U n iv ersid a d e F ed era l d e S ã o C a rlos
Solidificação no Metal de Solda
Solidificação- Prof. Mauricio Peres
Timóteo Lucas Dong
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Índice
1. Introdução...03
2. Pequeno Histórico da Soldagem...04
3. O Arco Elétrico da Soldagem...04
4. Metalurgia da Soldagem...05
5. Fluxo de Calor...10
6. Reações na poça de fusão...16
7. Solidificação do Metal de Solda...18
8. Características da Zona Afetada Termicamente...22
9. Bibliografia...30
3 1. Introdução
Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto é, aqueles baseados na ação de forças macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas – interatômicas e intermoleculares. No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, a união é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, ou destes e de um material intermediário adicionado à junta, até a distancias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de van der Waals. Como exemplos desta categoria citam-se a brasagem, a soldagem e a colagem.
Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação da peças, equipamentos e estruturas e abrangido pelo termo
“SOLDAGEM”. Classicamente a soldagem é considerada como um processo da união, porém, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais.
Diferentes processos relacionados com a soldagem são usados para corte de peças metálicas e em muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem.
A metalurgia da soldagem estuda o comportamento de um metal durante a soldagem e os efeitos da soldagem nos propriedades do metal. Todos os metais têm propriedades especificas que devem ser consideradas com muito cuidado antes da soldagem. Se não forem tomadas precauções, podem apresentar trincamento, porosidade ou soldas com propriedades pobres. Metais variam em sua suscetibilidade a mudança por soldagem. Um procedimento de soldagem, técnica ou metal de preenchimento deve ser inteiramente apropriado para uma liga e desastrosa para outra. Por esse e outros motivos, é determinantemente importante ter um básico entendimento da natureza dos metais, seu comportamento, propriedades e peculiaridades.
Existem mais de 40 de processos de soldagem. Entre eles estão incluídos arco, atrito, gás, resistência, estado sólido, e outros processos de soldagem. Alguns deles usam gases protetores para proteger a solda da contaminação atmosférica. Cada processo foi desenvolvido para resolver cada problema especifico ou preencher uma especifica necessidade.
Na grande maioria dos casos, os defeitos originários de processos de soldagem, quando não ligados diretamente a falhas do processo (parâmetros desregulados), têm relação direta com os fenômenos influenciados diretamente pelo calor de soldagem. A ação do calor, mais ou menos intensa, dependendo de particularidades do processo, é a principal responsável pela ocorrência de fenômenos físico-químicos como fusão, vaporização e solidificação, assim como, de transformações metalúrgicas no estado líquido e sólido.
2. Pequeno Histórico da Soldagem
Embora a soldagem, na sua forma atual, seja uma ciência recente, com cerca de 100 anos, outras formas como a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas desde épocas remotas. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, na França, um pingente de ouro com indicações de solda, feito na Pérsia, por volta de 4000 A.C.
A soldagem foi usada também na antiguidade e na idade media para a fabricação de armas e outros instrumentos cortantes, pois o ferro obtido por carbono (<0,1%), e o aço, com mais alto teor de carbono, era escasso e caro. Assim, as ferramentas e armas eram fabricadas em ferro, soldava-se uma lamina de aço no local do corte e temperava-se em seguida para endurecimento. Espadas de alta resistência e tenacidade foram fabricadas no Oriente Médio, usando-se um processo semelhante, no qual tiras alternadas de aço e ferro eram soldadas entre si e deformadas por compressão e torção. O resultado era uma lamina com uma fina alternância de regiões de alto e baixo carbono.
Como se viu, a soldagem foi, durante este período, um processo importante na tecnologia metalúrgica, devido principalmente a dois fatores: a escassez e o alto custo do aço e o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por redução direta.
Esta importância começou a diminuir com o inicio da utilização de rodas d`água na fabricação do ferro, nos séculos XII e XIII, possibilitando a produção de blocos maiores, e com a invenção dos altos-fornos, nos séculos XIV e XV, possibilitando a produção de grandes quantidades de ferro gusa para fundição.
