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7/18/2019 Fluxo Termico Na Soldagem
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Centro Universitário do Leste de Minas Gerais
Processos de Fabricação I
Fluxo de calor na soldagemFluxo de calor na soldagem
Prof. Reginaldo Pinto Barbosa
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IntroduIntroduççãoão
Fluxo de calor na soldagem
Processos de soldagem a arco → arco é a única fonte de energia definida pela suaenergia de soldagem.
Transferência de calor da fonte para a junta causa alterações de temperatura na solda eregiões adjacentes do metal base.
Variações de temperatura → variações dimensionais e alterações microestruturais.
Podem levar a efeitos indesejáveis: Tensões residuais e distorções
Deterioração das propriedades mecânicas, físicas e químicas.
Formação de trincas
Condições térmicas controla os fenômenos metalúrgicos na soldagem.
Velocidade de resfriamento → influência direta na estrutura e propriedades do metal base.
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Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão
Zona Fundida
(ZF)
Metal Base(MB)
Zona Afetada pelo Calor (ZAC)
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Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão• Zona Fundida (ZF)
* Temperaturas máximas maiores que a temperatura de fusão
* Composição química final depende da diluição
“Diluição é a participação relativa do metal base na
constituição da zona fundida ”
D = [ A1 / (A1 + A2)] x 100
A1 = massa do metal base fundida
A2 = massa do metal de adição
A2
A1A1
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Fluxo de calor na soldagem
Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler
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Fluxo de calor na soldagem
Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler
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Fluxo de calor na soldagem
Diagrama deDiagrama de BystramBystram
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Fluxo de calor na soldagem
Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler ee BystramBystram
Utilizando o Diagrama de Schaefler, verifique qual das situações abaixo é a maisadequada para se realizar a soldagem de uma chapa de aço baixa liga com outra de
aço inoxidável austenítico. As composições das ligas e dos eletrodos sãoinformadas a seguir:
Material/ Eletrodo C Si Mn Cr Ni Mo N
Aço baixa liga 0,20 0,50 0,75 0,50 1,00 1,00 -Aço inoxidável 0,05 0,40 1,30 18,30 8,40 0,01 0,035
OK 67.62 0,05 0,80 0,50 24,00 12,50 - -OK 14.31 0,30 0,60 1,80 20,00 13,00 2,50 -
a) Soldagem por eletrodo revestido. Eletrodo OK 14.31. Diluição de25%.
b) Soldagem MIG. Eletrodo OK 67.62. Diluição de 20%.
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Fluxo de calor na soldagem
Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler ee BystramBystram
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Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão• Metal Base (MB)
* Temperaturas máximas menores que a temperatura crítica
* Região mais distante do cordão de solda
* Não apresentam mudanças microestruturais
• Zona Afetada pelo Calor (ZAC)
* Temperaturas máximas superiores ä temperatura crítica
* Região não fundida
* Alteração da microestrutura e/ou propriedades mecânicas
* Sua microestrutura depende dos ciclos térmicos
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Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão
Regiões da Solda de um Aço Carbono
A - Região de Granulação
GrosseiraB - Região de Granulação
Fina
C - Região Intercrítica
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Energia de soldagemEnergia de soldagem
Energia de soldagem (E) é a medida da quantidade de energia gerada pela fonte decalor por unidade de comprimento da junta:
E = energia absorvida pela peça (J/mm)L = comprimento da junta (mm)t = tempo de soldagem (s)P = potência gerada (energia/tempo)V = tensão do arco (V)
I = corrente de soldagem (A)v = velocidade de soldagem (mm/s)
A energia de soldagem (E) pode ser expressa em kJ/mm ou kJ/cm.
Fluxo de calor na soldagem
v
VI
v
P
t L
t q
L
q E ====
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Rendimento tRendimento téérmicormico Somente parte da energia é transferida para a
peça sendo soldada.
A dissipação do calor ocorre principalmente por
condução na peça, das regiões aquecidas para orestante do material.
