52358864 Processos de Fabricacao
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1 Índice Noções Básicas Sobre Metalurgia, Processos de Fabricação, Ensaios Mecânicos e Ensaios Não Destrutivos............................................................ 1 – Conceitos Fundamentais Sobre os Metais e Suas Ligas........................ 05 2 – Estrutura Cristalina dos Metais................................................................. 05 2.1 – Reticulado Cúbico Centrado...................................................................... 08 2.2 – Reticulado Cúbico de Face Centrada........................................................ 08 2.3 – Reticulado Hexagonal Compacto............................................................... 08 3 – Defeitos na Estrutura Cristalina................................................................. 09 3.1 – Imperfeições de Ponto............................................................................... 10 3.2 – Soluções Sólidas ....................................................................................... 11 3.3 – Imperfeições de Linha ............................................................................... 12 3.3 – Imperfeições de Superfície ........................................................................ 14 4 – Ligas Metálicas ........................................................................................... 16 4.1 – Difusão ...................................................................................................... 16 5 – Formação e Crescimento dos Grãos ........................................................ 18 6 – Processos de Fabricação .......................................................................... 20 6.1 – Aspectos da Temperatura na Conformação ............................................ 21 6.2 – Trabalho a Frio (Conformação a Frio) ...................................................... 22 6.2.1 – Processos de Recuperação e Recristalização dos Metais Conformados à Frio ............................................................................................ 23 6.3 – Trabalho a Morno (Conformação a Morno) .............................................. 25 6.4 – Trabalho a Quente (Conformação a Quente) ........................................... 26 7 – Fundidos ..................................................................................................... 29 7.1 – Definição de Fundição ............................................................................... 29 7.2 – Aplicação dos Fundidos ............................................................................ 29 7.3 – Classificação dos Processos Típicos ........................................................ 29 7.3.1 – Fundição em Moldes............................................................................... 29 7.4 – Sistemas de Moldagem ........................................................................... 35 7.4.1 – Moldagem em Casca (Processo Shell) .................................................. 35 7.4.2 – Moldagem pelo Processo CO 2 ............................................................... 36 7.5 – Seleção do Processo de Fundição ........................................................ 36 7.6 – Ligas Utilizadas nos Processos de Fundição ...................................... 36 7.7 – Desenvolvimento da Macroestrutura no Lingote ................................. 37
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Índice
Noções Básicas Sobre Metalurgia, Processos de Fabricação, Ensaios Mecânicos e Ensaios Não Destrutivos............................................................
1 – Conceitos Fundamentais Sobre os Metais e Suas Ligas........................ 05
2 – Estrutura Cristalina dos Metais................................................................. 05
2.1 – Reticulado Cúbico Centrado...................................................................... 08
2.2 – Reticulado Cúbico de Face Centrada........................................................ 08
2.3 – Reticulado Hexagonal Compacto............................................................... 08
3 – Defeitos na Estrutura Cristalina................................................................. 09
3.1 – Imperfeições de Ponto............................................................................... 10
3.2 – Soluções Sólidas ....................................................................................... 11
3.3 – Imperfeições de Linha ............................................................................... 12
3.3 – Imperfeições de Superfície ........................................................................ 14
4 – Ligas Metálicas ........................................................................................... 16
4.1 – Difusão ...................................................................................................... 16
5 – Formação e Crescimento dos Grãos ........................................................ 18
6 – Processos de Fabricação .......................................................................... 20
6.1 – Aspectos da Temperatura na Conformação ............................................ 21
6.2 – Trabalho a Frio (Conformação a Frio) ...................................................... 22
6.2.1 – Processos de Recuperação e Recristalização dos Metais Conformados à Frio ............................................................................................
23
6.3 – Trabalho a Morno (Conformação a Morno) .............................................. 25
6.4 – Trabalho a Quente (Conformação a Quente) ........................................... 26
7 – Fundidos ..................................................................................................... 29
7.1 – Definição de Fundição ............................................................................... 29
7.2 – Aplicação dos Fundidos ............................................................................ 29
7.3 – Classificação dos Processos Típicos ........................................................ 29
7.3.1 – Fundição em Moldes............................................................................... 29
7.4 – Sistemas de Moldagem ........................................................................... 35
7.4.1 – Moldagem em Casca (Processo Shell) .................................................. 35
7.4.2 – Moldagem pelo Processo CO2 ............................................................... 36
7.5 – Seleção do Processo de Fundição ........................................................ 36
7.6 – Ligas Utilizadas nos Processos de Fundição ...................................... 36
7.7 – Desenvolvimento da Macroestrutura no Lingote ................................. 37
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7.7.1 – Regiões de Granulação .......................................................................... 37
7.8 – Descontinuidades em Peças Fundidas ................................................. 38
7.8.1 – Rechupes ............................................................................................... 38
7.8.2 – Microporosidades ................................................................................... 39
7.8.3 – Bolhas Gasosas (Porosidades) .............................................................. 41
7.8.4 – Gota Fria ................................................................................................ 41
7.8.5 – Inclusões ................................................................................................ 41
7.8.6 – Trincas ou Fraturas de Contração .......................................................... 42
7.8.7 – Trincas a Quente .................................................................................... 42
7.8.8 – Interrupção de vazamento ou Metal Frio ................................................ 42
8 – Forjados ...................................................................................................... 44
8.1 – Definição ................................................................................................... 44
8.2 – Classificação dos Processos ..................................................................... 44
8.2.1 – Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre ................................ 44
8.2.1.1 – Operações Unitárias ............................................................................ 44
8.2.2 – Forjamento em Matriz Fechada ............................................................. 47
8.2.3 – Equipamentos e Métodos ....................................................................... 48
8.2.4 – Aplicações .............................................................................................. 48
8.3 – Descontinuidades em Peças Forjadas ...................................................... 49
8.3.1 – Inclusões ................................................................................................ 49
8.3.2 – Trincas .................................................................................................... 49
8.3.3 – Cavidades Internas ................................................................................ 49
8.3.4 – Porosidades ........................................................................................... 49
8.3.5 – Rasgos ................................................................................................... 49
8.3.6 – Dobras .................................................................................................... 50
9 – Laminados .................................................................................................. 51
9.1 – Definição ................................................................................................... 51
9.2 – Laminadores ............................................................................................. 51
9.3 – Classificação dos Processos de Laminação ............................................. 53
9.3.1 – Laminação a Quente .............................................................................. 53
9.3.2 – Laminação a Frio .................................................................................... 53
9.3.3 – Laminação de Barras e Perfis ................................................................ 54
9.4 – Descontinuidades em Laminados ............................................................. 55
9.4.1 – Dupla Laminação ................................................................................... 55
9.4.2 – Inclusão ou Segregação ......................................................................... 55
3
9.4.3 – Mancha Dura .......................................................................................... 55
9.4.4 – Estrias .................................................................................................... 55
9.4.5 – Esfolhamento ou Dobra .......................................................................... 55
10 – Trefilação .................................................................................................. 57
10.1 – Definição ................................................................................................. 57
10.2 – Aplicações ............................................................................................... 57
10.3 – Fieira ....................................................................................................... 59
10.4 – Equipamentos para Trefilação ................................................................ 59
10.5 – Trefilação de Arames de Aço ............................................................... 60
10.5.1 – Etapas do Processo ............................................................................. 60
10.6 – Tratamentos Térmicos dos Arames ........................................................ 60
10.7 – Descontinuidades em Trefilados ............................................................. 60
11 – Extrusão .................................................................................................... 62
11.1 – Definição ................................................................................................. 62
11.2 – Processos de Extrusão ........................................................................... 62
11.3 – Parâmetros da Extrusão .......................................................................... 63
11.4 – Tipos de Extrusão ................................................................................... 64
11.4.1 – Extrusão a Quente ............................................................................... 64
11.4.2 – Extrusão a Frio ..................................................................................... 66
11.4.3 – Extrusão por Impacto ........................................................................... 67
11.4.4 – Extrusão Hidrostática ........................................................................... 68
11.5 – Equipamentos para Extrusão .................................................................. 68
11.6 – Defeitos da Extrusão ............................................................................... 69
11.6.1 – Trinca Superficial .................................................................................. 69
11.6.2 – Cachimbo ............................................................................................. 69
11.6.3 – Trinca Interna ....................................................................................... 69
12 – Conformação de Chapas ......................................................................... 71
12.1 – Definição ................................................................................................. 71
12.2 – Classificação dos Processos ................................................................... 71
12.2.1 – Estampagem Profunda ......................................................................... 71
12.2.2 – Corte de Chapas .................................................................................. 72
12.2.3 – Dobramento .......................................................................................... 74
12.2.4 – Estiramento .......................................................................................... 75
13 – Anisotropia ............................................................................................... 77
14 – Soldagem .................................................................................................. 78
4
14.1 – Definição ................................................................................................. 79
14.2 – Classificação dos Processos ................................................................... 80
14.2.1 – Soldagem com Eletrodo Revestido ...................................................... 80
14.2.2 – Soldagem a Arco Submerso ................................................................ 84
14.2.3 – Soldagem TIG ...................................................................................... 89
14.2.4 – Soldagem MIG/MAG ............................................................................ 93
14.2.5 – Soldagem a Arco com Arame Tubular ................................................. 98
14.2.6 – Soldagem por Eletroescória ................................................................. 101
14.2.7 – Soldagem Eletrogás ............................................................................. 105
15 – Tratamento Térmico na Soldagem ......................................................... 110
16 – Terminologia de Soldagem ..................................................................... 114
17 – Terminologia de Descontinuidades em Solda ....................................... 135
18 – Análise de Descontinuidades ................................................................. 150
19 – Ensaios Destrutivos ................................................................................. 152
19.1 – Ensaios Mecânicos, Normas e Especificações ....................................... 152
19.2 – Corpo de Prova ....................................................................................... 152
19.3 – Resistência à tração e Ensaio de Tração ................................................ 153
19.4 – Ensaio de Dobramento ............................................................................ 156
19.5 – Ensaio de Fratura .................................................................................... 157
19.6 – Ensaio de Dureza .................................................................................... 157
19.7 – Ensaio de Impacto ................................................................................... 158
20 – Fluência ..................................................................................................... 160
21 – Fadiga e Limite de Fadiga ....................................................................... 160
22 – Ensaios Não Destrutivos ......................................................................... 161
22.1 – Ensaio Visual ........................................................................................... 161
22.2 – Teste por Ponto e Teste Magnético ........................................................ 162
22.3 – Teste de Estanqueidade ......................................................................... 162
22.4 – Líquido Penetrante .................................................................................. 162
22.5 – Partículas Magnéticas ............................................................................. 164
22.6 – Ultra-som ................................................................................................. 167
22.7 – Ensaio Radiográfico ................................................................................ 171
23 – Bibliografia ................................................................................................ 178
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NOÇÕES BÁSICAS SOBRE METALURGIA, PROCESSOS DE FABRICAÇÃO, ENSAIOS MECÂNICOS E ENSAIOS NÃO
DESTRUTIVOS.
1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE OS METAIS E SUAS LIGAS.
De um modo geral, pode-se descrever um metal como sendo um material sólido à temperatura ambiente, que reflete a luz quando polido, de densidade relativamente alta, que se comporta de maneira elástica até seu limite de elasticidade e plasticamente quando submetido a cargas mais elevadas, e que é um bom condutor de calor. Os metais podem existir nos estados gasoso, liquido e sólido. Submetido à solidificação, a partir do estado liquido, um metal se torna uma massa sólida cristalina. Os cristais metálicos são de tamanho microscópico, e, portanto, são raramente observados a olho nu.
A maioria dos metais utilizados comercialmente são ligas, isto é, consiste de dois ou mais elementos. Ligas bem conhecidas são o aço, o latão, o bronze, o monel e as ligas de alumínio.
Os metais utilizados comercialmente são obtidos a partir de seus óxido, carbonetos, hidretos e outras formas químicas complexas, os quais existem em depósito na crosta terrestre.
O controle dos processos de solidificação, de transformação e o controle do tamanho de grão do metal são os meios pelos quais as propriedades físicas e mecânicas importantes são obtidas em elementos de estruturas e de maquinas.
2 - ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS.
Reticulados cristalinos – Os metais, ao se solidificarem, cristalizam-se, ou seja, os seus átomos que, no estado gasoso ou líquido, estavam se movimentando a esmo, localizam-se em posições relativamente definidas e ordenadas, que se repetem em três dimensões e que formam uma figura geométrica regular, chamada de cristal.
Considerando apenas um determinado grupo de átomos e estudando o agrupamento atômico resultante da solidificação, tem-se uma figura geométrica de forma regular que é chamada de célula unitária ou célula cristalina unitária da estrutura.
O modelo de cristalização pode ser visualizado ao admitir-se o que acontece quando um metal solidifica, por exemplo, no interior de um recipiente. As primeiras células unitárias que se formam em pontos diferentes, crescem geralmente pela absorção de outras, até se encontrarem formando um contorno irregular que delimita uma área onde estão compreendidas milhares daquelas pequenas células (figura 1). Um conjunto de células unitárias forma um cristal com contornos geométricos, o qual , ao adquirir os contornos irregulares, devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grão. Esses grãos são ligados entre si por uma película que não é mais considerada cristalina (figura 2).
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Figura 1
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Figura 2
Em resumo cada grão é constituído por milhares de células unitárias; estas, por sua vez, consistem de grupos de átomos que se dispuseram em posições fixas, formando figuras geométricas típicas. As disposições dos átomos dão, origem aos chamados retículos ou reticulados cristalinos (figura 3). Os mais importantes são os seguintes:
Figura 3 2.1 – Reticulado Cúbico Centrado Os átomos se dispõem nos vértices e no centro de um cubo. Tal reticulado é encontrado no ferro à temperatura ambiente (forma alotrópica alfa), cromo, lítio, molibdênio, tântalo, tungstênio e vanádio entre outros. 2.2 – Reticulado Cúbico de Face Centrada Os átomos se dispõem nos vértices e nos centros das faces de um cubo. É o caso do ferro acima de 910 ºC, alumínio, cobre, chumbo, níquel, prata, entre outros.
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2.3 – Reticulado Hexagonal Compacto Os átomos se localizam em cada vértice e no centro das bases de um prisma hexagonal, além de três outros átomos que se localizam nos centros de três prismas triangulares compactos alternados. È o caso do zinco, magnésio, cobalto, cádmio e berílio. NOTA: Considerando os reticulados, existe aquele que apresenta maior densidade atômica em um plano do que outro, e este fato possui grande importância prática, pois as deformações acontecem segundo esses planos, ou seja, mais facilmente nos plano de maior densidade, chamados de planos de escorregamentos. Os metais cujas estruturas são reticulados de face centrada são os que mais facilmente são deformados, como comprovado na prática: alumínio, cobre, chumbo, prata, senso mais deformáveis que ferro, cromo, molibidênio.
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3 - DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Como já comentado, durante a solidificação de um metal, ocorre a formação de grãos e no caso de material policristalino, cada grão encontra-se cercado por vários outros grãos. A superfície de encontro de dois ou mais grão é denominada contorno de grão. Que é a região que acomoda a diferença de orientação na estrutura cristalina.
