Segundo Modenesi (2001) designa-se como descontinuidade a qualquer interrupção da estrutura típica (ou esperada) de uma junta soldada. Neste sentido, pode-se considerar como descontinuidade a falta de homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas do material ou da solda.
Existem vários tipos de descontinuidades que podem ocorrer na soldagem do alumínio, tais como: porosidade, inclusão, mordedura, falta de penetração e trincas de solidificações.
2.6.1 Porosidade
Porosidade é formada pela evolução de gases, na junta da solda durante a solidificação da zona de fusão. Os poros têm usualmente um formato esférico, embora poros alongados (porosidade vermiforme) possam ser formados, em geral, associados com o hidrogênio (MODENESI, 2001), ilustrado na Figura 4.
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Figura 4: Formação de porosidade em uma junta soldada (SENAI-MG, 2004)
É fato bem demonstrado que uma quantidade pequena de porosidade esférica, dispersa uniformemente através da solda, tem pouca ou nenhuma influência sobre a resistência da junta. Todavia, se a porosidade estiver presente em grande quantidade ou alinhada, a resistência e ductilidade da junta ficam comprometidas.
Quanto à sua distribuição na solda, a porosidade pode ser dividida em: (a) uniformemente distribuída, (b) agrupada (associada, em geral, com pontos de abertura ou de interrupção do arco) e (c) alinhada (que ocorre, em geral, no passe de raiz), conforme a Figura 5 (MODENESI, 2001).
(a) (b) (c) Figura 5: Formas de distribuição de porosidade: (a) distribuída, (b) agrupada e
O hidrogênio é o único gás que é significativamente insolúvel em alumínio, considerando que o diâmetro atômico do hidrogênio é menor que o do alumínio, conseguindo melhor solubilidade. Quando submetida a temperaturas inferiores à de fusão do alumínio, a solubilidade do hidrogênio aumenta em percentuais pequenos em relação ao aumento maior de temperatura, devido ao alumínio ainda se encontrar no estado sólido. Quando o alumínio passa para o estado líquido, a absorção do hidrogênio se torna mais intensa, resultado do crescimento dos espaços Inter atômicos. A partir do momento que o metal está totalmente líquido a absorção do hidrogênio volta a acontecer em percentuais menores até que chegue a um limite de solubilidade do hidrogênio dentro do alumínio, como mostra o gráfico da Figura 6 (DEVLETIAN, J.H.; WOOD, W.E., 1984).
Figura 6: Solubilidade do alumínio no hidrogênio (DEVLETIAN; WOOD, 1987)
Desta forma, conclui-se que a principal forma para formação da porosidade é a introdução de hidrogênio proveniente de fontes externas, tais como: vapor d’água, óleo, graxa, etc., dentro da atmosfera do arco de modo que, assim, o hidrogênio penetra na poça de fusão.
O gás pode entrar na poça de fusão provindo basicamente de três fontes principais: o conteúdo de hidrogênio inicial do metal base, do metal de adição e o
gás de proteção. Podem-se resumir as fontes de contaminação por hidrogênio, causadoras da porosidade, da seguinte forma:
- Através do metal de adição, sendo que o mesmo, independente de sua qualidade original, podendo contaminar-se durante o manuseio ou na armazenagem; - As condições superficiais do metal de base (DEVLETIAN; WOOD, 1987) demonstram que a camada superficial do alumínio, composta por óxido de alumínio (Al2O3), retém umidade e contaminantes que contribuem na formação de porosidade. Óxidos, hidrocarbonetos e umidade nas superfícies do metal base proporcionam a dissociação do hidrogênio quando aquecidos pela ação do arco elétrico;
Os possíveis contaminantes, presentes no metal base podem ser classificados em:
a) Compostos formados pela reação entre a atmosfera e a superfície do metal e produtos corrosivos;
b) Substâncias física ou quimicamente adsorvidas pela camada de óxido, como água, óleo, graxas, solventes, etc.
