Principais métodos para eliminar a tensão residual de soldagem

Embora os problemas de tensão residual sejam considerados durante o projeto estrutural e medidas sejam tomadas no processo para evitar ou reduzir a tensão residual de soldagem, devido à complexidade da tensão de soldagem, ainda pode haver tensão residual significativa após a soldagem da estrutura.

Além disso, algumas estruturas podem desenvolver novas tensões internas durante o processo de montagem. Essas tensões residuais de soldagem e as tensões de montagem podem afetar o desempenho da estrutura, especialmente no caso de estruturas soldadas críticas. Portanto, medidas apropriadas devem ser tomadas para eliminar as tensões residuais a fim de garantir a segurança do uso da estrutura. Os métodos comuns para eliminar a tensão residual incluem:

1. Método de tratamento térmico

O método de tratamento térmico usa a resistência reduzida do material e o fenômeno de fluência em altas temperaturas para relaxar as tensões residuais da soldagem. O tratamento térmico também melhora o desempenho da junta de solda. Os métodos de tratamento térmico comumente usados incluem a têmpera geral em alta temperatura e a têmpera local em alta temperatura.

(1) Têmpera geral em alta temperatura

As temperaturas de revenimento para vários materiais são mostradas na Tabela 9-1.

Tabela 9-1 Temperaturas de revenimento para vários materiais

Após o revenimento do aço de baixa liga contendo vanádio a 600~620°C, a plasticidade e a tenacidade diminuem, portanto a temperatura de revenimento deve ser escolhida entre 550~560°C.

O tempo de retenção em alta temperatura é determinado pela espessura do material. Para o aço, ele é calculado em 1~2min/mm, geralmente não menos que 30 minutos e não mais que 3 horas. Para elevar uniformemente a temperatura em toda a espessura da chapa até o nível exigido, é necessário um certo tempo de espera após a superfície da chapa atingir a temperatura exigida.

O tratamento térmico é geralmente realizado em um forno. No caso de contêineres grandes, ele também pode ser feito cobrindo a parede externa do contêiner com uma camada isolante e aquecendo o interior com chamas ou resistência elétrica.

A Figura 9-36 mostra um diagrama esquemático do tratamento térmico geral de um grande tanque esférico usando chamas de gás no local. No diagrama, o tanque esférico é tratado como um forno de aquecimento, com bicos de combustão de velocidade ultra-alta inseridos no bueiro inferior, usando gás liquefeito de petróleo ou gás de carvão urbano como combustível, injetando gás a uma velocidade de 150 a 300 m/s no tanque, usando convecção forçada de ar quente para fazer o gás girar ao longo da parede interna do tanque, aquecendo uniformemente a parede do tanque.

A temperatura é regulada pelo controle do fluxo de gás, do volume de ar, do ângulo de injeção e da abertura da porta de exaustão. Os gases de exaustão são descarregados pela abertura superior. Uma camada de isolamento é colocada na superfície externa do tanque (não mostrada no diagrama) para evitar a difusão de calor. Um termopar é colocado a cada 4 ou 5 m na superfície externa da esfera para monitorar a temperatura da parede.

O mesmo método também pode ser aplicado ao tratamento térmico no local de contêineres alongados verticais (contêineres-torre), conforme mostrado na Figura 9-37. Como esse contêiner tem um formato alto e fino, é difícil obter uma distribuição uniforme da temperatura de aquecimento, portanto, o número de queimadores é aumentado adequadamente e o ar quente é pulverizado a partir dos pequenos orifícios do tubo de distribuição inserido centralmente.

A têmpera geral em alta temperatura pode eliminar 80%~90% de tensões residuais.

(2) Têmpera local em alta temperatura

Aqueça a solda e suas áreas de alta tensão próximas até a temperatura de têmpera de alta temperatura, depois mantenha a temperatura e resfrie lentamente. Isso costuma ser usado em juntas de formato relativamente simples e com pouca restrição, como juntas de tubulação, juntas de recipientes cilíndricos longos e juntas de topo de componentes longos. O revenimento local em alta temperatura pode ser feito usando resistência, infravermelho, chama e aquecimento por indução de frequência industrial.

