APOSTILA Metalurgia e Processo de Sold. ( Mto Boa!)

Centro Universitrio do Leste de Minas de Gerais UNILESTEMG Coronel Fabriciano - MG

TECNOLOGIA MECNICAMETALURGIA DA SOLDAGEM SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS

ENGENHARIA DE MATERIAIS PROF. REGINALDO PINTO BARBOSA Maro de 2007

SUMRIO CENTRO UNIVERSITRIO DO LESTE DE MINAS DE GERAIS.....................................1 UNILESTEMG..............................................................................................................................1 TECNOLOGIA MECNICA.............................................................................................1 METALURGIA DA SOLDAGEM ..................................................................................1 SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS.............................................................................1 1. INTRODUO..........................................................................................................................5 1.1. CONCEITO DE SOLDAGEM.......................................................................................................5 1.2. A IMPORTNCIA DA SOLDAGEM..............................................................................................6 1.3. EFEITOS DA SOLDAGEM NOS AOS...........................................................................................6 1.4. CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM.........................................................................7 1.5. O ENGENHEIRO DE SOLDAGEM................................................................................................9 1.6. SELEO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM................................................................................10 1.7. AS PROPRIEDADES DOS AOS E A SOLDAGEM..........................................................................10 1.8. O ARCO ELTRICO..............................................................................................................11 1.8.1. Perfil Eltrico..........................................................................................................12 1.8.2. Efeitos Magnticos..................................................................................................14 1.9. TIPOS DE JUNTAS E CHANFROS..............................................................................................15 1.10. EXERCCIOS PROPOSTOS......................................................................................................17 2. METALURGIA DA SOLDAGEM........................................................................................18 2.1. MACROESTRUTURA DE UMA JUNTA SOLDADA..........................................................................18 Figura 1 Macrografia de uma junta soldada..................................................................19 2.2. FLUXO TRMICO NA SOLDAGEM............................................................................................23 2.3. CICLOS TRMICOS DE SOLDAGEM..........................................................................................25 2.4. VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO E TEMPERATURAS MXIMAS...................................................28 2.5. DIAGRAMA DE IRSID..........................................................................................................31 2.6. TRATAMENTOS TRMICOS.....................................................................................................34 2.7. EXERCCIOS PROPOSTOS........................................................................................................37 3. PROCESSOS DE SOLDAGEM............................................................................................40 3.1. PROCESSO ELETRODO REVESTIDO..........................................................................................40 Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 2

3.2. PROCESSO DE SOLDAGEM TIG..............................................................................................44 3.3. PROCESSO MIG/MAG........................................................................................................48 3.4. SOLDAGEM POR RESISTNCIA ELTRICA..................................................................................55 3.5. EXERCCIOS PROPOSTOS........................................................................................................58 4. SOLDAGEM DOS AOS CARBONO E LIGADOS (1)...................................................61 4.1. SOLDABILIDADE...................................................................................................................61 4.2. CLASSIFICAO DOS AOS....................................................................................................62 4.3. SOLDAGEM DOS AOS CARBONO E DE BAIXA LIGA..................................................................64 4.3.1. Aos de Baixo Carbono e Aos Doces...................................................................65 4.3.2. Aos de Mdio Carbono..........................................................................................65 4.3.3. Aos de Alto Carbono.............................................................................................65 4.3.4. Aos de Baixo Liga.................................................................................................66 4.3.5. Procedimentos de Soldagem...................................................................................67 4.4. SOLDAGEM DOS AOS LIGADOS.............................................................................................69 4.5. EXERCCIOS PROPOSTOS........................................................................................................72 5. SOLDAGEM DOS AOS INOXIDVEIS..........................................................................73 5.1- AOS INOXIDVEIS MARTENSTICOS.......................................................................................73 5.1.1 Microestrutura da Regio Soldada........................................................................74 5.1.2 Procedimento de Soldagem...................................................................................75 5.1.3 Tratamento Trmico Ps Soldagem......................................................................75 5.2. AOS INOXIDVEIS FERRTICOS.............................................................................................76 5.2.1 - Microestrutura da Regio de Solda......................................................................77 5.2.2 - Procedimentos de Soldagem.................................................................................78 5.3 AOS INOXIDVEIS AUSTENTICOS.......................................................................................79 5.3.1 - Microestrutura da Zona Fundida..........................................................................81 5.3.2 - Procedimentos de Soldagem.................................................................................81 5.3.3. Tratamento Trmico aps a Soldagem..................................................................82 5.4 PROBLEMAS NA SOLDAGEM DOS AOS INOXIDVEIS...............................................................83 5.4.1 - Trincas a Frio em Aos Martensticos (Fragilizao por Hidrognio)................83 5.4.2 Trincas a Quente em Aos Austenticos...............................................................83 5.4.3. Formao de Fase Sigma........................................................................................85 5.4.4. Fragilizao 475C................................................................................................86 Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 3

5.4.5. Fragilizao pelo Crescimento de Gro..................................................................86 5.4.6. Corroso Intergranular............................................................................................87 5.4.7. Corroso sob Tenso...............................................................................................88 5.4.8. Outros Tipos de Corroso .....................................................................................89 5.5. ESCOLHA DO METAL DE ADIO..........................................................................................90 5.5.1. Diagrama de Schaeffler...........................................................................................91 5.6. EXERCCIOS PROPOSTOS........................................................................................................98 6. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS E METAIS NO FERROSOS........................99 6.1. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS..........................................................................................99 6.2. SOLDAGEM DE METAIS NO FERROSOS................................................................................101 6.2.1. Alumnio e suas Ligas...........................................................................................101 6.2.2. Cobre e suas Ligas.................................................................................................104 6.3. EXERCCIOS PROPOSTOS......................................................................................................105 7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................106

Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais

4

1. INTRODUO1.1. Conceito de Soldagem

Classicamente a soldagem considerada como um processo de unio, porm, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variaes destes so usados para deposio de material sobre uma superfcie, visando recuperao de peas desgastadas ou para a formao de um revestimento com caractersticas especiais. Usualmente costuma-se definir soldagem como "processo de unio de metais por fuso", entretanto deve-se ressaltar que no apenas os metais so soldveis e que possvel se soldar sem fuso. Para efeito de nosso estudo, vamos utilizar duas definies de soldagem propostas na literatura: "Operao que visa obter a unio de duas ou mais peas, assegurando na junta a continuidade das propriedades fsicas e qumicas". (Dutra & Quites) "Processo de unio de materiais usados para obter a coalescncia localizada de

-

metais e no metais, produzida por aquecimento at uma temperatura adequada, com ou sem utilizao de presso e/ou material de adio". (American Welding Society - AWS) Durante a soldagem dos diversos materiais, a temperatura do metal adjacente solda atinge valores nos quais transformaes microestruturais podem ocorrer. A ocorrncia destas mudanas e o seu efeito sobre a junta soldada - em termos de resistncia corroso e propriedades mecnicas - depende do teor de elementos de liga, espessura da chapa, metal de adio usado, configurao da junta, mtodo de soldagem utilizado e habilidade do soldador. Apesar destas transformaes microestruturais, o principal objetivo da soldagem produzir uma solda com qualidade igual ou superior quela do metal de base. O processo de soldagem teve seu grande impulso durante a II Guerra Mundial, devido fabricao de navios e avies soldados. A evoluo dos processos de soldagem ocorreu ao longo do tempo. Segundo Houldcroft, cada processo de soldagem deve preencher os seguintes requisitos: * Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais, similares ou no. * Remover as contaminaes das superfcies a serem unidas. * Evitar que o ar atmosfrico contamine a regio durante a soldagem. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 5

* Propiciar o controle da transformao de fase, para que a solda alcance as propriedades desejadas, sejam elas fsicas, qumicas ou mecnicas.

1.2. A Importncia da Soldagem

A soldagem um dos mais importantes e versteis meios de fabricao disponveis na indstria. A soldagem usada para unir centenas de diferentes ligas comerciais em muitas diferentes formas. Aos carbono, ligados e aos inoxidveis, bem como numerosas ligas no ferrosas tais como o alumnio, nquel e cobre, e metais como o titnio, nibio, molibdnio e zircnio so extensivamente soldados. Muitos metais resistentes s altas temperaturas e superligados so transformados em componentes teis pela soldagem. Metais numa larga faixa de espessura, desde poucos milmetros at materiais espessos so soldados. Realmente, muitos produtos no podem ser fabricados sem a utilizao da soldagem, como por exemplo, produtos da usina nuclear, vasos de presso e equipamentos da indstria qumica, etc.. A soldagem de grande importncia econmica devido ser uma das ferramentas disponveis mais importante para o engenheiro em seu esforo para reduzir custos de produo e fabricao. A maior liberdade de projeto tambm possvel pelo uso da soldagem; o que uma grande vantagem deste processo de fabricao.

1.3. Efeitos da Soldagem nos Aos

A grande maioria dos aos usados na soldagem consistem de ao carbono baixo carbono (C 0,30%). A frao restante consiste de aos carbono alto carbono e aos ligados. A experincia prtica tem mostrado que estas ligas no podem ser soldadas com o mesmo grau de dificuldade. Por exemplo, aos carbono com menos de 0,15% de carbono podem ser facilmente soldados por quase todos os processos resultando soldas de boa qualidade. Aos com contedo de carbono entre 0,15 a 0,30% podem ser totalmente soldados em espessuras at 12,7 mm. A soldagem de sees mais espessas poder ou no necessitar de cuidados especiais. A soldagem de aos de alta resistncia requer considerao especial, de forma que o calor de soldagem no prejudique a sua microestrutura temperada e revenida. 6


A razo pela qual todos os aos no podem ser soldados sem o uso de materiais especiais ou operaes suplementares que os mesmos so mais facilmente alterados pelo calor de soldagem do que outros. A aplicao do calor produz uma alterao estrutural, efeitos trmicos e mecnicos no metal a ser soldado ou em qualquer outro que venha a ser parte integrante da unio. suficiente dizer que os efeitos incluem expanso e contrao, mudanas metalrgicas (tais como, crescimento de gro) e alteraes composicionais. No componente soldado, estes fatos podem aparecer de duas maneiras: a) A presena de trincas no metal base e no metal de solda bem como porosidade ou incluses no metal de solda. b) Mudanas nas propriedades do metal base tais como resistncia, ductilidade, tenacidade e resistncia corroso. Estes efeitos da soldagem podem ser minimizados ou eliminados atravs de mudanas nos mtodos e prticas envolvidos na soldagem.

