PNV-2300 – Introdução à Engenharia Naval
Estrutura
Modos de
Falha
Automação
Processos
na Indústria
Naval
Introduçãoà
Soldagem
Transição
para
Soldagem
Pré-soldagem:
Furadeira pneumática fazendo furos
para rebite numa chapa de um
convés. O trabalhador utiliza um
único equipamento para prender o
grande torque da furadeira e para
faze-la perfurar a placa.
Rebite aquecido sendo colocado em um dos furos
livres. O sujeito que segura o alicate com o rebite,
segura um grande “copo” que contém outros rebites
forjados perto dalí. O outro trabalhador está prestes
a colocar um
“martelo pneumático” na cabeça do
rebite para colocá-los. São utilizados ainda,
parafusos temporários que são retirados com o
avanço do processo.
Transição Para Soldagem
“Here there had been developed a welding technique which enables us to construct standard
merchant ships with a speed unequaled in the history of merchant shipping”
- Roosevelt
Período
• 2ª Guerra Mundial
Motivo
• Necessidade de aumento do volume de produção (busca por um processo mais produtivo)
Reflexo
• 5117 navios, de todos os tipos (liberty ship, victory ship, etc.), foram contruídos em 1945.
Vantagens e desvantagens da solda frente ao rebite
Vantagens
Desvantagens
• Estanqueidade
• Menor peso da estrutura (sem sobreposição das
chapas e o próprio rebite)
• Menos mão-de-obra
• Não há limite de espessura: chapas de 45 cm
de espessura utilizadas em reatores nucleares
foram soldadas com sucesso
• Menor custo
• Inspeção da junta soldada é mais complexa
• A solda cria continuidade estrutural. Uma trinca
pode progredir por varias fiadas de chapas
• Materiais das juntas soldadas devem ser
cuidadosamente escolhidos e manuseados
• A solda introduz na estrutura tensões e
deformações residuais
Liberty Ship
• Navios de carga da segunda guerra mundial
• Pioneiros no uso da solda
• Projetados para fabricação em série (ao final da
guerra o tempo médio de construção era de 5
dias).
• Soldagem por arco elétrico submerso, até 20
vezes mais rápidos do que qualquer outra forma
de soldagem
Liberty Ship
• No início da guerra 30% dos navios construídos afundaram por
ruptura catastrófica, ao final dela o índice baixou para 5%.
• Causas para as catástrofes: inexistência de barreiras contra a
propagação de trincas, falta de experiência dos soldadores (não
havia tempo para treina-los), uso de metais de baixa tenacidade
(baixa qualidade do aço).
• As catástrofes fazem surgir investigações e as conclusões feitas por
ela, faz surgir em 1947, a primeira norma restritiva quanto a
composição química dos aço empregados na construção naval.
Evolução do Processo de Soldagem
1801:Descobrimento do fenômeno do arco elétrico (os principais processos de soldagem da indútria naval utilizam esse fenômeno
1907:Primeiro
Eletrodo Revestido
1926:Utilização do gás
inerte como proteção do arco elétrico
1935:Desenvolvimento
dos processos de soldagem TIG e Arco Submerso 1948:processo de soldagem MIG 1953:processo de soldagem MAG 1921: foi construído o
FULLAGER, o primeiro navio totalmente soldado.
Estrutura
Modos de
Falha
Automação
Processos
na Indústria
Naval
Introdução
à
Soldagem
Transição
para
Soldagem
Introdução ao Processo de Soldagem
• Juntas de integridade e eficiência elevadas • Grande variedade de processos
• Aplicável a diversos materiais • Operação manual ou automática • Pode ser altamente portátil
• Juntas podem ser isentas de vazamentos • Custo, em geral, razoável
• Junta não apresenta problemas de perda de aperto.
• Não pode ser desmontada
• Pode afetar microestrutura e propriedades das partes • Pode causar distorções e tensões residuais
• Requer considerável habilidade do operador
• Pode exigir operações auxiliares de elevado custo e duração (ex.: tratamentos térmicos)
Vantagens
Desvantagens
Tipos de Junta
Penetração Total: melhor comportamento mecânico e
difícil execução
Penetração Parcial: pior comportamento mecânico e
execução mais fácil
Corte efetuado na junta para facilitar a penetração da solda.
É utilizado quando a espessura dos componentes das juntas
impossibilitam a penetração desejada.
TIPOS DE SOLDAGEM
• Junção sem utilização de metal
de solda
• Soldagem
por
resistência
elétrica(chapas finas, tubos de
aço, alumínio)
• Utiliza reação quimica, chama
ou energia elétrica
• São unidas sem aplicação de
pressão
• Geralmente existe uso de um
metal de adição
• Processo de soldagem mais
importante na construção
naval
Estrutura
Modos de
Falha
Automação
Processos
na Indústria
Naval
Introdução
à
Soldagem
Transição
para
Soldagem
Soldagem Utilizada na Indústria Naval
60%
40% 11%
21%
Processos de Soldagem Utilizados em
Estaleiros - 1987
Eletrodo Revestio Manual
MIG/MAG
Eletrodo Revestio por Gravidade
Arco Submerso
Busca por Maior Produtividade
Cordões de solda depositados em 1 minuto. Destacando a superior produtividade do processo de soldagem por Arame Tubular em relação aos outros
Juntas soldadas, destacando a maior uniformidade de penetração do cordão de solda do processo de soldagem por Arame Tubular em comparação ao processo MIG/MAG.