A têmpera local em alta temperatura não pode eliminar completamente a tensão residual, mas pode reduzir seu pico para tornar a distribuição da tensão mais gradual. O efeito do alívio de tensão depende da uniformidade da distribuição de temperatura na área local. Para obter um melhor efeito de redução de tensão, deve-se manter uma largura de aquecimento suficiente.

Por exemplo: A largura da zona de aquecimento da junta cilíndrica é geralmente obtida a partir da fórmula da figura e, para juntas de topo de placas longas, B=W é obtida conforme mostrado na Figura 9-38 (R é o raio do cilindro, δ é a espessura da parede, B é a largura da zona de aquecimento, W é a largura do componente de topo).

a) Solda circunferencial b) Solda de topo de componente longo

2. Método de alongamento mecânico

Após a soldagem, carregue os componentes soldados para causar deformação plástica de tração em áreas com maior tensão residual de tração, e a descarga pode reduzir a tensão residual de soldagem. Quanto maior a tensão de carga, mais a deformação plástica compressiva formada durante o processo de soldagem é compensada e mais completamente a tensão interna é eliminada.

O método de estiramento mecânico é particularmente significativo para eliminar a tensão interna em alguns contêineres soldados. Ele pode eliminar algumas tensões residuais da soldagem ao realizar um teste de resistência à sobrecarga em temperatura ambiente.

3. Método de alongamento diferencial térmico

Aqueça cada lado da solda com uma tocha de oxiacetileno a cerca de 200°C. Resfrie com spray de água a uma certa distância atrás da tocha. A tocha e o spray de água avançam na mesma velocidade (consulte a Figura 9-39). Isso cria um diferencial de temperatura com as laterais altas (cerca de 200°C) e a zona de solda baixa (cerca de 100°C). O metal nas laterais se expande devido ao aquecimento, esticando a área soldada mais fria, causando deformação plástica de tração para compensar a deformação plástica de compressão original, eliminando assim parte da tensão. Os parâmetros do método de estiramento diferencial térmico são mostrados na Tabela 9-2.

1 - Tocha de aquecimento por chama
2 - Tubo de pulverização de água
3-Explosão

Tabela 9-2 Parâmetros do método de expansão térmica

Quando a largura do bocal é de 100 mm, o consumo de acetileno de cada bocal é de 17m³/h, o consumo de água é de 5~6L/min e a distância entre o bocal de chama e o tubo de água é de 130 mm.

O método de expansão térmica é comumente usado para soldas relativamente regulares e não muito espessas (<40 mm) em embarcações, navios e outras estruturas de placas e cascas. Ele tem valor prático. Se os parâmetros do processo forem escolhidos adequadamente, é possível obter bons efeitos de alívio de tensão.

4. Método de solda por martelamento

Após a soldagem, martelar a solda com um martelo ou um martelo pneumático hemisférico de determinado diâmetro pode fazer com que o metal de solda sofra deformação por alongamento, o que pode compensar parte da deformação plástica compressiva e reduzir a tensão de soldagem. Deve-se tomar cuidado durante o martelamento para aplicar força moderada a fim de evitar rachaduras devido à força excessiva.

5. Método de vibração

O método de vibração, também conhecido como envelhecimento por vibração ou alívio de tensão por vibração (VSR), usa um excitador composto por uma roda excêntrica e um motor de velocidade variável para fazer com que a estrutura entre em ressonância, usando a tensão cíclica gerada pela ressonância para reduzir a tensão interna. Sua eficácia depende do excitador, da posição dos suportes da peça de trabalho, da frequência e da duração da vibração.