1.4. Classificao dos Processos de Soldagem

Uma pea metlica pode ser considerada como sendo formada por um grande nmero de tomos ligados aos seus vizinhos, estabelecendo um arranjo espacial caracterstico. Cada tomo est distante do outro numa extenso r0 onde a energia do sistema mnima, no tendendo a ligar-se a qualquer outro.

Energia

r0Distncia

Na superfcie, o nmero de vizinhos menor implicando em energia maior que o tomo do interior. Uma unio possvel se houver uma diminuio desta energia, como por exemplo, atravs da aproximao a distncias bem pequenas (da ordem de r0) de duas peas metlicas. o que acontece quando se coloca em contato dois blocos de gelo. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 7

No caso de duas peas metlicas isto no ocorre, exceto em raras situaes, devido a: As superfcies metlicas apresentam grande rugosidade em escala atmica; As superfcies metlicas esto cobertas por camadas de xidos, umidade, graxa, poeira, etc., impedindo a ligao metal/metal. Os dois modos de superar estes obstculos deram origem aos dois grandes grupos de processos de soldagem. De acordo com a natureza da unio os mesmos podem ser divididos em dois grandes grupos a saber: soldagem por fuso e soldagem por presso. A soldagem por presso consiste na aplicao de presses elevadas que deformam a superfcie dos materiais, diminuindo a rugosidade da superfcie e, consequentemente, a distncia mdia entre as mesmas. So processos de aplicao mais ou menos restritas. Dentre estes podemos citar: * Resistncia Eltrica com junta overlap (sobreposio): por pontos e por costura. * Resistncia Eltrica com junta de topo: por centelhamento e por resistncia pura. * Por Induo * Por Atrito Na soldagem por fuso, a energia aplicada com a inteno de produzir calor capaz de fundir o material, produzindo a ligao das superfcies na solidificao. Inclui a maioria dos processos mais utilizados atualmente, podendo ser subclassificado em: * Soldagem a chama: oxi-acetilnica e ar-acetileno. * Soldagem a arco encoberto com fio contnuo ou com fita contnua. * Soldagem a arco descoberto com eletrodo autoprotetor: eletrodo revestido (protetor externo) ou eletrodo tubular (protetor interno). * Soldagem a arco descoberto com eletrodo imerso em atmosfera gasosa: com fio contnuo (MIG/MAG) ou com eletrodo permanente (TIG). Os processos de soldagem tambm podem ser classificados de acordo com o tipo de fonte de energia. As fontes de energia empregadas nos processos de soldagem so mecnica, qumica, eltrica e radiante. a) Fonte mecnica O calor gerado por atrito ou por ondas de choque, ou por deformao plstica do material. b) Fonte qumica O calor gerado por reaes qumicas exotrmicas como, por exemplo, a queima de um combustvel (chama) ou a reao de oxidao do alumnio. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 8

c) Fonte eltrica O calor gerado ou pela passagem de corrente eltrica ou com a formao de um arco eltrico. No primeiro caso, o aquecimento realizado por efeito joule, enquanto no segundo atravs do potencial de ionizao, corrente e outros parmetros de soldagem. d) Fonte radiante O calor gerado por radiao eletromagntica (laser) ou por um feixe de eltrons acelerados atravs de um potencial.

1.5. O Engenheiro de Soldagem

O engenheiro de soldagem pode ser considerado em quatros campos da engenharia, a saber: 1. O projeto de mquinas, estruturas e equipamentos; 2. As propriedades dos materiais disponveis; 3. Os processos, procedimentos e equipamentos da indstria de soldagem; 4. Inspeo para manter a qualidade e sanidade das juntas soldadas at um nvel definido e apropriado para o servio. Ele chamado para decidir sobre problemas pertinentes a estes campos. Por exemplo, ele deve responder perguntas tais como: - O projeto adequado para o servio requerido? - O material adequado para o servio requerido? - O processo de soldagem, os procedimentos e o equipamento de soldagem so adequados? Quando discute estas questes, o engenheiro de soldagem freqentemente refere-se caracterstica do material denominada "soldabilidade". O que significa soldabilidade? Este termo no tem um significado aceitvel universalmente e a sua interpretao varia largamente de acordo com o ponto de vista de cada um. A AWS define soldabilidade como "a capacidade do metal ser soldado sob condies de fabricao impostas para uma estrutura especfica e adequada e para satisfazer plenamente o servio requerido". Deve ser entendido, primeiramente, que a adequao de uma estrutura soldada para uma condio especfica de servio depende dos seguintes fatores: a) o projeto da estrutura, incluindo as juntas soldadas, b) as caractersticas e propriedades do material base, c) as propriedades e caractersticas das soldas e do material na regio adjacente ao cordo de solda.


9

1.6. Seleo dos Processos de Soldagem

As estruturas de aos baixo carbono e no ligados podem ser projetadas com base nas propriedades do metal base e na composio do metal de solda. Entretanto, quando aos de alta resistncia e aos ligados necessitam de serem soldados deve-se levar em considerao a seleo dos processos de soldagem e das tcnicas de soldagem. Estes parmetros podem exercer uma influncia significante na qualidade da solda e nas caractersticas da zona afetada pelo calor e por conseqncia, na soldabilidade destes aos. A indstria da soldagem desenvolveu vrios processos que so capazes de produzir satisfatoriamente uma juno em um ao. Freqentemente, a seleo para uma aplicao particular baseia-se em numerosos fatores que podem afetar as propriedades mecnicas desejadas da junta. Eles incluem a espessura e dimenso das partes; a posio das juntas a soldar; a quantidade de componentes a serem fabricados; a possibilidade de mecanizao do processo; a aparncia da junta acabada; e o custo e limitaes estabelecidas para o produto.

1.7. As Propriedades dos Aos e a Soldagem

A extensiva substituio das estruturas rebitadas pelas soldadas iniciou-se durante a II Guerra Mundial e continua at hoje. Inicialmente esta substituio baseava-se nos ganhos de custos e produtividade, entretanto, os projetistas perceberam que as propriedades requeridas na construo de certas estruturas somente podiam ser obtidas atravs da soldagem. Por conseguinte, as propriedades do ao e da junta soldada so importantes para o projetista, metalurgista de soldagem e o engenheiro de soldagem. Neste caso, deve-se conhecer as propriedades da junta que deve ser considerada no projeto da estrutura soldada e que influenciam a performance da mesma. As propriedades mais importantes incluem o limite de resistncia ruptura, ductilidade, tenacidade da fratura, resistncia fadiga, propriedades a temperatura elevada e resistncia corroso. As propriedades dos materiais e aquelas requeridas na junta soldada que vo ditar os procedimentos de soldagem a serem adotados. Abaixo citam-se alguns casos prticos: a) Soldagem de aos resistentes ao desgaste e de alta temperabilidade necessitam de tratamentos de pr e ps aquecimento para evitar a formao de estruturas frgeis na zona afetada pelo calor. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 10

b) Aos de alto coeficiente de expanso trmica devem ser soldados com baixo aporte de calor ou deve-se utilizar tcnicas especiais de soldagem para evitar distores. c) Na soldagem de aos inoxidveis ferrticos, deve-se controlar o aporte de calor para evitar crescimento de gro ou formao de martensita no seu contorno, o que pode fragilizar a junta soldada. d) Materiais susceptveis corroso sob tenso devem ser submetidos a tratamento de alvio de tenso ou ter aplicao de alguma tcnica para as tenses internas de trao.

1.8. O Arco Eltrico

O estudo do arco eltrico importante na soldagem porque: a) Nos processos em que ele se aplica, o arco eltrico a fonte de calor necessria para se executar a soldagem, sendo responsvel pela formao da poa de fuso, pelo aquecimento do eletrodo e pelos ciclos trmicos de soldagem. b) Sua alta temperatura e turbulncia produzem intensas reaes qumicas, principalmente, reao gs-metal e reaes escria-metal. c) O arco eltrico o responsvel pela transferncia do metal de adio da ponta do eletrodo para a poa de fuso. d) A demanda necessria para manter um arco estvel determina as caractersticas que a fonte de energia deve possuir. Um arco eltrico ou voltaico pode ser definido como "a descarga de corrente eltrica mantida atravs de um gs, iniciada por uma quantidade de eltrons emitidos do eletrodo negativo (ctodo) aquecido". Todavia todo gs isolante trmico nas condies normais de temperatura e presso. Portanto para que ele se torne condutor necessrio ioniz-lo, ou seja, formar ons ou eltrons livres em sua constituio. Um gs ionizado recebe a denominao de plasma. Nessa definio existem trs conceitos importantes para o conhecimento do arco eltrico: calor, ionizao e emisso. Em soldagem, o arco normalmente ocorre entre um eletrodo cilndrico e um plano (a pea), dando a esse um formato tpico de tronco de cone. O eletrodo pode ser um material refratrio como o tungstnio (eletrodo no consumvel) ou de metal de menor ponto de fuso como o ao (eletrodo consumvel). Neste ltimo caso, o processo mais complicado pois temse: (a) passagem de metal fundido (e, s vezes, de escria) atravs do arco, (b) geometria Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 11

varivel da ponta do eletrodo e (c) comprimento de arco varivel e dependente do balano entre as velocidades de alimentao e fuso do eletrodo. 1.8.1. Perfil Eltrico Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferena de potencial entre as suas extremidades e pela corrente que circula por este. A queda de potencial no uniforme ao longo do mesmo, podendo ser divido em trs regies principais: a) Zona de Queda Catdica: os eltrons so emitidos e acelerados para o nodo atravs de campos eltricos. b) Coluna de Plasma: constituda de eltrons livres, ons positivos, ons negativos. Forma o plasma, sendo a parte visvel e brilhante do arco. c) Zona de Queda Andica: constituda por eltrons. A queda de tenso igual ao potencial de ionizao do gs circundante. A coluna de plasma corresponde a quase todo o volume do arco, podendo ter vrios milmetros de comprimento, enquanto que as zonas de queda so pequenas regies junto aos eletrodos, com espessuras da ordem de 10-2 a 10-3 mm. A queda de tenso na regio andica (VA) varia entre 1 e 10V e na catdica (VC), entre 1 e 15V, e so normalmente independente do comprimento do arco (la). A queda de tenso na coluna de plasma aproximadamente proporcional ao comprimento do arco (VCP E.la). E o campo eltrico na coluna e depende da composio do gs de plasma. Em funo do exposto, a tenso no arco, para um dado valor de corrente, pode ser representada pela equao de uma reta em funo de la: V = (VC + VA) + E . la O calor devido movimentao de cargas eltricas no arco de um eletrodo permanente; a ocorrncia de choques entre estas cargas gera o calor. O ctodo precisa emitir uma grande quantidade de eltrons, pois estes conduzem mais de 90% da carga eltrica atravs do arco. No arco, os ons positivos so praticamente imveis se comparados com a velocidade dos eltrons, sendo estes, portanto, os responsveis pela gerao do calor. No caso de arco eltrico de eletrodos consumveis, alm do choque entre ons, ocorre tambm choque entre estes e tomos gerados na fuso do eletrodo e entre ons e as gotas que atravessam o arco. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 12