Considerando este aspecto, pode-se definir aEnergia Imposta de Soldagem ( E
ab) ou Aporte
Térmico como:
Fluxo de calor na soldagem
E E ab ⋅=η
onde η é o rendimento térmico do processodependendo do processo e das condições de soldagem
Processo Rendimento Térmico (η)
Arco Submerso (SAW) 0,85 – 0,98
MIG/MAG (GMAW) 0,75 – 0,95
Eletrodo Revestido (SMAW) 0,70 – 0,90
TIG CC- (GTAW) 0,50 – 0,80
TIG CC+ (GTAW) 0,20 – 0,50
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Rendimento de fusão (ηf ) ou eficiência de fusão do processo: correlaciona a energia desoldagem absorvida com a energia efetivamente usada na fusão da solda.
Permite a determinação dos parâmetros de soldagem a partir da área de seção transversaldo cordão de solda
Fluxo de calor na soldagem
Rendimento de fusãoRendimento de fusão
PROCESSO ηηηηf (%) MATERIAL H (J/mm3)
Oxiacetelênico < 5 Aço Baixa Liga 10
TIG 20 Aço Inoxidável 10
ER 30 Níquel 10
MIG / MAG 40 Cobre 06
AS 50 Alumínio 03
ET 80
Plasma 90
Laser 100
η η
⋅⋅⋅
=q
v H S f
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Rendimento de fusãoRendimento de fusão
Fluxo de calor na soldagem
ab
f
E
H S ⋅=η
ηf = rendimento de fusão
S = área de seção transversal ao cordão (mm2)H = energia necessária para aquecer e fundir o material (J/ mm3 )
q = calor por unidade de tempo (J/s)
:que temosE,Eab e ⋅== η
v
q E Como
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Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
A variação da temperatura durante a soldagem em um ponto da peças é descrita pelo seuCiclo Térmico de Soldagem.
O ciclo térmico representa as temperaturas que o ponto em estudo atinge em cada
instante do processo.
O ciclo térmico compreende:etapa de aquecimento do
material;
atingimento de umatemperatura máxima ou de pico,
etapa de resfriamento gradual.
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Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico de soldagem são:
temperatura de pico (Tp), que é a temperatura máxima atingida no ponto. Tp diminuicom a distância ao centro da solda e indica a extensão das regiões afetadas pelo calorde soldagem;
Permite conhecer o ciclo térmico a que será submetido um determinado ponto da ZACde uma junta soldada, ou interpretar as transformações metalúrgicas em um ponto dometal de base próximo à região da solda.
ρ - densidade do material (g/mm3
),c - calor especifico (J/g.oC)e - espessura da chapa (mm)y - distância do ponto considerado à linha de fusão da solda (mm)Tf – temperatura de fusão (oC)
T0 – temperatura de pré aquecimento ou ambiente (oC)
00
113,41
T T E
yec
T T f ab p −+
⋅⋅⋅⋅=
− ρ
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Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
temperatura crítica (Tc), que é a temperatura mínima para ocorrer uma alteraçãorelevante como uma transformação de fase, por exemplo;
tempo de permanência acima de uma temperatura crítica (tp), que é o tempo em que o ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura crítica;
velocidade de resfriamento(R), que é importante na determinação da microestrutura
em materiais que podem sofrer transformações de fase durante o resfriamento.
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Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
À medida que nos distanciamos da fonte de energia, os ciclos térmicos assumemcaracterísticas importantes.
Com o aumento da distância ao centrodo cordão:
* a Tm decresce rapidamente
* cresce o tempo para se atingir Tm
* as velocidades de aquecimento eresfriamento diminuem.
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Efeito dos Parâmetros de Soldagem sobre ados Parâmetros de Soldagem sobre a
Geometria da SoldaGeometria da Solda
Fluxo de calor na soldagem
• Para grandes gradientes de temperatura máxima, menor é a solda e ZAC formada.