O equipamento usado no método de vibração é simples e barato, economiza energia, tem baixo custo de processamento e curta duração (de alguns minutos a várias dezenas de minutos) e não causa problemas como a oxidação da superfície do metal durante a têmpera em alta temperatura. Portanto, atualmente é mais comumente usado em soldagens, fundições e forjamentos para melhorar a estabilidade dimensional.

(1) Mecanismo de envelhecimento por vibração e avaliação dos efeitos

1) Mecanismo de envelhecimento por vibração.

Do ponto de vista da teoria atômica, quando a temperatura está acima do zero absoluto, os átomos de metal estão sempre em movimento. Devido à influência do estresse residual, esses átomos estão em um estado desequilibrado, mas se esforçam para retornar às suas posições originais, o que requer energia. O envelhecimento por vibração é a aplicação de uma certa quantidade de energia mecânica à peça de trabalho, forçando a liberação da tensão residual que restringe os átomos de metal e acelerando a velocidade com que os átomos de metal retornam às posições de equilíbrio.

Em outras palavras, o envelhecimento por vibração é obtido pela aplicação de tensão dinâmica periódica à peça de trabalho, forçando-a a vibrar dentro de sua faixa de ressonância; durante o processo de vibração, a tensão dinâmica aplicada a várias posições da peça de trabalho é sobreposta à tensão residual interna. Se a soma da amplitude da tensão dinâmica e da tensão residual em determinados pontos da peça de trabalho exceder a resistência ao escoamento, ou seja, σ0 + σ1 > σ2, esses pontos sofrerão uma pequena deformação plástica, permitindo que a tensão residual seja liberada.

Da mesma forma, se essa tensão dinâmica causar deslizamento da rede em determinados pontos da peça, embora ainda esteja longe da resistência macroscópica do material, esses pontos ainda sofrerão uma pequena deformação plástica no nível microscópico, e essas deformações plásticas geralmente ocorrem primeiro nos locais onde a tensão residual está mais concentrada, atingindo assim o objetivo de liberar e reduzir a tensão residual.

2) Aplicabilidade do envelhecimento por vibração.

Materiais aplicáveis. Adequado para aço estrutural de carbono, aço inoxidável, ferro fundido, liga de alumínio, liga de cobre e materiais que tenham sido aquecidos por indução, endurecidos superficialmente e temperados.

Objetos de tratamento. Pode tratar várias peças de base de produtos mecânicos, peças fundidas, peças forjadas, peças soldadas, peças estruturais usinadas em desbaste, peças que exigem estabilidade de dimensão antes e depois do endireitamento a frio e a quente, peças de eixo de diâmetro grande e longo e várias peças de metal com requisitos rigorosos de precisão, bem como peças de tamanho grande que não podem ser submetidas ao tratamento de envelhecimento térmico.

Procedimentos de processamento flexíveis. Geralmente é realizado após os processos de forjamento, fundição, soldagem, usinagem de desbaste e endurecimento de superfície, e também pode ser feito antes da conclusão da usinagem de precisão final.

Ele pode até mesmo ser adaptado às necessidades especiais da peça, determinando a sequência e a frequência de envelhecimento em diferentes processos (como vibração única, vibração dupla). Ele pode tratar peças grandes individualmente ou usar um método de plataforma para tratamento misto centralizado de peças pequenas, e não é limitado pela forma, peso, tamanho, volume, lote, local ou tempo da peça. O peso das peças tratadas pode variar de alguns quilogramas a mais de cem toneladas.

3) Método para avaliar a eficácia do envelhecimento.

De acordo com a norma JB/T5926-2005, se uma das situações mostradas na Figura 9-40 ocorrer, pode-se determinar que o efeito do processo de envelhecimento foi alcançado.

1-A curva de amplitude-tempo (A-t) sobe e depois se achata
2-A curva de amplitude-tempo (A-t) sobe, depois desce e depois se achata
3-A curva de amplitude-frequência (A-f) após o pico de vibração é maior do que antes da vibração
4-A curva de amplitude-frequência (A-f) após o pico de vibração se desloca para a esquerda em comparação com o pico pré-vibração

(2) Equipamento de alívio de estresse por vibração

O equipamento de alívio de estresse por vibração é produzido por fabricantes profissionais na China e tem sido basicamente padronizado e cada vez mais aperfeiçoado. Preste atenção aos seguintes pontos ao usá-lo.

