Métodos para eliminar as tensões residuais de soldagem

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Tensões residuais: Após a soldagem de recipientes sob pressão, surgem tensões residuais na área das costuras estruturais. Isso acontece devido às tensões internas que surgem em locais onde o aquecimento durante a soldagem é desigual. Essas tensões atingem o limite de resistência do material, fazendo com que áreas específicas sofram deformação plástica. Quando a temperatura volta ao seu estado uniforme original, as tensões internas continuam presentes na estrutura. Por isso, são chamadas de tensões residuais. O tamanho do pico da tensão residual de soldagem e sua distribuição afetam diretamente a falha por fadiga dos recipientes, bem como o fenômeno de fissuração por corrosão sob tensão. Estudos comprovam que, uma vez que o recipiente é soldado, as tensões residuais se tornam inevitáveis. Embora seu mecanismo de formação já seja parcialmente compreendido, o nível dessas tensões residuais varia bastante devido às dimensões do recipiente, aos processos de soldagem, aos procedimentos utilizados e ao grau de restrição aplicado. Além disso, sua distribuição é muito complexa. Por isso, é necessário encontrar maneiras eficazes de eliminar (ou reduzir) essas tensões residuais, a fim de garantir qualidade e eficiência econômica durante a fabricação do recipiente. Durante seu uso, isso também contribui para um funcionamento seguro e para a prevenção de acidentes. Método de sobrecarga: Em condições controladas, aplica-se ao recipiente uma (ou várias) cargas externas ligeiramente maiores do que as que ele suporta em seu estado normal de funcionamento. A tensão gerada por essa carga se soma às tensões residuais de soldagem presentes localmente no recipiente. Quando a tensão resultante é menor que o limite de resistência do material, o estado é elástico, e existe uma relação linear entre a tensão e a deformação. Quando a tensão resultante atinge o limite de resistência do material, ocorre deformação plástica na área afetada. À medida que a tensão aplicada aumenta, a faixa em que a tensão resultante atinge o limite de resistência também aumenta, e, consequentemente, a área de deformação plástica também aumenta. No entanto, o valor da tensão não aumenta (ou aumenta pouco). Como o próprio recipiente é contínuo, durante o processo de remoção da carga externa, a região de deformação por yield e a região de deformação elástica retornam ao estado elástico simultaneamente. As tensões residuais resultantes das soldas presentes no interior do recipiente são parcialmente eliminadas. O valor dessas tensões residuais eliminadas é igual ao valor das tensões geradas pela carga externa. Método de tratamento térmico integral: O recipiente inteiro, após ser soldado, é aquecido a uma temperatura entre 500°C e Ac1, a uma certa velocidade de aquecimento. Em seguida, mantém-se essa temperatura por um determinado período de tempo, permitindo que o metal deformado se recristalize e forme novos grãos isométricos. Dessa forma, os vários defeitos cristalinos são praticamente eliminados. A resistência do metal diminui, enquanto sua tenacidade aumenta. Isso permite que as tensões residuais causadas pela soldagem sejam reduzidas e eliminadas. Os recipientes sob pressão geralmente têm um tamanho grande, o que torna impossível colocá-los em fornos de aquecimento para tratamento térmico, como acontece com outros equipamentos ou peças mecânicas menores. Pode-se aplicar uma camada isolante na parede externa do recipiente, enquanto, no interior do recipiente, é injetado combustível para queimar e gerar alta temperatura, por meio do método de combustão interna. Também é possível utilizar o método de aquecimento elétrico para tratar termicamente todo o recipiente. O método de tratamento térmico local tem o mesmo princípio do tratamento térmico completo. Atualmente, são utilizados aquecedores a infravermelhos ou aquecedores resistentes acionados por esteiras para aquecer a área da solda. Como se trata de um aquecimento local, seu efeito na eliminação das tensões residuais é menor do que no tratamento térmico completo. Ele consegue apenas reduzir o valor máximo das tensões internas, tornando sua distribuição mais uniforme. No entanto, não é possível eliminar essas tensões completamente. Mesmo assim, o tratamento térmico local pode melhorar as propriedades mecânicas das juntas soldadas. Geralmente, esse método é aplicado apenas em juntas soldadas bastante simples. Método de alongamento por diferença de temperatura: um método que visa eliminar as tensões residuais na área da solda, aproveitando o efeito térmico causado pela diferença de temperatura para criar um campo de tensão oposto. A chave para o efeito de eliminação deste método está na escolha da diferença de temperatura Δt. Δt está relacionada ao limite de resistência do material σs, ao módulo de elasticidade E e ao coeficiente de expansão térmica β. Desde que a área de aquecimento e o valor de Δt sejam escolhidos de maneira adequada, de modo a não causar deformações plásticas que possam levar à perda da reserva de plasticidade, nem afetar a estrutura microscópica do metal, é possível obter um bom efeito de eliminação de tensões. Esse efeito pode chegar a 50% a 70%. Este método tem valor aplicativo em estruturas de chapas e conchas cujas soldas são regulares e cuja espessura não é muito grande. Método de impacto: O metal da solda sofre um alongamento plástico lateral sob impactos rápidos e uniformes, o que permite que a contração da solda seja parcialmente compensada. Dessa forma, as tensões residuais de tração nessa área são reduzidas, e as tensões residuais da solda podem ser eliminadas em parte. Método de explosão: por meio da detonação de faixas localizadas na junta soldada e em suas proximidades, aproveita-se a interação entre as ondas de choque geradas pela explosão instantânea na área da junta soldada e as tensões residuais, fazendo com que o metal sofra uma deformação plástica adequada, o que permite a redução das tensões residuais. O tratamento por explosão não só elimina de forma eficaz as tensões residuais da soldagem, como também gera uma certa quantidade de tensão compressiva na área tratada. Isso aumenta a resistência do ponto de solda às falhas relacionadas às tensões de tração. Nesse aspecto, o tratamento térmico é ineficaz. O método de explosão possui vantagens únicas na remoção das tensões residuais em trabalhos de reparo de soldas durante inspeções em vasos de pressão em operação.