• O tamanho da solda é controlado pela quantidade de energia imposta à peça, deforma que o mesmo pode ser variado em função dos parâmetros de soldagem.
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Diagrama FeDiagrama Fe--CC
Fluxo de calor na soldagem
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
A velocidade de resfriamento pode ser afetada por algumas variáveis de uma operaçãode soldagem.
Tipo de metal base, relativamente a sua condutividade térmica, pois quanto maiora condutividade térmica do metal, maior sua velocidade de resfriamento.
Geometria da junta (uma junta em T possui três direções para o escoamento decalor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas; por isso juntas em Tresfriam-se mais rapidamente que juntas de topo para as mesmas condições desoldagem;
A etapa de resfriamento é caracterizada pelo valor da velocidade de resfriamento a umadeterminada temperatura T, ou pelo tempo t necessário para o ponto resfriar de umatemperatura T1 a outra T2.
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
Espessura da junta: a velocidade de resfriamento aumenta com a espessura até umaespessura limite; acima desse limite, a velocidade de resfriamento independe daespessura;.
Energia de soldagem e pr é aquecimento, a velocidade de resfriamento diminuicom o aumento do aporte térmico e da temperatura inicial da peça;
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
Espessura limite dependeda energia de soldagem.
Para os aços baixa liga, aespessura limite éaproximadamente igual àenergia de soldagem emkJ/cm.
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
A velocidade de resfriamento no início do cordão é maior do que ao longo do mesmo.Esta velocidade de resfriamento alta pode gerar problemas na qualidade da solda.
Quanto mais alta for a temperatura máxima num ponto, maior será a velocidade deresfriamento..
Na cratera, a velocidade de resfriamento também é alta devido ao fato de inexistirarco durante a solidificação nesta região, bem como, devido ao calor voltar a fluir em
várias direções. Na cratera ocorrem rechupes, cujo interior é irregular devido à formação de dendritas,
implicando em pontos de concentração de tensões e de heterogeneidade química,devido à segregação de impurezas.
Soluções para evitar rechupe na cratera* soldar a mais e cortar o excesso* retornar o arco antes de apagá-lo e aquecer o final* refundir a cratera* fazer a “unha”do cordão
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
A equação a ser utilizada depende se trata-se de chapa fina ou chapa grossa. Estavariável é definida em função da espessura limite (τ), que depende da energia desoldagem.
Espessuras menores que a espessura limite caracterizam as chapas finas e as maiores, aschapas grossas.
ab E
T T ce
)( 0−⋅⋅⋅= ρ
τ
τ > 0,75 → chapa espessa
τ < 0,75 → chapa fina
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
A velocidade de resfriamento ao longo do eixo da solda para uma fonte de calor pontualna superf ície de uma chapa grossa é dada por:
ab E
T T k R
20 )(2 −⋅⋅
= π
Para chapas com penetração total, tem-se:
30
2
)(2 T T
E
eck R
ab
−
⋅⋅⋅⋅= ρ π
Para ambas as equações acima, k é a condutividade térmica do material, T é atemperatura na qual se deseja calcular a velocidade de resfriamento. tem-se:
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Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
Determinação dos tempos de resfriamento nas temperaturas entre 500 e 800oC.
Considera a energia equivalente absorvida pela peça em função da eficiência do processo e geometria da junta.
O diagrama de IRSID tem como abcissa a energia equivalente transferida e comoordenada, a espessura da peça.
Determinação dos parâmetros de soldagem
Diagrama de IRSID
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Diagrama de IRSIDDiagrama de IRSID
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Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Pré aquecimento
O pré aquecimento consiste em aquecer o metal base acima da temperatura ambiente antes dasoldagem.
Metais são bons condutores de calor
O calor na região de soldagem é rapidamente escoado por toda a massa envolvida no processo, acarretando um resfriamento relativamente rápido.
Em alguns metais esse resfriamento rápido pode contribuir para a formação de
microestruturas prejudiciais na região de soldagem.
