Guia definitivo para tipos e seleção de juntas de soldadura

I. Composição das juntas soldadas

A junta de soldadura, normalmente designada por junta, é formada pela ligação de duas ou mais peças de trabalho ou partes utilizando métodos de soldadura. Tomando como exemplo a junta de soldadura por fusão, esta é constituída por metal de solda, zona de fusão e zona afetada pelo calor, como se mostra na Figura 2-8.

a) Junta de topo
b) Junta sobreposta
c) Junta de canto
1-Metal de soldadura
2-Zona de fusão
3-Zona afetada pelo calor
4-Material de base

II. A função das juntas de soldadura

As funções das juntas soldadas podem ser divididas, grosso modo, nos três tipos seguintes:

1. Trabalho conjunto

Pode transferir a força atuante na estrutura soldada de uma parte para outra. Os cálculos de resistência devem ser efectuados nas juntas de trabalho para garantir a sua segurança e fiabilidade.

2. Junta de ligação

Liga duas ou mais partes num todo para manter as suas posições relativas. Embora as soldaduras que ligam estas juntas participem por vezes na transmissão de forças ou suportem algumas forças actuantes, a sua principal função é a ligação, pelo que os cálculos de resistência não são normalmente efectuados para estas juntas.

3. Junta de vedação

Através da soldadura, assegura a estanquidade ao ar ou à água da estrutura, e a prevenção de fugas é a sua principal tarefa. As juntas de vedação também podem ser juntas de trabalho ou juntas de ligação.

III. Classificação das juntas soldadas

As juntas soldadas são elementos de ligação entre componentes estruturais e também transmitem e suportam forças estruturais. São classificadas de acordo com o seu papel na estrutura, métodos de soldadurae formas estruturais conjuntas como se segue:

1. Classificação com base no papel da junta na estrutura

1) Soldadura de contacto: A soldadura não transmite ou transmite muito pouca carga, servindo apenas de ligação.

2) Soldadura de suporte de carga: A soldadura e a peça a soldar estão em série, transmitindo toda a carga.

2. Classificados por método de soldadura

Inclui as juntas soldadas por fusão, as juntas soldadas por pressão, as juntas soldadas por brasagem, etc., classificadas de acordo com a figura 2-9.

3. Classificados segundo a forma estrutural da articulação

Com base na forma estrutural da junta, existem dez tipos: junta de topo, junta em T, junta cruzada, junta sobreposta, junta de canto, junta de extremidade, junta de manga, junta de topo enviesada, junta flangeada e junta de topo bloqueada, conforme ilustrado na Figura 2-10.

a) Junta de topo
b) Articulação em T
c) União de espiga
d) Junta sobreposta
e) Junta de canto
f) Junta de extremidade
g) Junta de topo biselada
h) Junta flangeada
i) Junta de manga
j) Junta de topo inferior bloqueada

IV. Os quatro tipos de juntas de soldadura mais utilizados

1. Junta de topo

As juntas de topo são utilizadas para soldar duas peças de trabalho no mesmo plano relativamente uma à outra, formando uma junta que tem melhores condições de tensão, menos concentração de tensão, consome menos material de soldadura e tem menos deformação de soldadura. Por conseguinte, as juntas de topo são uma forma de junta relativamente ideal. Para garantir a qualidade da soldadura, a soldadura topo a topo em bisel é frequentemente efectuada, como se mostra na Figura 2-11.

a) Flange de uma face
b) Flange de dupla face
c) Em forma de I
d) Em forma de V
e) Forma de V de uma face
f) Em forma de U com bordo rombo
g) Em forma de J com bordo rombo
h) Duplo V
i) Com rebordo rombo em forma de U duplo
j) Com rebordo rombo em forma de duplo J

2. Juntas em T e juntas transversais

As juntas em T e as juntas cruzadas são juntas que ligam peças de trabalho perpendiculares entre si utilizando soldaduras em ângulo, que é um tipo típico de junta de soldadura por arco. As juntas em forma de T e em cruz podem ser totalmente penetradas ou não. As juntas sem ranhura geralmente não são totalmente penetradas, e o facto de as juntas com ranhuras serem totalmente penetradas depende da forma e do tamanho da ranhura.