A emisso termoinica um processo de liberao de eltrons de uma superfcie aquecida. A mesma ocorre, basicamente, do aquecimento do material a uma temperatura suficientemente alta para causar a emisso (ou "vaporizao") de eltrons em sua superfcie por agitao trmica. A densidade de corrente resultante do efeito termoinico estimada pela equao emprica de Richardson-Dushman, tambm conhecida por "taxa de emisso termoinica (Ie)": Ie = A.T2.exp(-e /T) Onde: A = constante que vale 6 a 7 x 105 A/m-2.oK-2 T = temperatura absoluta (oK) e = carga do eltron (1,6 x 10-19C) = constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 J/oK) = funo trabalho terminico do material (eV) A funo trabalho termoinico representa a energia trmica que deve ser absorvida pelo eltron para ser emitido como eltron livre. A ionizao ocorre quando um eltron localizado em uma rbita mais externa recebe uma quantidade de energia, sendo forado para a rbita de maior energia. Conforme a energia que o eltron recebe, ele pode ou no sair da influncia de campo eletromagntico do tomo e tornar-se um eltron livre. A energia necessria produo de um eltron livre chamada de potencial de ionizao. No caso dos arcos eltricos de soldagem, o interesse est voltado para a ionizao trmica, que a ionizao por coliso entre as partculas bem aquecidas. Para se obter um arco voltaico para soldagem deve-se aquecer o gs existente entre o eletrodo e a pea e sujeit-lo a um bombardeio eletrnico. Isto conseguido, por exemplo, quando se toca o eletrodo na pea fazendo com que a tenso caia rapidamente para um valor prximo de zero e a corrente cresa a um valor elevado. Por efeito Joule, isto provoca um aquecimento na regio de contato at a incandescncia, favorecendo a emisso termoinica. A quantidade de calor liberada facilita o arrancamento dos eltrons dos tomos do ambiente gasoso, ionizando o gs. Com a ionizao trmica, o eletrodo pode ser afastado do metal base sem que o arco eltrico seja extinto. (A/m2)


13

1.8.2. Efeitos Magnticos O arco de soldagem um condutor de corrente eltrica e assim sensvel s interaes da corrente eltrica por ele transportada com os campos magnticos por ela gerada. Se um condutor de comprimento l, percorrido por uma corrente eltrica i, colocado numa regio onde exista um campo magntico B, ento ele experimenta uma fora F, conhecida como "Forca de Lorentz", que dada por: F=B.i.l Um importante efeito magntico que o responsvel pela penetrao do cordo de solda e por garantir a transferncia da gota metlica, sempre no sentido eletrodo-pea, independente da polaridade, conhecido por "Jato de Plasma". Sendo o arco de soldagem um condutor eltrico gasoso de forma cnica, quando a corrente eltrica passa por ele, induz um campo magntico de forma circular concntrico com seu eixo. Surgem assim foras de Lorentz na regio do arco, que tm sempre o sentido de fora para dentro.EletrodoFs F P1 d1 Fs

d1 < d2 Fs > Fi P1 > P2

Fi

P2

d2

Fi

Pea

A intensidade do campo magntico diminui com o quadrado da distncia ao eixo condutor. Como o dimetro do arco menor na regio prxima ao eletrodo, as foras de Lorentz tendem a ser maiores nessa regio. Assim a presso interna do arco na regio prxima do eletrodo sempre maior que na proximidade da pea. Essa diferena de presso causa um fluxo de gs no sentido eletrodo pea, que o "Jato de Plasma".


14

Considerando que tanto o campo magntico como as foras de Lorentz so proporcionais intensidade da corrente, quanto maior for esta, mais forte ser o jato de plasma e consequentemente, maior a penetrao do cordo de solda. Na extremidade fundida de eletrodos consumveis, as foras de Lorentz so capazes de deform-la, tendendo a estrangular a parte lquida e separ-la do fio slido, promovendo dessa forma a transferncia da gota metlica. Um outro efeito das foras de Lorentz o chamado "Sopro Magntico". Usualmente o campo magntico induzido pela corrente tende a se distribuir uniformemente em torno do arco. Quando esta distribuio perturbada, levando a uma maior concentrao do campo magntico em um dos lados do arco, a fora magntica passa a possuir uma componente transversal que tende a desviar lateralmente o arco. Este efeito, sopro magntico, dificulta a soldagem e aumenta as chances de formao de descontinuidades no cordo. Suas causas relacionam-se, principalmente, s mudanas bruscas na direo da corrente eltrica e uma distribuio assimtrica de material ferromagntico em torno do arco. O sopro magntico pode ser minimizado por medidas como: Inclinar o eletrodo para o lado que se dirige o arco, Reduzir o comprimento do arco, Balancear a sada de corrente da pea, ligando-a fonte por mais de um cabo, Reduzir a corrente de soldagem, Soldar com corrente alternada.

1.9. Tipos de Juntas e Chanfros

A soldagem visa produzir uma junta entre dois elementos slidos, conforme definio j comentada. Esta junta pode configurar-se de diversas maneiras, condicionando diferentemente o processo de soldagem. O posicionamento das peas para unio determina os vrios tipos de juntas. Os principais tipos de juntas so os seguintes: Junta de Topo: so aquelas em que os componentes a soldar encontram-se topo a topo, de modo que, numa seo transversal, estes componentes apresentam-se num mesmo nvel. Exemplo: Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 15

Junta em ngulo: juntas em que, numa seo transversal, os componentes a soldar apresentam-se sob a forma de um ngulo. Exemplo:

Juntas Sobrepostas: juntas formadas por dois componentes a soldar, de tal maneira que suas superfcies se sobrepem. Exemplo:

Juntas de Aresta: junta formada por dois componentes a soldar, de tal modo que os bordos dos mesmos formam um ngulo de 180o . Exemplo:

Muitas vezes durante a soldagem, as dimenses das peas, a facilidade de se mov-las e a necessidade de projeto exigem uma preparao das mesmas na forma de cortes ou conformao especial da junta. Estas aberturas ou sulcos na superfcie da pea ou peas a serem unidas e que determinam o espao para conter a solda recebe o nome de chanfro. Os chanfros podem ser preparados por operaes de corte a chama, plasma ou por usinagem. O tipo de chanfro a ser usado em uma soldagem especfica escolhida em funo do processo de soldagem, espessura das peas, suas dimenses, facilidades de acesso regio da solda, etc.. Alguns dos principais tipos de chanfros mais comumentes usados em soldagem so mostrados na figura abaixo.


16

1.10. Exerccios Propostos

1. Conceitue soldagem e d trs exemplos de situaes em que se realiza um processo de soldagem. 2. Por que possvel se soldarem dois blocos de gelo por aproximao? 3. Quais so os tipos de fonte de energia empregados nos processos de soldagem? Identifique pelo menos dois processos de soldagem que empregam cada uma delas. 4. Desenhe esquematicamente os quatro tipos de juntas possveis de serem usadas nos diversos processos de soldagem e caracterize cada uma delas. 5. Explique como ocorre a soldagem nos processos de soldagem por presso. Exemplifique. 6. Cite o nome de quatro processos de soldagem por fuso. 7. Considerando que o gs isolante nas condies normais de temperatura e presso, o que necessrio para que ele se torne condutor da corrente eltrica? Explique o fenmeno. 8. Explique como se d a abertura de um arco voltaico de soldagem. 9. Por que o arco eltrico a fonte de calor mais usada hoje em dia para a soldagem por fuso? 10. Explique como a correta definio e escolha do chanfro aplicvel a uma junta pode interferir com a reduo dos custos, considerando que esta deve ser uma das mais importantes preocupaes do profissional de soldagem. 11. Se voc fosse soldar uma chapa de 25 mm de espessura utilizando o processo de soldagem por eletrodo revestido e uma junta de topo com acesso somente por um lado, que tipos de chanfros voc poderia usar? Voc realizaria a solda em passe nico? 12. Por que a preparao das juntas a soldar de extrema importncia num processo de soldagem? 13. Caracterize as trs regies do arco de soldagem. 14. Explique como as foras de Lorentz influenciam no grau de penetrao do cordo de solda e na transferncia da gota metlica. 15. Conceitue sopro magntico e indique medidas para minimizar ou eliminar a sua ocorrncia. 16. Que proporo da corrente eltrica no arco transportada por eltrons? E por ions positivos?


17

2. METALURGIA DA SOLDAGEMA maioria dos processos de soldagem utiliza o calor como principal fonte de energia, sendo necessrio fornec-lo poa de fuso em quantidade e intensidade suficientes, de forma a garantir a execuo de uma solda de boa qualidade. O calor , portanto, elemento essencial execuo de unies soldadas mas pode por outro lado, representar fonte potencial de problemas devido sua influncia direta nas transformaes metalrgicas que ocorrem na junta soldada. As condies trmicas na solda e nas regies prximas a ela devem ser estabelecidas para controlar estes fenmenos metalrgicos na soldagem. De particular interesse pode-se citar: aporte de energia ou de calor junta soldada; rendimento trmico do arco eltrico; a distribuio da temperatura mxima (ciclo trmico) na zona afetada pelo calor (ZAC); as velocidades de resfriamento em pontos do metal de solda e zona afetada pelo calor; a velocidade de solidificao do metal de solda. A velocidade de resfriamento um dos aspectos mais importantes do fluxo trmico, uma vez que, aps um ponto de solda ter alcanado sua temperatura mxima, o tempo no qual ele resfria exerce um efeito significativo sobre a estrutura e as propriedades do metal de base. A maioria dos processos de soldagem por fuso caracterizado pela utilizao de uma fonte de calor intensa e localizada. A histria trmica de um ponto na soldagem pode ser dividida de maneira simplificada, em duas etapas bsicas: uma etapa de aquecimento e outra de resfriamento.