A partir de 1800, a soldagem começou a evoluir, principalmente com o desdobramento das experiências de Sir Humphrey Davy com o arco elétrico, com a descoberta do acetileno por Edmund Davy e com o desenvolvimento de fontes de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de fusão a arco.
Por volta de 1890, N.G. Slavianoff, na Rússia, e Charles Coffin, nos Estados Unidos, desenvolveram independentemente a soldagem com eletrodo metálico nu. Até o final do século XIX, os processos de soldagem por resistência, por aluminotermia e a gás haviam sido desenvolvidos. Em 1907, um sueco chamado Oscar Kjellberg patenteia o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Em sua forma original, este revestimento era constituído de uma camada de cal, cuja função era estabilizar o arco elétrico de soldagem.
Inicialmente, a soldagem nesta nova fase teve pouco utilização, estando restrita apenas à execução de reparos de emergência, até a eclosão de Primeira Grande Guerra quando, devido às necessidades, esta passou a ser usada mais intensamente como processo de fabricação. A partir desta época, a tecnologia da soldagem sofreu um grande impulso, os processos de soldagem já existentes foram aperfeiçoados e novos processos foram desenvolvidos.
3. O Arco Elétrico da Soldagem
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de potencial ao longo do arco elétrico não é uniforme, distinguindo-se três regiões distintas.
As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térmicos e elétricos, da ordem de 105 ºC/mm e 102 V/mm respectivamente, e as somas das quedas de potencial nestas regiões é aproximadamente constante, independentemente das condições de operação do arco.
A parte visível e brilhante do arco constitui o plasma, que apresenta gradientes térmicos e elétricos bem mais baixos que as regiões anteriores, de ordem de 102 ºC/mm e 100 V/mm respectivamente.
A diferença de potencial entre as extremidades do arco, necessária para manter a descarga elétrica, varia com a distancia entre os eletrodos, tipo de gás na coluna de plasma e corrente que atravessa o arco, entre outros fatores.
4. Metalurgia da Soldagem
A soldagem é geralmente realizada com a aplicação de calor e/ou deformação plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material, nem sempre desejáveis ou aceitáveis, podem ocorrer na região da junta. A maioria das alterações depende das reações ocorridas durante a solidificação e resfriamento do cordão de solda e de sua microestrutura final.
4.1. Geometria da junta soldada
Ao contrário do que muitos pensam uma junta soldada não é constituída unicamente pelo que se convencionou chamar de cordão de solda. Do ponto de vista da metalurgia da soldagem, qualquer região na qual em decorrência dos efeitos da soldagem tenham ocorrido consideráveis alterações em suas condições iniciais, é constituinte da junta soldada. A figura 1 apresentada a seguir indica de forma esquemática as diferentes regiões que constituem uma junta soldada.
Figura 1 - Regiões da junta soldada
As principais particularidades relacionadas às regiões indicadas são:
1 – Metal de base (MB) – É a região constituinte da junta soldada que não sofreu qualquer alteração em suas características físicas, químicas ou metalúrgicas, ou seja, o material utilizado para a construção da estrutura metálica, nesta região, não sofreu qualquer influência do processo de soldagem.
2 – Zona termicamente afetada (ZTA) – Nesta região, de grande interesse no campo da metalurgia da soldagem, embora a temperatura de processamento não tenha sido suficiente para modificar o estado físico dos materiais envolvidos, ocorrem importantes transformações metalúrgicas no estado sólido, ou seja, são registradas importantes alterações nas propriedades iniciais dos materiais utilizados na construção metálica.
Entre as transformações citadas encontram-se principalmente o crescimento de grãos (aços e outros), dissolução ou coalescimento de precipitados (ligas de alumínio cobre), e o recozimento (ligas alumínio magnésio).
3 – Zona fundida (ZF) – É a região na qual a temperatura de processamento é suficiente para fundir os materiais envolvidos, ou seja, parte de metal de base juntamente com parte do metal de adição passam para a forma líquida formando a denominada poça de fusão.