As juntas ranhuradas que são totalmente penetradas têm uma maior capacidade de suportar cargas dinâmicas, e a sua resistência pode ser calculada como juntas de topo. As juntas em forma de T e as juntas cruzadas são apresentadas na Figura 2-12.

a) Forma de V de um lado
b) Com rebordo rombo, em forma de V de um só lado
c) Duplo lado único em forma de V
d) Com rebordo rombudo, em forma de V de um só lado
e) Com rebordo rombo em forma de J
f) Com rebordo rombo em forma de duplo J

3. Junta sobreposta

Uma junta sobreposta é uma junta que liga duas peças de trabalho sobrepondo-as parcialmente ou adicionando uma peça sobreposta especial utilizando soldaduras de filete, soldaduras de encaixe ou soldaduras de ranhura. As juntas sobrepostas são amplamente utilizadas devido à simplicidade da preparação e montagem pré-soldadura e as suas formas comuns são apresentadas na Figura 2-13.

a) Ligação de soldadura de filete frontal
b) Ligação de soldadura de filete lateral
c) Ligação combinada de soldadura em ângulo
d) Soldadura de filete frontal + ligação de soldadura de encaixe
e) Ligação de soldadura de filete frontal + soldadura de ranhura

4. Junta de canto

Uma junta de canto é uma junta em que as faces das extremidades de duas peças a soldar formam um ângulo superior a 30° e inferior a 135°. As juntas de canto são normalmente utilizadas em componentes em forma de caixa e as formas de ligação comuns são apresentadas na Figura 2-14.

a) Soldadura de canto de uma face sem ranhura
b) Soldadura de canto de dupla face sem ranhura
c) Junta de passagem ranhurada

V. Seleção racional das formas das juntas de soldadura

1. Acessibilidade da junta de soldadura

Todas as soldaduras de uma estrutura soldada devem ser facilmente acessíveis para soldar; por conseguinte, é necessário garantir que existe espaço à volta da soldadura para que o soldador possa trabalhar livremente e para que o equipamento de soldadura para funcionar normalmente. Segue-se uma breve introdução às condições de soldadura necessárias para os vários métodos de soldadura.

(1) Soldadura por arco de metal blindado

Ao utilizar a soldadura por arco metálico protegido, é necessário garantir que o soldador possa aproximar-se da soldadura, ver claramente a peça a soldar durante a operação e mover o elétrodo convenientemente. O soldador deve tentar soldar numa postura normal.

Por exemplo, a Figura 2-15 mostra uma estrutura soldada composta por vários perfis. As soldaduras indicadas pelas setas na figura não podem ser soldadas e devem ser concebidas como a estrutura no meio ou à direita da figura.

a) Não razoável
b) Melhoria
c) Melhor

A Figura 2-16 mostra desenhos razoáveis e não razoáveis de várias juntas de soldadura por arco. Na Figura 2-16a~e, os ângulos agudos indicados pelas setas são difíceis de soldar; mudar para o desenho razoável à direita para evitar a formação de ângulos agudos; a Figura 2-16f mostra uma junta de topo, a de cima é um desenho pouco razoável, mudar para a de baixo com uma folga de junta aumentada para um desenho razoável, evitando a possibilidade de não poder soldar.

A Figura 2-17a mostra uma estrutura com duas ou mais juntas em T paralelas. Para garantir a qualidade das soldaduras de canto desta estrutura, é necessário considerar a distância B e a altura H entre as duas placas verticais para garantir que o elétrodo possa ser inclinado num determinado ângulo α e tenha espaço para se mover. O ângulo de inclinação α está relacionado com a espessura da placa plana e da placa vertical.

(Quando B≤400mm, δ0 45°; δ2 = δ3, α=45°; δ2 > δ2, α400mm, H não é limitado)

A Figura 2-17b inicia o furo do processo para garantir que a costura de solda interna seja acessível. A Figura 2-17c é o espaço operacional necessário para soldar a junta de canto anular entre o bocal da flange e o cilindro num recipiente cilíndrico.

A Figura 2-18 é uma junta em T oblíqua. O espaço no lado onde o ângulo θ é inferior a 90° é pequeno, tornando difícil a observação e o manuseamento. Por conseguinte, o ângulo θ não deve ser demasiado pequeno em várias posições de soldadura.

(Para a soldadura plana, θ≥60°; para a soldadura vertical, θ≥70°; para a soldadura suspensa, θ≥80°)

Para as estruturas de soldadura fechadas, existem os dois casos seguintes.