2.1. Macroestrutura de uma Junta Soldada

interessante sabermos que nas soldas existem trs zonas de particular interesse, as quais podem ser identificadas por exame macrogrfico. Na figura 1 representa-se a seo transversal de uma solda identificando as trs regies principais da solda.


18

ZF

Figura 1 Macrografia de uma junta soldada MB Zona Fundida (ZF) composta pelo metal de base e metal de adio ou somente pelo metal de base, no caso de soldagem autgena. Nesta regio as temperaturas so maiores que a temperatura de fuso do material, sendo pois, a regio da junta soldada onde efetivamente ocorreu a fuso e subsequente solidificao. A zona fundida pode ser formada sob as mais diversas condies. Na soldagem a arco com eletrodo consumvel, o metal de adio fundido transferido para a poa de fuso na forma de gotas, aquecidas a temperaturas muito elevadas, acima de 2000oC, no caso de aos. A composio qumica final da zona fundida depende da diluio, ou seja, da participao relativa do metal de base e do metal de adio na formao da zona fundida. A diluio (D) determinada pela razo entre a massa do metal de base fundida e a massa total da solda. A D= (%) B + A onde: A = quantidade de metal base na ZF B = quantidade de metal de adio na ZF

ZAC

Uma das formas de se avaliar a diluio atravs de macrografias da seo transversal da junta soldada. A diluio varia com o processo de soldagem, sendo por exemplo de 10 a 30% para o processo de soldagem por eletrodo revestido, de at 80% na soldagem por arco submerso e 0% na brasagem. O controle da diluio importante na soldagem de metais dissimilares, na deposio de revestimentos especiais sobre uma superfcie metlica, na soldagem de metais de composio qumica desconhecida, caso muito comum em soldagem de manuteno e na soldagem de materiais que tenham altos teores de elementos prejudiciais zona fundida, como o carbono e o enxofre. Vejamos um exemplo prtico da importncia do controle da diluio envolvendo aos inoxidveis. Para tal utilizaremos os diagramas de Schaefler e Bystram situando nos mesmos as composies qumicas do metal base e metal de adio e, como conseqncia poderemos prever a estrutura da zona fundida e os problemas caractersticos. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 19

Exemplo: Soldagem de chapas de ao AISI 430 utilizando eletrodo AWS E309-16. Considerar diluio de 30%, que o percentual do metal de base no metal de solda. Composio qumica do metal depositado com eletrodo E309-16 a seguinte: C = 0,09% C = 0,03% Mn = 0,70% Cr = 22,1% Ni = 12,5% Mn = 0,90% Cr = 19,3% Si = 0,40% Si = 0,70% Composio qumica do ao AISI 430:

Utilizando o Diagrama de Schaefler, calcula-se os valores de cromo e nquel equivalentes para o metal de base e o metal depositado:

a) Creq = %Cr + %Mo + 1,5 %Si + 0,5 %Nb Metal depositado: Creq = 22,1 + 0,00 + 1,5 . 0,70 = 23,20% Metal de base: Creq = 19,3 + 0,00 + 1,5 . 0,40 = 19,9% b) Nieq = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn Metal depositado: Nieq = 12,5 + 30 . 0,09 + 0,5 . 0,70 = 14,74% Metal de base: Nieq = 0 + 30 . 0,03 + 0,5 . 0,90 = 1,35% Localizando no diagrama de Schaefler as composies qumicas relativas ao metal de base e ao eletrodo, encontramos dois pontos equivalentes ao metal depositado e metal de base. Unindoos e considerando a diluio de 30% vemos que a zona fundida ser formada por austenita e ferrita, com o teor desta ltima da ordem de 18%. Nesta regio, a liga est livre dos quatro defeitos previstos no diagrama de Bystram, ou seja, a solda poder ser executada sem problemas. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 20

Diagrama de Bystram

Zona Afetada pelo Calor (ZAC) correspondente regio do metal de base no fundida adjacente zona de fuso, porm, cujas temperaturas so sempre superiores temperatura de transformao do material, podendo provocar alteraes nas suas propriedades e microestrutura. Tambm chamada Zona Termicamente Afetada (ZTA). As caractersticas da ZAC dependem principalmente do tipo de metal de base e do processo e procedimentos de soldagem, ou seja, do ciclo trmico e da repartio trmica. De acordo com o tipo de metal que est sendo soldado, os efeitos dos ciclos trmicos podero ser


21

os mais variados. No caso de metais no transformveis (o alumnio, por exemplo), a mudana estrutural mais marcante ser o crescimento de gro. Em metais transformveis, a ZAC ser mais complexa. No caso dos aos carbono e aos baixa liga, a ZAC apresentar as seguintes regies caractersticas:

a) Regio de Crescimento de Gro: compreende a regio do metal de base, mais prxima da solda, que foi submetida a temperaturas prximas da temperatura de fuso. Nesta situao a estrutura austentica sofre um grande crescimento de gro. Este crescimento depende do tipo de ao e da energia de soldagem e, constitui a regio mais problemtica da ZAC podendo apresentar menor tenacidade e problemas de fissurao. caracterizada por uma estrutura grosseira, com placas de ferrita, podendo apresentar perlita, bainita ou martensita. b) Regio de Refino de gro: compreende a regio da junta aquecida a temperaturas comumente usadas na normalizao dos aos (900 a 1000oC). Aps o processo de soldagem, esta regio caracterizada por uma estrutura fina de ferrita e perlita, no sendo problemtica na maioria dos casos. c) Regio Intercrtica: nesta regio, a temperatura de pico varia entre 727oC e a linha A3, sendo caracterizada pela transformao parcial da estrutura original do metal de base. Metal de Base (MB) regio mais distante do cordo de solda moderadamente aquecida ou sem nenhuma influncia do calor de soldagem. No apresentam mudanas


22

microestruturais perceptveis. As temperaturas so inferiores s temperaturas crticas para o material (inferior a 727oC no caso dos aos carbono). A linha de fuso ou zona de ligao a regio que faz a ligao entre os cristais da zona de fuso com os cristais da zona termicamente afetada. Em uma micrografia observa-se que se trata de uma linha de transio estrutural. a regio que durante a soldagem foi aquecida entre a linha liquidus e a linha solidus. Quanto sua geometria, os cordes de solda apresentam os seguintes elementos: - Reforo: mxima altura alcanada pelo excesso de material de adio, medida a partir da superfcie do material de base. - Largura: mxima distncia entre os pontos extremos alcanados pela fuso, sobre a superfcie do material de base. - Penetrao: mxima profundidade alcanada pela fuso, medida perpendicularmente superfcie do material de base. - Raiz da Solda: regio do primeiro passe ou demo, junto parede ou encosto dos bordos.

2.2. Fluxo Trmico na Soldagem

Para a soldagem a arco, pode-se considerar o arco como a nica fonte de calor, definida pela sua energia de soldagem. Verifica-se que uma parte desta energia disponvel dissipada para a atmosfera sob a forma de calor irradiante, outra pequena frao perde-se por conveco no meio gasoso que protege a poa de fuso e, uma terceira parte realmente usada para a execuo da soldagem. Conclui-se, portanto, que nem toda a energia disponvel integralmente aproveitada para fundir o metal base e o eletrodo, sendo as perdas computadas atravs do que se chama rendimento trmico do processo, o qual uma relao entre a quantidade de energia efetivamente absorvida na soldagem e a energia total fornecida ao arco. A energia de soldagem uma medida da quantidade de calor cedido pea, por unidade de comprimento, definida por Eab = t .E. A dissipao do calor ocorre principalmente por conduo na pea, das regies aquecidas para o restante do material. Considerando que E = U.I / V, podemos rescrever a equao de Eab como: Eab = t . U.I / V onde: Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais

23

Eab = energia absorvida pela pea, em J/mm t = rendimento trmico do processo U = tenso do arco, em volts I = corrente de soldagem, em A V = velocidade de soldagem, em mm/s Como no se consegue quantificar com preciso as perdas de energia em cada processo e, consequentemente, no se sabe a energia entregue pea, as equaes apresentam um certo erro. Uma das principais fonte de erro reside no fato de se considerar o rendimento trmico (t) constante para cada processo, independentemente dos parmetros de soldagem. Geralmente consideram-se os seguintes valores para o rendimento trmico: - Eletrodo revestido e MIG/MAG = 85 a 90% - Arco submerso = 95% - Processo Oxi-acetileno = 35 a 65% - Processo TIG = 40 a 50% O baixo rendimento trmico no processo TIG devido ao fato do calor gerado no eletrodo no ser transferido pea, uma vez que o mesmo retirado pela gua de refrigerao, e devido aos gases usados, os quais resfriam a pea. O rendimento de fuso correlaciona a energia de soldagem absorvida com a energia efetivamente utilizada na fuso da solda. definida pela equao:

f = (S.H.V) / (t.q), f= rendimento de fuso

onde:

S = rea da seo transversal ao cordo (mm2) H = energia necessria para aquecer e fundir o material (J/mm3) q = calor por unidade de tempo (J/s) Apresentam-se na tabela 1 alguns valores tpicos para f e H. Tabela 1 - Valores tpicos de rendimento e energia de fuso PROCESSOOxiacetelnico TIG ER

f

(%)

MATERIALAo Baixa Liga Ao Inoxidvel Nquel

H (J/mm3)10 10 10

El > 0,6 placa espessa El 0,6 placa fina Para temperaturas mximas maiores, a velocidade de resfriamento assume valores mais altos. A temperatura de pr-aquecimento tambm tem efeito sobre a velocidade de resfriamento. Com temperaturas de pr-aquecimento mais altas, o gradiente de temperatura menor e, portanto, menor ser a velocidade de resfriamento. Para se calcular a velocidade de resfriamento da linha de centro de uma unio de topo entre duas chapas grossas de mesma espessura, quando se deposita um grande nmero de passes, usa-se frequentemente a expresso: R = [2. . K . (Tc - To)2 ]/ E ab , Onde: R = velocidade de resfriamento (oC /s) K = condutividade trmica do metal (J/mm . s . oC) Para chapas finas emprega-se a seguinte expresso: R = 2 . . k . . C. (e / Eab)2. (Tc - To)3 Onde: = densidade do material (g / mm3) C = calor especfico do material (J/g . oC) e = espessura da chapa (mm)