1) Seleção do componente a ser vibrado.

O método mais econômico e eficiente é o tratamento de ressonância. Para obter condições de ressonância, primeiro é necessário que a frequência natural da peça de trabalho a ser vibrada esteja dentro da faixa de frequência que o vibrador pode atingir. A faixa de frequência de um vibrador padronizado é fixa e, se a frequência natural da peça de trabalho exceder essa faixa, será difícil obter o efeito desejado.

2) Posição de instalação do vibrador.

O vibrador geralmente é instalado no pico de vibração da peça de trabalho, conforme mostrado na Figura 9-41. Isso permite que a peça de trabalho seja excitada com a menor quantidade de energia para produzir uma vibração significativa. A posição do pico pode ser determinada aproximadamente por vibração experimental, pelo tato ou por aspersão de areia.

A posição determinada deve garantir que a peça de trabalho permaneça estável durante o processo de vibração. Não instale diretamente na placa fina da peça de trabalho ou em partes com nervuras de reforço, para evitar que a peça de trabalho rache durante a vibração. Para componentes grandes, a fim de obter melhores efeitos de vibração, a posição de instalação pode ser alterada de acordo com a situação específica da estrutura para tratamento de vibração.

A-Correto B-Incorreto

3) A posição de suporte da peça de trabalho.

Geralmente, as peças soldadas, que esfriaram (às vezes ainda quentes), são colocadas em uma mesa de vibração e apoiadas em almofadas. As almofadas geralmente são feitas de borracha ou pneus velhos e outros materiais elásticos. As posições de suporte são escolhidas o mais próximo possível dos nós de vibração para evitar a perda de energia e o ruído causados pela colisão entre a peça de trabalho e as almofadas de suporte durante a vibração. Quanto menor o número de suportes, mas mantendo a vibração estável da peça de trabalho, melhor.

A Figura 9-42 mostra um diagrama esquemático do suporte durante o tratamento de vibração da peça de trabalho. É razoável escolher as posições de suporte nos pontos 3 e 4, pois a vibração é mais estável e o ruído é menor. Se for escolhido nos pontos 1 e 2, a energia transmitida à peça de trabalho durante a vibração é reduzida, enquanto o ruído e a vibração do solo aumentam.

(3) Parâmetros de vibração

Uma vez determinado o tipo de peça de trabalho, o ponto de vibração e a posição de apoio, é necessário controlar a frequência, a amplitude e a duração da vibração.

O melhor efeito de ressonância ocorre na frequência natural da peça de trabalho. Portanto, a frequência natural da peça de trabalho deve ser determinada primeiro (por exemplo, por métodos de batida ou ressonância) e usada como frequência de vibração. A tensão dinâmica de variação cíclica aplicada à peça de trabalho pelo vibrador durante o processo de vibração é um parâmetro decisivo para a redução da tensão residual, pois ela deve se combinar com a tensão interna residual para produzir deformação plástica e reduzir a tensão.

Se a tensão residual da peça de trabalho for pequena, uma tensão dinâmica suficientemente grande deverá ser usada para reduzir a tensão residual. Por outro lado, quando a tensão interna residual é grande, uma tensão dinâmica menor pode ser escolhida. Portanto, é necessário medir ou estimar a magnitude e a distribuição da tensão interna residual na soldagem primeiro.

Além disso, é importante garantir que o valor máximo da tensão residual combinado com a tensão dinâmica adicional não exceda a resistência à fadiga durante a vibração ou a operação, caso contrário, poderão ocorrer danos durante a vibração ou o processo operacional.