2.6.2 Inclusão de escória
Este termo é usado para descrever partículas de óxido e outros sólidos não- metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal de base (Figura 7). Em vários processos de soldagem, uma escória é formada por materiais pouco solúveis no metal fundido e que tendem a sobrenadar na superfície da poça de fusão devido à sua menor densidade. Uma manipulação inadequada do eletrodo durante a soldagem pode fazer com que parte da escória escoe a frente da poça de fusão aprisionando-a sob o cordão. Adicionalmente, na soldagem com vários passes, parte da escória depositada com um passe pode ser inadequadamente removida e não ser refundida pelo passe seguinte ficando aprisionada sob este passe. Diversos fatores podem dificultar a remoção da escória, incluindo, a formação de um cordão irregular ou o uso de um chanfro muito fechado. Este tipo de descontinuidade aparece, em geral, com uma forma alongada em radiografias. Inclusões de escória podem agir como concentradores de tensão favorecendo a iniciação de trincas (MODENESI, 2001).
Figura 7: Inclusão de escória na solda (MODENESI, 2001)
2.6.3 Mordeduras
Este termo é usado para descrever reentrâncias agudas formadas pela ação da fonte de calor do arco entre um passe de solda e o metal de base ou um outro passe adjacente. Quando formada na última camada do cordão, a mordedura causa uma redução da espessura da junta e atua como um concentrador de tensões (Figura 8). Quando formada no interior da solda, ela pode ocasionar a formação de uma falta de fusão ou de inclusão de escória. Mordeduras são causadas por manipulação inadequada do eletrodo, comprimento excessivo do arco e por corrente ou velocidade de soldagem elevadas. A tendência à formação desta descontinuidade depende também do tipo de consumível (eletrodo, fluxo ou gás de proteção) usado (MODENESI, 2001)
Figura 8: Mordedura na solda (MODENESI, 2001)
2.6.4 Falta de penetração
O termo refere-se à falha em se fundir e encher completamente a raiz da junta (Figura 9). A falta de penetração é causada por diversos fatores, destacando-se a manipulação incorreta do eletrodo, um projeto inadequado da junta (ângulo de chanfro ou abertura da raiz pequena) ou, alternativamente, a escolha de um eletrodo muito grande para um dado chanfro (em ambos os casos, torna-se difícil, ou impossível, direcionar o arco para a raiz da junta) e o uso de uma baixa energia de soldagem. Falta de penetração causa uma redução da seção útil da solda além de ser um concentrador de tensões. Deve-se ressaltar que, frequentemente, juntas são especificadas para terem penetração parcial. Nesses casos, a falta de penetração,
desde que mantida nos limites especificados não é considerada como um defeito de soldagem (MODENESI, 2001)
Figura 9: Falta de penetração na solda (MODENESI, 2001)
2.6.5 Trincas de solidificação
Trincas têm origem metalúrgica e podem ser consequência do processo de fabricação anterior à soldagem, do próprio processo de soldagem ou ainda das condições de serviço a que o componente soldado será submetido (MENDES DA SILVA, 2003).
As trincas decorrentes do processo de soldagem podem ser de vários tipos e ter diferentes causas de formação. De uma forma geral, pode-se dizer que estas causas de formação são resultados da susceptibilidade do material de base e do ciclo térmico a que a liga foi submetida (MENDES DA SILVA, 2003).
Estes tipos de trincas (decorrentes do processo de soldagem) podem ser agrupados em duas grandes categorias, ou seja, trincas a frio e a quente, segundo definição da Associação Americana de Soldagem. As trincas a frio ocorrem após a solidificação da solda e estão geralmente associadas à presença de hidrogênio. As trincas a quente ocorrem em temperaturas elevadas, próximas ao ponto de fusão e durante a solidificação da solda (Wainer et al., 1992).
As trincas à quente devidas à soldagem são classificadas como trincas de solidificação e trincas de liquação. A trinca de liquação, embora resultado de semelhante mecanismo de formação, ocorre em regiões sólidas (zona afetada de calor). Já as trincas de solidificação têm origem em um mecanismo de segregação metalúrgica e ocorrem na zona fundida (ZF) (MENDES DA SILVA, 2003).
As trincas de solidificação podem apresentar-se de diversas formas, denominadas de acordo com seu local de aparecimento e sua orientação. As denominações mais comuns para este tipo de trinca de solidificação são: trincas de crateras, trincas longitudinais e trincas transversais no cordão (Okumura & Taniguchi, 1982).
