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Metalurgia da Soldagem

Prof. MSc. Carlos Abreu Filho 2008

Texto base do curso da disciplina Metalurgia da Soldagem integrante da grade curricular do curso de Técnico em Mecânica do CEFET-PA

2 I INTRODUÇÃO

O principal objetivo a ser alcançado com o estudo da Metalurgia da soldagem é entendimento dos fenômenos físico-químico e metalúrgicos responsáveis pela ocorrência de defeitos e sua relação de dependência com os procedimentos de soldagem. Esta condição é acompanhada da premissa na qual é estabelecido que a qualidade de uma junta soldada não deve ser avaliada exclusivamente pelo aspecto visual do cordão de solda

Na grande maioria dos casos, os defeitos originários de processos de soldagem, quando não ligados diretamente a falhas do processo (parâmetros desregulados), têm relação direta com os fenômenos influenciados diretamente pelo calor de soldagem. A ação do calor, mais ou menos intensa, dependendo de particularidades do processo, é a principal responsável pela ocorrência de fenômenos físico-químicos como fusão, vaporização e solidificação, assim como, de transformações metalúrgicas no estado líquido e sólido.

Embora as ocorrências de “defeitos” de soldagem possam ser eliminadas ou pelo menos reduzidas a níveis aceitáveis. Deve ser considerado que em condições de soldagem “em campo” ou fora das condições ideais de laboratórios, é praticamente impossível a produção de juntas soldadas isenta de defeitos, entretanto, quando a incidência de defeitos não excede determinado nível, na maioria das vezes estabelecido em normas técnicas, a ocorrência não implica necessariamente na impossibilidade de uso da junta soldada.

O texto apresentado tem por objetivo auxiliar o aluno do curso técnico na aprendizagem dos fundamentos da metalurgia da soldagem, sendo os assuntos abordados com a profundidade necessária, tendo o autor consciência da natureza multidisciplinar da matéria e das dificuldades encontradas por alunos de cursos técnicos para o entendimento de assuntos abordados freqüentemente em publicações destinadas a alunos de nível superior.

Finalmente a essência deste trabalho ressume-se a uma revisão bibliográfica baseada em trabalhos publicados sobre o assunto por diversos autores, onde os principais objetivos foram o estabelecimento de uma seqüência lógica de apresentação que facilitasse a aprendizagem e principalmente, conforme citado anteriormente, tornar o assunto acessível a alunos do curso técnico de nível médio.

3 2 – Geometria da junta soldada

Ao contrário do que muitos pensam uma junta soldada não é constituída unicamente pelo que se convencionou chamar de cordão de solda. Do ponto de vista da metalurgia da soldagem, qualquer região na qual em decorrência dos efeitos da soldagem tenham ocorrido consideráveis alterações em suas condições iniciais, é constituinte da junta soldada. A figura 1 apresentada a seguir indica de forma esquemática as diferentes regiões que constituem uma junta soldada.

Figura 1 – Regiões da junta soldada.

As principais particularidades relacionadas às regiões indicadas são: 1 – Metal de base – É a região constituinte da junta soldada que não sofreu qualquer alteração em suas características físicas, químicas ou metalúrgicas, ou seja, o material utilizado para a construção da estrutura metálica, nesta região, não sofreu qualquer influência do processo de soldagem. 2 – Zona termicamente afetada – Nesta região, de grande interesse no campo da metalurgia da soldagem, embora a temperatura de processamento não tenha sido suficiente para modificar o estado físico dos materiais envolvidos, ocorrem importantes transformações metalúrgicas no estado sólido, ou seja, são registradas importantes alterações nas propriedades iniciais dos materiais utilizados na construção metálica.

Entre as transformações citadas encontram-se principalmente o crescimento de grãos (aços e outros), dissolução ou coalescimento de precipitados (ligas de alumínio cobre), e o recozimento (ligas alumínio magnésio). 3 – Zona fundida – É a região na qual a temperatura de processamento é suficiente para fundir os materiais envolvidos, ou seja, parte de metal de base juntamente com parte do metal de adição passam para a forma líquida formando a denominada poça de fusão.

Nesta região, diversos fenômenos ligados a metalurgia física manifestam-se simultaneamente, dando origem a uma série de transformações, não só de origem metalúrgica, como também química e física. A forma como ocorre à solidificação da zona fundida após o resfriamento da região tem grande influência na qualidade final da junta soldada. Um dos principais aspectos a serem considerados é a morfologia (forma geral) dos grãos metálicos resultantes, esta vai ter influência direta na susceptibilidade a defeitos, assim como no comportamento mecânico da junta soldada.

A massa metálica resultante na zona fundida é denominada de metal de solda. É constituída de parte de metal de base e parte de metal de adição. A relação entre as quantidades presentes destes elementos no metal de solda é definida pela grandeza denominada de diluição.

A diluição é a quantidade percentual de metal de base que entra na composição do metal de solda, podendo variar desde valores muito baixos, como na solda brasagem, chegando a 100% no caso da soldagem autógena (sem metal de adição).

A figura 2 ilustra esta condição considerando um esquema de uma seção transversal de uma junta soldada.

Figura 2 – Diluição da junta soldada

Em linguagem matemática a diluição pode ser apresentada como: Diluição (%) = área A / áreas A + B

O controle da diluição em uma junta soldada é um importante fator a ser considerado no controle de alguns defeitos de soldagem, conforme será abordado posteriormente.

De maneira geral, estes são os principais pontos a serem considerados com relação às regiões que constituem uma junta soldada. Alguns autores fazem referência à zona de ligação, que é a região que separa a zona fundida da zona termicamente afetada, tendo, portanto, características das duas regiões. Deve ser ressaltado que em algumas condições práticas nem sempre é tarefa fácil identificar o início e fim de cada região, havendo em alguns casos a necessidade de recorrer a alguns ensaios, como por exemplo, o de microdureza.