Nesta região, diversos fenômenos ligados a metalurgia física manifestam-se simultaneamente, dando origem a uma série de transformações, não só de origem metalúrgica, como também química e física.
A forma como ocorre à solidificação da zona fundida após o resfriamento da região tem grande influência na qualidade final da junta soldada. Um dos principais aspectos a serem considerados é a morfologia (forma geral) dos grãos metálicos resultantes, esta vai ter influência direta na susceptibilidade a defeitos, assim como no comportamento mecânico da junta soldada.
A massa metálica resultante na zona fundida é denominada de metal de solda. É constituída de parte de metal de base e parte de metal de adição. A relação entre as quantidades presentes destes elementos no metal de solda é definida pela grandeza denominada de diluição.
A diluição é a quantidade percentual de metal de base que entra na composição do metal de solda, podendo variar desde valores muito baixos, como na solda brasagem, chegando a 100% no caso da soldagem autógena (sem metal de adição).
A figura 2 ilustra esta condição considerando um esquema de uma seção transversal de uma junta soldada.
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O controle da diluição em uma junta soldada é um importante fator a ser considerado no controle de alguns defeitos de soldagem, conforme será abordado posteriormente.
De maneira geral, estes são os principais pontos a serem considerados com relação às regiões que constituem uma junta soldada. Alguns autores fazem referência à zona de ligação, que é a região que separa a zona fundida da zona termicamente afetada, tendo, portanto, características das duas regiões. Deve ser ressaltado que em algumas condições práticas nem sempre é tarefa fácil identificar o início e fim de cada região, havendo em alguns casos a necessidade de recorrer a alguns ensaios, como por exemplo, o de microdureza.
4.2. Metalurgia Física dos Aços a)Relação estrutura - propriedades
Uma característica fundamental dos sólidos, e em particular dos metais, é a grande influencia de sua estrutura na determinação de varias de suas propriedades. Por sua vez, a estrutura é determinada pelos processamentos sofridos pelo material durante sua fabricação.
A soldagem sob certos aspectos é um tratamento térmico e mecânico muito violento, que pode causar alterações localizadas na estrutura da junta soldada e, portanto, é capaz de afetar localmente as propriedades do material.
Muitas destas alterações podem comprometer o desempenho em serviço do material e, assim devem ser minimizadas pela adequação do processo de soldagem ao material a ser soldado ou pela escolha de um material pouco sensível a alterações estruturais pelo processo de soldagem.
b) Níveis Estruturais
O termo pode compreender desde detalhes grosseiros (macroestrutura) até detalhes da organização interna dos átomos (estrutura eletrônica). A metalurgia física interessa-se pelo arranjo dos átomos que compõem as diversas fases de um metal (estrutura cristalina) e pelo arranjo destas fases (microestrutura). A maioria das propriedades mecânicas e algumas das propriedades físicas e químicas dos metais podem ser estudadas, a nível dessas estruturas.
c) Fases presentes nos Aços
Os aços são ligas de ferro e carbono (ate um teor Maximo de 2% de carbono, em peso) contendo ainda outros elementos, resultantes do processo de fabricação (impurezas) ou adicionados intencionalmente (elementos de liga) para lhes conferir propriedades especiais. De acordo com os elementos de liga os aços podem ser divididos em baixa-liga (teor de liga inferior a 5%), aços de media-liga (teor de liga entre 5 e 10%) e aços de alta-liga (teor de liga superior a 10%).
Para o estudo dos efeitos da soldagem no aço é necessário um conhecimento prévio de sua microestrutura e de como esta pode se alterada pelos tratamentos térmicos e variações de composição química.
c.1) Fases presentes no aço resfriado lentamente
A figura 4 abaixo mostra um diagrama de equilíbrio ferro-carbono. este pode ser usado para uma primeira analise dos constituintes de um aço, no equilíbrio, em função da temperatura e da composição química (teor de carbono).
Em temperaturas onde o aço esta no campo gama, este apresenta uma estrutura austenistica (solução sólida de carbono e outros elementos de liga no ferro, com estrutura cristalina cúbica de face centrada).