Eletrodo Revestido
Características:
• Qualquer posição de soldagem
• O revestimento. protege a
solda da atmosfera
• Indústria
Naval:
qualquer
posição
de
soldagem,
equipamento de baixo custo e
de
fácil
transporte,
é
empregado praticamente em
todos os setores do estaleiro
Limitações:
Baixa produtividade devido a
taxa de deposição
Necessidade de remoção de
escória
Depende
da
habilidade
do
soldador
Produção de respingos
Não automatizável
Sistema de
exaustão
TIG(Tungsten Inert Gas)
Características:
• Posições de soldagem: todas
• Uso do argônio como gás de proteção
• Indústria Naval: Uso em estaleiros é limitado, sendo utilizado na soldagem de ligas especiais, em reparos de soldas muito solicitadas, na montagem de tubulações de cobre, etc.
Vantagens:
• Soldas de excelente qualidades • Acabamento do cordão de solda • Menor aquecimento da peça soldada • Ausência de respingos
• Pode ser automatizado
Limitações:
• Inadequado para soldagem de chapas com mais de 6 mm de espessura
• Produtividade baixa devido a baixa taxa de deposição
• Custo elevado
• Processo dependente da habilidade do soldador, quando não automatizado
Vantagens:
• Facilidade de operação • Alta produtividade • Processo automatizável
• Cordão de soldade com bom acabamento • Soldas de excelente qualidade
• Processo com eletrodo contínuo
MIG(Metal Inert gas)/MAG(Metal active Gas)
Limitações:
• Regulagem do processo bastante complexa • Probabilidade elevada de gerar porosidade • Produção de respingos
Características:
• Posições de soldagem: todas
• Indústria Naval: O processo pode ser utilizado nas oficinas do casco, na edificação e na montagem de acessórios da embarcação.
• Gás utilizado para proteção: MIG: Ar/He; MAG: CO2 ou Ar/CO2/O2
Características:
• Posições de soldagem: todas
• Indústria Naval: O processo é utilizado para soldagem de materiais de aço-carbono e ligas de aço.
Arame Tubular
Vantagens:
• Melhor estabilização do arco
• Possibilidade de escorificação de impurezas • Menor quantidade de respingos
• Cordões com melhor aspecto
• Proteção eficiente com menos quantidade de gás
• Alta produtividade
Limitações:
• Somente metais ferrosos e ligas a base de níquel
Arco Submerso
Vantagens:
• Solda de excelente qualidade sem respingos • Gasta 1/3 do tempo dos eletrodos revestidos • Ausencia de respingos
Limitações:
• Posição de solda
Características:
• Posições de soldagem: plana ou horizontal • Indútria naval: Processo utilizado nas oficinas do
casco e na união de blocos de fundo e de convés na carreira.
Eletrodo
Revestido
(SMAW)
TIG
(Tungsten
Inert Gas)
MIG/MAG
(Gas Metal
Arc)
Arco
Submerso
(SAW)
Eletrodo
Tubular (Mig)
Tipo de Operação
Manual
Manual e
Auto
Auto ou Semi Auto e Semi Auto e Semi
Custo (Adimensional)
1
1,5
3
10
3
Posição de Solda
Todas
Todas
Todas
Plana ou
Horizontal
Todas
Faixa de Corrente (A)
15 a 500
10 a300
60 a 400
Até 4000
150 a 1000
Taxa de Deposição (Kg/h)
0,5 a 5
0,2 a 1,5
1 a 15
Até 45
2 a 6
Aplicação na Indústria Naval
Vários
Limitado
Edificação/M
ontagem
Blocos e
Chapas
Edificação/
Montagem
Estrutura
Modos de
Falha
Automação
Processos
na Indústria
Naval
Introdução
à
Soldagem
Transição
para
Soldagem
Automação da Soldagem
Vantagens:• Soldagem de alta qualidade
•Aumento da velocidade de soldagem em comparação com a manual
• Redução do custo em até 50%
• Redução do tempo de produçao em até 75%
•No Brasil usa-se a tecnologia de arco-submerso, semi-automática, que precisa do operador humano para direcionar o equipamento de soldagem. E tecnologia Mig/Mag, onde a máquina é tecnológicamente atualizada, mas é o soldador humano que opera e toma as decisões sobre posições, tempo de aplicação de solda e avalia a qualidade.
Desvantagens:
•Os sistemas automatizados de soldagem, da indústria automobilística, não podem ser utilizados com a mesma amplitude na indústria naval. As tarefas não padronizadas da construção naval dificultam a adoção de sistemas automáticos.
• Geometrias dos locais de trabalho. Essas condições tornam o operário soldador a melhor opção, capaz de se adaptar para cumprir as tarefas necessárias.