3 – Influência térmica na soldagem

A quantidade de calor ou energia térmica inserida em uma junta soldada é sem duvida o principal fator a ser controlado visando reduzir a possibilidade de ocorrência de defeitos na soldagem, desta forma, é interessante entender como o calor é gerado a partir das fontes de energia utilizadas nos processos de soldagem por fusão.

3.1 – Energia na soldagem

Define-se a energia nominal de soldagem como a quantidade de energia térmica inserida na junta soldada por unidade linear de cordão de solda. A energia de soldagem também é conhecida como aporte de calor, ou aporte térmico sendo comum a utilização do termo na língua inglesa “heat input” (calor de entrada). O cálculo da energia nominal de soldagem pode ser expresso através da relação (1)

Apt /(1)

Onde: P – É a potência da fonte de soldagem;

– É a velocidade de soldagem

Considerando as unidades no sistema internacional, a potência é dada em Watt (W); a velocidade de soldagem em m/s e o aporte térmico nominal em J/m (Joule/metro).

Para os processos de soldagem que utilizam como fonte de calor o arco elétrico, o aporte térmico nominal é dado por:

Onde:

– É a tensão de soldagem em Volts (V); – É a intensidade de corrente em Ampers (A);

- É a velocidade de soldagem em m/min.

Para o cálculo do aporte térmico líquido, devem ser consideradas as perdas de energia inerentes a cada processo. A figura 3 a seguir mostra um quadro comparativo entre as eficiências energéticas dos mais usuais processos ao arco elétrico. Pela análise da figura, nota-se que o processo menos eficiente é o processo GTAW ou processo TIG com eficiência em torno de 70%, enquanto que a maior eficiência é obtida com o processo SAW ou arco submerso em torno de 85%. Os processos SMAW (eletrodo revestido) e GMAW (MIG/MAG) têm eficiências térmicas equivalentes na faixa de 80%.

Figura 3 Eficiência energética dos processos de soldagem ao arco elétrico

Portanto, inserido o fator de correção do potencial energético de cada processo na equação 2 obtemos o aporte térmico líquido ou efetivamente inserido na região de soldagem (3).

(3)
Onde o símboloé o fator de correção da eficência energética de cada processo

Quanto mais alto for o aporte de calor (energia de soldagem) inserido na junta soldada, maior será a quantidade de energia calorífica transferida à peça, maior a poça de fusão, mais larga a zona termicamente afetada entre outros efeitos. Por outro lado, a utilização de baixos valores de aporte térmico pode provocar falhas de penetração na junta soldada assim como elevadas velocidades de resfriamento, o que, em certas ocasiões pode ser prejudicial à junta soldada.

3.2 – Ciclo térmico de soldagem

Considerando um ponto qualquer da região de soldagem, define-se ciclo térmico como a curva que relaciona a variação da temperatura deste ponto (durante a soldagem e posterior resfriamento) com passar do tempo. Considere as figuras 4 e 5 mostradas a seguir,a figura 4 mostra esquematicamente uma junta soldada destacando o ponto A localizado em um ponto qualquer da junta. A figura 5 mostra a curva representativa do ciclo térmico do referido ponto. Como pode ser verificado na figura 5 entre a temperatura inicial do processo em torno de 500C e a temperatura máxima alcançada pelo ponto A transcorrem somente em torno de 4 segundos. Embora o exemplo apresentado seja meramente ilustrativo, esta severidade (intensas variações de temperatura) é característica da grande maioria dos processos de soldagem ao arco elétrico e constitui-se em um dos principais fatores indutores de problemas na soldagem.

8 Figura 4 - junta soldada

Figura 5 - Ciclo térmico do ponto A

Como a junta soldada é formada por vários pontos consecutivos em diferentes condições térmicas, uma caracterização completa da região soldada é apresentada por várias curvas de ciclos térmicos sobrepostas, como mostrados na figura 6.

Figura 6 – Curvas de ciclo térmico

Como esperado, a figura 6 mostra que quanto maior o afastamento dos pontos em relação ao centro do cordão menor são as temperaturas máximas alcançadas pelos pontos.

9 3.2.1 – Fatores definidores das características do ciclo térmico

O comportamento das curvas representativas de ciclos térmicos reflete aspectos importantes a respeito das condições utilizadas na soldagem. Normalmente fatores como o tipo de processo, utilização ou não de pré ou pós aquecimento, aporte térmico, soldagem multi-passes, são capazes de estabelecer diferenças na forma de uma curva de ciclo térmico. As diferenças obtidas em função de alterações de um ou mais fatores pode tornar a característica do ciclo térmico mais ou menos favorável para o desenvolvimento de defeitos de soldagem.

Os principais fatores a serem observados na definição dos ciclos térmicos dos pontos constituintes de uma região soldada são mostrados na figura 7 a seguir.

Figura 7 – Fatores definidores do ciclo térmico

Temperatura inicial (To) – É a temperatura de início de processamento, nem sempre é a temperatura ambiente. Em alguns casos, determinados procedimentos de soldagem utilizam préaquecimento no material a ser soldado, visando minimizar a ocorrência de defeitos.

Temperatura máxima (Tmax) – É a maior temperatura que determinado ponto esteve sujeito durante o processo de soldagem. Se a temperatura máxima ultrapassar a temperatura de fusão dos materiais envolvidos então o ponto pertence à zona fundida, caso contrário este pertencerá ou não a ZTA, para esta comprovação, é necessário verificar se a temperatura máxima ultrapassou a zona de temperatura crítica que vai depender das características do material processado.

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