Os soldadores iniciantes e até os mais experientes comumente enfrentam a distorção na soldagem (deformação do metal de base causada pelo calor do arco de solda). A distorção é problemática por várias razões, mas uma das mais críticas é a criação potencial de uma solda que não seja estruturalmente sólida.
Este artigo ajudará a definir o que é a distorção de solda e fornecerá uma compreensão prática das causas da distorção, efeitos de retração em vários tipos de soldas, como controlá-la e, finalmente, examinará os métodos de controle de distorção.
O QUE É DISTORÇÃO DE SOLDA?
A distorção em uma solda resulta da expansão e contração do metal de solda e do metal base durante o ciclo de aquecimento e resfriamento. Fazer toda a soldagem em um lado da peça causará muito mais distorção do que se as soldas forem alternadas de um lado para o outro. Durante esse ciclo de aquecimento e resfriamento, muitos fatores afetam o encolhimento do metal e levam à distorção, como propriedades físicas e mecânicas que mudam à medida que o calor é aplicado. Por exemplo, à medida que a temperatura da área de solda aumenta, a resistência ao escoamento, a elasticidade e a condutividade térmica da chapa de aço diminuem, enquanto a expansão térmica e o calor específico aumentam. Essas mudanças, por sua vez, afetam o fluxo e a uniformidade de distribuição de calor.
Mudanças nas propriedades do aço com aumentos na temperatura complicam a análise do que acontece durante o ciclo de soldagem - e, assim, a compreensão dos fatores que contribuem para a distorção.
RAZÕES PARA DISTORÇÃO
Para entender como e por que a distorção ocorre durante o aquecimento e o resfriamento de um metal, considere a barra de aço mostrada na figura abaixo. Como a barra é uniformemente aquecida, ela se expande em todas as direções. À medida que o metal esfria até a temperatura ambiente, ele se contrai uniformemente em suas dimensões originais.
Se uma barra de aço for uniformemente aquecida livremente (a), ela se expandirá em todas as direções e retornará às suas dimensões originais no resfriamento. Se ela estiver contida (b) durante o aquecimento, pode expandir apenas na direção vertical - tornar-se mais espessa. Ao resfriar, a barra deformada se contrai uniformemente, como mostrado em (c), e, assim, fica permanentemente deformada. Esta é uma explicação simplificada da causa básica da distorção em conjuntos de soldagem.
Mas se a barra de aço estiver fixada, com algum tipo de barreira ou parede em volta dela, a expansão lateral durante o aquecimento não poderá ocorrer. A barra se expandriá verticalmente e se tornará mais espessa. À medida que a barra deformada retorna à temperatura ambiente, ela ainda tenderá a se contrair uniformemente em todas as direções (c). A barra agora é mais curta, mas mais grossa. Ela foi permanentemente deformada ou distorcida.
Em uma junta soldada, essas mesmas forças de expansão e contração atuam no metal de solda e no metal base. Como o metal de solda se solidifica e se funde com o metal base, ele está em seu máximo de expansão. No resfriamento, ele tenta contrair o volume que normalmente ocuparia na temperatura mais baixa, mas é impedido de fazê-lo pelo metal de base adjacente. Por causa disso, as tensões se desenvolvem dentro da solda e do metal base adjacente. Neste ponto, a solda se estica (ou cede) e se afina, ajustando-se assim aos requisitos de volume da temperatura mais baixa. Mas apenas as tensões que excedem a força de escoamento do metal de solda são aliviadas por esse esforço. No momento em que a solda atinge a temperatura ambiente - assumindo a restrição completa do metal de base para que não possa se mover - a solda conterá tensões de tração travadas aproximadamente iguais à força de escoamento do metal. Se as restrições (garras que seguram a peça de trabalho ou uma força de contração oposta) forem removidas, as tensões residuais são parcialmente aliviadas, pois elas fazem com que o metal base se mova, distorcendo assim a soldagem.
CONTROLE DE ENCOLHIMENTO - O QUE VOCÊ PODE FAZER PARA MINIMIZAR A DISTORÇÃO
Para evitar ou minimizar a distorção de solda, os métodos devem ser usados no projeto e durante a soldagem para superar os efeitos do ciclo de aquecimento e resfriamento. O encolhimento não pode ser evitado, mas pode ser controlado. Várias maneiras podem ser usadas para minimizar a distorção causada pelo encolhimento. Você as conhecerá abaixo.