As trincas de cratera são originadas pela interrupção repentina do arco voltaico, o que ocasiona o fenômeno de rechupe tão logo a poça de fusão se
solidifique, já que não há mais material para preencher o vazio decorrente da contração de solidificação da poça fundida. Isto ocorre mais nitidamente no alumínio, devido ao fato do alumínio fundido contrair cerca de 6% do seu volume quando se solidifica, cerca de duas vezes mais do que o ferro. As tensões térmicas, aliadas às condições favoráveis do metal durante a formação do rechupe, provocam as trincas, que por semelhança visual, são chamadas de cratera (MENDES DA SILVA, 2003).
As trincas longitudinais no cordão são ocasionadas por tensões transversais através da junta e perda da resistência mecânica do metal de solda durante a solidificação, sendo bastante comuns em soldas de alumínio. Já as trincas transversais no cordão não são comuns em soldas de alumínio e as tensões devem ser paralelas ao eixo da solda (MENDES DA SILVA, 2003).
2.7 DILUIÇÃO
Chama-se diluição da solda à quantidade do metal de base que se funde e participa da formação do metal de solda. A participação do metal de base na composição química do metal de solda ocorre sempre nos processos de soldagem por fusão, pois esta é a única forma de assegurar que haja a continuidade no conjunto soldado (Nadezhdin; Davison, 2004). Contudo, é possível reduzir a valores mínimos este nível de participação (diluição) em algumas aplicações.
A diluição depende do tipo de junta, tipo de processo e parâmetros utilizados. Pode variar desde poucos percentuais, indicado para a soldagem de revestimento, até 100%, na soldagem autógena (sem adição de consumível), sendo o seu valor usual na faixa de 20 a 40% para os processos de soldagem por fusão convencionais (RYUICHI; HIROSHIGE, 2005).
O efeito da diluição nas transformações que podem ocorrer durante a soldagem é maior quando se solda materiais dissimilares (Silva et al., 2009). A mistura das composições entre o metal de adição e o metal de base pode favorecer uma composição intermediária e propriedades totalmente diferentes daquelas que se esperaria para a solda (CALLISTER, 2006).
Kou (2002) mostra a variação da temperatura solidus em função da diluição de dois materiais de bases, AA 6061 e AA 6082. Nestas condições, o material de adição ER 4043 possui uma faixa de diluição de 0 a 100% tanto para o material de base AA 6082, quanto para o ER 6061. Já o ER 5356 apresenta um comportamento negativo para valores de diluição acima de 45% quando aplicado ao material de
base AA 6082. Quando comparado ER 6061, o comportamento de ambos os materiais de adição é semelhante, sem efeito negativo para altas diluições.
Além disso, pode-se observar que a temperatura solidus do AA 6061 é maior do que a temperatura solidus das soldas realizadas com os materiais de adição ER 4043 e ER 5356, portanto ficando livre de trincas de liquação, a não ser o ER 5356 quando aplicado a altos valores de diluição. A Figura 10 mostra tal comportamento.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MATERIAL DE ADIÇÃO
Dos materias de adição, foram escolhidos os ER 4043 e ER 5356. O primeiro foi determinado devido Andrade (2012) conseguir resultados satisfatórios em seu trabalho soldando chapas testes na liga AA5052. Outro fator é a fácil soldabilidade deste consumível devida sua boa fluidez, favorecendo a obtenção de elevados resultados de rendimento.
Já o segundo citado, foi escolhido por ser da mesma classe do material de base. Este possui excelente resistência à corrosão e altas características mecânicas, além de ser aplicado na indústria automobilística, naval e na fabricação de tanques (SOLDOR, 2014). A Tabela 2 apresenta a composição quimica dos dois materiais de adição.
Tabela 2: Composição quimica dos materiais de adição (HARRIS-BRASTAK, 2014) ER 4043 (%) Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Be Balanço 4,5- 6,0 0,8 0,30 0,05 0,05 - 0,10 0,20 0,0003 ER 5356 (%) Balanço 0,25 0,40 0,10 0,05- 0,20 4,5- 5,5 0,05- 0,20 0,10 0,06- 0,20 0,0003 3.2 GÁS DE PROTEÇÃO
Segundo a literatura, os gases mais utilizados na soldagem de alumínio são o argônio e o hélio ou uma mistura desses dois gases. No entanto o argônio é o de uso mais geral, por ser o mais barato, além de proporcionar boas propriedades na soldagem. Portanto, foi escolhido o argônio como gás de proteção para a realização do presente trabalho com a vazão de 15 l/min.