Baixe Descontinuidades em solda e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Soldagem I Descontinuidades e Inspeção em Juntas Soldas Prof. Paulo J. Modenesi Belo Horizonte, novembro de 2001 DESCONTINUIDADES E INSPEÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS 1. Descontinuidades - Introdução: Designa-se como descontinuidade a qualquer interrupção da estrutura típica (ou esperada) de uma junta solda. Neste sentido, pode-se considerar, como descontinuidade, a falta de homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas do material ou da solda. A existência de descontinuidades em uma junta não significa necessariamente que a mesma seja defeituosa. Esta condição depende da aplicação a que se destina o componente e é, em geral, caracterizada pela comparação das descontinuidades observadas ou propriedades medidas com níveis estabelecidos em um código, projeto ou contrato pertinente. Assim, considera-se uma junta soldada contém defeitos quando esta apresenta descontinuidades ou propriedades (neste caso, defeitos) que não atendam ao exigido, por exemplo, por um dado código. Juntas defeituosas precisam, em geral, ser reparadas ou, mesmo, substituídas. Existem quatro tipos gerais de descontinuidades: (a) descontinuidades dimensionais, (b) descontinuidades estruturais, (c) descontinuidades relacionadas com propriedades indesejáveis da região da solda e (d) descontinuidades relacionadas com as propriedades do metal de base. 2. Descontinuidades Dimensionais Para a fabricação de uma estrutura soldada, é necessário que tanto a estrutura como as suas soldas tenham dimensões e formas similares (dentro das tolerân exigidas) às indicadas em desenhos, projetos ou contratos. Uma junta que não atenda a esta exigência pode ser considerada defeituosa, sendo necessário a sua correção antes da aceitação final da estrutura. As principais descontinuidades estruturais são: 2.1. Distorção: É a mudança de forma da peça soldada devido às deformações térmicas do material durante a soldagem. Problemas de distorção são controlados ou corrigidos por medidas como: (1) projeto cuidadoso da peça ou estrutura, (2) planejamento da sequência da deposição das soldas, (3) projeto adequado do chanfro, (4) adoção de técnicas especiais para a dep: da solda, (5) desempeno, com ou sem a aplicação de calor, da junta soldada e (6) remoção e correção de soldas problemáticas. A forma usada de correção depende do código ou especificação considerados, de acordo entre o fabricante e cliente ou, mesmo, dos equipamentos disponíveis. 2.2. Preparação Incorreta da Junta: Inclui a falha em produzir um chanfro com as dimensões ou forma especificadas, por exemplo, em um desenho e adequadas para a espessura do material e para processo de soldagem a ser usado. Uma falha deste tipo pode aumentar a tendência para a formação de descontinuidades estruturais (item 2) na solda, necessitando, de correção antes da soldagem. 2.3. Dimensão Incorreta da Solda: As dimensões (figura 1) de uma solda são especificadas para atender algum requisito como um nível de resistência mecânica adequado. Soldas com dimensões fora do especificado podem ser consideradas como defeituosas uma vez que deixam de atender a estes requisitos ou, no caso de soldas, cujas dimensões ficam maiores que as especificadas, levam ao desperdício de material ou Descontinuidades em Juntas Soldadas - 1 3.2. Inclusões de Escória: Este termo é usado para descrever partículas de óxido e outros sólidos não-metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal de base (figura 5). Em vários processos de soldagem, uma escória é formada por materiais pouco solúveis no metal fundido e que tendem a sobrenadar na superfície da poça de fusão devido à sua menor densidade. Uma manipulação inadequada do eletrodo durante a soldagem pode fazer com que parte da escória escoe à frente da poça de fusão aprisionando-a sob o cordão. Adicionalmente, na soldagem com vários passes, parte da escória depositada com um passe pode ser inadequadamente removida e não ser refundida pelo passe seguinte ficando aprisionada sob este passe. Diversos fatores podem dificultar a remoção da escória, incluindo, a formação de um cordão irregular ou o uso de um chanfro muito fechado. Este tipo de descontinuidade aparece, em geral, com uma forma alongada em radiografias. Inclusões de escória podem agir como concentradores de tensão favorecendo a iniciação de trincas. Inclusão de escória s = Figura 5 - Inclusão de escória. 3.3. Inclusão de Tungstênio: Este tipo de inclusão pode ocorrer na soldagem GTAW caso o eletrodo toque a peça ou a poça de fusão, ocorrendo a transferência de partículas de tungstênio para a solda. 3.4. Falta de Fusão: Este termo refere-se à ausência de união por fusão entre passes adjacentes de solda ou entre a solda e o metal de base (figura 6). A falta de fusão é causada por um aquecimento inadequado do material sendo soldado como resultado de uma manipulação inadequada do eletrodo, do uso de uma energia de soldagem muito baixa, da soldagem em chanfros muito fechados ou, mesmo, da falta de limpeza da junta. Esta descontinuidade é um concentrador de tensões severo, podendo facilitar a iniciação de trincas, além de reduzir a seção efetiva da solda para resistir a esforços mecânicos. Falta de fusão Figura 6 - Falta de fusão. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 4 3.5. Falta de Penetração: O termo refere-se à falha em se fundir e encher completamente a raiz da junta (figura 2 e 7). A falta de penetração é causada por diversos fatores, destacando-se a manipulação incorreta do eletrodo, um projeto inadequado da junta (ângulo de chanfro ou abertura da raiz pequenos) ou, alternativamente, a escolha de um eletrodo muito grande para um dado chanfro (em ambos os casos, torna-se difícil, ou impossível, direcionar o arco para a raiz da junta) e o uso de uma baixa energia de soldagem. Falta de penetração causa uma redução da seção útil da solda além de ser um concentrador de tensões. Deve-se ressaltar que, frequentemente, juntas são especificadas para terem penetração parcial. Nesses casos, a falta de penetração, desde que mantida nos limites especificados não é considerada como um defeito de soldagem. Falta de Penetração Figura 7 - Falta de penetracão. 3.6. Mordedura: Este termo é usado para descrever reentrâncias agudas formadas pela ação da fonte de calor do arco entre um passe de solda e o metal de base ou um outro passe adjacente. Quando formada na última camada do cordão, a mordedura causa uma redução da espessura da junta e atuar como um concentrador de tensões (figura 2 e 8). Quando formada no interior da solda, ela pode ocasionar a formação de uma falta de fusão ou de inclusão de escória. Mordeduras são causadas por manipulação inadequada do eletrodo, comprimento excessivo do arco e por corrente ou velocidade de soldagem elevadas. A tendência à formação desta descontinuidade depende também do tipo de consumível (eletrodo, fluxo ou gás de proteção) usado. Figura 8 - Mordeduras. 3.7. Trincas: São consideradas, em geral, as descontinuidades mais graves em uma junta soldada por serem fortes concentradores de tensão. Trincas resultam da atuação de tensões de tração (tensões transientes, residuais ou externas) sobre um material incapaz de resistir a elas, em geral, devido a algum problema de fragilização. Elas podem se formar durante, logo após a soldagem, em outras operações de fabricação subsequentes à soldagem ou durante o uso do equipamento ou estrutura soldada. A figura 9 mostra uma trinca formada na solidificação do cordão de solda. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 5 A figura 10 ilustra diversas descontinuidades estruturais observadas na seção transversal de uma solda (a arco) em aço. Figura 9 — Trinca no centro do cordão formada entre uma chapa de aço baixo carbono de mm de espessura e um pino de aço SAE 1045. Ataque: Nital 10%. a a ig Falta de q Porosidade fusão e PR Figura 10 — Descontinuidades diversas em uma solda em aço estrutural. Ataque: Nital 10%. 4. Propriedades Inadequadas Soldas depositadas em uma peça ou estrutura devem possuir propriedades (mecânicas, químicas, etc.) adequadas para a aplicação pretendida. Estas propriedades são, em geral, especificadas em normas, especificações, projeto ou em contrato e verificadas em testes de qualificação ou em amostras retiradas de um lote da produção. Propriedades mecê s frequentemente avaliadas incluem o limite de resistência à tração, limite de escoamento, dutilidade e tenacidade do metal de base e da junta soldada. Propriedades ou características químicas de interesse podem incluir a composição química e a resistência a diferentes tipos de corrosão. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 6 7.1. Inspeção Visual: Este é o método mais simples, o mais utilizado e, em geral, precede qualquer outro tipo de ensaio. Ela é usada na inspeção de superfícies externas para a determinação de tamanho, forma, acabamento, ajuste e existência de trincas, poros, etc. Pode ser feita a olho nu ou com o uso de instrumentos como microscópios, lupas, tuboscópios, espelhos e câmaras de televisão. Além disso, instrumentos como réguas e gabaritos (figura 11) são comumente utilizados. IP Figura 11 — Esquema de gabarito para a determinação da dimensão de soldas de filete. 7.2. Inspeção com Líquidos Penetrantes: Este método de END é usado para a revelação de descontinuidades superficiais e é baseado na penetração destas por um líquido apropriado e na sua posterior remoção pela aplicação de um material absorvente (revelador) na superfície sendo examinada (figura 12). | CTIATTT (a) (b) (c) T | T (d) (e) (f) Figura 12 — Princípios básicos da inspeção com líquidos penetrantes: (a) peça com trinca superficial, (b) aplic: do líquido penetrante, (c) penetração, (d) remoção do excesso de líquido, (e) aplicação do revelador e (f) formação da indicação da trinca. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 9 Este método é simples, rápido e barato, pode ser aplicado a peças de praticamente qualquer tamanho, pode ser usado para peças únicas ou em batelada (no caso de produção seriada), tem uma grande sensibilidade para a detecção de trincas finas e, em contraste com a inspeção com partículas magnéticas, não é afetado pela orientação da descontinuidade. Por outro lado, o método não se aplica para descontinuidades internas, o seu resultado é fortemente influenciado pela rugosidade e o estado de limpeza da superfície e o material de ensaio pode, em alguns casos, reagir com a peça. 7.3. Inspeção com Partículas Magnéticas: Este método de END é usado para revelar descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos pela aplicação de um campo magnético e deposição de um pó capaz de ser atraído para as regiões em que este campo magnético escapar do interior da peça (figura 13). (d) (e) Figura 13 — Princípios básicos da inspeção com partículas magnéticas: (a) peça com trinca superficial ou sub-superficial, (b) aplicação do campo magnético, (c) aplicação das partículas, (d) formação da indicação e inspeção com campo magnético e (e) sem o campo. O campo magnético pode ser aplicado pela passagem direta de uma corrente elétrica pela peça ou pela imersão desta no campo magnético gerado, em geral, por um eletroimã (figura 14). No primeiro caso, as regiões de contato elétrico para a passagem da corrente para a peça podem ser super-aquecidas caso o contato não seja muito bom e isto pode danificar a peça. Para ambas as técnicas existem dispositivos portáteis (figura 15) que permitem o exame no campo, por exemplo, de regiões de estruturas de grandes dimensões. Para ocasionar o escape do campo magnético, uma descontinuidade deve interromper as linhas de campo magnético. Assim, a orientação de trincas em relação ao campo magnético é fundamental para a sua detecção: trincas orientadas paralelamente ao campo tendem a não produzir indicações neste ensaio. Este ensaio só é aplicável para materiais ferromagnéticos como, os aços estruturais comuns. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 10 Campo Bobinade — correntede Corrente de Campo éti à gu Magnetização Magnético Magnético Magnetização magnetização-- Peça Peça (a) (b) Figura 14 — (a) Magnetização circular de uma barra pela passagem direta de corrente e (b) magnetização longitudinal com bobina. Descontinuidades orientadas favoravelmente para detecção são mostradas em marrom. Corrente Corrente Magnettzante Magnetizante Campo >. Magnético Magnético Descontinuidades (a) (b) Figura 15 — Métodos portáteis de magnetização por (a) passagem de corrente e (b) por bobina. 7.4. Inspeção por Ultra-som: Neste tipo de END, um feixe de ultra-som é introduzido no material e as informações são obtidas com base na transmissão deste feixe através do material e na sua reflexão por interfaces e descontinuidades (figura 16). Os ultra-sons são ondas mecânicas de frequência elevada (acima da capacidade da audição humana), usualmente faixa de 25 kHz a 40 MHz. Este ensaio é usado para a inspeção do interior de peças metálicas, plásticas e cerâmicas e para a medida de espessura. Para a inspeção de peças metálicas, este ensaio apresenta um grande poder de penetração (até cerca de 6m), uma elevada sensibilidade e a capacidade de localizar descontinuidades com precisão. Com a técnica “pulso-eco”, é necessário, para a inspeção, o acesso a apenas um lado da peça. Devido às suas características, é um método de ensaio muito adequado para a detecção de descontinuidades planares (como trincas). Por outro lado, a interpretação dos resultados deste ensaio é relativamente difícil e a detecção de descontinuidades localizadas próximas da superfície pode ser problemática. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 11 Este método é usado para detectar a presença de descontinuidades internas e externas em metais ferrosos e não ferrosos e em materiais não metálicos e permite a obtenção de um registro permanente do resultado do ensaio. Ele tem um importante uso na inspeção de peças soldadas e fundidas, com espessuras de até cerca de 100mm (aço) e particularmente quando destinadas a aplicações críticas. O processo tende a ser relativamente caro e lento, podendo necessitar, no caso de peças de maior espessura, tempos de exposição de muitos minutos ou, mesmo, horas. A realização deste ensaio exige o acesso aos dois lados da peça (figura 19). Como o método é baseado em diferenças de exposição, defeitos planares como trinca, cuja orientação não seja paralela à direção de propagação da radiação, são dificilmente detectados por este ensaio. O resultado do ensaio é, em geral, registrado em filme ou, menos comumente, em telas fluorescentes. Este resultado é interpretado em termos das diferenças de exposição do filme devido às diferenças de espessura, densidade ou composição da peça associadas com as suas descontinuidades e variações dimensionais (figura 20). A figura 21 mostra radiografias de soldas contendo algumas descontinuidades típicas. 8 — Leitura Complementar: AMERICAN WELDING SOCIETY, Welding Inspection, 2º edição, AWS, Miami, 1980, PP. 41-61. AMERICAN WELDING SOCIETY, Welding Handbook, 8º edição, Vol. 1, AWS, Miami, 1987, pp. 349-409 e 465-517. OKUMURA, T., TANIGUCHI, C. Engenharia de Soldagem e Aplicações, LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, 1982, p. 262-265. WAINER, E. et al. Soldagem — Processos e Metalurgia, Editora Edgard Bliicher Ltda., São Paulo, 1992, p. 462-479. Radiação m Ls S | Peça Figura 20 — Formação de indicações na inspeção radiográfica. Descontinuidades em Juntas Soldadas - 14 (b) (c) Figura 21 — Exemplos de radiografias de soldas com descontinuidades: (a) Falta de penetração, (b) inclusão de escória e (c) porosidade agrupada Descontinuidades em Juntas Soldadas - 15