A finalidade do Tratamento Térmico de alívio de tensões (TTAT) após operações de soldagem foi explicado nas colunas anteriores e também como são executados. Neste artigo, será descrito como fazer os cálculos para o ciclo térmico em uma peça construída por soldagem.

Há uma dezena de códigos de construção que normalizam o uso dos TTAT, o ASME (American Society of Mechanical Enginners) é mais antigo e tradicional código que especifica os TTAT. É um código empregado para a construção de caldeiras e vasos sob pressão construídos nas mais diversas formas e materiais. O artigo abordará somente os fabricados para os aços ao carbono e carbono manganês.

Em muitas construções, o TTAT pode ser uma operação opcional ou obrigatória. Nesse caso o código deverá ser consultado, em muitas operações posteriores, como a de usinagem, é necessário o emprego para dar estabilidade dimensional.

Uma vez escolhido o método ou os métodos para executar o TTAT que podem ser em fornos ou localizados em uma única junta soldada, podendo haver mais de uma operação em um único equipamento é realizado o cálculo do ciclo térmico, para o qual deve-se conhecer previamente as dimensões do equipamento, como a largura, a altura e o diâmetro, bem como as dimensões do forno e o tipo de material do equipamento (vaso de pressão). Outro ponto, deve-se levar em consideração se o equipamento pode ser transportado em uma única peça da fábrica até o local da montagem, se há capacidade de manuseio na fábrica, etc., pois  pode haver a necessidade de se fazer a operação em partes e ou em várias sequências.

Na Tabela 1 a seguir, estão indicados os principais parâmetros empregados no TTAT, conforme o código ASME seção VIII divisão Normas AWS D1.1, (American Welding Society) e a BS (British Standard).

• As temperaturas indicadas são para aços ao carbono ou carbono mânganes.
• P = 1h para cada 25,4 mm (1 pol) de espessura nominal En, ou fração se menor que 1 pol, considerar no mínimo 15 minutos.

Os principais parâmetros a serem considerados, e os que mais influenciam na diminuição das tensões internas são a temperatura e o tempo de patamar. Esses dois parâmetros devem ser alcançados e controlados para o sucesso dessa operação. A Fig. 1 ilustra todos os paramentos que devem ser considerados no TTAT.

A Temperatura (T) e o tempo (t) são regidos pela determinação da espessura nominal (En), que é determinado pela maior espessura soldada no equipamento ou a garganta efetiva da solda. Normalmente será de 1 hora para cada polegada de espessura, sendo essa taxa válida até duas polegadas. Acima desta deve-se consultar o código para cálculos mais exatos.

Para determinar a axa de aquecimento (Ta) e Taxa de resfriamento (Tr), é necessário conhecer qual a maior espessura envolvida, que muitas vezes é a mesma que foi soldada. Por exemplo, para vasos sob pressão, considera-se o maior entre o casco e o tampo.

Outros parâmetros para o cálculo são de igual importância e contemplados no processo de cálculo: Temperatura inicial de controle (Ti), Temperatura final de controle (Tf), Diferença de temperatura entre termopares no aquecimento (≠a) ou Diferença de temperatura no resfriamento (≠r), Diferenças de temperatura entre termopares no patamar (≠p).

Os termopares são pontos de temperatura em uma certa região do equipamento, obtido através de fixação temporária na face do conjunto soldado, a quantidade (d) é definida pela distância entre eles. Ao todo deve-se calcular 10 parâmetros para um bom procedimento de TTAT. Na Fig. 2, há uma ilustração de um típico ciclo térmico de alivio de tensões. A temperatura atingida foi de aproximadamente de 620°C por uma hora, ou seja, apropriado para um junta soldada com penetração total de 1 polegada de espessura (25 mm).

A ilustração da Fig. 2, apresenta um gráfico real típico com três termopares nas cores verde, azul e vermelho. No eixo X vê-se o tempo em horas com subdivisão de 30 minutos, no eixo Y observa-se a temperatura com intervalo de 0°C até 1000°C com subdivisão de 25°C.

O post TT de alívio de tensões após soldagem apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

O tratamento térmico em fornos constitui-se de uma solução tecnicamente perfeita realizada com bastante facilidade. No entanto, frequentemente as dimensões das peças impedem sua entrada no forno ou, em alguns casos, excede o comprimento deste.

Em outras situações, impõem-se o tratamento de juntas soldadas em elementos grandes e extensos, tais como tubulações ou conjuntos petroquímicos. Nestes casos, dependendo das exigências das normas, pode-se efetuar um tratamento térmico localizado em várias partes do conjunto.

Fornos fechados para alívio de tensões

A melhor maneira para reduzir as tensões residuais é um alívio de tensão pós-soldagem de um membro soldado por completo, sendo a forma mais recomendada e econômica para se executar um tratamento térmico.

Os fornos industriais são construídos por estruturas de aço revestidas com placas de materiais refratários que suportam altas temperaturas, quanto mais alta a temperatura a ser submetida uma peça, mais caro será o custo do revestimento térmico.

Para se confinar o equipamento utiliza-se diversos modelos tais como fornos tipo “campânula”, de portas laterais ou mesmo contínuo, sendo as dimensões as mais variadas. Geralmente as seções são arredondadas para facilitar e manter o aquecimento constante e uniforme.

Como fonte de calor para o aquecimento são usados materiais combustíveis como óleo ou gás e também se utilizam resistências elétricas. Os elementos aquecedores são distribuídos de maneira a provocar um aquecimento por igual em todas as partes do equipamento. A atmosfera é geralmente redutora e o equipamento sofre uma pequena oxidação.