2.5. Diagrama de IRSID 31


O diagrama francs ou IRSID um baco para determinao do tempo de resfriamento nas temperaturas entre 800 e 500oC. muito usado pois considera a energia equivalente absorvida pela pea em funo da eficincia do processo e geometria da junta. A seguir descreve-se as etapas para a sua utilizao. a) A partir dos parmetros de soldagem (corrente, tenso e velocidade de soldagem) calcula-se a energia total entregue pea. E = (60.U.I) / (1000.V) [kJ/cm]

b) Em funo da geometria da junta ou do ngulo formado na junta em "X" ou "V" aps o primeiro passe, efetua-se a correo da energia de soldagem, agora denominada energia corrigida (Ecorr). Para se obter o valor de Ecorr deve-se traar uma linha perpendicular ao eixo da energia total, anteriormente calculada, at atingir uma das trs linhas que indicam a condio da junta, a saber: = 270o ou a = s; = 240o ou a = s/2 e = 180o ou a = 0. A partir do ponto onde encontrou uma das linhas que indicam a condio da junta, traa-se uma perpendicular escala da energia corrigida, determinando-se o valor de Ecorr. c) A prxima etapa consiste na determinao da energia equivalente absorvida pela pea, a qual determinada de modo anlogo energia corrigida, porm, a perpendicular deve encontrar a linha de eficincia do processo (TIG, MIG/MAG ou SMAW/SAW). d) O diagrama IRSID tem como abcissa a energia equivalente transferida e como ordenada, a espessura da placa. Uma vez conhecidos estes valores basta marcar o ponto de interseo no diagrama e ler o valor do tempo de resfriamento. No caso de haver pr aquecimento da placa, deve-se fazer a correo dos valores de espessura e da energia equivalente transferida em funo da temperatura de pr aquecimento. Uma outra utilizao para o diagrama IRSID est na determinao dos parmetros de soldagem. Os mesmos podem ser obtidos a partir do tempo de resfriamento, o qual pode ser calculado pelos diagramas CRC em funo do teor de martensita admitida ou pela dureza e da espessura da placa, bastando para isto um procedimento inverso ao anteriormente comentado.


32


33

2.6. Tratamentos Trmicos Conforme j estudamos, para se obter o controle metalrgico de uma junta soldada e, por conseqncia, o controle das propriedades mecnicas, necessrio que se conhea os ciclos trmicos a que a junta soldada submetida. Os tratamentos trmicos tm o objetivo de alterar ou conferir caractersticas determinadas junta soldada. Os tratamentos trmicos mais comumente empregados para melhorar as propriedades das juntas soldadas so: a) antes da soldagem: pr aquecimento b) aps a soldagem: recozimento para alvio de tenses, recozimento pleno e normalizao. a) Pr aquecimento O pr aquecimento consiste em aquecer o metal base acima da temperatura ambiente antes da soldagem. Tem como objetivo, em princpio, a preveno de nucleao de trincas na zona de fuso e na zona afetada pelo calor. Os principais efeitos do pr aquecimento so: menor tendncia formao da martensita devido diminuio do tempo de resfriamento; reduo da dureza obtida na zona afetada pelo calor; diminuio das tenses e distores residuais; permitir que o hidrognio tenha possibilidade de se difundir, reduzindo a tendncia fissurao a frio. A temperatura de pr aquecimento no deve ser excessiva, devendo ser apenas a necessria para evitar o obteno da estrutura martenstica. O mesmo pode ser realizado em um forno com controle de temperatura ou atravs de maarico. As temperaturas de pr aquecimento so recomendadas em funo do teor de carbono ou do carbono equivalente e da espessura da liga a ser soldada. Para aos carbono, soldados por eletrodo revestido pode-se usar a equao seguinte para determinao da temperatura de pr aquecimento: T (oF) = 1000 x ( C - 0,11) + 18 x t onde: C = teor de carbono da liga t = espessura da junta (mm) T = temperatura de pr aquecimento (oF) Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 34

b) Tratamento Trmico de Alvio de Tenses O tratamento trmico de alvio de tenses consiste, basicamente, em aquecer uniformemente a pea, de maneira a que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores s tenses residuais. Nesta condio, as tenses residuais provocam deformaes plsticas locais diminuindo de intensidade. As tenses residuais em juntas soldadas so causadas pela contrao da junta quando esta resfriada aps a soldagem. Tenses de trao so geradas na regio da solda e de compresso, nas vizinhanas da mesma, no metal base, para equilibr-las. Este tratamento executado atravs do aquecimento da pea temperatura apropriada e pela manuteno nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um resfriamento uniforme de modo a impedir a introduo de novas tenses. Para impedir mudanas na microestrutura ou dimenses da pea, a temperatura mantida abaixo da temperatura crtica. Para os aos carbono, somente os tratamentos realizados em temperaturas superiores a 500oC so realmente eficazes. Para cada tipo de ao temperaturas especficas so recomendadas. c) Normalizao A normalizao consiste no aquecimento da pea a uma temperatura acima da zona crtica (temperatura A3), seguida de resfriamento ao ar. necessrio que a estrutura toda se austenitize antes do resfriamento. O objetivo da normalizao a obteno de uma microestrutura mais fina e uniforme. Os constituintes que se obtm da normalizao do ao carbono so ferrita e perlita fina ou cementita e perlita fina. Dependendo do tipo de ao pode-se, eventualmente, obter-se bainita. Via de regra, recomendvel a realizao de um revenimento na junta soldada aps o tratamento, para remover tenses residuais e diminuir a dureza.


35

Temperatura (oC)3

A

Curva de Resfriamento MI

M

f

Tempo d) Recozimento Pleno O recozimento consiste no aquecimento da pea acima da zona crtica (A3) durante o tempo necessrio para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento. A micro estrutura obtida nos aos carbono a perlita grossa e ferrita. Para os aos, a temperatura de recozimento corresponde a 50oC acima da temperatura de austenitizao, ou seja, cerca de 900 a 950oC para aos de baixo teor de carbono. Temperatura (oC)3

Curva de resfriamento

I

f

Tempo Materiais de aos baixa liga ou endurecveis ao ar sofrem uma reduo considervel de propriedades mecnicas com o recozimento pleno, no sendo, portanto, recomendado este tratamento para juntas soldadas destes tipos de aos. e) Tmpera e Revenimento Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 36

A tmpera consiste no aquecimento da pea acima da zona crtica seguido de resfriamento rpido. O objetivo da tmpera a obteno da estrutura martenstica resultando, por este motivo, o aumento da dureza e a reduo da tenacidade da pea. O revenimento o tratamento trmico que normalmente acompanha a tmpera, pois atenua os inconvenientes produzidos por esta. O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas bastante inferiores temperatura crtica, permitindo uma certa acomodao do sistema cristalino e, como conseqncia, a diminuio da dureza e o aumento da tenacidade da pea. A estrutura resultante chama-se de martensita revenida. Temperatura (oC)3

A

Curva de resfriamento

Revenimento MI

M

f

Tempo

2.7. Exerccios Propostos

1. Como voc pode delimitar o tamanho da zona afetada pelo calor de uma solda por fuso? 2. Defina reforo e largura do cordo de solda. Como estes parmetros variam com a corrente e velocidade de soldagem numa solda por eletrodo revestido? 3. Que variveis podem influenciar a velocidade de resfriamento num processo de soldagem? Explique como as mesmas se relacionam com a velocidade de resfriamento. 4. Conceitue energia de soldagem e mostre sua relao com os parmetros eltricos e geomtricos numa solda a arco voltaico.


37

5. Um vaso de presso de ao inoxidvel AISI 304L foi soldado pelo processo eletrodo revestido utilizando um eletrodo AWS E308LSi. Calcule qual ser a composio qumica aproximada do metal depositado considerando uma diluio de 25%. Dados: Metal Base: C = 0,03%, Mn = 1,00%, Si = 0,90%, Cr = 19,00% e Ni = 9,50% Metal de Adio: C = 0,02%, Si = 0,88%, Mn = 1,71%, Cr = 20,35% e Ni = 9,64% 6. Defina rendimento trmico e rendimento de fuso. Por que importante conhecer o rendimento trmico dos diversos processos de soldagem? 7. Desenhe esquematicamente as trs regies de uma solda a arco metlico e explique cada uma delas. 8. Com relao soldagem por fuso, qual das trs regies deve ser considerada a mais crtica: ZF, ZAC ou MB? Justifique sua resposta com um exemplo prtico. 9. Que alternativas podem ser utilizadas para diminuir a diluio numa junta soldada? 10. Por que a velocidade de resfriamento maior no incio e final do cordo do solda? 11. O que voc entende por temperatura mxima numa junta soldada? Por que importante conhecermos esta varivel? 12. Que artifcios podem ser utilizados para minimizar os efeitos da velocidade de resfriamento na cratera do cordo de solda? 13. Por que a energia de soldagem e o pr-aquecimento so as variveis mais importantes que afetam o ciclo trmico, do ponto de vista do engenheiro de soldagem? 14. Uma solda foi realizada utilizando uma temperatura de pr aquecimento de 100oC e uma outra foi realizada sem pr aquecimento. A primeira apresentou um menor valor para a velocidade de resfriamento. Explique o por que deste fato. 15. Por que a velocidade de resfriamento maior nas chapas mais espessas do que naquelas mais finas, considerando os mesmos parmetros de soldagem? 16. Por que a soldagem capaz de induzir fissuras num material? 17. Como varia a temperatura mxima e o tempo requerido para se atingir esta temperatura numa junta soldada por processo a arco voltaico? 18. A equao da temperatura mxima pode ser utilizada para vrias finalidades. Quais so elas? 19. Considere um processo de soldagem por arco metlico por proteo gasosa (MAG), quando se solda um perfil de ao carbono SAE 1030, de espessura 6 mm. Calcule o que se pede (utilize o diagrama Fe-C, se necessrio): Dados: Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 38

Densidade do ao carbono = 0,00785 g/mm3 Corrente de Soldagem = 140 A Calor especfico = 0,515 J/g.oC, Condutividade Trmica = 0,048 J/s.mm.oC Tenso = 23 V Veloc.de soldagem = 19 cm/min

a) Determine qual a distncia mxima do cordo de solda que a ZAC apresenta uma granulao grosseira. b) Determine a largura da ZAC. c) Determine a velocidade de resfriamento da ZAC, aps ter-se atingido a temperatura de 850oC. Considere que o soldador realizou um pr aquecimento de 200oC na junta. 20. Calcule quanto tempo uma solda realizada pelo processo MIG, junta em ngulo, chapa de espessura 15 mm demoraria para resfriar de 800 a 500oC? Considere a energia de soldagem calculada no exerccio anterior. Utilizar o diagrama de IRSID.