Figura 4
Todos os materiais apresentam um grande número de defeitos e imperfeições em suas estruturas cristalinas. Portanto, não existem estruturas cristalinas perfeitas. Utilizando-se as técnicas atuais de refino é muito difícil e caro refinar metais com níveis de pureza superior a 99,9999%. Nesta pureza ainda estão presentes cerca de 1022 – 1023 átomos impuros por m3 de material. As diversas propriedades dos materiais metálicos são profundamente afetadas pela presença de defeitos cristalinos e freqüentemente determinadas características são intencionalmente alteradas pela introdução de quantidades controladas de defeitos. Como exemplo podemos citar: Processos de cementação e nitretação de aços, endurecimento de metais e ligas por encruamento (deformação a frio), refino do tamanho de grão, etc. As imperfeições ou defeitos cristalinos são classificados em três classes: - Imperfeições de Ponto; - Imperfeições de linha; - Imperfeições de superfície. Todos os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, classificados por sua dimensionalidade. Vale lembrar que estes defeitos na estrutura cristalina é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos ou no tipo de átomos. O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal foi processado (“história” de processamento do material).
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Ainda assim, é importante salientar que apenas uma pequena fração dos sítios (ou posições) atômicos é imperfeita, ou seja, menos de 1 em 1 milhão. Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa. Como importância da presença destas imperfeições ou impurezas, podemos afirmar que elas permitem desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades. Algumas impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade de aumentar a resistência mecânica, aumentar a resistência à corrosão, aumentar a condutividade elétrica e etc. 3.1 – Imperfeições de Ponto (defeitos pontuais) Estas imperfeições correspondem a falta de um átomo ou a presença de átomos extras ou ainda a deslocamentos de átomos, que ocorrem por vibrações térmicas a elevadas temperaturas e cristalização imperfeita do metal. Podemos classificar quatro tipos de defeitos pontuais: - Vacância ou Lacunas: ausência de átomo; - Impureza Intersticial: átomo diferente ocupando um interstício. Provoca uma distorção no reticulado, já que o átomo, geralmente, é maior que o espaço do interstício; - Impureza Substitucional: átomo diferente ocupando uma vacância; - Auto Intersticial: átomo da própria rede ocupando um interstício. O defeito pontual mais simples é a lacuna ou vacância (do inglês vacancy), ou seja, a ausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um átomo. São formados durante a solidificação do material cristalino ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).
As lacunas constituem o único tipo de defeito que está em equilíbrio com o cristal. O número de vacâncias (lacunas) aumenta exponencialmente com a temperatura. Os átomos intersticiais ou substitucionais (impurezas ou elementos de liga) também são exemplos de imperfeições de ponto.
Figura 5
Vacância
Átomo ou Impureza Intersticial
Átomo ou Impureza
Substitucional
Átomo Auto Intersticial
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Nas figuras abaixo apresentamos mais exemplos de impurezas e lacunas presentes nas estruturas cristalinas.
Figura 6 - Lacunas
Átomo ou interstício pequeno Átomo ou interstício grande
Figura 7 - Átomo ou Impureza Intersticial 3.2 Soluções Sólidas Antes de iniciarmos este tópico vamos esclarecer alguns termos que serão colocados. Um elemento de liga ou Impureza é denominado Soluto, ou seja, apresenta-se em menor quantidade na estrutura do material. Já a Matriz ou Hospedeiro é denominado Solvente e apresenta-se em maior quantidade na estrutura. As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga ou soluto (impureza) e matriz ou solvente apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes. Com isso evita-se a precipitação de outra fase. A solução sólida é obtida com a adição intencional de outros elementos (elementos de liga - soluto) no metal solvente. Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga podem ser do tipo: - Intersticial; - Substitucional. Geralmente ocorre quando os átomos de soluto apresentam dimensões menores que os átomos de solvente. Na solução sólida intersticial os átomos de soluto se localizam nos interstícios existentes entre átomos maiores (solvente). Como exemplo clássico, podemos citar Fe-C, onde o Carbono tem raio atômico bem menor, se comparado com o Ferro (figura 8).
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Figura 8 A solução sólida substitucional ocorre quando os átomos do soluto substituem as posições atômicas ocupadas pelos átomos do metal solvente. Elas podem ser do tipo substitucional ordenada ou substitucional desordenada podem ser do tipo (figura 9).
Substitucional Ordenada Substitucional Desordenada
Figura 9
Dentre os fatores que determinam a formação da solução sólida substitucional podemos citar: - Raio atômico: deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase; - mesma estrutura cristalina (CCC, CFC ou HC); - estruturas eletrônicas semelhantes (eletronegatividade e valência); - dimensões atômicas similares (diferença de ~15% máx.).
3.3 Imperfeições de Linha (Discordância) Geralmente chamada de discordância, pois se atribui a ela a responsabilidade pelo fenômeno de escorregamento, segundo qual a maioria dos metais se deformam. Os tipo de discordâncias existentes são: - discordância de aresta, linha ou cunha: que corresponde a presença de um plano extra de átomos no reticulado (figura 9); - espiral ou hélice: que produz uma distorção na rede (figura 10). Uma analogia para este efeito é quando se rasga uma lista telefônica; - discordância mista (cunha + helicoidal): na realidade os materiais metálicos só apresentarão discordâncias mistas. Entretanto, como estas discordâncias são complexas, é mais fácil estudá-las como misturas de discordâncias em cunha e hélice (figura 11). As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação, sendo de origem térmica, mecânica e por supersaturação de defeitos pontuais.
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A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais. A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos.
Figura 9
As linhas escuras são degraus de escorregamento superficiais
Figura 10
Figura 11
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Considerações finais: a) A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos. b) Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas. c) Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas 3.4 Imperfeições de Superfície (Planares) Os defeitos superficiais são defeitos bidimensionais ou interfaciais que compreendem regiões do material com diferentes estruturas cristalinas e/ou diferentes orientações cristalográficas. Estes defeitos incluem: - superfícies externas, - contornos de fase; - contornos de grão, - contornos de macla e - defeitos de empilhamento.
3.4.1 Superfícies Externas Átomos da superfície apresentam ligações químicas insatisfeitas e em virtude disto, estão em um estado de energia mais elevado que os átomos do núcleo (com menor n° de coordenação). As ligações insatisfeitas dos átomos da superfície dão origem a uma energia de superfície ou energia interfacial (J/m2). A redução desta energia adicional (tudo tende a menor energia) é obtida pela redução da área superficial. No caso de gotas de líquido, estas tendem a assumir a forma esférica (maior volume com a menor área exposta). 3.4.2 Contornos de fase Os contornos de fase são as fronteiras que separam fases com estruturas cristalinas e composições distintas.
Figura 12
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3.4.3 Contornos de Grão São superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações. Como são possíveis diferentes orientações entre cristais adjacentes existem contornos de grão “mais” ou “menos” ajustados: - quando a desorientação é pequena (até 10°) o contorno de grão recebe a denominação de contorno de baixo-ângulo e a região que está separada Sub-Grão. - nos casos onde a desorientação é superior a ~10° temos os contornos de grão propriamente ditos. De maneira similar aos contornos de superfície, o n° de coordenação nos contornos de grão é baixo e assim também existe uma energia de contornos de grão similar a energia interfacial. As conseqüências práticas da existência de uma energia interfacial associada aos contornos de grão são: - os contornos de grão são regiões mais reativas quimicamente; - os contornos de grão tendem a reduzir sua área quando em temperaturas elevadas, aumentando o tamanho médio do grão e impurezas tendem a segregar em contornos de grão (diminuem a energia do contorno). 3.4.4 Contornos de Macla Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado. A região de material entre os contornos é chamada de macla. As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por tensões de cisalhamento (maclas de deformação) ou durante tratamento térmico (maclas de recozimento). A formação de maclas (maclação) ocorre em planos cristalográficos definidos e direções cristalográficas específicas, que são dependes da estrutura cristalina. - Maclas de recozimento ocorrem em metais com estrutura CFC - Maclas de deformação ou mecânicas são observáveis em metais CCC e HC
Figura 13
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4 - LIGAS METÁLICAS Geralmente os metais são utilizados na forma de ligas metálicas, ou seja: “uma mistura de dois ou mais elementos químicos dos quais pelo menos um é um metal”. A mistura de dois ou mais elementos químicos, dar-se ao nível de reticulo cristalino, ou seja, um metal considerado puro, apresenta teoricamente uma estrutura uniforme em todas as direções. Quando há presença de impurezas ou átomos de natureza diferente do metal puro, como por exemplo: carbono, hidrogênio e oxigênio, por serem menor que o átono de ferro, este se dispõem na região intersticial dos átomos de ferro, constituído a solução sólida intersticial. Se os átomos diferentes forem de dimensões semelhantes aos do ferro, estes vão deslocar os átomos do metal puro, ocupando seus lugares, constituindo uma solução sólida substitucional. Algumas ligas metálicas são constituídas por soluções sólidas intersticial e substitucionais ao mesmo tempo. A finalidade da introdução de átomos de natureza diferentes na reticula cristalina de um metal puro é promover distorção na estrutura, e dificultar o deslocamento dos átomos / planos, assim podemos dizer que o metal está mais resistente. Este é o principal mecanismo para o aumento da resistência do aço pela adição de elementos de liga. 4.1 – Difusão Os átomos do reticulado cristalino de um metal, vibram em torno de sua posição.
A vibração aumenta proporcionalmente com o aumento da temperatura, consequentemente a energia do átomo aumenta, facilitando sua movimentação na estrutura cristalina do metal.
A difusão se dá exatamente quando um átomo se desloca de sua posição de equilíbrio, por vários mecanismos: a troca de posição na difusão intragranular (substitucional ou intersticial); migração de átomos, para superfícies livres e nos contornos de grãos (apresenta maior espaço, caminho preferencial) e difusão nas linhas de discordância por apresentar maior espaço.
Nota: A difusão é dependente direto da temperatura, tempo de permanência na temperatura, tempo de resfriamento e principalmente do material e elementos de liga.
Ex.: Aço inoxidável ASI 316 – ocorre a sensitização.
NOTAS: Sensitização (d) é a precipitação de carbeto de cromo (Cr23C6) nas regiões intergranulares quando estes aços são aquecidos entre 340°C e 900°C. Esta precipitação reduz a concentração de cromo das regiões intergranulares, reduzindo a resistência a corrosão destas áreas (figura 1).
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Figura 1
Figura 2 CORROSÃO SOB TENSÃO se caracteriza pelo aparecimento de trincas na superfície de materiais decorrentes da ação combinada de um meio corrosivo específico e de tensões estáticas residuais, induzidas ou externas. Os mecanismos causadores dessa corrosão ainda não são bem conhecidos.
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Figura 3
5 - FORMAÇÃO E CRESCIMENTO DOS GRÃOS
No metal, em estado líquido, os átomos estão dispostos desordenadamente, um instante após o inicio da solidificação, há a formação do núcleo da partícula (1ª partícula sólida).Com o resfriamento outros núcleos se formam e daí os grãos sólidos do metal (figura 4).
Figura 4
Todas os grãos tem a mesma estrutura cristalina e o tamanho de grão é delimitado pela interferência de um grão vizinho.
19
A direção dos planos são independentes em cada grão, portanto os contornos de grãos são regiões onde a ordenação dos átomos são respectivamente desfeitos, consequentemente nos contornos de grãos os metais se comportam de maneira diferente (figura 5).
Figura 5
A ordenação dos cristais e tamanhos de grãos e as fases constantes de uma liga metálica se chama microestrutura, e esta é a responsável pelas propriedades físicas e mecânica da liga. A microestrutura vária com a composição química e pelo ciclo térmico imposto ao material. Os contornos de grão, muitas vezes definem muitas propriedades das ligas metálicas. Nestas regiões os átomos não estão ordenados, existindo vazios que permitem mais facilmente a movimentação atômica. Devido a isto, a difusão ocorre, em geral, mais rapidamente nos contornos que no centro dos grãos. Em decorrência, as impurezas segregam nos contornos de grão, podendo formar fases que alterarão desfavoravelmente as propriedades do material como, por exemplo, a redução de dutilidade ou aumento à susceptibilidade à trinca durante a soldagem ou tratamento térmico. Um dos efeitos do tamanho de grão é influenciar na resistência dos materiais. Na temperatura ambiente, quanto menor o tamanho de grão maior a resistência dos materiais, e em altas temperaturas quanto menor o tamanho de grão, menor a resistência. Disto resulta que materiais de granulação fina comportam-se melhor em baixa temperatura e materiais de granulação grosseira em altas temperaturas.
20
6 - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO A transformação dos metais e ligas metálicas em peças de uso industrial pode ser realizada por intermédio de inúmeros processos, a maioria dos quais tendo como ponto de partida o metal liquido ou fundido, que é derramado no interior de uma forma, cuja cavidade é conformada de acordo com a peça que se deseja produzir. Após essa primeira etapa, outras subseqüentes são aplicáveis, para a obtenção da peça / equipamento desejado, pronto para ser utilizado como equipamento ou parte de um. Inerentes a esses processos de fabricação são produzidas descontinuidades típicas de cada um, portanto a seguir faremos uma descrição sucinta dos processos de fabricação mais comuns (figura 18) e com suas descontinuidades típicas. Assim, torna-se necessário que um inspetor tenha um bom conhecimento desses processos de fabricação para que, ao inspecionar um material, saiba realmente como as descontinuidades são orientadas e como se apresentam no material. Essa noção vai facilitar em muito para a racionalização dos ensaios não destrutivos e ao mesmo tempo vai indicar para o inspetor qual é a melhor técnica a ser empregada. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em: - Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. - Laminação: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos. - Trefilação: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira, ou trefila) com forma de canal convergente. - Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. - Conformação de chapas: Compreende as operações de: a) Embutimento; b) Estiramento; c) Corte ou cisalhamento; d) Dobramento. Um outro processo que tem ampla aplicação nas construções industriais que faz parte da obtenção desses produtos é a soldagem. Como cada um desses processos tem características próprias, podemos dizer que ocorrerá o mesmo com as descontinuidades, sendo que algumas são peculiares a mais de um processo. Além desses processos existem outros, mais direcionados para o acabamento final, como: usinagem (torneamento, fresamento, aplainamento, brochamento etc.).
Figura 6 (continua)
21
Figura 6 (continuação)
6.1 Aspectos da Temperatura na Conformação Os processos de conformação são comumente classificados em operações de trabalho a quente, a morno e a frio. O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação de tal modo que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. Já o trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e recristalização não são efetivos. No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se formam novos grãos (não há recristalização). No trabalho a quente, devido a intensas vibrações térmicas, que facilita muito a difusão de átomos e a mobilidade e aniquilamento das discordâncias, o encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação, são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação, como resultado da recristalização. É possível conseguir grandes níveis de deformação, uma vez que os processos de recuperação e recristalização acompanham a deformação. Ela ocorre a uma tensão constante. E como a tensão de escoamento plástico decresce com o aumento da temperatura, a energia necessária para a deformação é geralmente muito menor para o trabalho a quente do que para o trabalho a frio ou a morno. No trabalho a frio, como o encruamento não é aliviado, a tensão aumenta com a deformação. Assim a deformação total, que é possível de se obter sem causar fratura, é menor no trabalho a frio do que no trabalho a quente e a morno. Exceto quando se realizam tratamentos térmicos de recozimento para aliviar os efeitos do encruamento. No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a quente. Costuma-se definir, para fins práticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homóloga, que permite a normalização do comportamento do metal, conforme figura abaixo.
22
Em um metal puro, que não sofre transformação de fase no estado sólido, os pontos de referência em termos de temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão. Estes pontos, traduzidos em graus Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.
