Parte 3
Ref. bibliográfica:- Universidade Federal de Minas Gerais - Prof. Paulo J. Modenesi - Soldagem: Arildomá Lobato Peixoto
- Petrocenter: Prof. Simei
Soldagem:
É um termo genérico aplicado à um processo de fabricação, utilizado na união de peças metálicas (ou não), tendo como princípio termodinâmico básico a transformação das superfícies de união em estado líquido (poça de fusão), utilizando-se para isso de calor ou pressão, ou ambos simultaneamente, e com a posterior solidificação desta poça fundida.
Histórico da soldagem
A SOLDAGEM é um dos processos de fabricação hoje mais utilizados em nível industrial, nas mais variadas aplicações. A utilizamos desde para união microscópica de fios em pequenos circuitos eletrônicos (solda brasagem seletiva de baixo aporte), até para união de chapas de grande espessura em equipamentos pesados, como as utilizadas em navios, vagões e vagonetas, estruturas metálicas ou em turbinas hidráulicas.
Atualmente são usados mais de 50 tipos de processos diferentes de soldagem, nos mais diversos segmentos da indústria e em serviços.
Desta forma os métodos de soldagem e as características das juntas soldadas podem ser totalmente diferentes para aplicações específicas ou não. Sem exceção, esta seleção de um processo ideal, dependerá muito de basicamente de 5 (cinco) fatores distintos
- Geométricos: da forma, espessura e geometria das peças (ou conjuntos) a serem soldados;
- Metalúrgicos: do tipo de material (ou materiais) que se pretende unir – entende-se sempre pelo metal de base e de adição;
- Processo: do tipo de processo de soldagem, dominado industrialmente, comumente utilizado e disponível (máquina, consumível, mão-de-obra qualificada, etc);
- Desempenho: do desempenho esperado para com o processo e para com os componentes soldados frente às condições de serviço e as solicitações de carga (estáticas e/ou cíclicas);
- Custo: do custo total do processo, envolvendo treinamento de pessoal, condições de segurança, materiais, etc.
Vantagens: - Juntas de integridades e eficiências elevadas; - Grande variedade de processos;
- Aplicável em diversos materiais (quando compatíveis); - Operação manual ou automática;
- Pode ser altamente portátil;
- Juntas podem ser isentas de vazamentos (estanques); - Custo em geral, razoavelmente baixo;
- Junta não apresenta problemas de perda de aperto; - Não existe problemas de corrosão por frestas; - Uniformidade
Desvantagens: - Não pode ser desmontada;
- Pode afetar microestrutura e propriedade das partes (ZAT); - Pode causar distorções e tensões residuais;
- Requer considerável habilidade do operador; - Requer qualificação de mão-de-obra;
- Pode exigir operações auxiliares de elevado custo e duração (ex: tratamento térmico); - Estrutura final é única e pode ser sensível a falha total;
- Em alguns tipos de materiais e em algumas aplicações, requer qualificação do processo e dos consumíveis;
- Necessidade de compatibilidade de materiais de base; - Necessidade de fontes externas de energia
_ Am = área fundida do metal de base
_ Aa = área do metal adicionado (metal de adição) _ A2 = área da Zona Afetada Termicamente (ZAT) _ LI = Linha de Interface
_ MB = Metal de Base.
Nos processos de soldagem em geral, são influenciados diretamente por alguns fatores adicionais, que devem ser atentados, afim de que obtenhamos sucesso no resultado final do processo, a solda.
São exatamente 4 (quatro) fatores de influência, quais podem vir a afetar negativamente (ou positivamente) uma operação de soldagem.
Todos os fatores abaixo são levados em conta de uma seleção prévia do processo. São os fatores:
_ Energia de Soldagem (relativo ao processo); _ Tensões Residuais;
_ Parâmetros de Soldagem (relativo ao processo); _ Soldabilidade do Metal de Base.
Os principais tipos de soldagem – no estado sólido ou por fusão – são classificados quanto à natureza da energia utilizada para promover a ligação metalúrgica, ao tipo de processo e com indicações de intensidade da fonte de energia de soldagem. A esta intensidade de calor da fonte, damos o nome de energia de soldagem (ou aporte térmico).
O conceito de energia de soldagem ( E ) – é quantidade de energia térmica transferida à peça por unidade de tempo, sobre a unidade de área (geralmente expressa por J/mm²) A energia de soldagem é uma característica do processo de soldagem e da técnica empregados.
Os processos de soldagem do tipo arco submerso (SAW) ou eletroescória (ESW), por exemplo, possuem inerentemente elevada energia de soldagem, enquanto processos muito intensos, no fator de aporte de calor, onde a área de aquecimento para fusão é pequena, como plasma (PAW) ou TIG (GTAW), são considerados de baixa energia.