1) Estruturas onde a soldadura não pode ser efectuada no interior.

Deve ser concebida como uma junta soldada de uma face, normalmente utilizando uma forma de soldadura em bisel de uma face. Para evitar a passagem de resíduos, pode ser colocada uma placa de apoio permanente na parte de trás, como se mostra nas Figuras 2-19a e b. Para diferentes espessuras de chapa, pode ser projectada uma junta em bisel em forma de V com uma aresta de bloqueio, como se mostra na Figura 2-19c.

a) Junta de topo com placa de apoio
b) Junta em T com espaçador
c) Junta de topo bloqueada

A Figura 2-20a mostra uma estrutura de parede dupla com nervuras, que não pode ser soldada devido à pequena dimensão H. Se for alterada para as estruturas b, c, d, e da Figura 2-20, a placa da parede superior e as nervuras podem ser completadas a partir do exterior através de soldadura topo a topo, soldadura de encaixe ou soldadura de ranhura.

Algumas estruturas soldadas podem utilizar os próprios furos de iluminação da estrutura para obter soldaduras internas. Por exemplo, as duas costuras circunferenciais no interior do corpo da engrenagem soldada com chapa de dupla alma, como mostra a Figura 2-21.

Quando a junta tiver de ser soldada de ambos os lados e não existirem orifícios de iluminação disponíveis, podem ser abertos orifícios tecnológicos em posições não críticas para soldar costuras internas e, em seguida, selados após a conclusão da soldadura, como se mostra na Figura 2-22. Para o tamanho dos orifícios tecnológicos, consultar a Figura 2-22b, que podem ser feitos em forma de ranhura ou de orifícios redondos, mas garantir que existe uma distância de cerca de 250 mm entre o centro do orifício e a peça de soldadura.

a) Exemplos de aplicação
b) Forma e dimensão dos furos tecnológicos

2) Estruturas que podem ser soldadas no interior.

Devido às más condições de soldadura no interior da estrutura, é necessário minimizar a quantidade de trabalho de soldadura no interior, tal como a utilização de um chanfro assimétrico que seja superficial no interior e profundo no exterior, e aumentar o espaço operacional interno tanto quanto possível para reduzir a concentração de fumo, etc. As dimensões mínimas do espaço para soldar dentro de uma caixa vazia são apresentadas na Tabela 2-1.

Tabela 2-1 Espaço de operação de soldadura dentro de uma caixa vazia (unidade: mm)

	l	500	800	900	1200	1200
	hxb	300 ×400	400 ×300	400 × 600	600×400	500 ×600

medida que o comprimento l aumenta, a largura b e a altura h devem ser adequadamente aumentadas. Deve também ser adoptada uma ordem de montagem razoável, soldando todas as soldaduras internas antes de formar uma estrutura fechada e, em seguida, instalando a última peça restante e selando-a do exterior.

(2) Soldadura por arco submerso

A sua caraterística é que é mais adequado para soldar soldaduras longas rectas e circulares numa posição horizontal (para baixo), e requer a cooperação de dispositivos auxiliares necessários. Portanto, ao projetar juntas de soldadura por arco submerso, considere o espaço de movimento relativo entre a cabeça de soldadura por arco submerso e a peça de trabalho, bem como a localização onde os dispositivos auxiliares correspondentes podem ser colocados.

(3) Soldadura com proteção de gás CO2

Ao projetar estruturas para a soldadura por CO2, considere que a pistola de soldadura deve ter a posição de funcionamento e o espaço correctos para garantir uma boa formação da soldadura. A posição da pistola de soldadura é determinada com base na forma da soldadura, na forma e tamanho da pistola de soldadura (como as dimensões externas do bocal), no comprimento de saliência do fio de soldadura e no tamanho do ângulo de chanfro α. As posições necessárias da pistola de soldadura para várias juntas são mostradas na Figura 2-23.

a) Soldadura de filete
b) Soldadura plana de junta de topo com ranhura em V ou em U
c) Soldadura plana de junta de topo com fenda estreita
d) Junta de topo com ranhura em forma de J soldadura plana α-ângulo da ranhura θ-ângulo de inclinação da pistola de soldadura

2. Acessibilidade da inspeção da qualidade da soldadura

As soldaduras em estruturas soldadas que requerem inspeção de qualidade devem ter condições adequadas para a deteção de defeitos, com diferentes métodos de deteção de defeitos com requisitos correspondentes, ver Quadro 2-2.