REPRESENTAÇÃO DA TEMPERATURA HOMÓLOGA E DAS FAIXAS DE TEMPERATURA : trabalho a frio (TF),
a morno (TM) e a quente (TQ).
Figura 7 Em termos de conformação mecânica, chama-se de trabalho a quente (TQ) aquele que é executado em temperaturas acima de 0,5Tf trabalho a morno (TM), executado na faixa compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf e trabalho a frio (TF) aquele que é executado entre 0 e 0,3 Tf. É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é, portanto, função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Assim, embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relação à ambiente, para metais como Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente à temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100oC é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço. 6.2 Trabalho a Frio (Conformação a Frio) A conformação a frio ou trabalho a frio é acompanhado do encruamento (inglês "strain hardening") do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras, tais como contornos de grão, que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média 106 a 108 cm de discordâncias por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 1012 cm de discordâncias por cm3. A estrutura característica do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos planos de deslizamento. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura). Após uma limitada quantidade de trabalho a frio, o limite de escoamento cresce rapidamente e se aproxima do limite de resistência, enquanto que a ductilidade cai de modo bastante brusco. A microestrutura também muda, com os grãos se alongando na direção de maior deformação, podendo o material como um todo desenvolver propriedades direcionais (anisotropia), conforme ilustra a figura 8.
23
Figura 8
6.2.1. Processos de Recuperação e Recristalização dos Metais Conformados a Frio O efeito do TF pode ser reduzido ou mesmo eliminado pela manutenção do material a uma temperatura suficientemente elevada para que a vibração térmica dos átomos permita maior mobilidade das discordâncias. Em temperaturas de cerca de 0,3 – 0,5 Tf, as discordâncias são bastante móveis para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as discordâncias de sinais opostos), formando uma estrutura celular (subgrãos) com uma pequena defasagem de orientação cristalográfica entre as células. Este processo é chamado de RECUPERAÇÃO. É um processo que depende do tempo (figura 9b) e, embora não mude a microestrutura, restaura parcialmente a maciez (menor resistência e maior ductilidade). A maciez original é inteiramente restaurada pelo aquecimento acima de T= 0,5 Tf, quando se formam novos grãos com baixa densidade de discordâncias. Os grãos crescem continuamente até que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida ou mesmo desenvolvida uma textura cristalográfica (textura de recozimento). Tal processo de recozimento envolve difusão e, portanto, é grandemente dependente da temperatura e do tempo, conforme figura 19c.
Alterações na resistência, ductilidade e microestrutura durante (a) trabalho a frio, (b) recuperação e (c)
recristalização Figura 9
24
A temperatura de 0,5 Tf é apenas uma referência aproximada, pois mesmo pequenos teores de elemento de liga podem retardar substancialmente a formação de novos grãos, elevando a temperatura de recristalização. Na prática, a temperatura de recristalização é convencionalmente definida como aquela em que o metal severamente encruado recristaliza totalmente no espaço de uma hora. A tabela abaixo apresenta as temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum.
Figura 10
Em alguns metais o processo de recuperação aumenta a ductilidade mais do que diminui a resistência, sendo então possível controlar as propriedades finais do produto deformado por meio de um severo trabalho a frio, seguido de um recozimento de recuperação que restaura grande parte da ductilidade sem reduzir muito a resistência. Em resumo, os principais fatores que afetam a recristalização são: 1. uma quantidade mínima de deformação prévia: se o trabalho a frio prévio é zero, não há energia de ativação para a recristalização e ficam mantidos os grão originais; 2. quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de recristalização; 3. quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização; 4. quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão resultante (pois será maior o número de núcleos a partir dos quais crescerão os novos grãos). OBS: Uma estrutura de grãos grosseiros apresenta propriedades mecânicas pobres, ao passo que um tamanho de grão fino fornece ao material alta resistência sem diminuir-lhe muito a ductilidade. 5. adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalização (pois retardam a difusão).
Normalmente, as operações de trabalho a frio/recozimento são as etapas finais dos processos de conformação mecânica. Isto é devido principalmente às excelentes qualidades superficiais e tolerâncias dimensionais obtidas no produto final. Porém, os esforços de conformação são muito elevados, o que em certos casos restringe o tamanho das peças produzidas. Também, para alguns materiais de baixa ductilidade, a conformação não pode ser realizada.
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Veja na figura 11 abaixo as alterações granulares na recristalização.
Figura 11
Aço 1010 Recozido a 550ºC Aço 1010 recozido a 600ºC
(apenas recuperação) (recristalização) Figura 12 Figura 13
6.3 Trabalho a Morno (Conformação a Morno) Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento.
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O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de temperaturas onde ocorre o processo de recuperação, portanto, o grau de endurecimento por deformação é consideravelmente menor do que no trabalho a frio. Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperaturas empregada na conformação a morno dos aços, mas, certamente se torna importante entre 500 e 800° C. A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido a possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas. Esta fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se a coloração do óxido formado na superfície do aço nesta faixa de temperaturas. Com relação ao trabalho a quente o processo a morno apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação - contração do material e da matriz. Estas características permitem se ter menores ângulos de saída (podem-se utilizar maiores cargas para a retirada da peça das matrizes sem deformar o produto). A maior desvantagem da conformação a morno com relação ao processo a quente é o aumento do limite de escoamento que ocorre com a diminuição da temperatura durante a deformação. O aumento da carga de conformação implicará na necessidade de se empregar prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. Os tarugos para a conformação, por sua vez, podem requerer decapagem para remoção de carepa e utilização de lubrificantes durante o processo. Em relação ao trabalho a frio o processo a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo. 6.4 Trabalho a Quente (Conformação a Quente) O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação mecânica da maioria dos metais e ligas. Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal e proporciona maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas como também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão presentes às temperaturas de trabalho a quente. As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho. As variações estruturais devido ao trabalho a quente proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade, comparado ao estado fundido. Geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas, pode ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.
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A maioria das operações de Trabalho a Quente é executada em múltiplos passes ou estágios; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior do trabalho a quente para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão origem a peças com melhor resistência e tenacidade (figura 14).
Figura 14
De um ponto de vista prático o trabalho a quente, que é o estágio inicial da conformação dos materiais e ligas, apresenta um certo número de vantagens, mas também de problemas, como listado em seguida.
Vantagens da Conformação a Quente: • Menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento
decresce com o aumento da temperatura; • Aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade); • Homogeneização química das estruturas brutas de fusão (e.g., eliminação de
segregações) em virtude da rápida difusão atômica interna; • Eliminação de bolhas e poros por caldeamento; • Eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido,
proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais; • Aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relação ao bruto de
fusão. Desvantagens da Conformação a Quente • Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de
energia para aquecimento das peças; • Reações do metal com a atmosfera do forno, levando as perdas de material por
oxidação e outros problemas relacionados (p.ex., no caso dos aços, ocorre também descarbonetação superficial; metais reativos como o titânio ficam severamente fragilizados pelo oxigênio e tem de ser trabalhados em atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada);
• Formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial;
28
• Desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil; • Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração
térmicas; • Estrutura e propriedades do produto resultam menos uniformes do que em caso de TF
seguido de recozimento, pois a deformação sempre maior nas camadas superficiais produz nas mesmas uma granulação recristalizada mais fina, enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos.
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7. FUNDIDOS 7.1 Definição de Fundição É a conformação de peças por meio de vazamento de um metal em estado líquido em recipientes apropriados chamados moldes. Extraído o calor, pelo resfriamento, é realizada a solidificação e então, é fixada a forma final do componente. A fundição é geralmente o processo mais comum e rápido de obtenção de um produto acabado a partir de matérias-primas. Podem-se produzir peças de formas complexas, inclusive com detalhes internos, utilizando-se de processo automático. 7.2 Aplicação de Fundidos O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas. Porém existem também desvantagens. Os aços fundidos, por exemplo, podem apresentar elevadas tensões residuais, micro-porosidade, zoneamento e variações de tamanho de grão. Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros processos de fabricação como conformação a quente.
7.3 Classificação dos Processos Típicos de Fundição Existem muitas variantes no processo de fundição (grau de automação, produtividade, precisão dimensional, acabamento superficial), entretanto destaca-se a influência do tipo de molde nas propriedades físicas do material resultante. A taxa de extração de calor através do molde determina o tamanho final de grão, e, portanto a característica de resistência mecânica da peça. Por este motivo os processos de fundição são muitas vezes classificados de acordo com o tipo de molde utilizado. Os processos típicos podem ser classificados em quatro grupos básicos: a) Areia Verde (molde é descartável); b) Molde Permanente (molde é metálico, bipartido); c) Injeção (molde é metálico, o metal líquido entra sob pressão); d) Cera Perdida (molde e modelo são descartáveis). 7.3.1 Fundição em moldes Os moldes podem ser confeccionados em areia (areia verde ou aglomerados com resinas ou silicatos), moldes metálicos (fabricados em aços ou ferros fundidos), moldes de gesso ou moldes de materiais cerâmicos (fundição de precisão). Os moldes chamados permanentes (metálicos) são os preferidos para grandes produções por minimizarem os custos de moldagem e permitirem a obtenção de excelente acabamento superficial. Entretanto, são mais caros. Para séries menores os processos de areia, gesso e os moldes cerâmicos são os mais indicados.
30
O correto dimensionamento do sistema de enchimento (projeto de canais de descida e de ataque), evitando a turbulência do líquido durante o preenchimento da cavidade do molde, diminui significativamente a ocorrência de defeitos como filmes de óxidos e bolhas de ar provocadas pelo encontro de frentes de solidificação (gota fria). Abaixo representamos esquematicamente estes processos típicos: • Areia Verde
Figura 15
A B
C D
E F
31
• Molde Permanente
Figura 16 (continua)
A B
C D
E F
G H
32
Figura 16 (continuação)
• Injeção
Figura 17 (continua)
I
A B
C D
E F
33
Figura 17 (continuação)
• Cera Perdida O processo de cera perdida utiliza um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível (cera) com uma pasta ou argamassa refratária, a qual endurece à temperatura ambiente ou mediante aquecimento adequado. Uma vez endurecida a camada de pasta refratária, o modelo é consumido (derretido no interior de um forno), a cera funde-se, deixando apenas a camada de cerâmica externa. Desta forma, obtém-se uma espécie de casca endurecida, que vem a ser o molde propriamente dito, contendo as cavidades e os detalhes correspondentes à peça que se objetiva produzir. Uma vez vazado o metal líquido no interior do molde e solidificada a peça (ou peças) correspondente, o molde também é inutilizado. Diferente do que ocorre na fundição em areia verde (onde o modelo é usado inúmeras vezes e o molde é inutilizado), no processo de cera perdida tanto o modelo como o molde são temporários. O modelo consumível (feito de cera) é confeccionado com o emprego de matrizes, cujas cavidades correspondem à forma do modelo, podendo ser metálicas (permanentes) ou de silicone (semi-permanentes).
G H
I
34
Figura 18 (continua)
A B C
D E
F
G H I
L K J
35
Figura 18 (continuação)
7.4 Sistemas de Moldagem 7.4.1 Moldagem em casca (Processo Shell) Consiste em um sistema de fundição de precisão no qual o molde é confeccionado a partir de uma mistura de areia e uma resina, a qual (por sofrer endurecimento sob a ação do calor) atua como aglomerante.
M N O
P Q R
S T U
V
36
Este método é baseado nas características das areias à base de fenol-formaldeído que endurecem irreversivelmente em contato com o calor. Etapas do processo: A mistura é colocada sobre a superfície de um modelo metálico (matriz), o conjunto é aquecido e endurece formando uma casca resistente e rígida, que constitui o molde (ou macho) ou uma de suas partes. A seguir o modelo é extraído e a outra metade do molde, se for o caso, é confeccionada de modo idêntico. Uma vez prontos os moldes, os machos são colocados em suas cavidades (caso seja necessário) e as duas partes são posicionadas e presas, geralmente por colagem. 7.4.2 Moldagem pelo processo CO2 Processo de aplicação relativamente recente é amplamente utilizado na confecção de moldes e machos referentes a componentes pequenos, médios ou grandes, permitindo obter peças com pesos que vão desde de alguns gramas até dezenas de toneladas. O processo resume-se na utilização de moldes convencionais de areia aglomerados com silicato de sódio. Após a compactação por métodos usuais, os moldes são submetidos a um tratamento com CO2 (gasagem), fazendo-se passar uma corrente do gás através do molde. Devido à reação entre o gás e o silicato de sódio, formam-se sílica-gel, carbonato de sódio e água, resultando no endurecimento do molde em curto período de tempo. 7.5 Seleção do Processo de Fundição O tipo de processo a usar deve ser escolhido adequadamente. Os mais importantes fatores a considerar são:
• Quantidade de peças a produzir • Projeto da fundição • Tolerâncias requeridas • Grau de complexidade • Especificação do metal • Acabamento superficial desejado • Custo do ferramental • Comparativo econômico entre usinagem e fundição • Limites financeiros do custo de capital • Requisitos de entrega
7.6 Ligas utilizadas nos Processos de Fundição
Ferrosas
Não
Ferros Fundidos (Nodular, Cinzento, Maleável)
Aços (Aço Carbono, Aço Liga)
Ligas de Al, ligas de Cu, Ligas de Zn Ferrosas
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7.7 Desenvolvimento da Macroestrutura no Lingote Os metais líquidos são vazados em moldes para obtenção de peças ou lingotes. O lingote passa posteriormente por processos de deformação plástica visando a produção de chapas, barras, perfis, etc. Os grãos que aparecem na estrutura da peça ou do lingote podem ter diferentes tamanhos dependendo das taxas de extração de calor e gradientes térmicos em cada momento da solidificação. Na ilustração abaixo (figura 19) mostramos o desenvolvimento da macroestrutura durante a solidificação e as diferentes morfologias de grãos resultantes.
Figura 19
7.7.1 Regiões de Granulação Em geral existem três regiões de grãos que se classificam como: Zona coquilhada: região de pequenos grãos com orientação cristalina aleatória, situada na parede do molde. Próximo à parede existe maior taxa de extração de calor e portanto elevado super-resfriamento, que favorece a formação destes grãos. Os grãos da zona coquilhada tendem a crescer na direção oposta a da extração de calor. Porém algumas direções cristalinas apresentam maior velocidade de crescimento que outras. Zona Colunar: região de grãos alongados, orientados na direção de extração de calor. Os grãos da zona coquilhada que possuem as direções cristalinas de maiores velocidades de crescimento alinhadas com a direção de extração de calor, apresentam aceleração de crescimento. Esta aceleração gera grãos alongados que compõem a zona colunar, situada na posição intermediária entre a parede e o centro do molde. Zona Equiaxial: região de grãos grosseiros formados no centro do molde como resultado da nucleação de cristais ou da migração de fragmentos de grãos colunares (arrastados para o
A B C
D E F
38
centro por correntes de convecção no líquido). Nesta região os grãos tendem a ser pequenos, equiaxiais e de orientação cristalina aleatória. 7.8 Descontinuidades em Peças Fundidas 7.8.1Rechupes Também conhecidos por cavidades de contração ou macroporosidades, originam-se durante a solidificação devido à contração volumétrica e alimentação inadequada. Estas contrações concentram-se em um único ponto da peça (que é a última região a se solidificar), resultando em um vazio grande e com superfície interna rugosa (formada pelas dendritas*). Um metal líquido ocupa um volume maior neste estado que quando no estado sólido, ou seja, com solidificação ocorre uma contração. A solidificação começa na superfície externa do material e, naturalmente, através das regiões de uma peça em que há maior perda de calor. Assim, quando o volume de metal líquido no centro do molde começa a se solidificar, contrai-se e não havendo volume suficiente de metal líquido para alimentação deste centro, forma-se um vazio de contração. É uma descontinuidade de forma irregular, tridimensional, que pode aflorar á superfície após usinagem. *Dendritas: formações produzidas durante a solidificação do metal (metal fundido em um molde) em forma de dentes, caracterizando estruturas não desejadas ao produto final. Na figura 20 temos diversas formas e localizações destas contrações, em função da perda ou de calor sofrido pelo molde.