01 - NÃO SOBRECARREGUE
Quanto mais metal colocado em uma junta, maiores as forças de contração. O dimensionamento correto de uma solda para os requisitos da junta não apenas minimiza a distorção, mas também economiza metal de enchimento e tempo.A quantidade de metal em um cordão de solda pode ser minimizada pelo uso de um cordão plano ou ligeiramente convexo e em uma junta de topo por meio da preparação e ajuste apropriados da borda. O excesso de metal de solda em um cordão altamente convexo não aumenta a força da solda, mas aumenta as forças de contração.
Ao soldar chapas grossas (mais de 2,5cm de espessura), chanfrar o material uma ou duas vezes pode economizar uma quantidade substancial de metal de enchimento, trazendo automaticamente menos distorção automaticamente.
Em geral, se a distorção não for um problema, selecione a junta mais econômica. Se a distorção for um problema, selecione uma junta na qual as tensões da solda se equilibram ou uma junta que requer a menor quantidade de metal de enchimento possível.
02 - USE SOLDAGEM INTERMITENTE
Outra maneira de minimizar a distorção é, sempre que possível, usar soldas intermitentes em vez de contínuas. Para fixar os reforços à placa, por exemplo, as soldas intermitentes podem reduzir o metal de enchimento em até 75%, fornecendo a mesma resistência necessária.
A distorção pode ser evitada ou minimizada por técnicas que anulam - ou usam construtivamente - os efeitos do ciclo de aquecimento e resfriamento.
03 - USE O MÍNIMO DE PASSES POSSÍVEIS
É melhor realizar menos passes com uma maior deposição de metal são preferidos do que um grande número de passes com pouca deposição. O encolhimento causado por cada passe tende a ser cumulativo, aumentando assim o encolhimento total quando muitos passes são usados.
04 - COLOQUE AS SOLDAS PERTO DO EIXO NEUTRO
A distorção pode ser evitada ou minimizada por técnicas que anulam - ou usam construtivamente - os efeitos do ciclo de aquecimento e resfriamento. Tanto o projeto da sequência de soldagem quanto a seqüência de soldagem podem ser usados efetivamente para controlar a distorção.
05 - EQUILIBRE AS SOLDAS AO REDOR DO EIXO NEUTRO
Esta prática, mostrada na figura abaixo compensa uma força de contração com outra para efetivamente minimizar a distorção da soldagem. Aqui, também, o design da montagem e a seqüência correta de soldagem são fatores importantes.
06 - USE O BACKSTEP DE SOLDAGEM
Na técnica de backstep, a progressão geral da soldagem pode ser da esquerda para a direita, mas cada segmento é depositado da direita para a esquerda, como na figura abaixo. À medida que cada segmento é colocado, as bordas aquecidas se expandem, o que separa temporariamente as placas no ponto B da figura. Mas à medida que o calor se move pela placa para C, a expansão ao longo das bordas externas CD traz as placas de volta. Esta separação é mais pronunciada durante a execução do primeiro segmento. Com passes sucessivos, as placas se expandem cada vez menos devido à restrição de soldas anteriores. O retrocesso pode não ser eficaz em todas as aplicações e não pode ser usado economicamente na soldagem automática.
07 - ANTECIPE AS FORÇAS DE CONTRAÇÃO
Pré-configurar as partes antes da soldagem pode fazer o encolhimento realizar um trabalho construtivo. A quantidade necessária de pré-ajuste para encolher e alinhar as placas pode ser determinada a partir de algumas soldas-teste.
A parte superior do local de solda - que conterá a maior parte de metal de enchimento - é alongada quando as placas são pré-ajustadas. Assim, a solda completa é ligeiramente maior do que seria se tivesse sido feita na placa plana. Quando as braçadeiras são soltas após a soldagem, as placas retornam à forma plana, permitindo que a solda alivie suas tensões de encolhimento longitudinal encurtando para uma linha reta. As duas ações coincidem e as placas soldadas assumem a espessura desejada.
Em soldagens pesadas, particularmente, a rigidez dos membros e sua disposição em relação uns aos outros podem fornecer as forças de equilíbrio necessárias. Se estas forças de equilíbrio naturais não estiverem presentes, é necessário usar outros meios para neutralizar as forças de contração no metal de solda. Isso pode ser conseguido equilibrando uma força de contração contra outra ou criando uma força oposta através da fixação. As forças opostas podem ser: outras forças de contração; forças restritivas impostas por garras, grampos ou acessórios ou a força de empuxo em um membro devido à gravidade.
