados experimentais e analíticos para o valor final. Os estudos envolvendo a análise termomecânica do material na região da solda mostraram que o comportamento observado da distorção angular ao longo dos passes, para diferentes energias de soldagem, pode ser explicado pelas diferenças de temperatura entre a superfície da poça de fusão e superfície inferior da chapa, na raiz da solda. Além disso, o estudo mostrou que comportamento da distorção angular é significativamente influenciado pelos fenômenos que agem na resistência à deformação da estrutura, ou seja, resistência mecânica do material e seção resistente à medida que os passes de solda são realizados.