39

3. PROCESSOS DE SOLDAGEM3.1. Processo Eletrodo Revestido

A soldagem com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding SMAW) definida como um processo de soldagem a arco, onde a unio dos metais produzida pelo aquecimento oriundo de um arco eltrico estabelecido entre um eletrodo revestido e o metal de base, na junta a ser soldada. O metal fundido do eletrodo transferido atravs do arco at a poa de funo do metal de base, formando assim o metal de solda depositado. Uma escria, que formada do revestimento do eletrodo e das impurezas do metal de base, flutua para a superfcie e cobre o depsito, protegendo-o da contaminao atmosfrica e tambm controlando a taxa de resfriamento. O metal de adio vem da alma metlica do eletrodo (arame) e do revestimento, quando constitudo de p de ferro e elementos de liga. Apresenta-se na figura 4 um desenho esquemtico do processo de soldagem por eletrodo revestido.

Figura 4 Soldagem com Eletrodo Revestido Esse processo teve incio no princpio do sculo, com a utilizao de arames nus para cercas, ligados a rede eltrica. O resultado dessa prtica era realmente pobre, com srios problemas de instabilidade de arco e depsito de solda contaminados. Observou-se que arames Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 40

enferrujados, ou cobertos de cal, proporcionavam melhor estabilidade de arco, tendo-se adotado o eletrodo com revestimento cido ainda no comeo da primeira dcada. Observou-se tambm que, revestindo o arame com asbestos, o depsito era protegido da contaminao enquanto o algodo aumentava a penetrao do arco. Esses fatos marcaram, em meados daquela dcada, o advento do revestimento celulsico. Desde esses estgios iniciais, o desenvolvimento tem sido contnuo, podendo-se mencionar o advento dos eletrodos rutlicos, em meados da dcada de 30; do revestimento bsico, no incio da dcada seguinte; e da adio de p de ferro, em meados da dcada de 50. O processo de soldagem com eletrodo revestido usualmente operado manualmente. O equipamento bsico consiste de uma fonte de energia, alicate para fixao dos eletrodos, cabos de ligao, grampo (conector de terra), e o eletrodo. Representa-se na figura 5 os principais componentes do equipamento de soldagem com eletrodo revestido.

Figura 5 Equipamento para Soldagem com Eletrodo Revestido As principais vantagens e limitaes associadas a este processo so listadas a seguir: Equipamento simples, porttil e barato. No necessita de fluxos ou gases externos. Pouco sensvel a correntes de ar. Processo muito verstil, quanto ao tipo de materiais solveis. Facilidade para atingir reas restritas. Produtividade relativamente baixa Exige limpeza aps cada passe Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 41

Um eletrodo revestido constitudo por uma vareta de metlica, recoberta por uma camada de fluxo. So obtidos atravs de extruso, sob presso de um revestimento sobre a alma, usualmente um arame endireitado e cortado na dimenso. A partir da, uma seqncia de operaes de secagem precede o empacotamento final. A composio do revestimento determina as caracterstica operacionais dos eletrodos e influencia a composio qumica e propriedades mecnicas de solda. Os revestimentos so constitudos de produtos complexos que, de uma maneira geral, podem ser reunidos em trs grandes grupos: revestimentos a base mineral, revestimentos a base de matria orgnica e revestimentos bsicos, a base de carbonato de clcio. Os primeiros, a base de mineral, possibilitam a proteo do metal de solda, contra os efeitos nocivos do oxignio e do nitrognio do ar, fundamentalmente por meio de uma escria lquida. Os orgnicos protegem, principalmente, por meio de uma cortina gasosa, que produzida pela combusto do material orgnico do revestimento. Os tipos bsicos protegem a solda por ambos os princpios, sendo que esses geram escria de reao bsica. Nos outros tipos, a reao cida ou neutra. Os revestimentos so constitudo de produtos complexos que exercem, durante a soldagem inmeras funes. 1) Isolamento Eltrico - O revestimento mau condutor de eletricidade; ele isola o eletrodo evitando aberturas laterais do arco. 2) Isolamento Trmico - O eletrodo percorrido por correntes altas e devido ao seu comprimento h intensa gerao de calor; em parte o revestimento abriga este calor e evita sua perda. 3) Direcionamento do Arco Em certos casos, o revestimento funde-se com atraso em relao alma e em consequncia, forma-se na extremidade do mesmo, uma cratera que guia o metal fundido para a poa de fuso, estabilizando o arco e protegendo o metal fundido. A este efeito chamamos "Efeito Canho" ou "Efeito Pinch". 4) Funo Metalrgica O revestimento pode conter elementos de liga que, quando de sua fuso, ficam inseridos na junta. Muitos possuem p de ferro, que proporcionam uma maior produo de material de adio e um bom acabamento da solda. O silcio atua como agente desoxidante. Tambm da queima do revestimento, surgem gases redutores (CO e H2) e, desse modo, o conjunto resultante, composto por esses gases, escria fundida e poa metlica, se assemelha a forno de reduo. Aps a solidificao da poa metlica, a escria solidificada acima do metal, trata termicamente a solda evitando um resfriamento demasiadamente rpido. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 42

5) Proteo do Metal Fundido O revestimento funde formando uma pelcula de escria que recobre cada gota do metal em fuso e tambm a poa lquida, evitando o contato com o ar. Quando h gerao de grande quantidade de gases, a proteo da poa lquida se processa mais pela ao gasosa do que pela escria formada. 6) Funo Ionizante Os gases emanados do revestimento, quando da sua queima, so muito mais facilmente ionizveis do que o ar, por isto, propiciam uma abertura e manuteno mais fcil do arco. Os eletrodos revestidos so classificados tendo como base as propriedades mecnicas do metal de solda na condio como soldado, tipo de revestimento, posio de soldagem do eletrodo e tipo de corrente. A classificao estabelecida pela AWS (American Welding Society) identifica os eletrodos para ao agrupando-os em trs categorias: para aos de baixo carbono, para aos de baixa liga e para os aos de alta liga. A classificao de um eletrodo genrico para aos de baixo carbono (AWS A5.1) e baixa liga (AWS A5.5) tem a seguinte forma:

Os eletrodos para soldagem dos aos inoxidveis so classificados segundo a norma A5.4. A identificao consiste na letra E seguida por um conjunto de dgitos correspondendo a classificao AISI da liga e de um sufixo designando o tipo de revestimento. Somente dois tipos de revestimentos so previstos: bsico (sufixo 15) e rutlico (sufixo 16). O revestimento bsico usado para a soldagem com corrente contnua e polaridade inversa sendo que o rutlico pode operar tambm com corrente alternada. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 43

Os eletrodos para a soldagem de alumnio e suas ligas so classificados pela norma A5.3. So raramente utilizados, sendo classificados em trs grupos distintos: E1100, E3003 e E4013, correspondendo respectivamente a ligas Al, Al-Mn e Al-Si. A razo para o pequeno uso destes materiais que, nas aplicaes de responsabilidades, dada preferncia aos processos de soldagem ao arco sob proteo gasosa.

3.2. Processo de Soldagem TIG

A soldagem a arco com eletrodo no consumvel de tungstnio e proteo gasosa (Gas Tungsten Arc Welding GTAW) um processo na qual a unio de metais produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo de tungstnio no consumvel e a pea. A proteo durante a soldagem conseguida com um gs inerte ou mistura de gases inertes, que tambm tem a funo de transmitir a corrente eltrica quando ionizados durante o processo. A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adio. Quando feito com metal de adio, ele no transferido atravs do arco, mas fundido pelo arco. O eletrodo que conduz a corrente um arame de tungstnio puro ou liga deste material. A rea do arco protegida da contaminao atmosfrica pelo gs protetor, que flui do bico da pistola. O gs remove o ar, eliminando nitrognio, oxignio e hidrognio do contato com o metal fundido e com o eletrodo de tungstnio aquecido. Como no existem reaes metal-gs e metal-escria, no h grande gerao de fumos e gases, o que permite tima visibilidade para o soldador (controle e inspeo da poa e da solda). O custo dos equipamentos necessrios e dos consumveis usados relativamente alto e a produtividade ou rendimento do processo relativamente baixa, o que limita a sua aplicao a situaes em que a qualidade da solda produzida seja um dos fatores mais importantes. Neste processo h intensa emisso de radiao ultravioleta. O arco eltrico na soldagem TIG bastante suave, produzindo soldas com boa aparncia e acabamento, exigindo pouca ou nenhuma limpeza aps a operao. Permite soldar em vrias posies. A figura 6 mostra esquematicamente este processo