Quanto mais alto for a energia de soldagem (aporte de calor), maior será a quantidade de energia calorífica transferida à peça, maior a poça de fusão, mais larga a zona aquecida e menor o gradiente térmico entre a solda e o metal de base
A energia de soldagem (ou aporte térmico, ou aporte de calor) tem relação também com o tamanho da poça de fusão e com a área das regiões aquecidas, e deve ser controlado na soldagem de ligas especiais .
Figura a: - chapa fina - escoamento de calor bidimensional Figura b: chapa grossa - escoamento de calor tridimensional
O conceito de energia de soldagem (ou aporte térmico) é muito importante no estudo dos aspectos térmicos da soldagem, e dos fenômenos diversos que ocorrem (defeitos, distorções, etc.).
A energia de soldagem E também é conhecida como aporte de calor, ou aporte térmico H do inglês “heat input
O cálculo da energia de soldagem pode ser expresso através da relação:
Tensões residuais
As operações de soldagem por fusão (sem exceção), criam tensões residuais que resultam da dilatação e contração do metal aquecido e da distribuição não uniforme de temperaturas, que caracteriza-se na operação.
O metal de solda e a zona termicamente afetada (ZAT), próxima a zona de ligação, são aquecidos em temperaturas muito maiores do que o metal de base. Há então um gradiente de temperatura bem desuniforme ao longo da junta soldada, qual caminha com direção do centro do cordão ao metal de base.
Durante o aquecimento, devido às restrições físicas do restante do material não aquecido (metal de base), ocorre progressivamente na zona termicamente afetada uma compressão e deformação plástica localizada para acomodar sua dilatação.
Dilatação (espansão) pelo calor:
V – tensão (V) I – Corrente (A)
v – velocidade de avanço (mm/s) f – valor do aporte cedido pela fonte (de acordo com o tipo do processo de soldagem
Tensões residuais:
A medida em que a poça de fusão se solidifica, e posteriormente se resfria, começa a ocorrer (devido à forte concentração de tensão induzida pelo calor) uma volta elástica das regiões plastificadas, seguido de um tensionamento em formato de tração. Este tensionamento, que permanece residual, pode atingir valores tão elevados quanto o limite de escoamento do metal de base, e logicamente da zona termicamente afetada (ZAT). Entre os grãos do metal, chamamos este estado de tensionamento de, triaxial de tensões (no grão do metal, há a incidência de tensão entre os 3 eixos – x, y e z)
Os principais defeitos de origem metalúrgica (trincas), provenientes da operação de soldagem, ocorrem sempre pela associação das tensões residuais e susceptibilidade ao trincamento do metal de base. Essas trincas podem ocorrer em altas temperaturas (trincas a quente); ou em baixas temperaturas (trincas a frio).
Há inúmeros tipos de trincas e fatores de trincamento. A este tipo de trincas consideramos trincas mecânicas.
Exemplo de trinca devido ao excesso de sola e conseqüentemente as tensões residuais no processo de soldagem:
As tensões residuais podem ainda gerar problemas de estabilidade dimensional (distorções), empenamentos, ruptura de elementos. Muitas vezes são a causa de falha prematura em juntas soldadas, com ocorrências graves de defeitos.
Alguns fatores como:
- Intertravamento de estruturas;
- Estruturas pesadas, de grandíssimo porte, com juntas mal dimensionadas; - Estruturas hiperestáticas;
- Anéis e/ou placas circulares com soldas de topo;
Devem ser estudadas minuciosamente, e deve-se ainda, quando necessário, procurar formas de alívio e/ou espaço para contração, evitando assim uma susceptibilidade de acumulo das tensões externas, diminuindo a soma das tensões residuais da junta soldada.
Processos de soldagem: Por pressão e por fusão.
Soldagem por pressão:
Inclui, entre outros, os processos de soldagem por ultrassom, por fricção, por forjamento, por resistência elétrica, por difusão e por explosão. Diversos destes processos, como a soldagem por resistência e, mais recentemente, o processo de soldagem por fricção com mistura (FrictionStirWelding, FSW), têm enorme importância tecnológica.
Nestes processos, a união é obtida principalmente pela deformação do material confinada, preferencialmente, em uma região restrita às vizinhanças da junta. Para isto, em vários desses processos, essa região é aquecida em relação ao restante das peças. Nos processos de soldagem por resistência, isto é conseguido pela passagem de uma corrente elétrica elevada em função de uma maior resistência elétrica no contato entre as peças e/ou das conduções de extração de calor na junta.
Nos processos de soldagem por fricção, o calor é gerado pelo atrito entre as superfícies das peças colocadas em movimento relativo e a deformação final pela aplicação, imediatamente a interrupção do movimento entre as peças, de uma força de compressão. No processo de soldagem por fricção com mistura, em especial, o aquecimento e a deformação são conseguidos através de uma ferramenta especial que, em rotação, é forçada contra e entre as peças
Nos processos de soldagem por deformação, em geral, as temperaturas atingidas pela material são inferiores àquelas atingidas na soldagem por fusão
Esquematicamente processo soldagem por fricção com mistura
Processos de Soldagem por Fusão
Devido ao grande número de processos de soldagem por fusão, estes são normalmente separados em subgrupos. Uma classificação muito útil e utilizada agrupa os processos de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. A tabela abaixo mostra alguns processos de soldagem por fusão e suas características principais.