Soldagem de painéis
Chapas: São a base para
a construção das partes do navio
Soldagem das Longitudinais: As
longitudinais são geralmente soldadas nas chapas antes das transversais. Isso proporciona melhor acesso aos equipamentos de soldagem e viabiliza mecaniza;áo desses. Os dois equipamentos mais eficentes para a soldagem de logintudinais MIG/MAG e Arco submerso.
Soldagem das Transversais: Como os
transversais são comumente soldados depois dos longitudinais os comprimento do filete de solda é geralmente curto. Consequentemente a soldagem por arco submerso não pode ser aplicada. O procedimento mais adotado então é o MIG/MAG.
Soldagem de painéis
Contrução de Painéis
Método da Soldagem em Linha
(Line Welding System)
Método da Caixa de Ovo
(Egg-box System)
Método da Soldagem em Linha (Line Welding System)
1
2
3
1
Soldagem das chapas entre si. Soldagem a arco submerso é o mais método mais eficiente. Pela alta qualidade e automatização.
2
Soldagem das longitudinais às chapas.Soldagem a arco submerso e MAG são as mais utilizadas.
3
soldagem das transversais às chapas e soldagem dos longitudinais aos transversais. A soldagem dos longitudinais as transversais é de difícil mecanização e geralmente é manual.
•Este processo pode ser facilmente automatizado e por este motivo é
largamente empregado.
•Altas distorções devido à seqüência de soldagem. Por isso é empregado
em navios de grande porte, construídos com as chapas de maior espessura
que se deformammenos, devido à maior rigidez.
Método da Soldagem em Linha (Line Welding System)
3
2
2
1
Método da Caixa de Ovo (Egg-box System)
•Este processo é empregado para pequenos e médios painéis. As distorções
devidas à soldagem, são menores neste método.
1
2
3
4
1
Soldagem das chapas entre si2
Os membros longitudinais e transversais são soldados entre si
3
A estrutura dos longitudinais e transversais é soldada ao chapeamento previamente preparado
2
2
Modos de
Falha
Automação
Processos
na Indústria
Naval
Introdução
à
Soldagem
Transição
para
Soldagem
Estrutura
Tensões Residuais
O procedimento de soldagem a arco elétrico eleva demais a temperatura e levam ao aparecimento das
tensões residuais e distorções na estrutura. Um modelo para explicar o aparecimento das tensões
residuais e das distorções nas juntas soldadas é o de três barras unidas, imaginando-se que a junta de
solda é a barra do meio e o material base são as outras.
• Temperatura Ambiente; • Não existe tensões internas na estrutura; • Dividi-se a barra do meio em duas;
• Aquece-se a barra do meio a uma temperatura bastante elevada;
• Tendência de se alongar; • As barras da extremidade se opõe a este movimento.
• A barra do meio está sendo comprimida;
• As barras da extremidade estão tracionadas;
• Capacidade de responder à compressão de maneira elástica é reduzida pela temperatura;
• Deformação plástica permanente de redução no comprimento.
• Retorno para a temperatura ambiente;
• Deformação plástica na barra central causa diminuição do comprimento; • Inexistência de tensões residuais
• Mesmo processo sendo que a barra do meio não é dividida; • As deformações são distribuídas no conjunto;
• Barras externas comprimidas; • Barra central tracionada;
• A distribuição de tensões longitudinais em uma junta soldada apresenta o mesmo padrão de distribuição das tensões;
• Solda está tracionada;
• Metal de base adjacente está comprimido
Deformações nas Juntas Soldadas
•Deformação transversal:
Trata-se de uma redução de dimensão perpendicular ao eixo do cordão de solda. Durante a fabricação deve-se utilizar sobre-material para compensar esta contração devido à solda.
•Deformação longitudinal:
A deformação longitudinal ocorre na direção paralela à direção da solda.
Deformação
transversal e
longitudinal
•Deformação angular A diferença de deformação plástica ao longo da espessura da junta soldada é a responsável pela distorção angular. Para evitar a deformação angular deve-se tomar os seguintes cuidados: escolher a junta de soldagem correta e/ou realizar pré-deformação no sentido contrário ao que será introduzido pela soldagem.Deformações nas Juntas Soldadas
•Momento Longitudinal
Quando a linha de soldagem não coincide com a linha neutra da estrutura origina-se um momento que deforma a estrutura longitudinalmente. Para evitar este tipo de distorção pode ser introduzida uma pré-deformação mecânica na direção oposta à distorção esperada.
Flambagem
A deformação por flambagem em painéis soldados de chapas finas é muito comum em superestruturas de navios. A tensão residual de compressão desenvolvida durante a soldagem é por vezes suficiente para flambar o chapeamento do painel. Para reduzir este tipo de distorção, devem ser tomadas as seguintes providencias: reduzir a quantidade de calor desenvolvida pela soldagem; não fazer cordões de solda maiores que o necessário e/ou utilizar chapas de maior espessura;
•Deformação rotacional:
A magnitude da distorção rotacional é difícil de ser prevista. Entretanto é sabido que a quantidade de calor introduzida e a velocidade de soldagem têm um grande feito neste tipo de distorção.