As tensões residuais superficiais foram analisadas em duas etapas. A primeira delas tinha como objetivo medir as tensões residuais após a soldagem, e aproveitando o ensejo, comparar os resultados para dois tipos de sequências de soldagem. A segunda etapa é expor os valores de tensão residual das amostras após a vibração mecânica, estudando a eficiência desse método e a influencia dos parâmetros de teste nos resultados obtidos.
4.4.1 Tensões residuais para diferentes passes de soldagem
Para analisar o comportamento das tensões residuais longitudinais ao longo das juntas soldadas da amostra 1 e 4, foram medidos três pontos (Figura 3.6).
A Tabela 4.4 explicita os valores de tensões residuais medidos em cada um dos 3 pontos, e as Figura 4.6 ilustra o perfil produzido por essas tensões.
Tabela 4.4: Tensões residuais longitudinais nas amostras 1 e 4 Tensões Residuais Longitudinais no Metal de Solda (MPa)
Amostra MS ZTA MB
1 (Passe a ré) 60 ± 13 −130 ± 17 −100 ± 17
4 (Passe convencional) 170 ± 2 −80 ± 4 −100 ± 17
Nas amostras 1 e 4 foram medidas tensões na direção longitudinal no metal de solda, na ZTA e no metal de base. O efeito de comparação é valido, pois, o processo de soldagem dessas juntas produziu um aporte térmico aproximado. Foram observadas tensões de natureza trativa no metal de solda em ambas as amostras, e tensões compressivas na ZTA e no metal de base. Esta distribuição de tensão é coerente com aquela prevista por Macherauch & Wohlfahrt, 1987.
A amostra 1 apresentou tensão trativa de magnitude menor no metal de solda do que a amostra 4. Desse modo, ao observar a distribuição de tensões residuais na Figura 4.6, nota-se uma atenuação do efeito da contração no cordão para a amostra soldada a passe a ré.
Para analisar a magnitude média das tensões residuais em sequencias de soldagem diferentes, 3 pontos do metal de solda foram medidos (Figura 3.7).
A Tabela 4.5 explicita os valores de tensões residuais medidos em 3 pontos da mesma junta, e a Figura 4.7 representa o comparativo da magnitude de tensões residuais geradas no passe a ré e passe convencional, respectivamente, sendo MS1 o ponto de início e MS3 o final do cordão de solda.
Tabela 4.5: Tensões residuais longitudinais nos três pontos do metal de solda. Tensões Residuais Longitudinais no Metal de Solda (MPa)
Amostra MS1 MS2 MS3
2 (Passe a ré) 255 ± 4 200 ± 15 50 ± 7
Figura 4.7: Tensões residuais longitudinais na Amostra 2 e 3.
As tensões residuais na superfície da junta demonstraram ser bastante heterogêneas. Todas elas foram de natureza trativa na zona fundida, chegando a 400MPa em um dos pontos analisados, e consequentemente, acima do limite de escoamento do material. Isto não é desejável, pois poderá afetar a vida em serviço da junta soldada, contribuindo para o surgimento de falhas prematuras da estrutura.
Para representar os resultados das análises de tensões residuais obtidas na direção longitudinal para as juntas soldadas com diferentes passes, a média aritmética dos três pontos medidos corresponderá à tensão residual resultante no cordão de solda. O passe a ré (amostra 2) produziu uma média de 168 MPa e o passe convencional (amostra 3) forneceu uma média de 258 MPa. O percentual de redução da amostra 3 em relação a amostras 4 é de aproximadamente 35%. Esta redução das tensões residuais no passe a ré corrobora com o fato deste método ser aplicável para a redução das distorções em juntas soldadas com maiores espessuras.