Figura 20
As peças que solidificam-se gradualmente de baixo para cima (unidirecionalmente) apresentam uma redução das dimensões da peça em apenas uma direção. Neste caso não se forma propriamente uma porosidade (ou cavidade), mas um rebaixo (rechupe) na superfície da peça, como primeiro exemplo da figura 20. O segundo exemplo da figura 20 acima mostra uma peça que perdeu calor igualmente nas três direções, formando uma cavidade ou porosidade no centro da peça. No caso de uma superfície extrair calor mais lentamente que as demais, forma-se um rechupe na região que se solidificou por último, como mostra o terceiro exemplo da figura 20. Uma técnica comum de se controlar a cavidade resultante das contrações de solidificação consiste no uso de alimentadores (denominados de “massalotes”), que são reservatórios de metal posicionados próximos da última região a se solidificar. Tais reservatórios tem a função de fornecer líquido para a frente de solidificação de modo que o rechupe se desloque para o massalote, resultando em uma peça sem macro-porosidade. Após a solidificação, o
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massalote é separado (cortado) da peça e descartado. O material descartado pode ser reciclado em fusões posteriores. A figura 21 apresenta as diversas fases de solidificação de um metal em uma lingoteira. Já na figura 22 temos a influência das características dimensionais da peça na configuração do rechupe.
Figura 21
Figura 22
7.8.1 Microporosidades É um defeito de porosidade que se caracteriza por suas pequenas dimensões e por estar distribuído ao longo da peça. Forma-se quando as dendritas presentes na frente de solidificação (interface L-S) são de grande tamanho, conforme figura 23 (a). Há dificuldade do metal líquido penetrar entre as dendritas na interface L-S (Líquido-Sólido), devido à perda de carga. Com isto não são compensadas as contrações locais, aparecendo porosidades entre os braços das dendritas. Para evitar ou reduzir este problema, aumenta-se a extração de calor na peça através do uso de resfriadores na parede do molde, ou usar moldes metálicos.
Observe na figura 23 abaixo os casos de ocorrências de porosidade.
40
Figura 23 As figuras abaixo mostram a seqüência de formação típica das dendritas em materiais com pequeno intervalo de solidificação. Observe que não há formação de porosidades.
Figura 24
Para materiais com grande intervalo de solidificação a formação típica das dendritas leva ao aparecimento de micro-porosidades, como mostrado na seqüência abaixo.
Figura 25
7.8.2 Bolhas Gasosas (Porosidades) São cavidades ou poros na massa dos metais, causadas pela dissolução de gases aprisionados durante a solidificação.
41
Têm forma esférica ou oval e, neste caso, as paredes são lisas e apresentam-se isoladas ou agrupadas na superfície ou logo abaixo.
Como mecanismo de formação podemos afirmar que, ao se solidificarem, os metais líquidos reduzem as condições de solubilidade do gás, formando bolhas que podem ficar aprisionadas. 7.8.3 Gotas Frias Originam-se durante o vazamento em decorrência do metal líquido que espirrou nas paredes do molde, e solidificam-se antes de completar o vazamento. Tem a forma de glóbulos ou gotas.
Ao encher o molde, estes glóbulos de metal já sólidos e oxidados não se unem metalurgicamente com o restante do metal (figura 27).
Figura 26 Figura 27
7.8.4 Inclusões
São pequenas partículas dispersas na matriz metálica, interrompendo a matriz metálica e acarretando alta concentração de tensões, por extinguir a distribuição uniforme da tensão. As inclusões são resultados da presença de areia, escória ou óxidos na superfície ou no interior dos metais (figura 29). Na superfície podem ser removidas deixando apenas uma cavidade (figura 28). As inclusões podem ser classificadas sob vários aspectos, como por exemplo, quanto à origem, composição química e propósito.
ORIGEM – São classificadas em exógenas e endógenas. a) Exógenas – De origem externa, resultante da entrada de escória juntamente com o metal, da erosão mecânica do refratário do forno ou do material do molde e de reações químicas entre o refratário do forno e o metal e ou a escória.
b) Endógenas – De origem interna e resultantes de reações químicas, transformações e precipitações que ocorrem dentro de um metal. Como exemplos podem-se citar transformações de óxidos, sulfetos, fosfetos, nitretos e carbonetos, precipitação de cobre e de chumbo. COMPOSIÇÃO QUÍMICA – São classificadas em não metálicas e metálicas.
a) Não metálicas – Quando estão sob forma combinada como, por exemplo: óxido, sulfeto, fosfeto, nitreto e carboneto. b) Metálicas – Quando estão sob forma de elemento puro, como no caso do chumbo e do cobre, inclusive a grafita nos aços grafíticos e ferros fundidos.
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PROPÓSITO – São classificadas em desejáveis e indesejáveis.
a) Desejáveis – Quando são produzidas, propositalmente, com fim específico, como no caso do chumbo e do sulfeto de manganês, para proporcionar melhoria da usinabilidade ou, como no caso do óxido de alumínio, para evitar crescimento dos grãos austeníticos dos aços. Portanto, as inclusões nem sempre são maléficas. As inclusões, às vezes, são criadas com o fim de impedir que certo tipo de inclusão seja gerada, como é o caso da adição do manganês ao aço, cujo enxofre nunca é totalmente eliminado na sua elaboração, para formar o sulfeto de manganês e impossibilitar a formação do sulfeto de ferro, o qual provoca fragilidade a quente ou de impedir a formação de bolhas, que ocorrerão no aço, caso não seja adicionado ao líquido um desoxidante, como por exemplo, o alumínio, a fim de fixar o oxigênio do óxido de ferro, formar a alumina e evitar que se uma ao carbono, cujo gás resultante poderá ficar retido durante a solidificação. b) Indesejáveis – Quando surgem não intencionalmente.
Figura 28 Figura 29
As inclusões exercem influencia sobre o metal, porque interrompem a matriz metálica, acarretam alta concentração de tensões e são barreiras ao movimento atômico. A descontinuidade metálica favorece a fragilidade e a usinabilidade, as tensões localizadas acarretam aumento da energia interna e acelera a cinética das reações, as barreiras inibem o crescimento dos grãos, por dificultarem, mecanicamente, o movimento atômico intercristalino e tornam o metal mais resistente e menos dúctil, por impedirem o deslocamento das discordâncias. Por outro lado, as inclusões, finamente dispersas no líquido, propiciam granulação fina, por agirem como sítios nucleantes, acarretando velocidade de nucleação superior à de crescimento. O efeito das inclusões depende da sua composição, tamanho, forma, quantidade e distribuição. A influência das inclusões é menos prejudicial às propriedades mecânicas do metal quando em menor quantidade, menor tamanho, mais homogeneamente distribuídas e de forma esférica, caso em que favorece a tenacidade, a resistência ao ,impacto, a usinabilidade, etc., e a peça fica com menos tendência à fratura por fadiga. Quando segregadas, afetam mais propriedades do metal e a propensão à ruptura por fadiga, devido à sua natural não plasticidade e à alta concentração de tensões. Quando alongadas, por efeito de trabalho mecânico, acarretam propriedades anisotrópicas, reduzindo sensivelmente a ductilidade e a resistência ao impacto transversal. O efeito maléfico das inclusões é mais acentuado nos materiais duros do que nos moles, porque nestes poderá ocorrer redução da concentração de tensões resultante de deformações plásticas localizadas. Na elaboração do aço, as impurezas enxofre e fósforo são controladas, para evitar seus efeitos perniciosos.
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7.8.5 Trincas ou Fraturas de Contração (Hot Tears)
São formadas antes do término da solidificação devido à restrição de contração. Geralmente estão abertas á superfície (figura 30).
Figura 30
7.8.6 Trincas a Quente (Hot Cracks) São causadas por tensões que se desenvolvem após a solidificação e durante o resfriamento, a partir de uma temperatura elevada.
Figura 31
7.8.7 Interrupção de Vazamento ou Metal Frio (Cold Shut) Origina-se quando duas correntes de metal líquido se encontram no interior do molde e, muitas vezes não se unem metalurgicamente, havendo a formação de uma interface entre as massas de metais que se encontram (figuras 32 e 33). Pode, eventualmente, ter a aparência de uma trinca.
Figura 32 Figura 33
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8. FORJADOS 8.1 Definição O forjamento é o mais antigo processo de conformar metais, tendo suas origens no trabalho dos ferreiros de muitos séculos antes de Cristo. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existe um variado maquinário de forjamento, capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião. Forjamento é o nome genérico de operações de conformação mecânica efetuadas com esforço de compressão sobre um material dúctil, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho. A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, etc., são produzidas por forjamento a frio. Na maioria das operações de forjamento emprega-se um ferramental constituído por um par de ferramentas de superfície plana ou côncava, denominadas matrizes ou estampos. 8.2 Classificação dos Processos O forjamento pode ser dividido em dois grandes grupos de operações: Forjamento em matriz aberta ou Forjamento livre e Forjamento em matriz fechada. 8.2.1 Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre O material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam (ver figura 34).
(a) (b) (c)
Figura 34
8.2.2.1 Operações Unitárias São operações relativamente simples de conformação por forjamento, empregando matrizes abertas ou ferramentas especiais, podendo ter as finalidades de: - produzir peças acabadas de feitio simples;
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- redistribuir a massa de uma peça bruta para facilitar a obtenção de uma peça de geometria complexa por posterior forjamento em matriz. Nos itens abaixo apresentamos as operações unitárias mais comuns. Recalque ou recalcamento: Compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando primariamente reduzir a altura da peça e aumentar a sua secção transversal (figura 35).
Figura 35
Estiramento: Visa aumentar o comprimento de uma peça às custas da sua espessura (figura 36).
Figura 36
Encalcamento (ingl. fullering): Variedade de estiramento em que se reduz a secção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressão adequada (figura 37).
Figura 37
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Alargamento: aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura (figura 38).
Figura 38
Furação: Abertura de um furo em uma peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado (figura 39).
Figura 39 Cunhagem: Geralmente realizada a frio, empregando matriz fechada ou aberta, visa produzir uma impressão bem definida na superfície de uma peça, sendo usada para fabricar moedas, medalhas talheres e outras peças pequenas, bem como para gravar detalhes de diversos tipos em peças maiores (figura 40).
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Figura 40
8.2.2 Forjamento em Matriz Fechada O material é conformado entre duas metades de matriz que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se deseja fornecer à peça (ver figura 41). A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semifechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre.
(a) (b) (c)
Figura 41
Nos casos em que a deformação ocorre dentro de uma cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é fundamental a precisão na quantidade fornecida de material: uma quantidade insuficiente implica falta de enchimento da cavidade e falha no volume da peça; um excesso de material causa sobrecarga no ferramental, com probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário. Dada a dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal. O
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material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para remoção (Figura 42).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 42
8.2.3 Equipamentos e Métodos Os equipamentos comumente empregados incluem duas classes principais: (a) Martelos de forja, que deformam o metal através de rápidos golpes de impacto na superfície do mesmo; (b) Prensas, que deformam o metal submetendo-o a uma compressão contínua com velocidade relativamente baixa. Os processos convencionais de forjamento são executados tipicamente em diversas etapas, começando com o corte do material, aquecimento, pré-conformação mediante operações de forjamento livre, forjamento em matriz (em uma ou mais etapas) e rebarbação. 8.2.4 Aplicações De um modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são os aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio. O material de partida é geralmente fundido ou, mais comumente, laminado - condição esta que é preferível, por apresentar uma microestrutura mais homogênea. Peças forjadas em matriz, com peso não superior a 2 ou 3 kg, são normalmente produzidas a partir de barras laminadas; as de maior peso são forjadas a partir de tarugos ou palanquilhas, quase sempre
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também laminados, e cortados previamente no tamanho adequado. Peças delgadas, como chaves de boca, alicates, tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, etc., podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas.
8.3 Descontinuidades em Peças Forjadas 8.3.1 Inclusões As inclusões de material ou de carepas tem sua origem no desprendimento dessas partículas durante as fases sucessivas dos ciclos de operação a que uma peça é submetida até sua conformacão final. 8.3.2 Trincas As trincas podem ser tanto de resfriamento do material como por contração de regiões com diferentes quantidades de massa. Como causa das trincas internas podemos citar a não uniformidade da temperatura no forjamento (aquecimento muito rápido) gerando diferentes expansões térmicas e, com isso, produzindo concentração de tensões próximo ao centro da peça. Também se originam a partir das regiões em que há transição de espessura ou de mudanças de plano. 8.3.3 Cavidades Internas Tem sua origem nas descontinuidades internas do lingote, que serve de base para a transformação da peça. Em alguns casos são idênticos aos rechupes das peças fundidas e localizam-se próximo da linha de centro da peça trabalhada (Figura 43).
Figura 43 8.3.4 Porosidades Sendo o material forjado obtido a partir de um lingote, que por sua vez foi obtido pelo processo de fundição, é de se esperar que porosidades devido aos gases durante o resfriamento do lingote estejam também presentes nas peças forjadas. 8.3.5 Rasgos É uma descontinuidade típica dos forjados que se apresentam como rachaduras em formato de rasgos. Sua origem é proveniente de problemas metalúrgicos, má qualidade do lingote ou por temperatura de forjamento abaixo da indicada.
50
8.3.6 Dobras São descontinuidades provocadas durante o forjamento, causadas por protuberâncias no lingote primário, que não se unem metalurgicamente (não se fundem) quando submetidos à deformação mecânica. As dobras também podem ocorrer se as matrizes de forjamento estiverem desalinhadas e, mediante a aplicação posterior de outras etapas de forjamento para acabamento da peça, estas rebarbas acabam gerando a dobra (figura 44).
Figura 44
Outra possibilidade de gerar dobras é quando ocorre o fluxo incorreto do metal durante o forjamento (figura 45).
Dobra
Figura 45 A presença de dobra na superfície das peças gera concentração de tensões no local, podendo ocasionar trincas.