08 - PLANEJE A SEQUÊNCIA DE SOLDAGEM
Uma sequência de soldagem bem planejada envolve a colocação do metal de enchimento em diferentes pontos da peça, de modo que, à medida que a estrutura se contrai em um local, ela neutraliza as forças de contração das áreas já feitas. Um exemplo disso é a soldagem alternada em ambos os lados do eixo neutro para fazer uma junta completa.
Garras, grampos e acessórios que fixam as peças em uma posição desejada e as mantêm fixadas até que a soldagem termine são, provavelmente, o meio mais amplamente usado para controlar a distorção em pequenos conjuntos ou componentes.
Foi mencionado anteriormente nesta seção que a força restritiva fornecida pelas garras aumenta as tensões internas na soldagem até que o ponto de escoamento do metal de solda seja atingido. Para soldas em chapas de baixo teor de carbono, esse nível de estresse seria de aproximadamente 45.000 psi. Pode-se esperar que esse estresse cause considerável movimento ou distorção após a peça soldada ser removida. Isso não ocorre, no entanto, uma vez que a tensão (contração da unidade) dessa tensão é muito baixa em comparação com a quantidade de movimento que ocorreria se nenhuma restrição fosse usada durante a soldagem.
09 - REMOVA AS FORÇAS DE CONTRAÇÃO APÓS A SOLDAGEM
O martelamento é uma maneira de neutralizar as forças de contração de um cordão de solda quando ele esfria. Essencialmente, o martelamento do cordão alonga-o e torna-o mais fino, aliviando assim (por deformação plástica) as tensões induzidas pela contração quando o metal esfria. Mas esse método deve ser usado com cuidado. Geralmente, o martelamento não é permitido no passe final, devido à possibilidade de cobrir uma rachadura e interferir na inspeção. Assim, a utilidade da técnica é limitada, embora tenha havido casos em que o martelamento entre passagens provou ser a única solução para um problema de distorção ou rachadura. Antes que o martelamento seja usado em um trabalho, a aprovação de engenharia deve ser obtida.
Outro método para remover forças de contração é por alívio térmico de tensão - aquecimento controlado da soldagem a uma temperatura elevada, seguido por resfriamento controlado. Neste caso, as tensões residuais que tendem a distorcer as soldagens são minimizadas.
10 - MINIMIZE O TEMPO DE SOLDAGEM
Como ciclos complexos de aquecimento e resfriamento ocorrem durante a soldagem e, como o tempo é necessário para a transmissão de calor, o fator ‘tempo’ afeta a distorção. Em geral, é desejável terminar a solda rapidamente, antes que um grande volume de metal circundante se aqueça e se expanda. O processo de soldagem utilizado, tipo e tamanho do consumível, corrente de soldagem e velocidade de deslocamento afetam o grau de encolhimento e distorção de uma soldagem. O uso de equipamentos mecanizados de soldagem reduz o tempo de trabalho e a quantidade de metal afetada pelo calor e, consequentemente, distorção.
11 - USE UM ESFRIADOR POR ÁGUA
Várias técnicas foram desenvolvidas para controlar a distorção em soldagens específicas. Na solda de chapas metálicas, por exemplo, um resfriador por água é útil para manter o calor longe dos componentes soldados. Tubos de cobre são acoplados próximos a junta de solda. A água circula por estes tubos durante a soldagem, ajudando a minimizar a distorção.
12 - USE STRONGBACKS
O "strongback" é outra técnica útil para o controle de distorção durante a soldagem. Nela, cria-se uma espécie de esqueleto em volta da peça de trabalho, forçando os itens a se alinharem durante a soldagem.
13 - PROMOVA ALÍVIO DA TENSÃO TÉRMICA
Exceto em situações especiais, o alívio de tensão por aquecimento não é usado para corrigir distorções. Há ocasiões, no entanto, em que o alívio de tensão é necessário para evitar que ocorra mais distorção antes que a soldagem seja concluída.
Nestes casos, sistemas de aquecimento por indução (como o ProHeat, produzido pela Miller) são amplamente utilizados. Estes sistemas por indução apresentam inúmeras vantagens em relação aos aquecimentos por chama ou por resistência, que eram bastante utilizados algum tempo atrás. Você pode ver mais informações sobre o ProHeat clicando aqui.