Devido à reduzida quantidade de amostras, utilizou-se a estatística paramétrica que analisa o conjunto de dados de um número mínimo de 3 amostras (MS1, MS2 e MS3) nomeado de teste t de Student. Este serve para avaliar a confiabilidade do estudo realizado. A Tabela 4.6 apresenta a diferença de tensão residual das amostras 2 e 3. O estudo estatístico buscará entender se a redução de tensão residual do passe a ré em relação ao convencional é um comportamento dentro dos padrões de confiabilidade.
Tabela 4.6: Diferença nos níveis das tensões residuais (TR amostra 2 - TR amostra 3). Diferença das TRs (MPa) Redução (%) MS1 -145 36,2 MS2 -60 23 MS3 -65 56,5
Aplicando a distribuição t de Student para intervalo de confiança para média com variância desconhecida. Considera-se o intervalo de confiança de 95% e Ho a hipótese nula de que não há redução dos níveis de tensões residuais do passe a ré em relação ao passe convencional, onde a média populacional ∆σ = 0. Já H1 é a hipótese alternativa que considera
que há redução nas tensões residuais na mudança de passe, onde a média populacional ∆σ <0 . A Tabela 4.7 mostra os parâmetros de interesse utilizados na equação 2.13.
Tabela 4.7: Resultados dos parâmetros de interesse. Média amostral (𝑥̅) -90 MPa Desvio padrão amostral (𝑆𝑥) 47,7 MPa
Número de amostras (n) 3
𝑡𝑐𝑎𝑙𝑐 -3,26
Sendo tcrit = -2,920 (valor retirado da tabela de t student), então tcalc<tcrit, onde o t calculado se situa dentro da região de rejeição (valor-p inferior a 0,05). Desta forma, rejeita-se a hipótese nula que alega a não redução nas tensões residuais quando se aplica o passe a ré. Considera-se a hipótese alternativa provando que há evidências que o passe a ré gera menores tensões residuais em comparação ao passe convencional, com o intervalo de confiança de 95%, em que os valores da diferença de tensões residuais se encontram no intervalo de −208,5MPa ≤ ∆σ ≤ 28,5MPa.
Esses resultados demonstram que o passe a ré provoca uma melhor distribuição de temperatura em relação ao passe convencional, ou seja, gera um menor gradiente de temperatura (FALLAHI et al., 2011). No caso específico estudado, essa distribuição se deve a fonte de calor iniciar e terminar no meio do cordão de solda.
Teng et al. (2003) tinha demonstrado numericamente que a soldagem simétrica produzia menores resultados de tensões residuais em relação ao passe a ré e o convencional. Como o presente trabalho apenas diz respeito aos dois últimos, é verificado que o passe a ré produziu melhores resultados em relação ao passe convencional. A melhor distribuição de temperatura citada anteriormente promove o efeito de pré-aquecimento e pós-aquecimento, diminuindo as tensões residuais e retardando o processo de contração (TENG et al., 2013).
4.4.2 Alívio de tensão por vibração
Para avaliar o alívio de tensão, foram medidas as tensões residuais longitudinal e transversal no ponto central (ponto MS da amostra 1 e 4; ponto MS2 na amostra 2 e 3) das amostras. Os valores são apresentados na Tabela 4.8 e na Figuras 4.8 e 4.9.
Tabela 4.8: Tensões residuais nas amostras antes e após o tratamento de vibração.
Amostra
Após soldagem Após a Vibração
Tensões Residuais no Metal de Solda (MPa)
Longitudinal Transversal Longitudinal Transversal
1 60 ± 13 50 ± 4 50 ± 7 40 ± 12
2 200 ± 15 200 ± 10 130 ± 12 110 ± 10
3 260 ± 12 270 ± 15 190 ± 10 180 ± 12
Figura 4.8: Tensões residuais longitudinais antes e após o tratamento de vibração.
Figura 4.9: Tensões residuais transversais antes e após o tratamento de vibração.
Para avaliar a eficácia do tratamento por vibração mecânica, foram calculados os percentuais do alívio de tensão em todos os pontos medidos nas direções longitudinais e transversais (Tabela 4.9 e Figura 4.10). Os resultados exibem o efeito que a vibração provoca nas tensões residuais.