Durante o resfriamento, a austenita (para aços com menos de 0,8%C) começa a se transformar em ferrita (solução sólida de C no Fe, com estrutura cúbica de corpo centrado) e finalmente, quando atinge 727 ºC, a austenita remanescente transforma-se em perlita, um constituinte típico dos aços formado por uma mistura de ferrita e cementita (carboneto de ferro).
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c.2) Fases metaestáveis e diagramas de transformação
Quando a velocidade de resfriamento aumenta, a temperatura na qual a austenita começa a se transformar torna-se menor. Menores temperaturas de transformação implicam menor mobilidade atômica e, portanto, maior dificuldade para separação em ferrita e carboneto de ferro, isto é, para formação de perlita. Assim em função da velocidade de resfriamento e da composição química do aço, diferentes agregados de ferrita e carboneto (bainita) podem ser formados a partir da decomposição da austenita (fig. 5).
Para altas velocidades de resfriamento, uma nova fase, a martensita, passa a se formar, esta fase possui uma estrutura cristalina diferente das anteriores e é caracterizada por uma elevada dureza. De um modo geral, pode se afirmar que quanto menor a temperatura de transformação e maior o teor de carbono mais dura e frágil é a microestrutura. Na soldagem por fusão, a velocidade de resfriamento varia com a energia cedida durante a soldagem por unidade de comprimento, Este fato é muito importante, pois pode limitar a faixa de energia.
c.3) Elementos de liga
A adição balanceada de elementos de liga permite a obtenção de uma variedade de tipos de aços com diferentes propriedades mecânicas, químicas, magnéticas, elétricas e térmicas. Estruturalmente, pode-se considerar que os elementos de liga atuam em dois aspectos fundamentais: termodinâmico e cinético. No primeiro aspecto, um elemento de liga pode alterar a estabilidade relativa das fases do aço ou mesmo tornar estável uma outra fase. a maioria dos elementos de liga reduz a velocidade de transformação da austenita ou, em outras palavras, aumenta a sua temperabilidade. Este efeito pode ser
diferente para os diversos constituintes e, portanto a adição de elementos de liga pode favorecer a formação de um constituinte, em prejuízo de outro.
Ao entrar em solução sólida em uma fase, um elemento de liga pode alterar as propriedades desta fase. em particular, a resistência mecânica é. em geral aumentada e sua ductilidade diminuída.
d) Mecanismos de Aumento da Resistência Mecânica
A resistência mecânica dos aços pode variar enormemente, de cerca de 200 ate 2000 MPa. Como em outros metais, existem para os aços diversos mecanismos de endurecimento, dos quais podemos citar: deformação a frio, formação de solução sólida e refino de grão. Destes o refino de grão é particularmente importante por produzir, simultaneamente, uma melhoria de ductilidade e tenacidade.
5. Fluxo de Calor
A maioria dos processos de soldagem por fusão é caracterizada pela utilização de uma fonte de calor intensa e localizada. Por exemplo, na soldagem a arco, tem-se uma intensidade da ordem de 5 x 108 W/m2. Esta energia concentrada pode gerar, em pequenas regiões, temperaturas elevadas, altos gradientes térmicos (102 a 103 ºC/mm), variações bruscas de temperatura (de ate 103 ºC/s) e, conseqüentemente, extensas variações de microestrutura e propriedades, em um pequeno volume de material.
O fluxo de calor na soldagem pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas etapas básicas: fornecimento de calor a junta e dissipação deste calor pela peça.
Na primeira etapa, para soldagem a arco, pode-se considerar o arco como uma única fonte de calor, definido por sua energia de soldagem, isto é:
E = η . V . I / v , Onde:
E = Energia de soldagem, em J/mm;
η = Eficiência elétrica do processo;
V = Tensão no arco, em V;
I = Corrente de soldagem, em A;
v = Velocidade de soldagem, em mm/s.
A energia de soldagem é uma medida da quantidade de calor cedida a peça, por unidade de comprimento da solda.