Tem como objetivo a prevenção de nucleação de trincas na ZF e na ZAC. É uma maneira dereduzir a taxa de resfriamento do metal.
Os principais efeitos do pré aquecimento são:
Menor tendência à formação de martensita;
Redução da dureza da ZAC;
Diminuição das tensões e distorções residuais;
Permitir a difusão do hidrogênio.
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Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Pré aquecimento
Temperatura de pré aquecimento pode variar de 50 a 540ºC (mais aplicada na faixa de 150 a
200ºC).
O pré aquecimento aumenta a temperatura do metal adjacente à solda de forma que o gradientede temperatura entre a solda e a vizinhança fique reduzido, diminuindo a velocidade deresfriamento.
A necessidade do pré aquecimento aumenta com:
Teor de carbono e de ligas do metal base;
Tamanho da peça;
Rigidez da junta; Diâmetro do consumível
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Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Como determinara a temperatura de pré aquecimento
A composição do metal base deve ser conhecida para se escolher a temperatura de pré aquecimentocorreta. Ela controlada pelo teor de carbono e de ligas do metal base.
Quanto maior for o teor de carbono do material de base, maior será a temperatura de préaquecimento requerida.
A temperatura de pré aquecimento pode ser determinada em função do carbono equivalente (teoraproximado de outros elementos de liga que produzem a mesma dureza que 1% de carbono).
Quanto maior for o carbono equivalente, maior será a temperatura de pré aquecimento requerida.
A espessura do componente é outro fator importante para se determinar a temperatura de préaquecimento de uma solda..
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Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Pós aquecimento
Aquecimento da junta soldada imediatamente após a solda ter sido realizada. Raramente é aplicado de forma isolada, sempre quase sempre conjugado com o pré aquecimento.
Tem a mesma função do pré aquecimento.
Mantém a temperatura da peça num nível suficientemente elevado de tal forma que a junta
soldada resfrie lentamente. Resulta numa ductilidade maior na região da solda.
Mais freqüentemente empregado em aços altamente temperáveis, podendo ser empregado em aços
menos temperáveis se for difícil a aplicação de um pré aquecimento adequado devido à dimensãodas peças..
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Alívio de Tensões
Consiste em aquecer uniformemente a peça de maneira a que o limite de escoamento do material
fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais.
As tensões residuais em juntas soldadas são causadas pela contração da junta quando esta éresfriada após a soldagem.
Tipicamente o alívio de tensões consiste no aquecimento da peça até em torno de 600°C e em
sua manutenção por uma hora para cada 25 mm de espessura, seguido de resfriamento ao ar até300ºC.
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Normalização
Consiste no aquecimento da peça a uma temperatura acima da zona crítica (usualmente em torno de
60ºC acima da temperatura A3), seguida de resfriamento ao ar. O objetivo é a obtenção de microestrutura mais fina e uniforme.
Os constituintes que se obtem da normalização do aço carbono são ferrita + perlita fina ou cementita+ perlita fina.
As tensões internas são aliviadas, porém a solda não fica com a mesma ductitidade e baixa durezaobtidas com o recozimento pleno.
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Recozimento Pleno
O recozimento pleno leva a peça soldada a uma condição sem tensões e assegura ductilidade e
baixa dureza da ZF e ZAC. O recozimento consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica durante o tempo necessário
para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento muito lento,normalmente dentro do forno.
A microestrutura obtida nos aços carbono é a ferrita + perlita grossa.
Para os aços a temperatura de recozimento é de cerca de 840 a 1000ºC.
Fl d l ld
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Têmpera e revenimento
A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de resfriamento rápido.
O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica resultando, portanto, o aumento da
dureza e a redução da tenacidade da peça.
O revenimento é o tratamento térmico que acompanha a têmpera.
O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas inferiores à temperatura crítica,manter a essa temperatura durante um intervalo de tempo e resfriar até a temperatura ambiente.
Produz um diminuição da dureza e o aumento da tenacidade.
A microestrutura resultante chama-se martensita revenida..