Quadro 2-2 Condições necessárias para os vários métodos de deteção de defeitos

(1) Adequado para ensaios radiográficos de juntas soldadas

Atualmente, a radiografia com métodos fotográficos é amplamente utilizada em ensaios de raios X. Para obter determinadas capacidades de penetração e melhorar a nitidez das imagens de defeitos na película, a distância focal para placas de espessura média é ajustada num intervalo de 400 a 700 mm. Com base nisto, é possível determinar a distância entre a cabeça da máquina de ensaio e a superfície de deteção da soldadura, deixando espaço operacional à volta da soldadura.

Antes do ensaio, é também necessário escolher a direção de exposição com base na forma geométrica e no tipo de junta da soldadura, e colocar corretamente a caixa escura (fixar o filme) nessa direção.

De um modo geral, as juntas de topo são as mais adequadas para os ensaios radiográficos e podem ser concluídas com uma única exposição. As juntas em T e as juntas de canto requerem frequentemente múltiplas exposições de diferentes direcções para evitar a perda de defeitos. A seleção correcta de várias juntas soldadas por fusão para ensaios radiográficos é mostrada na Figura 2-24. Entre elas, a Figura 2-24a é uma junta de canto do tipo inserção, em que a soldadura não pode ser colocada de forma plana ou dobrada ao colocar o filme.

A figura 2-24b mostra a junta de ligação entre a base e o corpo simplificado. Figura 2-24b ₁ e Figura 2-24b ₂ não são adequados para inspeção radiográfica, apenas Figura 2-24b ₃ é adequado para inspeção radiográfica. A Figura 2-24c mostra uma junta em T, onde Figura 2-24c ₁ não é adequado para inspeção radiográfica e a Figura 2-24c ₂ só podem ser inspeccionados por radiografia através de uma peça de substituição (forja ou fundição, processada por corte).

A transição na Figura 2-24d ₁ é demasiado abrupta, dificultando a inspeção; a transição na Figura 2-24d ₂ é mais suave, mas as diferenças locais na espessura da parede continuam a afetar a inspeção; mover a junta na Figura 2-24d ₃ fora da zona de transição é a mais adequada para a inspeção radiográfica. Figura 2-24e ₁ mostra uma soldadura de topo não fundida, que não pode ser inspeccionada por radiografia, apenas a Figura 2-4e ₂ pode ser inspeccionado.

A conceção da junta da figura 2-24f ₂ facilita a inspeção radiográfica. Devido às diferenças de espessura e à curvatura espacial, a Figura 2-24g ₁ não é adequado para a inspeção radiográfica, mudando para a forma de junta da Figura 2-24g ₂ torna a inspeção muito mais fácil. A junta de canto da Figura 2-24h, se for alterada para uma junta de topo, pode ser completamente inspeccionada por radiografia.

(2) Juntas de soldadura adequadas para inspeção ultra-sónica

Para detetar com sensibilidade vários defeitos dentro da junta soldada durante a inspeção ultra-sónica, a sonda deve ter uma área de movimento suficiente. A área de movimento da sonda para inspeção ultra-sónica de juntas de topo é mostrada na Figura 2-25. O tamanho da área de movimento da sonda é determinado pela fórmula da Tabela 2-3.

Tabela 2-3 Determinação do tamanho da área de movimento da sonda

Nota: tamanho da área de movimento da sonda l em mm; δ-espessura do objeto a inspecionar, em mm; comprimento da sonda L, geralmente 50 mm; valor da tangente K do ângulo de refração β da sonda angular, que pode ser determinado pela espessura da placa, para espessuras de 8 a 25 mm, k=2,0 a 3,0; para espessuras de 25 a 46 mm, K=1,5 a 2,5; para espessuras de 46 a 120 mm, k=1,0 a 2,0.

A área de movimento da sonda para deteção de defeitos por ultra-sons em soldaduras de juntas de topo de diferentes espessuras é mostrada na Figura 2-26. O tamanho mínimo da área de movimento da sonda l é determinado pela fórmula do Quadro 2-4.