𝐴𝑙í𝑣𝑖𝑜 =𝑇𝑅𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎çã𝑜− 𝑇𝑅𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑔𝑒𝑚
𝑇𝑅𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑔𝑒𝑚 (4.3)
Tabela 4.9: Percentual do alívio de tensão.
Efeito do ensaio de vibração nas tensões residuais (%)
Amostra Longitudinal Transversal
1 -17 - 20
2 - 35 - 45
3 - 27 - 33
4 -20 -17
Figura 4.10: Percentual do alívio de tensão.
As tensões residuais longitudinais e transversais nas amostras 2 e 3 produziram valores desejáveis de alívio, visto que os resultados estão de acordo com a literatura. Aiko (2007) realizou alívio por vibrações harmônicas e constatou que no ponto central do cordão de solda a redução foi, em média, de 45,4%. O estado de tensão inicial desses pontos eram próximo ou um pouco acima do limite de escoamento do material. Segundo Rao (2007) o estado de tensão inicial influência na redução dessas tensões. O autor deduziu uma fórmula provando que quanto maior a razão entre tensão residual inicial e o limite de escoamento, maior será o alívio.
A tensão residual da amostra 1 apresentava um estado inicial de tensão residual baixa, o que dificulta o alívio de tensão. Entretanto, o ensaio teve uma maior duração (6 minutos). Como o tempo de duração do tratamento influencia na redução de tensão, isso pode ter beneficiado o alívio.
A amostra 2 foi a que produziu melhores resultados de alívio de tensão. Isto supostamente se deve ao efeito provocado pelo 2º harmônico que produz um maior deslocamento total quando comparado ao 3º harmônico. Este deslocamento mais acentuado gera uma maior tensão dinâmica responsável por induzir maiores microdeformações plásticas (RAO, 2007).
5 CONCLUSÕES
O presente trabalho, que teve como principal objetivo estudar o alívio de tensões residuais em juntas soldadas de aço IF por vibração mecânica; assim como avaliar as tensões residuais produzidas para diferentes passes de soldagem, permite as seguintes conclusões:
1. As tensões residuais geradas na soldagem GTAW foram todas de natureza trativa no metal de solda em todas as condições.
2. O uso de diferentes tipos de passe de soldagem, com aporte térmico de intensidade semelhante em todas as amostras, resultou em uma variação considerável na magnitude das tensões residuais no cordão de solda. Na condição de soldagem a ré os valores de tensão foram cerca de 35% menores aos do passe convencional.
3. O tratamento de alívio de tensão por vibração revelou percentual de alívio de tensão de até 45%.
4. Ao considerar o efeito conjunto da redução média de 31,5% na junta soldada com passe a ré ao alívio de tensão por vibração de 27% da mesma em relação ao passe convencional, será produzido um cordão de solda com um baixo nível de tensão residual (redução total de 50%).
5. A vibração imposta pelo 2º harmônico produziu melhores resultados. Isto pode ser justificado pelo deslocamento provocado no cordão de solda quando aplicada a 2ª frequência natural.
6SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para continuidade do presente trabalho, podem ser feitas as seguintes sugestões:
1. Realizar o tratamento de alívio de tensão por vibração de diferentes amostras, variando o tempo de duração do tratamento.
2. Fazer ensaios de fadiga para coletar dados de deformações cíclicas e, desse modo, deduzir um modelo matemático de previsão do alívio de tensões residuais.
3. Avaliar a eficácia do método de alívio de tensão por vibração em peças de aço IF submetidas ao processo de estampagem.
4. Comparar os resultados de alívio de tensão por vibração entre frequências ressonantes e frequências sub-harmônicas.
5. Simular por elementos finitos os efeitos da vibração ressonante no estado de tensão do cordão de solda.
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