Em casos especiais em que uma tensão dinâmica mais alta não pode ser usada, uma tensão dinâmica mais baixa pode ser aplicada com uma extensão apropriada do tempo de vibração. A magnitude da tensão dinâmica pode ser ajustada pelo tamanho da força de excitação. Como a amplitude está relacionada à força de excitação, quando a frequência de vibração e o amortecimento do sistema são constantes, uma força de excitação maior resulta em uma amplitude maior, transmitindo, assim, maior tensão dinâmica à peça de trabalho.

Devido às diferentes formas estruturais e pesos das soldas, a magnitude e a distribuição das tensões residuais variam, portanto, a seleção do tempo de vibração também deve ser diferente. Em geral, ele é determinado aproximadamente pela massa da peça de trabalho, conforme mostrado na Tabela 9-3.

Tabela 9-3 Tempo de vibração para alívio de tensão por método de vibração

(4) Avaliação do efeito da vibração

As operações no local não podem determinar o efeito da eliminação da tensão residual. Geralmente, ela é avaliada com base em alguns fenômenos físicos do processo de vibração, como a observação de alterações nas curvas de passo, na frequência de ressonância e nas alterações de potência de excitação. Atualmente, as mudanças na potência de excitação são observadas em sua maioria, e a base principal é que o componente continua a vibrar sob a ação da energia de excitação. Quando o componente sofre deformação plástica, sua tensão residual é relaxada e o material metálico é reforçado.

O resultado é uma redução no amortecimento estrutural, o que permite que mais energia de excitação seja consumida no deslocamento da vibração do componente (ou seja, amplitude) em vez de ser consumida no amortecimento interno. Portanto, ao vibrar componentes com estresse interno residual, se a energia de excitação for mantida constante, ocorrerá um aumento no valor da amplitude. Se o valor da amplitude for controlado para permanecer constante, a energia de excitação necessária diminuirá, reduzindo a potência.

O método de alívio de tensão por meio de vibração tem muitas vantagens, mas também há algumas questões preocupantes que não foram totalmente resolvidas, como, por exemplo, como garantir que as tensões internas sejam reduzidas uniformemente em estruturas soldadas complexas e como controlar a vibração de modo que ela possa eliminar as tensões internas sem reduzir a resistência à fadiga da estrutura.

6. Método de explosão

A colagem por explosão é obtida com a disposição de tiras de explosivos na solda e próximo a ela, onde as ondas de choque geradas pela detonação interagem com as tensões residuais, fazendo com que o metal sofra uma quantidade adequada de deformação plástica, relaxando assim as tensões residuais. A quantidade de explosivos por unidade de comprimento da solda e a disposição devem ser selecionadas com base na espessura das peças soldadas e nas propriedades do material.

A Figura 9-43 mostra o layout da carga explosiva usada para aliviar a tensão da solda em estruturas grandes, com placas de espessura média e soldadas. As juntas de topo de placas planas normalmente são carregadas nas áreas de tensão residual de tração da soldagem, enquanto as juntas de topo de placas curvas (como soldas em vasos ou tubos) podem ser carregadas nas superfícies interna e externa. Estudos indicam que o carregamento nas áreas de tensão residual de tração na superfície interna de placas curvas tem um efeito mais significativo do que o carregamento na superfície externa.

Quando for difícil aplicar o medicamento na superfície interna, a explosão do medicamento em posições apropriadas em ambos os lados da solda da superfície externa também pode ter o efeito de reduzir a tensão residual. Geralmente, são usados explosivos de tiras de borracha, com velocidade de detonação de 5.000 m/s, detonados por um detonador.

O método de explosão para eliminar o estresse da soldagem tem sido aplicado em vasos de pressão domésticos, torres de reação química, tubulações, estruturas hidráulicas e vigas de caixa. No entanto, as operações de construção por explosão devem ser rigorosamente realizadas de acordo com as regulamentações nacionais relevantes, aderir estritamente aos procedimentos operacionais e controlar a quantidade de explosivos usados a cada vez para garantir a segurança.