Quadro 2-4 Dimensão mínima da área de movimento da sonda para deteção de defeitos por ultra-sons em soldaduras de juntas de topo de diferentes espessuras

A área de movimento da sonda para a deteção de defeitos por ultra-sons em juntas soldadas de cilindros de recipientes sob pressão é mostrada na Figura 2-27, com o tamanho mínimo indicado no Quadro 2-5.

Quadro 2-5 Dimensão mínima da área de movimento da sonda de ensaio ultrassónico para soldaduras de cilindros de recipientes sob pressão

3. Seleção das juntas para reduzir a corrosão nas fendas

Quando os meios corrosivos contactam diretamente com a superfície metálica, ocorre frequentemente uma corrosão localizada intensa em fendas e cantos afiados. Isto é causado pela acumulação de líquidos estagnados e sedimentos nestas áreas. Este tipo de corrosão é designado por corrosão em fendas.

Os métodos para prevenir e reduzir a corrosão nas fendas incluem o seguinte:

1) Utilizar preferencialmente a soldadura topo a topo, com penetração completa da soldadura, e não utilizar juntas com penetração de raiz unilateral.

2) Evitar fendas nas juntas e cantos afiados, assegurar que os meios líquidos possam ser completamente drenados e facilmente limpos, e evitar a deposição de materiais sólidos na parte inferior da estrutura.

3) Para evitar a corrosão em fendas, minimizar a utilização de soldadura intermitente, soldadura de um só lado, soldadura sobreposta e penetração incompleta, e selar as fendas de soldadura inevitáveis, como se mostra na Figura 2-28.

a) Evitar as aberturas causadas por soldadura intermitente, soldadura de uma só face, soldadura sobreposta e penetração incompleta (indicadas por setas)
b) Vedação de soldaduras intermitentes não soldadas
c) Espaços formados entre os contentores colocados à solta e os suportes para selins
d) Adicionar a soldadura de bandas de aço
e) Os suportes de soldadura de quatro pontos podem reduzir a superfície de apoio

4. Seleção das juntas para evitar a rutura lamelar

Para a estrutura de soldadura de máquinas grandes ou pesadas, são frequentemente utilizadas chapas de aço laminadas de 30 a 100 mm ou mesmo mais espessas para formar estruturas de soldadura. Deve ser dada especial atenção à prevenção da rotura lamelar.

A rutura lamelar ocorre principalmente na zona afetada pelo calor ou no metal de base afastado da zona afetada pelo calor das juntas de soldadura de canto, das juntas em T e das juntas transversais. Para evitar o rasgamento lamelar, é necessário reduzir ou evitar a tensão de restrição ou a deformação na direção da espessura da chapa de aço da estrutura e escolher uma forma de junta razoável, ver Quadro 2-6.

Tabela 2-6 Formas de articulação para evitar a rotura lamelar

Articulações propensas a rutura lamelar	Articulação suscetível de ser melhorada	Descrição
		A direção indicada pela seta é a direção em que pode ocorrer tensão de restrição durante a soldadura ou a direção da força quando o componente está em funcionamento
		Reduzir a tensão de retração na direção da espessura abrindo uma ranhura ou alterando a forma da soldadura, geralmente abrindo uma ranhura no lado que suporta a tensão na direção da espessura
		Evitar o efeito da força de retração da soldadura na direção da espessura da chapa
		Reduzir a tensão de restrição do bocal na direção da espessura da chapa
		Sob a premissa de assegurar a penetração total, o ângulo da ranhura deve ser tão pequeno quanto possível e, sem aumentar o ângulo da ranhura, aumentar o tamanho do dedo do pé da soldadura tanto quanto possível para aumentar a área da força de soldadura e reduzir o valor da tensão na direção da espessura
		Inserções sem rasgamento lamelar, geralmente utilizando perfis laminados. Forma de junta melhorada, que evita o rasgamento lamelar e também evita soldaduras demasiado densas, reduzindo a concentração de tensões
		Esta é a ligação entre o bocal e o invólucro no recipiente sob pressão, utilizando inserções para reforço de furos na junta, o que também pode reduzir a rutura lamelar e reduzir a concentração de tensão na soldadura
		Utilizar soldaduras macias com boa plasticidade para aliviar a tensão na direção da espessura do metal de base. A figura superior é uma camada de transição de metal macio depositada na superfície a ser soldada; a figura inferior é uma soldadura de metal macio no lado a ser soldado primeiro