Dobra
Dobra
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9. LAMINADOS 9.1 Definição São produtos obtidos de lingotes que, ao passarem através de rolos laminadores, sofrem uma deformação plástica com redução da espessura e aumento da largura e comprimento. O produto obtido após uma série de passagens pelo rolo tem a forma de uma chapa plana, sendo que a distância entre os dois cilindros deve ser menor que a espessura inicial da peça metálica. Também são obtidos perfis metálicos através de laminação; tais como: trilhos, cantoneiras, barras, tubos. Este o processo de transformação mecânica de metais mais utilizado, pois apresenta alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso. Durante a laminação o material é submetido a tensões compressivas elevadas, resultantes da ação de prensagem dos rolos e a tensões cisalhantes superficiais, resultantes do atrito entre os rolos e o material. As forças de atrito são também responsáveis pelo ato de "puxar" o metal para dentro dos cilindros. A redução ou desbaste inicial dos lingotes em blocos, tarugos ou placas é realizada normalmente por laminação a quente. Depois dessa fase segue-se uma nova etapa de laminação a quente para transformar o produto em chapas grossas, tiras a quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos ou perfis estruturais. A laminação a frio que ocorre após a laminação de tiras a quente produz tiras a frio de excelente acabamento superficial, com boas propriedades mecânicas e controle dimensional do produto final bastante rigoroso. 9.2 Laminadores Um laminador consiste basicamente de cilindros (ou rolos), mancais, uma carcaça chamada de gaiola ou quadro para fixar estas partes e um motor para fornecer potência aos cilindros e controlar a velocidade de rotação. As forças envolvidas na laminação podem facilmente atingir milhares de toneladas, portanto é necessária uma construção bastante rígida, além de motores muito potentes para fornecer a potência necessária. O custo, portanto de uma moderna instalação de laminação é da ordem de milhões de dólares e consomem-se muitas horas de projetos uma vez que esses requisitos são multiplicados para as sucessivas cadeiras de laminação contínua (“tandem mill”). Utilizam-se variadas disposições de cilindros na laminação, o mais simples é constituído por dois cilindros de eixo horizontais, colocados verticalmente um sobre o outro. Este equipamento é chamado de laminador duo e pode ser reversível ou não. Nos laminadores duos não reversíveis (figura 46a) o sentido do giro dos cilindros não pode ser invertido e o material só pode ser laminado em um sentido. Nos reversíveis (figura 46b) a inversão da rotação dos cilindros permite que a laminação ocorra nos dois sentidos de passagem entre os rolos. No laminador trio (figura 46c) os cilindros sempre giram no mesmo sentido. Porém, o material pode ser laminado nos dois sentidos, passando-o alternadamente entre o cilindro superior e o intermediário e entre o intermediário e o inferior.
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Figura 46
À medida que se laminam materiais cada vez mais finos, há interesse em utilizar cilindros de trabalho de pequeno diâmetro. Estes cilindros podem fletir, e devem ser apoiados por cilindros de encosto (figura 46d). Este tipo de laminador denomina-se quádruo, podendo ser reversível ou não.
Quando os cilindros de trabalho são muito finos, podem fletir tanto na direção vertical quanto na horizontal e devem ser apoiados em ambas as direções; um laminador que permite estes apoios é o Sendzimir (figura 47).
Figura 47
Um outro laminador muito utilizado é o universal, que dispõe de dois pares de cilindros de trabalho, com eixos verticais e horizontais (figura 48). Existem outros tipos de laminadores mais especializados, como o planetário, “passo peregrino”, Mannesmann, de bolas, etc.
Figura 48
Cilindros HorizontaisCilindros Verticais
(a) (b)
(c) (d)
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Os cilindros de laminação são de aço fundido ou forjado, ou de ferro fundido, coquilhados ou não; compõem-se de três partes, conforme figura 49 abaixo: a mesa, onde se realiza a laminação, podendo ser lisa ou com canais; os pescoços, onde se encaixam os mancais; os trevos ou garfos de acionamento. Os cilindros são aquecidos pelo material laminado a quente e é de grande importância um resfriamento adequado deles, usualmente através de jatos de água. Os mancais dos cilindros servem de apoio a estes cilindros; eventuais deformações destas peças provocariam variações dimensionais nos produtos, o que é altamente indesejável.
Figura 49
9.3 Classificação dos Processos de Laminação 9.3.1 Laminação a Quente Quando o aço é lingotado convencionalmente, a primeira operação de laminação ocorre em um laminador desbastador, que é usualmente um duo reversível cuja distância entre os rolos pode ser variada durante a operação. Na operação de desbaste utilizam-se também laminadores universais, o que permite um melhor esquadrinhamento do produto. Os produtos desta etapa são blocos (seção quadrada) ou placas (seção retangular). As placas são laminadas até chapas grossas (material mais espesso) ou tiras a quente. Na laminação de chapas grossas utilizam-se laminadores duos ou quádruos reversíveis, sendo este último o mais utilizado. Deve-se observar que, com o lingotamento contínuo, produzem-se placas e tarugos diretamente da máquina de lingotar, evitando-se uma série de operações de laminação, em especial a laminação desbastadora. As indústrias de transformação de não ferrosos operam com uma diversidade muito grande de produtos, portanto os equipamentos utilizados na laminação a quente desses materiais são muito menos especializados do que os empregados na laminação a quente de aços. Os lingotes de materiais não ferrosos são menores e as tensões de escoamento são normalmente mais baixas do que as dos materiais ferrosos, o que permite o uso de laminadores de pequeno porte. Laminadores duos ou trios são normalmente usados para a maioria dos metais não ferrosos na laminação a quente, entretanto, laminadores quádruos contínuos são usados para as ligas de alumínio. 9.3.2 Laminação a Frio A laminação a frio é empregada para produzir folhas e tiras com acabamento superficial e com tolerâncias dimensionais superiores quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. Além disso, o encruamento resultante da redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. Os materiais de partida para a produção de tiras de aço laminadas a frio são as bobinas a quente decapadas. A laminação
Mesa
TrevoPescoço
54
a frio de metais não ferrosos pode ser realizada a partir de tiras a quente ou, como no caso de certas ligas de cobre, diretamente de peças fundidas. A redução total atingida por laminação a frio geralmente varia de 50 a 90%. Quando se estabelece o grau de redução em cada passe ou em cada cadeira de laminação, deseja-se uma distribuição tão uniforme quanto possível nos diversos passes sem haver uma queda acentuada em relação à redução máxima em cada passe. Normalmente, a porcentagem de redução menor é feita no último passe para permitir um melhor controle do aplainamento, controle dimensional e acabamento superficial. 9.3.3 Laminação de Barras e Perfis Barras de seção circular e hexagonal e perfis estruturais como: vigas em I, calhas e trilhos são produzidos em grande quantidade por laminação a quente com cilindros ranhurados, conforme mostrado nas figuras 50 e 51. A laminação de barras e perfis difere da laminação de planos, pois a seção transversal do metal é reduzida em duas direções. Entretanto, em cada passe o metal é normalmente comprimido somente em uma direção. No passe subseqüente o material é girado de 90o. Uma vez que o metal se expande muito mais na laminação a quente de barras do que na laminação a frio de folhas, o cálculo da tolerância necessária para a expansão é um problema importante no planejamento dos passes para barras e perfis. Um método típico para reduzir um tarugo quadrado numa barra é alternando-se passes através de ranhuras ovais e quadradas. O planejamento dos passes para perfis estruturais é muito mais complexo e requer bastante experiência. A maioria dos laminadores de barras é equipada com guias para conduzir o tarugo para as ranhuras e repetidores para inverter a direção da barra e conduzi-la para o próximo passe. Os laminadores desse tipo podem ser normalmente duos ou trios. A instalação comum para a produção de barras consiste em uma cadeira de desbaste, uma cadeira formadora e uma cadeira de acabamento.
Figura 50
Figura 51
55
9.4 Descontinuidades em Laminados Como dissemos, os materiais laminados são obtidos a partir de um lingote, podendo estar presentes no interior do laminado descontinuidades como: inclusões, dupla laminação, mancha dura, esfolhamento e estrias. Estas descontinuidades citadas são as mais comuns. 9.4.1 Dupla Laminação Também conhecida como delaminação, tem sua origem em descontinuidade volumétrica presente no lingote, tipo rechupes. Ao sofrer o processo de laminação, a descontinuidade que antes tinha três dimensões é reduzida praticamente a duas dimensões, em outras palavras, a cavidade interna é achatada. A dupla laminação é um defeito típico de materiais laminados, normalmente detectável pelo ensaio por ultra-som, apresentando-se como uma linha paralela a superfície da chapa.
9.4.2 Inclusão Esta descontinuidade caracteriza-se como uma impureza ou material não metálico retido no metal durante a solidificação do lingote e que, mesmo sofrendo o processo de laminação, pode permanecer em concentrações maiores ou menores (figura 52).
Figura 52 9.4.3 Mancha Dura Caracteriza-se em uma região localizada da chapa laminada ou bobina que apresenta um nível de dureza mais alto que o resto do material, geralmente, devido a uma têmpera localizada. 9.4.4 Estrias São marcas no sentido transversal de uma bobina, proveniente do excesso de esforço no embobinamento. 9.4.5 Esfolhamento ou Dobra Tira de metal alargada e extremamente fina, laminada contra a superfície do metal original, porém sem caldeamento e que, geralmente, está unida por uma extremidade à superfície (figura 53).
56
Figura 53
57
10. TREFILAÇÃO 10.1 Definição É uma operação em que a matéria-prima é estirada (puxada) através de uma matriz em forma de canal convergente (fieira ou trefila) por meio de uma força de tração aplicada do lado de saída da matriz. O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material. A simetria circular é muito comum em peças trefiladas, mas não obrigatória. Além disso, este processo é executado normalmente a frio. 10.2 Aplicações Dentre os produtos mais comuns, podemos afirmar que este processo aplica-se a barras, arames e tubos, cujas dimensões são apresentadas na tabela abaixo:
Os Tubos podem ser trefilados dos seguintes modos: • sem apoio interno (rebaixamento ou afundamento), conforme figura 54 • com mandril passante (figura 55) • com plug (bucha) interno (figura 56) • com bucha flutuante (figura 57)
Figura 54
Parede do tubo
Parede do tubo
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Figura 56
Figura 56
Figura 57
Vantagens do Processo • O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com
qualquer outro processo; • A precisão dimensional obtenível é maior do que em qualquer outro processo exceto a
laminação a frio, que não é aplicável às bitolas comuns de arames; • A superfície produzida é uniformemente limpa e polida; • O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, em combinação
com um tratamento térmico adequado, a obtenção de uma gama variada de propriedades com a mesma composição química.
Parede do tubo
Parede do tubo
Parede do tubo
Parede do tubo
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10.3 Fieira A fieira é o dispositivo básico da trefilação e compõe todos os equipamentos trefiladores. A Geometria da fieira: é dividida em quatro zonas (ver figura 58): (1) de entrada (2) de redução (α = ângulo de abordagem) (3) (guia) de calibração-zona cilíndrica (acabamento é crítico) (4) de saída
Figura 58
10.4 Equipamentos para Trefilação Podem-se classificar os equipamentos para trefilação em dois grupos básicos: • Bancadas de trefilação – utilizadas para produção de componentes não bobináveis como barras e tubos (figura 59); • Trefiladoras de tambor – utilizada para produção de componentes bobináveis, ou seja, arames (figura 60).
Figura 59
Figura 60
Sentido da Trefilação
60
10.5 Trefilação de Arames de Aço Um dos usos mais corriqueiros da trefilação é a produção de arames de aço. Por esta razão especificam-se abaixo algumas das principais características deste processo. 10.5.1 Etapas do processo Os passos a percorrer são discriminados no esquema abaixo. Observe que a trefilação propriamente dita é precedida por várias etapas preparatórias que eliminam todas as impurezas superficiais, por meios físicos e químicos.
• Matéria-prima: fio-máquina (vergalhão laminado a quente) • Descarepação: - Mecânica (descascamento): dobramento e escovamento. Química (decapagem): com HCl ou H2S04 diluídos. • Lavagem: em água corrente • Recobrimento: comumente por imersão em leite de cal Ca(OH)2 a 100°C a fim de neutralizar resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação. • Secagem (em estufa) - Também remove H2 dissolvido na superfície do material. • Trefilação - Primeiros passes a seco.Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a úmido. 10.6 Tratamentos térmicos dos arames Depois da trefilação os arames são submetidos a tratamentos térmicos para alívio de tensões e/ou obtenção de propriedades mecânicas desejadas. Abaixo, os principais tratamentos utilizados: a) Recozimento: Indicação: principalmente para arames de baixo carbono; Tipo: subcrítico, entre 550 a 650°C; Objetivo: remover efeitos do encruamento.
b) Patenteamento: Indicação:aços de médio a alto carbono (C> 0,25 %); Tipo: aquecimento acima da temperatura crítica (região γ) seguido de resfriamento controlado ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550°C. Objetivo: obter uma melhor combinação de resistência e ductilidade que a estrutura resultante (perlita fina ou bainita) fornece. 10.7 Descontinuidades em Trefilados As descontinuidades nos trefilados podem resultar de defeitos na matéria-prima (fissuras, lascas, vazios, inclusões) ou do processo de conformação.
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As trincas centrais internas, cujo formato é em ponta de flecha ("chevrons"), são as mais comuns do processo de trefilação (figura 61). Quando a redução é pequena e o ângulo de trefilação é relativamente grande (tipicamente, quando D/L > 2) a ação compressiva da fieira não penetra até o centro da peça. Durante a trefilação as camadas mais internas da peça não recebem compressão radial, mas são arrastadas e forçadas a se estirar pelo material vizinho das camadas superficiais, que sofrem a ação direta da fieira. Tal situação (deformação heterogênea) gera tensões secundárias trativas no núcleo da peça, que pode vir a sofrer um trincamento característico, em ponta de flecha. A melhor solução é diminuir a relação D/L, o que pode ser feito empregando-se uma fieira de menor ângulo (a), ou então aumentando-se a redução no passe (em outra fieira com saída mais estreita).
Figura 61
62
11. EXTRUSÃO
11.1 Definição É processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. Na extrusão o material é forçado através de uma matriz, de forma similar ao aperto de um tubo de pasta de dentes. Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados têm seção transversal constante. Dependo da ductilidade do material a extrudar o processo pode ser feito a frio ou a quente, em altas temperaturas. Cada tarugo é extrudado individualmente, caracterizando a extrusão como um processo semicontínuo. O produto é essencialmente uma peça semi-acabada. A extrusão pode ser combinada com operações de forjamento, sendo neste caso denominada extrusão fria. Os produtos extrudados mais comuns são quadros de janelas e portas, trilhos para portas deslizantes, tubos de várias seções transversais e formas arquitetônicas. Produtos extrudados podem ser cortados nos tamanhos desejados para gerarem peças, como maçanetas, trancas e engrenagens, como mostrado na figura abaixo. Em operação combinada com forjamento pode gerar componentes para automóveis, bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e equipamento de transporte. O alumínio, cobre, aço, magnésio e chumbo são os materiais mais comumente extrudados.
11.2 Tipos de Extrusão No processo básico, denominado direto (extrusão direta) um tarugo cilíndrico é colocado numa câmara e forçado através de uma abertura de matriz através de um pistão hidráulico (figura 62). A abertura da matriz pode ser circular ou de outro formato. A extrusão também pode ser indireta, hidrostática ou por impacto.
Figura 62
Outros métodos usuais são: Extrusão Indireta (reversa, invertida): a matriz se desloca na direção do tarugo (figura 63).
63
Figura 63
Extrusão Hidrostática: o diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é preenchida por um fluido. A pressão é transmitida ao tarugo através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara. Extrusão Lateral: o material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara.Os eixos do punção e da peça tem diferentes direções (ângulo reto), conforme ilustra a figura 64.
Figura 64
11.3 Parâmetros da Extrusão Parâmetros Geométricos Os parâmetros geométricos da extrusão são: • O ângulo da matriz α (figura 65) • A relação de extrusão que é o quociente entre a áreas das seções transversais do tarugo A0 e do produto extrudado Af (figura 65) • O diâmetro do círculo circunscrito DCC que é o diâmetro do menor círculo no qual se inscreve a seção transversal, conforme figura 66.