44

Figura 6 Soldagem TIG . Este processo aplicvel maioria dos metais e sua ligas, numa ampla faixa de espessura. Entretanto, em virtude de seu custo relativamente elevado, usado principalmente na soldagem de metais no ferrosos e aos aos inoxidveis, na soldagem de peas de pequena espessura (da ordem de milmetros) e no passe de raz na soldagem de tubulaes. O equipamento bsico usado na soldagem TIG consiste de uma fonte de energia eltrica, uma tocha de soldagem apropriada, uma fonte de gs protetor, um dispositivo para a abertura do arco, cabos e mangueiras. A soldagem TIG usualmente um processo manual mas pode ser mecanizado e at mesmo automatizado para permitir melhor controle do processo, maior produtividade, facilidade de operao. A fonte de corrente eltrica do tipo corrente constante, ajustvel, podendo ser contnua, alternada ou pulsada. A tocha de soldagem tem funo suportar o eletrodo de tungstnio, conduzir a corrente eltrica e fornecer de forma apropriada o gs de proteo. Em processos automatizados utiliza-se tocha retas e na soldagem de materiais de espessuras finas ou peas de pequena dimenso so normalmente utilizadas microtochas. As tochas TIG possuem internamente uma pina, que serve para segurar o eletrodo de tungstnio e fazer o contato eltrico. Alm disso, as tochas possuem ainda bocais para direcionamento do fluxo de gs, que podem ser cermicos ou metlicos. Estes bocais so fornecidos em diversos dimetros, que devem ser escolhidos em funo da espessura da pea a ser soldada ou da corrente de soldagem a ser usada. A fonte de gs protetor consiste de um cilindro ou cilindros de gs inerte e reguladores de presso e vazo de gases. No caso de misturas, pode ainda ser usado um misturador. A quantidade de gs proporcional ao dimetro do eletrodo de tungstnio e do bocal de gs. Na soldagem com eletrodos consumveis, geralmente se faz a abertura do arco tocando o eletrodo na pea e estabelecendo um curto circuito momentneo. Na soldagem TIG isto no Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 45

recomendvel pois pode favorecer a transferncia de tungstnio para a pea, alm de danificar o eletrodo, que geralmente apontado antes do incio da operao. Vrios dispositivos podem ser usados para permitir o incio do arco sem tocar a pea, como um arco piloto, contudo o mais usado atualmente o chamado ignitor de alta frequncia. A alta frequncia evita a queda de tenso nos pontos neutros (passagem de um perodo para o outro). Os consumveis principais na soldagem TIG so os gases de proteo e as varetas e arames de metal de adio. Os eletrodos de tungstnio, apesar de serem ditos no consumveis, se desgastam durante o processo, devendo ser recondicionados e substitudos com certa frequncia. Os gases de proteo mais comumente usados na soldagem TIG so o argnio, hlio ou mistura destes gases. A seleo do gs de proteo feita principalmente em funo do tipo de metal que se quer soldar, da posio de soldagem e da espessura das peas a unir. O argnio muitas vezes preferido em relao ao hlio porque apresenta vrias vantagens: *3 Ao do arco mais suave e sem turbulncias. Mais fcil a iniciao do arco. *4 Menor tenso no arco para uma dada corrente e comprimento de arco. *5 Maior ao de limpeza na soldagem de materiais como alumnio e magnsio, em corrente alternada. *6 *7 *8 Menor custo e maior disponibilidade. Menor vazo de gs para uma boa proteo. Melhor resistncia a corrente de ar transversal.

Na soldagem TIG manual, o metal de adio fornecido na forma de varetas de comprimento em torno de 1 m, enquanto que na soldagem automatizada, o mesmo fornecido na forma de um fio enrolado em bobinas. O dimetro do fio e varetas padronizado e varia de 0,5 a 5,0 mm. Os metais de adio so encontrados numa ampla faixa de materiais e ligas, sendo classificados de acordo com sua composio qumica e com as propriedades mecnicas do metal depositado. O eletrodo normalmente usado na soldagem TIG um eletrodo de tungstnio puro ou ligado com tria (xido de trio) ou zircnia (xido de zircnio). A seleo sobre qual o mais adequado para determinada aplicao feita em funo do material de base, da espessura da pea e do tipo e valor da corrente de soldagem.


46

* Eletrodo de Tungstnio Puro: Vantagens: Mais barato. Quando utilizado em corrente alternada, propicia pequeno efeito de retificao da corrente. Boa estabilidade do arco eltrico. Desvantagens: No bom emissor de eltrons. Fcil desgaste. No suporta altas correntes. Usado na soldagem do alumnio e suas ligas, com ngulo de afiao de 90. * Eletrodo de Tungstnio Toriado: Vantagens: Difcil desgaste (no se verifica o arredondamento da ponta). Suporta altas correntes. Bom emissor de eltrons. Desvantagens: Mais caro. Quando utilizado em corrente alternada, propicia o efeito de retificao da corrente. Reduzida estabilidade Cor de identificao: amarelo (0,9 a 1,2% de tria), lils (2,8 a 3,2% de tria) e laranja (3,8 a 4,2% de tria). Normalmente utilizado com corrente contnua e na soldagem dos aos carbono e baixa liga. ngulo de afiao de 30 a 50. * Eletrodo de Tungstnio Zirconiado: Cor de identificao: marrom (0,3 a 0,5% de zircnia) e branco (0,7 a 0,9% de zircnia). Normalmente utilizado com corrente alternada. Os eletrodos so geralmente apontados antes de se iniciar a operao de soldagem, sendo esta varivel bastante importante para se garantir uma boa repetitividade de resultados. Na soldagem com corrente contnua (eletrodo negativo), o ngulo de afiao do eletrodo ordem de 30 a 45, sendo realizado por meio de esmerilhamento. Os riscos do esmerilhamento devem ter a direo pararela ao eixo do eletrodo. Na soldagem com corrente alternada, eletrodos com dimetros inferiores a 1,6 mm no so afiados e com dimetros maiores ou iguais a 1,6 mm so afiados com ngulo aproximado de 90.D Se a extremidade do eletrodo for contaminada pelo contato com a poa de fuso ou com

a vareta, ento essa parte deve ser eliminada.30o

Soldagem com corrente contnua (eletrodo negativo) 47

Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos MateriaisComprimento ~ 2 D

D

D

Soldagem com corrente alternada90o

D 1,6 mm

D < 1,6 mm

3.3. Processo MIG/MAG

A soldagem MIG/MAG usa o calor de um arco eltrico entre um eletrodo nu alimentado de maneira contnua e o metal de base. O calor funde o final do eletrodo e a superfcie do metal de base para formar a solda. A proteo do arco e da poa de solda fundida vem inteiramente de um gs alimentado externamente, o qual pode ser inerte, ativo ou mistura destes. Portanto dependendo do gs poderemos ter os seguintes processos: Processo MIG (Metal Inert Gas): injeo de gs inerte. O gs pode ser argnio, hlio, argnio + 1 a 3% de O2. Processo MAG (Metal Active Gas): injeo de gs ativo ou mistura de gases que perdem a caracterstica de inertes, quando parte do metal de solda oxidado. Os gases utilizados so CO2 , CO2 + 5 a 10% O2, argnio + 15 a 30% CO2 , argnio + 5 a 15% O2, argnio + 25 a 30% N2.

-


48

A figura 7 mostra esquematicamente o processo de soldagem MIG/MAG. Este processo tambm conhecido por GMAW (Gas Metal Arc Welding).

Figura 7 Processo de Soldagem MIG/MAG Escrias formadas nos processos de soldagem com eletrodo revestido e a arco submerso, no formam no processo de soldagem MIG/ MAG, porque neste processo no se usa fluxo. No entanto, um filme vtreo (que tem o aspecto de vidro) de slica se forma de eletrodos de alto silcio, o qual deve ser tratado como escria. A soldagem MIG/ MAG um processo normalmente semi-automtico, em que a alimentao do arame eletrodo feita mecanicamente, atravs de um alimentador motorizado, e o soldador responsvel pela iniciao e interrupo da soldagem, alm de mover a tocha ao longo da junta. A manuteno do arco garantida pela alimentao contnua de arame eletrodo e o comprimento do arco , em princpio, mantido aproximadamente constante pelo prprio sistema, independentemente dos movimentos do soldador, dentro de certos limites. O calor gerado pelo arco usado para fundir as peas a serem unidas e o arame eletrodo, que transferido para a junta e constitui o metal de adio. A soldagem GMAW pode ser usada em materiais numa ampla faixa de espessuras, como mostra a tabela 2, tanto em ferrosos como em no ferrosos. O dimetro dos eletrodos usados varia entre 0,8 a 3,2 mm. O processo MAG utilizado apenas na soldagem de materiais ferrosos, enquanto a soldagem MIG pode ser usada tanto na soldagem de ferrosos quanto no ferrosos, como alumnio, cobre, magnsio, nquel e suas ligas. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 49

Tabela 2 Forma de preparao para diversas espessuras a soldar pelo processo MIG/ MAGEspessura (mm) Procedimento Passe nico sem preparao Passe nico com preparao Passes mltiplos 0,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10,0 12,7....

A soldagem MIG/ MAG usada em fabricao e manuteno de equipamentos e peas metlicas, na recuperao de peas desgastadas e no recobrimento de superfcies metlicas com materiais especiais. A soldagem GMAW tem sido uma das que apresentaram um maior crescimento em termos de utilizao, nos ltimos anos, em escala mundial. Este crescimento ocorre principalmente devido tendncia substituio, sempre que possvel, da soldagem manual por processos semi-automticos, mecanizados e automticos, para a obteno de maior produtividade em soldagem. A mesma tem se mostrado uma das mais adequadas, dentre os processos de soldagem a arco, soldagem automtica e com a utilizao de robs. A soldagem MIG/ MAG um processo bastante verstil. As maiores vantagens so: Alta taxa de deposio em relao a soldagem com eletrodo revestido. Menos gs e fumaa na soldagem. Alto fator de trabalho do soldador (tempo de arco aberto sobre tempo total de soldagem). Alta versatilidade quanto ao tipo de material e espessuras aplicveis. No existncia de fluxos de soldagem e, consequentemente, ausncia de operaes de remoo de escria. Larga capacidade de aplicao. Exigncia de menor habilidade do soldador, quando comparada com a soldagem por eletrodo revestido. A soldagem pode ser executada em todas as posies. A principal limitao da soldagem MIG/ MAG a sua maior sensibilidade variao dos parmetros eltricos de operao do arco de soldagem, que influenciam diretamente na qualidade do cordo de solda depositado. Alm da necessidade de um ajuste rigoroso de parmetros para se obter um determinado conjunto de caractersticas para a solda, a determinao destes parmetros


50

para se obter uma solda adequada dificultada pela forte interdependncia destes e por sua influncia no resultado final da solda produzida. Outras limitaes do processo so: Maior custo de equipamento. Maior necessidade de manuteno dos equipamentos. Menor variedade de consumveis. Maior velocidade de resfriamento por no haver escria, o que aumenta a ocorrncia de trincas, principalmente no caso de aos temperveis. Na soldagem com eletrodos consumveis, o metal fundido na ponta do eletrodo tem que se transferir para a poa de fuso. O modo de ocorrncia desta transferncia muito importante na soldagem GMAW, pois afeta muitas caractersticas do processo, como por exemplo: a quantidade de gases (principalmente hidrognio, nitrognio e oxignio) absorvidos pelo metal fundido, a estabilidade do arco, a aplicabilidade do processo em determinadas posies de soldagem e o nvel de respingos gerados. De um modo geral pode-se considerar que existem quatro formas bsicas de transferncia de metal de adio do eletrodo para a pea: transferncia por curto-circuito, transferncia globular, transferncia por spray ou por pulverizao axial e transferncia por arco pulsante. Transferncia por Curto-Circuito Este modo de transferncia ocorre para baixos valores de tenso e corrente de soldagem, sendo por isto um processo de energia relativamente baixa, o que restringe seu uso para espessuras maiores. Este processo permite a soldagem em todas as posies. A fuso inicia-se globularmente com a formao de uma gota de metal na ponta do eletrodo e esta vai aumentando de tamanho at tocar a poa de fuso produzindo um curto circuito (aumento relativo da corrente de soldagem e abaixamento momentneo da tenso) e extinguindo o arco. Sob ao da fora de tenso superficial, a gota transferida para a pea. Este modo de transferncia caracteriza-se por uma grande instabilidade do arco, podendo apresentar a formao intensa de respingos. A quantidade de respingos pode ser limitada pela seleo adequada de parmetros de soldagem e ajuste da fonte de energia. Transferncia Globular