Dentre os processos de soldagem por fusão, aqueles que utilizam o arco elétrico como fonte de energia são os mais utilizados industrialmente..
Processos de soldagem por fusão consistem na aplicação localizada de calor na região de união para a sua fusão e do metal de adição (quando este for utilizado), produzindo a ligação pela solidificação do metal fundido e, portanto, a destruição das interfaces
Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações.
Terminologia utilizada nos processos de soldagem.
- Soldagem (Welding) é o processo de união de materiais, a Solda (weld) é o resultado deste processo.
- Metal Base (base metal): Material da peça que sofre o processo de soldagem.
- Metal de Adição (filler metal): Material adicionado, no estado líquido, durante a soldagem - Poça de Fusão (weld pool): Região em fusão, a cada instante, durante uma soldagem. - Penetração (penetration): Distância da superfície original do metal de base ao ponto em que termina a fusão, medida perpendicularmente à mesma.
Esquematicamente:
Arco elétrico de soldagem
Um arco elétrico pode ser definido como um feixe de descargas elétricas formadas entre dois eletrodos e mantidas pela formação de um meio condutor gasoso
chamado plasma. (considerado o quarto estado da matéria com temperatura elevada (em torno de 6000oC)
Há neste fenômeno a geração de energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através da fusão localizada das peças a serem unidas. A expressão soldagem a arco elétrico se aplica a um grande número de processos de soldagem que utilizam o arco elétrico como fonte de calor; nestes processos a junção dos materiais sendo soldados pode requerer ou não o uso de pressão ou de material de adição.
Abertura e fechamento do arco elétrico
Um arco elétrico é formado quando 2 condutores de corrente elétrica (dois eletrodos) são aproximados para fazer o contato elétrico e depois separados figura abaixo. Isto aumenta a resistência ao fluxo de corrente e faz com que as extremidades dos eletrodos sejam
levados a altas temperaturas, bem como o pequeno espaço de ar entre eles. Os elétrons vindo do eletrodo negativo (catôdo) colidem com as moléculas e átomos do ar, desmembrando-os em íons e elétrons livres e tornando a fresta de ar um condutor de corrente devido à ionização.
Isto mantém a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco; na prática para acender o arco, o soldador esfrega a extremidade do eletrodo na peça a soldar e depois o afasta ligeiramente.
No instante de contato, a corrente passa no circuito e continua a circular quando o eletrodo é afastado, formando um arco, devido ter acontecido a ionização do ar, isto é, o ar ter se tornado condutor de corrente
Características térmicas do arco elétrico
O arco elétrico de soldagem tem uma eficiência alta (100%) na transformação de energia elétrica em energia térmica. Baseado nessa eficiência podemos afirmar que o calor gerado num arco elétrico pode ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos pela equação:
Q = V . I . t onde:
Q = energia térmica gerada, em joule (J); V = queda de potencial no arco, em Volt (V); I = corrente elétrica no arco, em ampère (A); t = tempo de operação, em segundos (s).
O arco elétrico gera calor e também radiação eletromagnética de alta intensidade, nas faixas do infravermelho, luz visível e ultravioleta, necessitando portanto de proteção visual com filtros apropriados para seu manuseio.
Um efeito magnético de suma importância no arco elétrico é o chamado Jato Plasma, que é um dos responsáveis pela penetração do cordão de solda e que pode ser considerado um condutor elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a corrente por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico em seu eixo e ele se comporta como um condutor colocado em um campo magnético; dessa maneira surgem forças de Lorentz (quem estudou este principio) na região do arco, que têm sentido de fora para dentro, conforme vemos na figura abaixo
O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda.
Corrente contínua e corrente alternada
Se entre dois pontos A e B ligados por um condutor elétrico for mantida uma corrente constante, escoa entre eles uma corrente de intensidade constante e sempre no mesmo sentido; esta corrente é chamada de corrente contínua, CC e quando representada em função do tempo gera uma reta horizontal. O tipo de corrente fornecida pelos retificadores é dita contínua, mas na verdade é ligeiramente ondulada, sendo facilmente identificada em um osciloscópio, porém em termos práticos de soldagem comporta-se como uma corrente contínua.
Agora, imaginemos dois pontos A e B ligados por um condutor e que cada um deles possui uma tensão alternadamente positiva e negativa em relação ao outro; entre eles escoa uma corrente que muda de sentido na mesma freqüência que a tensão (60 Hz). Esta corrente é denominada de corrente alternada, CA