Figura 65
Tarugo Tarugo
Matriz
Matriz
Matriz
Matriz
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Figura 66
A complexidade da extrusão é medida pela relação entre o perímetro da seção do produto extrudado e a área da seção transversal. Esta relação é denominada fator de forma. Parâmetros Físicos da Extrusão A força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão. Através de formulas é possível determinar a força de extrusão. Outras variáveis têm grande influência no processo, dentre as quais podemos citar: • a temperatura do tarugo • a velocidade de deslocamento do pistão e • o tipo de lubrificante Tolerâncias dos produtos extrudados As tolerâncias na extrusão estão na faixa de 0,25 - 2,5 mm e aumentam com as dimensões da seção transversal. 11.4 Tipos de Extrusão 11.4.1 Extrusão a Quente É feita em temperatura elevada para ligas que não tenham suficiente ductilidade a temperatura ambiente, de forma a reduzir as forças necessárias.
A extrusão a quente apresenta alguns problemas como todo o processo de alta temperatura: • O desgaste da matriz é excessivo. • O esfriamento do tarugo na câmara pode gerar deformações não-uniformes. • O tarugo aquecido é coberto por filme de óxido (exceto quando aquecido em atmosfera
inerte) que afeta o comportamento do fluxo do metal por suas características de fricção e pode gerar um produto de pobre acabamento superficial.
Algumas medidas preventivas podem sanar ou minorar o efeito dos problemas mencionados acima:
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• Para reduzir o efeito de esfriamento e prolongar a vida da ferramenta, a matriz pode ser pré-aquecida.
• Para melhorar o acabamento superficial, a camada de óxido é removida através do uso de uma placa, com diâmetro inferior ao da câmara, posicionada sobre o pistão. Ao extrudar o tarugo, uma casca cilíndrica contendo a camada de óxido permanece "colada" à parede da câmara. Com isto elimina-se a presença de óxidos no produto. A casca é posteriormente removida da câmara.
A tabela abaixo apresenta o campo de temperaturas para extrusão de vários metais:
O projeto de matrizes requer experiência considerável. Dois exemplos de configurações são mostrados na figura 67 abaixo.
Figura 67
Os diferentes tipos de matrizes tem suas características classificadas abaixo. Linhas gerais para um projeto adequado são mostradas na figura 68 abaixo. Destacam-se: procurar simetria da seção transversal, evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal.
Figura 68
66
Lubrificação é importante na extrusão a quente. O vidro é excelente lubrificante para aço, aço inox, metais e ligas para altas temperaturas. No processo Séjournet, uma pastilha de vidro é colocada na entrada da matriz. A pastilha atua como um reservatório de vidro fundido, que lubrifica a interface da matriz durante a extrusão. Vidro pulverizado sobre o tarugo reduz a fricção da interface câmara-tarugo. Para metais com tendência a aderir à parede da matriz, pode-se usar um revestimento fino de metal macio e de baixa resistência, como cobre ou aço doce. O procedimento é denominado “jaquetamento” ou “enlatamento”. Além de formar uma superfície de baixa fricção o tarugo fica protegido contra contaminação do ambiente, e vice-versa no caso de material tóxico ou radioativo. 11.4.2 Extrusão a Frio Desenvolvida nos anos 40 é o processo que combina operações de extrusão direta, indireta e forjamento. O processo foi aceito na indústria particularmente para ferramentas e componentes de automóveis, motocicletas, bicicletas, acessórios e equipamento agrícola. O processo usa tarugos cortados de barras laminadas, fios ou chapas. Os tarugos menores que 40mm de diâmetro são cisalhados e tem suas bordas ajustadas por retificação. Diâmetros maiores são usinados a partir de barras, com comprimentos específicos. Embora componentes extrudados a frio sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m. Metais obtidos por metalurgia do pó são também extrudados a frio.
Figura 69
Vantagens em relação à extrusão a quente
• Melhores propriedades mecânicas resultantes do encruamento, desde que o calor gerado pela deformação não recristalize o metal;
67
• Controle das tolerâncias, requerendo pouca ou nenhuma operação posterior de acabamento;
• Melhor acabamento superficial devido, em parte, pela não existência de camada de óxido, desde que a lubrificação seja eficiente;
• Eliminação do pré-aquecimento do tarugo; • Taxas de produção e custos competitivos com outros métodos. Algumas máquinas são
capazes de produzir mais de 2000 partes por hora. Desvantagens
A magnitude da tensão no ferramental de extrusão é muito alta, especialmente para trabalhar peças de aço. A dureza do punção varia de 60 a 65 HRc e a da matriz de 58 a 62 HRc. 11.4.3 Extrusão por Impacto É similar a extrusão indireta e freqüentemente incluída na categoria da extrusão a frio. O punção desce rapidamente sobre o tarugo que é extrudado para trás (figura 70). A espessura da seção extrudada é função da folga entre o punção e a cavidade da matriz.
Figura 70 Neste processo podem-se obter diâmetros de até 150mm. A maioria dos metais não ferrosos podem ser extudados por impacto, usando-se prensas verticais e taxas de produção de até duas peças por segundo. O processo permite produzir seções tubulares de paredes muito finas (relações de diâmetro/ espessura da ordem de 0,005). Por esta razão a simetria da peça e concentricidade do punção são fatores importantes.
Extrator
68
11.4.4 Extrusão Hidrostática Neste caso utiliza-se a pressão da ordem de 1400 MPa para a operação de extrusão que é proveniente de um meio fluido que envolve o tarugo. Não existe fricção entre parede e tarugo (figura 71).
Figura 71
O método foi desenvolvido nos anos 50 e evoluiu para o uso de uma segunda câmara pressurizada mantida a uma pressão mais baixa. É a chamada extrusão fluido a fluido, que reduz os defeitos do produto extrudado. A extrusão por pressão aumenta a ductilidade do material. Portanto, materiais frágeis podem se beneficiar desta forma de extrusão. Entretanto as vantagens essenciais do método são: • Baixa fricção; • Pequenos ângulos de matriz; • Altas relações de extrusão. Podem ser extrudados por este método uma grande variedade de metais e polímeros, formas sólidas, tubos e outras formas vazadas como favo de abelha e perfis. A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura ambiente, em geral usando óleo vegetal como meio fluido, combinando as qualidades de viscosidade e lubrificação. Pode-se também trabalhar em alta temperatura. Neste caso ceras, polímeros ou vidro são usados como fluido, que também tem a função de manter o isolamento térmico do tarugo durante o procedimento de extrusão. 11.5 Equipamentos para Extrusão O equipamento básico de extrusão é uma prensa hidráulica. É possível controlar a velocidade de operação e o curso. A força pode ser mantida constante para um longo curso, tornando possível a extrusão de peças longas, e aumentando a taxa de produção. Prensas hidráulicas verticais são geralmente usadas para extrusão a frio. Elas tem usualmente menor capacidade daquelas usadas para extrusão a quente, mas ocupam menos espaço horizontal. Prensas excêntricas são também usadas para extrusão a frio e por impacto, e são indicadas para produção em série de pequenos componentes. Operações de múltiplos estágios, onde a área da seção transversal é progressivamente reduzida, são efetuadas em prensas especiais.
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11.6 Defeitos da Extrusão Dependendo das condições e do material extrudado podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final. Os principais defeitos são:
11.6.1 Trinca superficial Ocorre quanto à temperatura ou a velocidade é muito alta. Estas causam um aumento significativo da temperatura da superfície, causando trincas e rasgos. Os defeitos são intergranulares. Ocorrem especialmente em ligas de alumínio, magnésio e zinco, embora possam ocorrer em ligas de alta temperatura. Estes defeitos podem ser evitados reduzindo-se a velocidade de extrusão e diminuindo a temperatura do tarugo. 11.6.2 Cachimbo O tipo de padrão de fluxo mostrado na figura 72 abaixo tende a arrastar óxidos e impurezas superficiais para o centro do tarugo, como num funil. Este defeito é conhecido como defeito cachimbo (ou rabo de peixe). O defeito pode se estender até um terço do comprimento da parte extrudada e deve ser eliminado por corte. O defeito pode ser minimizado alterando-se o padrão de fluxo para um comportamento mais uniforme, controlando a fricção e minimizando os gradientes de temperatura. Alternativamente o tarugo pode ser usinado ou tratado quimicamente antes da extrusão, removendo-se as impurezas superficiais.
Observe as zonas mortas nas figuras b) e c), onde o metal fica praticamente estacionário nos cantos. A
situação é similar ao escoamento de fluido num canal com cantos vivos e curvas.
Figura 72
11.6.3 Trinca interna O centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron (figura 73). O defeito é atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central, similar à situação da região de estricção em um corpo em ensaio de tração. A tendência à formação de fissuras centrais aumenta com o crescimento da fricção e da relação de extrusão. Este tipo de defeito também aparece na extrusão de tubos.
70
Figura 73
71
12. CONFORMACAO DE CHAPAS 12.1 Definição Conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que consiste em conformar um disco plano ("blank") à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem: alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume, em três dimensões. A chapa, originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica. 12.2 Classificação dos Processos A conformação de chapas metálicas finas pode ser classificada através do tipo de operação empregada. Assim pode-se ter: estampagem profunda, corte em prensa, estiramento, etc. A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas finas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas. Nas prensas mecânicas a energia é geralmente, armazenada num volante e transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são quase sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração, enquanto que as prensas hidráulicas são de ação mais lenta, mas podem aplicar golpes mais longos. As prensas podem ser de efeito simples ou de duplo efeito. Algumas vezes pode ser utilizado o martelo de queda na conformação de chapas finas. O martelo não permite que a força seja tão bem controlada como nas prensas, por isso não é adequado para operações mais severas de conformação. 12.2.1 Estampagem Profunda É o processo utilizado para fazer com que uma chapa plana (“blank”) adquira a forma de uma matriz (fêmea), imposta pela ação de um punção (macho). O processo é empregado na fabricação de peças de uso diário (pára-lamas, portas de carros; banheiras, rodas, etc.), conforme figura 74. A distinção entre estampagem rasa (shallow) e profunda é arbitrária. A estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro. Para melhorar o rendimento do processo, é importante que se tenha boa lubrificação. Com isto reduzem-se os esforços de conformação e o desgaste do ferramental. Os óleos indicados normalmente são para extrema pressão, devendo garantir boa proteção contra a corrosão da chapa, ser de fácil desengraxe e não levar à oxidação do material (devido às reações de subprodutos dos gases formados no aquecimento do metal). Geralmente, são óleos minerais com uma série de aditivos (Cl, Pb, P, gorduras orgânicas, etc.).
72
Figura 74
Deve-se ainda estudar a pressão a ser aplicada no prensa-chapas: se esta for muito pequena, surgem rugas nas laterais da peça; se, por outro lado, for muito elevada, pode ocorrer a ruptura da peça na prensa. Cuidado deve se ter com o ferramental, para que haja folga suficiente entre a matriz e o punção que permita o escoamento do material para o interior da matriz, sem que surjam tensões cisalhantes ocasionadas pelo atrito e que levem à ruptura do metal em prensa. Às vezes, o diâmetro do "blank" é muito superior ao diâmetro da peça a estampar, sendo que esta deve atingir uma profundidade de copo muito elevada. A fabricação poderá exigir uma sequência de operações de estampagem, utilizando uma série de ferramentas, com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção). O número de operações depende do material da chapa e das relações entre o disco inicial e os diâmetros das peças estampadas. 12.2.2 Corte de Chapas Destina-se à obtenção de formas geométricas, a partir de chapas submetidas à ação de pressão exercida por um punção ou uma lâmina de corte. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte-se em esforço cisalhante (esforço cortante) provocando a separação brusca de uma porção da chapa. No processo, a chapa é deformada plasticamente e levada até a ruptura nas superfícies em contato com as lâminas (figura 75).
73
Figura 75
A aresta de corte apresenta em geral três regiões: uma rugosa (correspondente à superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo atrito da peça com as paredes da matriz) e uma região arredondada (formada pela deformação plástica inicial). A qualidade das arestas cortadas não é a mesma das usinadas, entretanto quando as lâminas são mantidas afiadas e ajustadas é possível obter arestas aceitáveis para uma grande faixa de aplicações. A qualidade das bordas cortadas geralmente melhora com a redução da espessura da chapa. No corte por matriz e punção (“piercing” ou “blanking”) não existe uma regra geral para
Vista lateral da Chapa
Vista superior da Chapa
Vista lateralda Chapa
Vista superior da Chapa
Vista superior da Chapa Vista superior da Chapa
Vista lateralda Chapa
Vista lateral da Chapa
Vista superior da Chapa
Vista lateral da Chapa
Vista superior da Chapa
Vista lateralda Chapa
Vista superior da Chapa
Vista lateral da Chapa
Vista superior da Chapa
Vista lateralda Chapa
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selecionar o valor da folga, pois são vários os parâmetros de influência. A folga pode ser estabelecida com base em atributos, como: aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. Se não houver nenhum atributo específico desejado para superfície do “blank”, a folga é selecionada em função da força mínima de corte. A força necessária para o corte pode ser bastante reduzida construindo-se as bordas da ferramenta em plano inclinado em relação ao plano da chapa, de maneira que apenas uma pequena fração do comprimento total do corte seja feita de uma só vez. Tipos de Corte
Dependendo do tipo de corte, são definidos diversos grupos de operações da prensa, conforme listagem abaixo: • A operação de corte é usada para preparar o material para posterior estampagem
("blank"). A parte desejada é cortada (removida) da chapa original. • A fabricação de furos em prensa (piercing ou punching) caracteriza uma operação de
corte em que o metal removido é descartado. • A fabricação de entalhes (notching) nas bordas de uma chapa pode ser feita em prensa
através do puncionamento destas regiões. • O corte por guilhotina é uma operação que não retira material da chapa metálica. • A rebarbação (trimming) é uma operação que consiste em aparar o material em excesso
(rebarbas) da borda de uma peça conformada. A remoção de rebarbas de forjamento em matriz fechada é uma operação deste tipo.
• Existe um processo relativamente recente de corte fino de "blanks" (fine blanking), que se caracteriza pelo emprego de folgas muito pequenas (0,0002 pol.), com prensas e jogo de matrizes muito rígidos (para evitar dobramento da chapa). Com este equipamento é possível produzir "blanks" com superfícies de corte quase isentas de defeitos. As peças produzidas podem ser empregadas como engrenagens, cames, etc., sem que seja necessária a usinagem das bordas cortadas.
12.2.3 Dobramento
Nesta operação, a tira metálica é submetida a esforços aplicados em duas direções opostas para provocar a flexão e a deformação plástica, mudando a forma de uma superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de concordância em sua junção. A figura 76 mostra os esforços atuantes e a forma adquirida por uma tira submetida a dobramento.
A figura 77 apresenta as diversas aplicações (classificações) deste processo.
