Entendendo a Fadiga no Aço Soldado: Causas, Efeitos e Prevenção

A fadiga causa mais de 90 por cento das falhas em componentes de engenharia com peças de aço soldado. Fadiga em equipamentos estacionários é uma grande preocupação, no entanto, é crucial em equipamentos móveis, que experimentam cargas imprevisíveis, tornando-os suscetíveis a falhas por fadiga.

O que é Fadiga?

Fadiga no aço soldado ocorre quando você remove e reaplica uma carga de magnitude insuficiente repetidamente em uma única aplicação. Quando a carga excede um certo limite, ela cria microfissuras microscópicas no aço, que gradualmente atingem um tamanho crítico e se propagam inesperadamente, causando falha estrutural. Vários fatores, como falta de fusão, forma e falta de penetração, afetam a vida de fadiga de uma estrutura. No aço soldado, falhas de design fornecem locais ideais para formação de trincas. Em sua totalidade, a falha por fadiga acontece rápido, com uma fase de iniciação inexistente.

O que é Vida de Fadiga?

O termo vida de fadiga em engenharia refere-se ao número de ciclos de tensão que o aço soldado pode sustentar antes que ocorra uma falha estrutural. Ao lidar com aço, engenheiros sempre trabalham com um valor teórico para magnitude de tensão, abaixo do qual o aço terá desempenho ótimo independentemente do número de ciclos de tensão.

Engenheiros testando a vida de fadiga do aço soldado focam em deformações, defeitos internos, a técnica de soldagem e concentração de tensão na ponta da solda.

Na identificação de falha em estrutura e equipamento de aço soldado, existem dois tipos comuns de falhas:

1. Falha Estática – A falha estática começa com uma deformação plástica óbvia que você pode detectar e reparar apropriadamente. A falha estática raramente causa acidentes súbitos e catastróficos.
2. Falha por Fadiga – A falha por fadiga frequentemente começa com microfissuras microscópicas que aumentam gradualmente de tamanho, reduzindo a eficácia de carga de uma área. A falha em detectar as trincas cedo frequentemente leva a falhas estruturais e de equipamento súbitas e catastróficas.

Fadiga no Aço Soldado

Nas últimas décadas, engenheiros gastaram muito tempo pesquisando falha por fadiga em aço soldado, enquanto investiam tempo e energia no desenvolvimento de um sistema que lhes permita prever a vida útil e reduzir o número de falhas estruturais.

Devido à natureza catastrófica das falhas relacionadas à fadiga, existem diferentes técnicas não destrutivas que engenheiros usam para inspecionar e testar trilhas de fadiga, por exemplo, inspeções visuais e imagem ultrassônica, entre outras. No entanto, grandes conquistas para ajudar a prevenir catástrofes relacionadas à fadiga focam em técnicas de soldagem que abordam questões de fadiga no design e na fabricação de uma solda.

Técnicas de Melhoria de Solda

A soldagem inerentemente reduz a vida de fadiga de peças e estruturas de aço, apresentando um desafio contínuo de design. Existem diferentes técnicas que designers e engenheiros usam para aumentar a vida de fadiga e resistência do aço soldado, e subsequentemente, reduzir falhas estruturais relacionadas à fadiga. Elas incluem:

Técnicas de Esmerilhamento da Ponta da Solda

Um esmeril de rebarba usa um esmeril pneumático de alta velocidade que se move a uma velocidade de até 40.000 rpm. O esmerilhamento de rebarba remove defeitos de superfície e mistura o metal de solda com a placa base, o que dá à solda uma forma que reduz a concentração local de tensão. O processo foca na remoção de defeitos e rebaixos da ponta da solda.

Um esmeril de disco modifica a forma da solda removendo inclusões de escória e rebaixos. Em comparação com o esmeril de rebarba, é mais rápido, portanto mais custo-efetivo, mas também deixa marcas de esmerilhamento, que servem como sítios de iniciação para trincas de fadiga. O esmerilhamento de disco reduz o risco de incidentes de fadiga em 20 a 50 por cento, o que é relativamente menor que o uso de esmerilhamento de rebarba.

Técnicas de Re-fusão da Ponta da Solda

A técnica de re-fusão da ponta da solda funde a região da solda a uma profundidade rasa, o que aumenta substancialmente a resistência à fadiga da junta soldada. O processo de re-fusão usa equipamento de soldagem a plasma ou Tungstênio Gás Inerte (TIG). A principal deficiência com esta técnica é que não há critério de inspeção para ajudá-lo a avaliar se o processo foi satisfatório.

Métodos de Peenagem

Soldar dois materiais juntos cria tensão residual de tração da contração da solda uma vez que esfria, o que enfraquece a resistência à fadiga do aço. Uma maneira de melhorar a resistência à fadiga é introduzir tensão residual de compressão, que dá melhores resultados.

As técnicas de peenagem introduzem tensão de compressão; é um processo de trabalho a frio que impacta a superfície com uma ferramenta ou pequenas esferas de metal criando deformações plásticas. Em última análise, o processo de peenagem melhora a resistência à fadiga, permitindo resistências de aço mais altas.

Métodos de Alívio de Tensão

Ao contrário do método de peenagem, métodos de alívio de tensão trabalham para reduzir a tensão residual de tração criada pela contração. Técnicas de alívio de tensão focam em refinar o procedimento de soldagem e controlar temperaturas que distorcem a solda.

Várias indústrias, fabricantes e ferramentas usam aço soldado para suas peças. Entender os fatores internos que contribuem para a falha do equipamento é crucial para o processo de design. Designers trabalhando com aço soldado podem criar maquinário que aborda questões de fadiga desde o início. Se você tem uma necessidade de fabricação ou soldagem, contate a Swanton Welding. Nossa tecnologia inovadora e soldadores especialistas lhe fornecerão um ótimo produto a cada vez.