51

Este tipo ocorre para valores intermedirios de tenso e corrente de soldagem e resulta em arco mais estvel que no caso anterior. Sua ocorrncia , tambm, bastante comum quando se usa o CO2 e hlio como gases de proteo. O metal se transfere para a poa como glbulos, cujo dimetro mdio varia com a corrente, tendendo a diminuir com o aumento desta, podendo ser maior ou menor que o dimetro do eletrodo. Os glbulos se transferem para a poa sem muita direo e o aparecimento de respingos relativamente elevado. Como as gotas de metal fundido se transferem principalmente por ao da gravidade, sua utilizao limitada posio plana. Transferncia por Spray ou por Pulverizao Axial medida que se aumenta a corrente de soldagem, o dimetro mdio das gotas de metal lquido que se transferem para a pea diminui, at que, acima de certa faixa, h uma mudana brusca no modo de transferncia, que passa de globular para spray. Neste modo, as gotas de metal so extremamente pequenas e seu nmero bastante elevado. A corrente (faixa) na qual ocorre esta mudana no modo de transferncia conhecida como corrente de transio. A transferncia por spray s ocorre para elevadas densidades de corrente e quando se usa argnio ou misturas ricas em argnio como gs de proteo. Com a transferncia por spray a taxa de deposio pode chegar a 10 kg/h. Entretanto, essa taxa de deposio restringe o mtodo posio plana devido ao tamanho elevado da poa de fuso, de difcil controle. Como esta transferncia s possvel em correntes elevadas, ela no pode ser usada na soldagem de chapas finas, e ainda pode dar origem a outro problema que a possibilidade de ocorrncia de falta de fuso, devido ao jato metlico ser dirigido para regies que no tenham sido suficientemente aquecidas. Transferncia por Arco Pulsante A transferncia pulsada um tipo de transferncia globular mais estvel e uniforme, conseguido pela pulsao da corrente de soldagem em dois patamares, um inferior corrente de transio (conhecido como corrente de base), e outro superior a esta (corrente de pico), de modo que durante o perodo de tempo em a corrente baixa, uma gota se forma e cresce na ponta do eletrodo e transferida quando o valor da corrente elevado. Esta caracterstica de corrente de soldagem faz com que a energia de soldagem seja menor, o que torna possvel a soldagem na posio vertical pelo uso de arames de dimetros grandes. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 52

O equipamento de soldagem MIG/ MAG consiste de uma pistola (tocha) de soldagem, uma fonte de energia, um suprimento de gs de proteo e um sistema de acionamento de arame. Para que um processo de soldagem com eletrodo consumvel seja estvel, necessrio que a velocidade de consumo (de fuso) do eletrodo seja, em mdia, igual velocidade de alimentao deste, de modo que o comprimento do arco permanea relativamente constante. Na soldagem GMAW, existem duas formas de se conseguir este objetivo: permitir que o equipamento controle a velocidade de alimentao de modo a igual-la velocidade de fuso, ou manter a primeira constante e permitir variaes nos parmetros de soldagem de modo a manter a velocidade de consumo, aproximadamente constante e, em mdia, igual velocidade de alimentao. A maioria das aplicaes da soldagem MIG/ MAG requer energia com corrente contnua e polaridade inversa (eletrodo positivo). Nesta situao tem-se um arco mais estvel, transferncia estvel, menor quantidade de respingos, e cordo de solda com boas caractersticas. Corrente contnua com polaridade direta (eletrodo negativo) no normalmente usada e, corrente alternada no nunca utilizada para este processo. A pistola (tocha) de soldagem contm um tubo de contato para transmitir a corrente de soldagem para o eletrodo e um bocal de gs para direcionar o gs protetor. O bico de contato um tubo base de cobre, cujo dimetro interno ligeiramente superior ao dimetro do arame eletrodo. O bocal feito de cobre ou material cermico e deve ter um dimetro compatvel com a corrente de soldagem e o fluxo de gs a serem usados numa dada aplicao. As tochas para soldagem MIG/ MAG podem ser refrigeradas a gua ou pelo prprio gs de proteo, dependendo de sua capacidade e do fator de trabalho. O alimentador de arame acionado por um motor de corrente contnua e fornece arame a uma velocidade constante, ajustvel numa ampla faixa. No existe qualquer ligao entre o alimentador e a fonte de energia, entretanto, ajustando-se a velocidade de alimentao do arame, ajusta-se a corrente de soldagem fornecida pela mquina, devido s caractersticas da fonte e do processo. O arame passado por um conjunto de roletes, que podem estar prximos ou longe da tocha de soldagem. O escoamento do gs protetor regulado pelo fluxmetro e regulador-redutor de presso. Estes possibilitam fornecimento constante de gs para o bico da pistola. Os arames para soldagem so constitudos de metais ou ligas metlicas que possuem composio qumica, dureza, condies superficiais e dimenses bem controladas. Arames de m Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 53

qualidade em termos destas propriedades podem produzir falhas na alimentao, instabilidade do arco e descontinuidades no cordo de solda. Arames de ao carbono geralmente recebem uma camada superficial de cobre com o objetivo de melhorar seu acabamento superficial e seu contato eltrico com o bico de cobre. Os arames de ao usados na soldagem MAG contm maiores teores de silcio e mangans em sua composio devido sua ao desoxidante. A seleo do arame a ser usado numa dada operao feita em termos da composio qumica e propriedades mecnicas desejadas para a solda. A classificao de arames para soldagem de aos carbono tem a seguinte classificao: ER XXY ZZ, onde: * ER indica que se trata de eletrodos (E) ou varetas (R) para soldagem a arco. * Os dgitos representados por X (em nmero de dois ou trs), mos

tram a resistncia trao mnima do metal depositado, em 103 psi. * O dgito Y pode ser um S para arame slido para soldagem, um C para arames indicados para revestimento duro ou um T para arames tubulares. * Os dgitos representados por Z, indicam a classe de composio qumica do arame e outras caractersticas. A finalidade principal do gs protetor em soldagem MIG/ MAG proteger a solda da contaminao atmosfrica. O gs protetor tambm influi no tipo de transferncia, na profundidade de penetrao, no formato do cordo, velocidade mxima de soldagem, tendncia ao aparecimento de mordeduras e custo da soldagem. Os gases inertes puros so usados principalmente na soldagem de metais no ferrosos, particularmente os mais reativos, como o alumnio e o magnsio. Na soldagem de ferrosos, a adio de pequenas quantidades de gases ativos melhora sensivelmente a estabilidade do arco e a transferncia de metal. Nitrognio e misturas com nitrognio so usados na soldagem de cobre e algumas de sua ligas. A abertura do arco se d por toque do eletrodo na pea. Como a alimentao mecanizada, o incio da soldagem feito aproximando-se a tocha da pea e acionando-se o gatilho. Neste Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 54

instante iniciado o fluxo de gs protetor, a alimentao de arame e a energizao do circuito de soldagem. Depois da formao da poa de fuso, a tocha deslocada ao longo da junta, com uma velocidade uniforme. Movimento de tecimento do cordo pode ser executado quando necessrio. Ao final da operao, simplesmente se solta o gatilho da tocha e so interrompidos a corrente de soldagem, a alimentao de arame e o fluxo de gs, extinguindo-se o arco.

3.4. Soldagem por Resistncia Eltrica

A soldagem por resistncia pertence ao grupo dos processos de soldagem por presso, e neste aos processos nos quais utilizado o calor produzido pela passagem da corrente por um condutor metlico. Neste processo no se utilizam metais de adio, sendo que, em casos excepcionais, pode-se usar retalhos de chapas colocados na junta ou entre as peas a soldar. As peas em contato ou que se sobrepe so aquecidas localmente devido passagem da corrente e do conseqente aquecimento por efeito joule, onde a transformao energtica depende das resistncias especficas das parte em contato, da soma das resistncias de transio bem como da intensidade da corrente segundo a Lei de Joule: Q = I2 x R x t onde: Q = energia I = intensidade da corrente t = tempo da passagem da corrente R = resistncia O aquecimento normalmente controlado para se obter uma temperatura prxima ao ponto de fuso do metal a ser soldado (temperatura liquidus). Ao mesmo tempo, uma fora aplicada na solda, causando uma deformao plstica das reas de contato e pressionando-as conjuntamente. J que as resistncias do contato eletrodo/pea, pea/pea dependem alm do estado da superfcie, de forma significativa da presso do eletrodo, esta presso do aperto um dos mais importantes parmetros do processo que muito influencia o resultado da soldagem. Os tempos de soldagem aplicados so muito curtos (em torno de 0,1 a 1 segundo para soldagem por pontos), o que limita sobremaneira a zona afetada pelo calor. Na soldagem por centelhamento, os tempos so maiores e podem, para grandes reas de fuso, alcanar alguns minutos. Tecnologia Mecnica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 55

Como as resistncias eltricas na solda so muito pequenas, na ordem de 50 a 500 , so necessrias altas correntes para gerar suficiente aquecimento (heat input). Dependendo das dimenses, geometria e propriedades fsicas das peas, correntes na faixa de 1 a 100 kA so aplicadas. A tenso de soldagem normalmente inferior a 15 V (entre 2 a 12 V), na faixa sem perigo para o operador. Na soldagem por resistncia, as propriedades fsicas dos materiais exercem uma influncia decisiva na soldabilidade em relao aos outros processos de soldagem. Isto deve-se parcialmente ao fato de que a condu

Documents

APOSTILA Metalurgia e Processo de Sold. ( Mto Boa!)