Figura 76
LN: Linha Neutra SI: Superfície Interna SE: Superfície Externa
r: Raio de Concordância C: Força de compressão T: Força de Tração
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Figura 77
Para a operação de dobramento existe um raio de dobramento, sendo que, se for realizada operação de dobramento com um raio menor, o metal trinca na superfície externa. É o raio mínimo de dobramento, expresso geralmente em múltiplos da espessura da chapa. Um raio de dobramento de 3t indica que o metal pode ser dobrado formando um raio de três vezes a espessura da chapa sem que haja o aparecimento de trincas. O raio mínimo de dobramento é, portanto, um limite de conformação, que varia muito para os diversos metais e sempre aumenta com a prévia deformação a frio do metal. Alguns metais muito dúcteis apresentam raio mínimo de dobramento igual a zero. Isto significa que as peças podem ser achatadas sobre si mesmas, mas geralmente não se utiliza este procedimento para evitar danos no punção ou na matriz. Efeito Mola A operação de dobramento exige que se considere a recuperação elástica do material (efeito mola), para que se tenham as dimensões exatas na peça dobrada. A recuperação elástica da peça será tanto maior quanto maior for o limite de escoamento, menor o módulo de elasticidade e maior a deformação plástica. Estabelecidos estes parâmetros, a deformação aumenta com a razão entre as dimensões laterais da chapa e sua espessura. O efeito mola ocorre em todos os processos de conformação, mas no dobramento é mais facilmente detectado e estudado.
12.2.4 Estiramento É a operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Neste processo, o gradiente de tensões é pequeno, o que garante a quase total eliminação do efeito mola.
76
Como predominam tensões trativas (tração), grandes deformações de estiramento podem ser aplicadas apenas para materiais muito dúcteis. Para estes materiais, almejam-se altos valores de coeficiente de encruamento. O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa (figura 78). Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa na região das garras.
Figura 78
O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de chapas finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de eletrodomésticos, é comum haver componentes de estiramento. O limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da estricção. A estricção é a redução das dimensões da seção transversal, provocada pelas cargas de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada, também conhecida por empescoçamento.
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13. ANISOTROPIA Durante os processos de conformação de chapas, grãos cristalinos individuais são alongados na direção da maior deformação de tração. O alongamento é conseqüência do processo de escorregamento do material durante a deformação. Nos materiais policristalinos os grãos tendem a girar para alguma orientação limite devido a um confinamento mútuo entre grãos. Este mecanismo faz com que os planos atômicos e direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória (materiais isotrópicos) adquiram uma textura (orientação preferencial). Os materiais conformados se tornam anisotrópicos. A distribuição de orientações tem, portanto, um ou mais máximos. Se estes máximos são bem definidos são chamados de orientações preferenciais, que irão ocasionar variações das propriedades mecânicas com a direção, ou seja, anisotropia. Um modo de avaliar o grau de anisotropia das chapas quando deformadas plasticamente é através do coeficiente de anisotropia.
78
14. SOLDAGEM A soldagem está intimamente ligada às mais importantes atividades industriais que existem no mundo moderno: construção naval, ferroviária, aeronáutica, automobilística, caldeiraria, tubulação de aço, construção civil metálica, indústria metalúrgica, mecânica e elétrica. Na verdade, é rara, se é que existe, a indústria que pode prescindir da soldagem como processo de produção ou manutenção. É um processo de obtenção de peças e equipamentos pela união de partes por soldagem, com ou sem a adição de material. Neste caso, as possíveis descontinuidades existentes, devido ao processo, são limitadas somente á região do cordão da solda e adjacências. Para obter a solda, não basta apenas colocar duas peças metálicas próximas, aplicar calor com ou sem pressão. Para que a soldagem realmente se realize, os metais a serem unidos devem ter uma propriedade imprescindível: a soldabilidade. Soldabilidade é a facilidade que os materiais têm de se unirem por meio de soldagem e de formarem uma série contínua de soluções sólidas coesas, mantendo as propriedades mecânicas dos materiais originais. O principal fator que afeta a soldabilidade dos materiais é sua composição química. Outro fator importante é a capacidade de formar a série contínua de soluções sólidas entre um metal e outro. Assim, devemos saber como as diferentes ligas metálicas se comportam diante dos diversos processos de soldagem. É preciso saber que, em se tratando de soldagem, cada tipo de material exige maior ou menor cuidado para que se obtenha uma solda de boa qualidade. Se o material a ser soldado exigir muitos cuidados, tais como controle de temperatura de aquecimento e de interpasse, ou tratamento térmico após soldagem, por exemplo, dizemos que o material tem baixa soldabilidade. Por outro lado, se o material exigir poucos cuidados, dizemos que o material tem boa soldabilidade. O quadro a seguir resume o grau de soldabilidade de alguns dos materiais metálicos mais usados na indústria.
soldabilidade material ótima boa regular difícil
aço de baixo carbono X aço de médio carbono X X aço de alto carbono X aço inox X X aços liga X ferro fundido cinzento X ferro fundido maleávele nodular
X
ferro fundido branco X ligas de alumínio X ligas de cobre X
O simples fato de se usar calor nos processos de soldagem implica em alterações na microestrutura do material metálico. Na verdade, na maioria dos casos, a soldagem
79
reproduz no local da solda os mesmos fenômenos que ocorrem durante um processo de fundição. Ou seja, do ponto de vista da estrutura metalográfica, o material apresenta características de metal fundido. Por isso não podemos nos esquecer de que, às vezes, o metal após sofrer aquecimento, tem suas características mecânicas afetadas. Assim, a junta soldada pode se tornar relativamente frágil. Na zona afetada termicamente, a estrutura do metal pode ser modificada pelo aquecimento e rápido resfriamento durante o processo de soldagem. A composição química fica, entretanto, praticamente inalterada. Dependendo do processo de soldagem que se use, e os metais que estão sendo soldados, teremos uma maior ou menor tamanho da zona afetada termicamente. Por exemplo, na soldagem manual ao arco com eletrodos revestidos finos, a zona afetada termicamente é menor do que na soldagem a gás. É nessa zona que uma série de fenômenos metalúrgicos ocorrem. Na região próxima à junta soldada, está a zona de ligação, na qual se observa uma transição entre a estrutura do metal fundido e a do metal de base (figura 79). Próxima a essa faixa está a zona afetada termicamente, na qual o metal é superaquecido de modo que haja um aumento do tamanho do grão e, portanto, uma alteração das propriedades do material. Essa faixa é normalmente a mais frágil da junta soldada (figura 79).
Figura 79
14.1 Definição Existem muitas definições sobre este assunto, mas iremos utilizar a definição oficial por ser operacional (que é o que buscamos) não discorrendo muito do ponto de vista teórico. A definição da American Welding Society - AWS nos diz: "Processo de união de materiais usado para obter coalescência localizada de metais e não-metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição”.
80
14.2 Classificação dos Processos 14.2.1 Soldagem com Eletrodo Revestido – ER (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) Uma escória, que é formada do revestimento do eletrodo e das impurezas do metal de base, flutua para a superfície e cobre o depósito, protegendo esse depósito da contaminação atmosférica e também controlando a taxa de resfriamento. O metal de adição vem da alma metálica do eletrodo (arame) e do revestimento que em alguns casos é constituído de pó de ferro e elementos de liga (figura 80).
Figura 80
A soldagem com eletrodo revestido é o processo de soldagem mais usado de todos que falaremos, devido à simplicidade do equipamento, à resistência e qualidade das soldas, e do baixo custo. Ele tem grande flexibilidade e solda a maioria dos metais numa faixa grande de espessuras. A soldagem neste processo pode ser feita em quase todos os lugares e em condições extremas. A soldagem com eletrodo revestido é usada extensivamente em fabricação industrial, edifícios, navios, carros, caminhões, comportas e outros conjuntos soldados. Equipamento de Soldagem O processo de soldagem com eletrodo revestido é usualmente operado manualmente. Como mostrado na figura 81, o equipamento consiste de uma fonte de energia, cabos de ligação, um porta eletrodo (alicate de eletrodo), um grampo (conector de terra), e o eletrodo. a) Fonte de Energia O suprimento de energia pode ser tanto corrente alternada como corrente contínua com eletrodo negativo (polaridade direta), ou corrente contínua com eletrodo positivo (polaridade inversa), dependendo das exigências de serviço. - Corrente contínua - Polaridade direta (CC -): a peça é ligada ao pólo positivo e o eletrodo ao negativo. O bombardeio de elétrons dá-se na peça, a qual será a parte mais quente. - Corrente contínua - Polaridade inversa (CC +): eletrodo positivo e a peça negativa. O bombardeio de elétrons dá-se na alma do eletrodo, o qual será a parte mais quente.
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Figura 81
b) Cabos de Soldagem São usados para conectar o alicate de eletrodo e o grampo à fonte de energia. Eles devem ser flexíveis para permitir fácil manipulação, especialmente do alicate de eletrodo. Eles fazem parte do circuito de soldagem e consistem de vários fios de cobre enrolados juntos e protegidos por um revestimento isolante e flexível (normalmente borracha sintética). Os cabos devem ser mantidos desenrolados, quando em operação, para evitar a queda de tensão e aumento de resistência por efeito Joule*. * O efeito Joule é o aquecimento de um condutor que é percorrido por uma corrente elétrica. c) Porta Eletrodo, Alicate de Eletrodo É simplesmente um alicate que permite ao soldador controlar e segurar o eletrodo. d) Grampo (Conector de Terra) É um dispositivo para conectar o cabo terra à peça a ser soldada. Tipos e Funções de Consumíveis – Eletrodos O eletrodo, no processo de soldagem com eletrodo revestido, tem várias funções importantes. Ele estabelece o arco e fornece o metal de adição para a solda. O revestimento do eletrodo também tem funções importantes na soldagem. Didaticamente podemos classificá-Ias em funções elétricas, físicas e metalúrgicas.
a) Funções Elétricas de Isolamento e lonização - Isolamento: o revestimento é um mau condutor de eletricidade, assim isola a alma do eletrodo evitando aberturas de arco laterais. Orienta a abertura de arco para locais de interesse. - lonização: o revestimento contém silicatos de Na e K que ionizam a atmosfera do arco. A atmosfera ionizada facilita a passagem da corrente elétrica, dando origem a um arco estável.
b) Funções Físicas e Mecânicas - Fornece gases para formação da atmosfera protetora das gotículas do metal contra a ação do hidrogênio e oxigênio da atmosfera. - O revestimento funde e depois solidifica sobre o cordão de solda, formando uma escória de material não metálico que protege o cordão de solda da oxidação pela atmosfera normal, enquanto a solda está resfriando. - Proporciona o controle da taxa de resfriamento; contribui no acabamento do cordão.
c) Funções Metalúrgicas
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- Pode contribuir com elementos de liga, de maneira a alterar as propriedades da solda. Os eletrodos revestidos são classificados de acordo com especificações da AWS (American Welding Society). Especificações comerciais para eletrodos revestidos podem ser encontradas nas especificações AWS da série AWS A5 (Ex.: AWS A5.1). Preparação e Limpeza das Juntas As peças a serem soldadas, devem estar isentas de óleo, graxé', ferrugem, tinta, resíduos do exame por líquido penetrante, areia e fuligem do pré-aquecimento a gás, numa faixa de no mínimo 20 mm de cada lado das bordas e desmagnetizadas. Descontinuidades Induzidas pelo Processo (ER) A solda obtida pela soldagem com eletrodo revestido pode conter quase todo tipo de descontinuidades. A seguir estão listados algumas descontinuidades mais comuns que podem ser encontradas quando este processo é usado:
a) Porosidade - de um modo geral é causada pelo emprego de técnicas incorretas, pela utilização de metal de base sem limpeza adequada ou por eletrodo úmido. A porosidade agrupada ocorre, às vezes, na abertura e fechamento do arco. A técnica de soldagem com um pequeno passe a ré, logo após começar a operação de soldagem, permite ao soldador refundir a área de início do cordão, liberando o gás deste e evitar assim este tipo de descontinuidade. A porosidade vermiforme ocorre geralmente pelo uso de eletrodo úmido.
b) Inclusões - são provocadas pela manipulação inadequada do eletrodo e pela limpeza deficiente entre passes. É um problema previsível, no caso de projeto inadequado no que se refere ao acesso à junta a ser soldada.
c) Falta de Fusão - resulta de uma técnica de soldagem inadequada: soldagem rápida ou lenta - demais, preparação inadequada da junta ou do material, projeto inadequado, corrente baixa demais.
d) Falta de Penetração - resulta de uma técnica de soldagem inadequada: soldagem rápida ou lenta demais, preparação inadequada da junta ou do material, projeto inadequado, corrente baixa demais e eletrodo com o diâmetro grande demais.
e) Concavidade e Sobreposição – ocorrem devido a erros do soldador.
f) Trinca Interlamelar - esta descontinuidade não se caracteriza como sendo uma falha do soldador. Ocorre, quando o metal de base, não suportando tensões elevadas, geradas pela contração da solda, na direção da espessura, trinca-se em forma de degraus, situados em planos paralelos à direção de laminação.
g) Trincas na Garganta e Trincas na Raiz - quando aparecem, demandam, para serem evitadas, mudanças na técnica de soldagem ou troca de materiais.
h) Trincas na Margem e Trincas Sob Cordão - são trincas devido à fissuração a frio. Elas ocorrem um certo tempo após a execução da solda e, portanto, podem não ser detectadas por uma inspeção realizada imediatamente após a operação de soldagem. Elas ocorrem, normalmente, enquanto há hidrogênio retido na solda. Como exemplo de fontes de hidrogênio que contribuem para o aparecimento desses tipos de trincas, podemos citar: elevada umidade do ar, eletrodos úmidos, superfícies sujas. Este hidrogênio aliado a uma microestrutura frágil e nível de tensões residuais suficientemente elevados contribuem para o aparecimento desses tipos de trincas.
i) Mordedura: corrente elevada, peça muito quente.
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Condições Físicas, Ambientais e de Proteção individual adequadas à Soldagem A soldagem não deve ser executada na presença de chuva e vento, a não ser que a junta a ser soldada esteja devidamente protegida.
O arco elétrico emite radiações visíveis e ultravioletas, além de projeções e gases nocivos. Por estes motivos, o soldador deve estar devidamente protegido, utilizando filtros, luvas, botas, roupas de proteção, vidro de segurança e executar a soldagem em locais com ventilação adequada. A tabela abaixo apresenta um resumo de algumas informações técnicas sobre o processo de soldagem com eletrodo revestido.
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14.2.2 Soldagem a Arco Submerso – AS (Submerged Arc Welding- SAW) Soldagem a arco submerso (SAW) une metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico (ou arcos), entre um eletrodo nú (ou vários eletrodos) e o metal de base. O arco está submerso e coberto por uma camada de material granular fusível que é conhecido por fluxo; portanto o regime de fusão é misto: por efeito joule e por arco elétrico. Dispositivos automáticos asseguram a alimentação do eletrodo (ou dos eletrodos) a uma velocidade conveniente de tal forma que sua ou suas extremidades mergulhem constantemente no banho de fluxo em fusão. A movimentação do arame em relação à peça faz progredir passo a passo o banho de fusão que se encontra sempre coberto e protegido por uma escória que é formada pelo fluxo e impurezas. Uma vantagem da soldagem a arco submerso é sua alta penetração. A taxa de deposição alta reduz a energia total de soldagem da junta. Soldas que necessitam de vários passes no processo de soldagem com eletrodo revestido, podem ser depositadas num só passe pelo processo a arco submerso. A figura 82 mostra este processo.