A tensão residual, que pode chegar ao limite de escoamento ou valores mais elevados podem ser reduzidas para 15% do seu valor inicial. As tensões residuais remanescentes, entre 50 – 100 MPa, não oferecem risco para a construção soldada.

Alívio de tensão local

O método do alívio de tensão pós-soldagem localizado pode ser aplicado quando:

– A estrutura soldada for maior que o forno de recozimento existente;
– A peça é inviável para transporte até o local da obra ou montagem.

Para se obter um alívio de tensão perfeito é necessário que a zona de recozimento ao lado da solda seja tão ampla quanto possível e que exista uma temperatura uniforme.

Por essas razões, encontraremos normas com diferentes fórmulas para calcular a largura para recozimento. Muitas vezes, essas fórmulas estão trabalhando de acordo com o raio de um tubo “R’’ e para espessura da parede t. Uma das fórmulas recomendadas é a largura mínima de aquecimento “W”: 2W ≥5√(R×t)

O alívio de tensão pós-soldagem localizado é utilizado com sucesso durante a fabricação de vasos de pressão e construção de oleodutos e gasodutos, especialmente sob pressão. Nesse caso, em muitas soldas é aplicado esse tipo de alívio de tensões, porque a estrutura é simetricamente aquecida e resfriada, a fim de evitar grandes tensões internas de resfriamento.

Segundo a norma ASME, as tensões residuais podem ser reduzidas em até 80% do valor máximo inicial que podem alcançar, sendo dependentes do tipo da estrutura, do material base e dos parâmetros do processo de soldagem.

Dessa forma, é necessário efetuar uma qualificação dos procedimentos de soldagem, incluindo o TTAS antes de iniciar a especificação da estrutura original. Também é essencial que o tempo e a faixa de temperatura sejam documentados em diagrama de TTAS.

Aquecimento resistivo

O método é largamente empregado devido ao seu baixo custo e boa confiabilidade quando comparado a outros métodos de tratamento térmico localizado. Consiste de elementos resistivos protegidos por material cerâmico que é convenientemente ajustado em torno do local a ser tratado, sendo este conjunto protegido por mantas cerâmicas e o material de isolamento térmico é capaz de manter a região tratada nas temperaturas apropriadas. As resistências são supridas por fontes de energia de corrente contínua com baixa tensão, como máquinas de solda e conjuntos transformador/retificador.

Alívio de tensão por chama

Neste método, utiliza-se queimadores a óleo ou gás combustível. O processo é bem simples, mas o seu controle é extremamente difícil e exige técnicas bem desenvolvidas. O princípio baseia-se no aquecimento através da queima de um combustível, sendo o produto da queima injetado no interior da peça, a qual está convenientemente isolada termicamente.

Aquecimento indutivo

A comparação com o transformador elétrico é o melhor meio para ilustrar o aquecimento indutivo feito de forma localizada. O transformador consiste em três conjuntos básicos: enrolamento primário, enrolamento secundário e núcleo de chapas de aço silício. Aplicando-se uma tensão alternada ao primário do transformador, será induzido um fluxo magnético no núcleo, o qual por sua vez induzirá uma tensão no secundário.

Transferindo-se este princípio para o aquecimento indutivo numa junta tubular, um cabo de cobre flexível condutor de energia será enrolado ao redor do tubo formando várias espiras. Quando a energia fluir no enrolamento, o núcleo que não é um bom condutor de energia será aquecido pela tensão alternada de frequência apropriada. Entre o cabo indutor e o corpo da peça é feito um isolamento térmico. Este cabo é refrigerado através de um fluxo de água que flui no seu interior.

As fontes de energia são do tipo retificadores com frequência apropriada para esta finalidade e o controle de temperatura se equivale ao método resistivo.

Alívio de tensões por vibração

Este método é investigado há muito tempo e usado para dar estabilidade dimensional às peças soldadas, reduzindo a susceptibilidade à corrosão sob tensão diminuindo cerca de 20% as tensões residuais internas da peça.

O dispositivo consiste de um oscilador acoplado firmemente à peça, onde as variáveis são: frequência, período de oscilação, e carga aplicada. O método consiste em ondas de choque produzidas por um vibrador que, aplicado na estrutura da peça metálica, se acomoda em um nível de energia menor, traduzindo assim, uma menor tensão residual interna no componente. Uma das grandes utilizações deste método é para garantir estabilidade dimensional em estruturas soldadas para operações futuras de usinagem.

Martelamento

É o método empregado em soldas de manutenção onde o controle de deformações é um fator determinante, também conhecido por peening. Por ser um processo de alívio de tensões mecânico, tem função limitada e deve ser empregado com muito critério por operadores treinados. O martelamento na soldagem deve ser realizado somente em metais de solda com boa ductilidade. Cada cordão deve ser feito imediatamente após o resfriamento e na mesma direção da soldagem. Dessa forma, a solda cederá criando uma deformação plástica e mantendo as tensões residuais internas reduzidas. Deve ser realizada por martelo de bola em um único sentido, com a aplicação da carga de impacto constante para aliviar igualmente as tensões. O martelamento de metais de solda com baixa ductilidade ou realizado na zona afetada pelo calor podem resultar em trincas, portanto, não é um método recomendado.

O post Métodos de tratamento térmico pós-soldagem apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.