Figura 82
Neste processo o soldador ou o operador de solda não necessita usar um capacete ou máscara de proteção. O profissional não pode ver o arco elétrico através do fluxo e tem dificuldades de acertar a direção do arco quando se perde o curso. . Devido ao arco estar oculto da vista e requerer um sistema de locação de curso, o processo de soldagem a arco submerso tem flexibilidades limitadas. Mas, isto é compensado por diversas vantagens, tais como: (1) Alta qualidade da solda e resistência. (2) Taxa de deposição e velocidade de deslocamento extremamente altas. (3) Nenhum arco de soldagem visível, minimizando requisitos de proteção. (4) Pouca fumaça. (5) Facilmente automatizável, reduzindo a necessidade de operadores habilidosos. O processo de soldagem a arco submerso também solda uma faixa ampla de espessuras, e a maioria dos aços, ferríticos e austeníticos. Uma utilidade do processo de soldagem a arco submerso está na soldagem de chapas espessas de aços, por exemplo, vasos de pressão, tanques, tubos de diâmetros grandes e vigas.
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Equipamento de Soldagem A soldagem a arco submerso é um processo normalmente automático podendo ser encontrado como sem i-automático, em que a alimentação do consumível e o comprimento do arco são controlados pelo alimentador de arame ou fita e pela fonte de energia. No processo automático, um mecanismo de avanço movimenta o cabeçote de soldagem ao longo da peça, e normalmente um sistema de recuperação do fluxo granular não utilizado (ver figura 83). Na soldagem de união de cilindros, o cabeçote de soldagem permanece fixo e o conjunto se movimenta através de posicionadores giratórios.
Figura 83
A fonte de energia para a soldagem a arco submerso pode ser uma das seguintes: - uma tensão variável de gerador CC ou retificador; - uma tensão contínua de gerador CC ou retificador; - um transformador de CA. A tendência atual é para o uso de retificadores de tensão constante ou de característica plana. Neste tipo de equipamento quando se aumenta a velocidade de alimentação de arame o equipamento aumenta a corrente de soldagem. Para se variar a energia de soldagem é necessário ajustar a voltagem. As fontes de energia fornecem altas correntes de trabalho. A maioria da uma faixa de 350 a 2000 A. A soldagem com corrente contínua permite melhor controle de formato do passe de soldagem, da profundidade de penetração e da velocidade de soldagem. A soldagem em corrente contínua normalmente desenvolve-se com polaridade inversa (eletrodo positivo, CC+). A corrente alternada tem a vantagem de reduzir o sopro magnético (deflexão do arco de seu percurso normal, devido a forças magnéticas). Os eletrodos para soldagem a arco submerso têm, usualmente, composição química muito similar à composição do metal de base. Fluxos para soldagem a arco submerso também alteram a composição química da solda e influenciam em suas propriedades mecânicas. As características do fluxo são similares às dos revestimentos usados no processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Os diferentes tipos de fluxo estão listados a seguir:
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- fundido; - aglutinado; - aglomerado; - mecanicamente misturado. A composição da solda é alterada por fatores como reações químicas do metal de base com elementos do eletrodo e do fluxo, e elementos de liga adicionados através do fluxo. As várias combinações arame-fluxo possibilitam grande flexibilidade para alcançar as propriedades desejadas à solda. Controle de Processo As observações abaixo são importantes para que se tenha o domínio sobre a técnica da soldagem a arco submerso: - Quanto maior a intensidade de correntente (I) maior a penetração; - Quanto maior a tensão (V) maior o comprimento de arco e, conseqüentemente, maior a largura do passe; - Quanto maior o stick-out (distância entre o contato elétrico e a peça) maior a taxa de deposição; - Quanto maior velocidade de soldagem, menor a penetração e menor a largura do passe; - Quanto menor o diâmetro do eletrodo, maior a penetração; - Soldagem com Corrente Contínua a polaridade inversa (CC+) produz menor taxa de deposição e maior penetração. Características e aplicações do Processo a Arco Submerso A soldagem a arco submerso pode ser usada para muitas aplicações industriais, que incluem fabricação de navios, fabricação de elementos estruturais, vasos de pressão, etc. O processo pode ser usado para soldar seções finas, bem como seções espessas (5 mm até acima de 200 mm). O processo é usado principalmente nos aços carbono, de baixa liga e inoxidáveis. Ele não é adequado para todos metais e ligas. A seguir estão listadas as várias classes de metal de base que podem ser soldados por esse processo: - Aço carbono com até 0,29% C; - Aços carbonos tratados termicamente (normalizados ou temperados - revenidos); - Aços de baixa liga, temperados e revenidos, com limite de escoamento até 700 Mpa (100.000 psi); - Aços cromo-molibdênio (1/2% a 9% Cr e 1/2% a 1 % Mo). - Aços inoxidáveis austeníticos; - Níquel e ligas de Níquel; A maioria da soldagem a arco submerso é feita na posição plana, com pouca aplicação na posição horizontal em ângulo. Soldas executadas com este processo usualmente têm boa ductilidade, alta tenacidade ao entalhe, contém baixo hidrogênio, alta resistência à corrosão e propriedades que são no mínimo iguais àquelas que são encontradas no metal de base. Por este processo podem-se executar soldas de topo, em ângulo, de tampão, e também realizar deposições superficiais no metal de base (revestimento). Na soldagem de juntas de topo com raiz aberta, um cobre-junta é utilizado para suportar o metal fundido. Na soldagem de revestimento para obter as propriedades desejadas em uma superfície, por exemplo, resistência a corrosão ou erosão, o metal de adição usado é normalmente uma fita.
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A taxa de deposição pode variar de 5,0 kg/h, usando processos semi-automáticos, até um máximo aproximado de 85 kg/h, quando se usam processos automáticos com vários arcos conjugados. Preparação e Limpeza da Junta A limpeza da junta e o alinhamento da máquina com a junta são particularmente importantes na soldagem a arco submerso. No que se refere à limpeza, qualquer resíduo de contaminação não removido pode redundar em porosidade e inclusões. Portanto, prevalecem, para a soldagem a arco submerso, todas as recomendações feitas para a soldagem com eletrodo revestido, quais sejam: - As peças a serem soldadas devem estar isentas de óleo, graxa, ferrugem, resíduos do exame por líquido penetrante, areia e fuligem do preaquecimento a gás, numa faixa de no mínimo 20 mm de cada lado das bordas, e desmagnetizadas. - As irregularidades e escória do oxi-corte devem ser removidas, no mínimo, poresmerilhamento. - Os depósitos de carbono, escória e cobre resultantes do corte com eletrodo de carvãodevem ser removidos. O alinhamento incorreto máquina/junta resulta em falta de penetração e façta de fusão na raiz. Se a soldagem é com alto grau de restrição, trincas podem surgir devido ao alinhamento defeituoso. Descontinuidades Induzidas pelo Processo (AS) Na soldagem a arco submerso, a exemplo da soldagem com eletrodo revestido, pode ocorrer quase todo tipo de descontinuidade, pelo menos as mais comuns. Vejamos alguns aspectos principais: a) Falta de Fusão - pode ocorrer no caso de um cordão espesso executado em um único passe ou em soldagens muito rápidas, ou seja, nos casos de baixa energia de soldagem.
b) Falta de Penetração - como já citamos anteriormente, a falta de penetração, quando acontece, é devida a um alinhamento incorreto da máquina de solda com a junta a ser soldada ou velocidade de soldagem inadequada.
c) Inclusão de Escória - pode ocorrer quando a remoção de escória, na soldagem em vários passes, não for perfeita. Devemos cuidar para que toda a escória seja removida, atentando que existem regiões onde esta operação é mais difícil: a região entre passes e aquela entre o passe e o chanfro executado no metal de base.
d) Mordedura - acontece com certa freqüência na soldagem a arco submerso, quando a soldagem processa-se rapidamente e quando a corrente for muito alta.
e) Porosidade - ocorre com freqüência, tendo como causas principais a alta velocidade de avanço da máquina e o resfriamento rápido da solda. São bolhas de gás retidas sob a escória. Podemos eliminar a porosidade mudando a granulação (finos em menor quantidade) ou a composição do fluxo. Outros meios de evitar porosidades são: limpeza adequada da junta, diminuição da velocidade de avanço da máquina e utilização de arames com maior teor de desoxidantes.
f) Trinca - na soldagem a arco submerso pode ocorrer trincas em elevadas temperaturas ou em temperaturas baixas. Trincas de Cratera ocorrem normalmente na soldagem a arco submerso, a não ser que o operador tenha uma perfeita técnica de enchimento de cratera. Na prática utilizamos chapas apêndices (run-on e run-off tabs) para deslocar o início e o fim
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da operação de soldagem para fora das peças que estão sendo efetivamente soldadas. Trincas na Garganta ocorrem em pequenos cordões de solda entre peças robustas. São típicas de soldagem com elevado grau de restrição. Trincas na Margem e Trincas na Raiz muitas vezes ocorrem algum tempo após a operação de soldagem e, neste caso, são devidas ao hidrogênio. Freqüentemente a causa é umidade no fluxo. Duplas laminações, lascas e dobras no metal de base podem conduzir a trincas na soldagem a arco submerso. Tais descontinuidades apresentam-se sob a forma de entalhes que tendem a iniciar trincas no metal de solda. Duplas laminações associadas às altas tensões de soldagem podem redundar em trinca interlamelar. Condições de Proteção Individual Como o arco é submerso, invisível, a soldagem é normalmente executada sem fumaças, projeções e outros inconvenientes comumente verificados em outros processos de soldagem a arco elétrico. Daí, não necessitarmos de capacetes e outros dispositivos de proteção a não ser dos óculos de segurança. Eles devem ser escuros para proteção contra clarões no caso de, inadvertidamente, ocorrer a abertura de arco sem fluxo de cobertura. A soldagem a arco submerso pode produzir fumaças e gases tóxicos. É sempre conveniente cuidar por uma ventilação adequada do local de soldagem, especialmente no caso de áreas confinadas. O operador e outras pessoas relacionadas com a operação do equipamento de soldagem devem estar familiarizados com as instruções de operação do fabricante. Particular atenção deve ser dada às informações de precaução contidas no manual de operação. A tabela abaixo contém um resumo das informações sobre a soldagem a arco submerso.
(2F)
40 a 50% 15 a 20%
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14.2.3 Soldagem TIG (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW) Processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo não consumível de tungstênio ou liga de tungstênio sob uma proteção gasosa de gás inerte ou misturas de gases inertes. Pode ou não ser utilizado material de adição. Fundamentos do Processo Soldagem TIG é a união de metais pelo aquecimento e fusão destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio puro ou de ligas a base de tungstênio, e a peça. A proteção durante a soldagem é conseguida com um gás inerte ou mistura de gases inertes, que também tem a função de transmitir a corrente elétrica quando ionizados durante o processo. A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição (solda autógena). Quando é feita com metal de adição, ele não é transferido através do arco, mas é fundido pelo arco, não fazendo, portanto parte do circuito elétrico de soldagem. A figura 84 mostra esquematicamente este processo.
Figura 84
A área do arco é protegida da contaminação atmosférica pelo gás de proteção, que flui do bico da pistola. O gás remove o ar, eliminando a contaminação do metal fundido e do eletrodo de tungstênio aquecido pelo nitrogênio e oxigênio presentes na atmosfera. Há pouco ou nenhum salpico e fumaça. A camada da solda é suave e uniforme, requerendo pouco ou nenhum acabamento posterior. A soldagem TIG pode ser usada em soldas de alta qualidade na maioria dos metais e ligas. Não apresenta nenhuma escória e o processo pode ser usado em todas as posições. Este é o processo mais lento dos processos de soldagem manuais.
Sentido da Soldagem
Condutor elétrico Eletrodo de Tungstênio
Atmosfera Protetora
Arco Metal de Solda Solidificado
Metal de adição
Passagem de gás
Metal de Base
Metal de Solda Fundido
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Equipamentos de Soldagem A soldagem TIG é usualmente um processo manual, mas pode ser mecanizado e até mesmo automatizado. A figura 85 abaixo ilustra o equipamento necessário para o processo TIG.
Figura 85
Consumíveis – Metais de Adição e Gases Uma ampla variedade de metais e ligas estão disponíveis para utilização como metais de adição no processo de soldagem TIG. Os metais de adição, se utilizados, normalmente são similares ao metal que está sendo soldado. Os gases de proteção mais comumente usados para soldagem TIG são argônio, hélio ou uma mistura destes dois gases. O argônio é muitas vezes preferido em relação ao hélio porque apresenta várias vantagens, como: - ação do arco mais suave e sem turbulências. - menor tensão no arco para uma dada corrente e comprimento de arco. - maior ação de limpeza na soldagem de materiais como alumínio e magnésio, em corrente alternada. - menor custo e maior disponibilidade. - menor vazão de gás para uma boa proteção (na posição plana). - melhor resistência a corrente de ar transversal. - mais fácil a iniciação do arco. Por outro lado, o uso do hélio usado como gás de proteção, resulta em uma tensão de arco mais alta para um dado comprimento de arco e corrente em relação a argônio, produzindo mais calor, e assim é mais efetivo para soldagem de materiais espessos (especialmente metais de alta condutividade, tal como alumínio). Entretanto, visto que a densidade do hélio é menor que a do argônio, usualmente são necessárias maiores vazões de gás para se obter um arco mais estável e uma proteção adequada da poça de fusão, durante a soldagem na posição plana. Características e Aplicações A soldagem TIG é um processo bastante adequado para espessuras finas dado ao excelente controle da poça de fusão (arco elétrico). O processo pode ser aplicado em locais que não necessitam de metal de adição.
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Este processo pode também unir paredes espessas de chapas e tubos de aço e de ligas metálicas. É usado tanto para soldagem de metais ferrosos como de não ferrosos. Os passes de raiz de tubulações de aço carbono e aço inoxidável, especialmente aquelas de aplicações críticas, são freqüentemente soldadas pelo processo TIG. Embora a soldagem TIG tenha um alto custo inicial e baixa produtividade, estes são compensados pela possibilidade de se soldar muitos tipos de metais, de espessuras e em posições não possíveis por outros processos, bem como pela obtenção de soldas de alta qualidade e resistência. A soldagem TIG possibilita soldar alumínio, magnésio, titânio, cobre e aços inoxidáveis, como também metais de soldagem difícil e outros de soldagem relativamente fácil como os aços carbono. Preparação e Limpeza A preparação e limpeza das juntas para a soldagem TIG requer todos os cuidados exigidos para a soldagem com eletrodo revestido e mais: - a limpeza do chanfro e bordas deve ser ao metal brilhante, numa faixa de 10 mm, pelos lados interno e externo. - quando da deposição da raiz da solda deve ser empregada a proteção, por meio de gás in e, pelo outro lado da peça. A este gás injetado na raiz da junta, chamamos de Purga. Para os aços carbono não é necessária esta proteção. Descontinuidades Induzidas pelo Processo Exceto a inclusão da escória, a maioria das descontinuidades listadas para os outros processos de soldagem pode ser encontrada na soldagem TIG. E importante saber que:
a) Falta de Fusão - pode acontecer se usarmos uma técnica de soldagem inadequada. A penetração do arco na soldagem TIG é relativamente pequena. Por esta razão, para a soldagem TIG devem ser especificadas juntas adequadas ao processo.
b) Inclusão de Tungstênio - podem resultar de um contato acidental do eletrodo de tungstênio com a poça de fusão: a extremidade quente do eletrodo de tungstênio pode fundir-se, transformando-se numa gota de tungstênio que é transferida à poça de fusão, produzindo assim uma inclusão de tungstênio na solda. A aceitabilidade ou não dessas inclusões depende do código que rege o serviço que está sendo executado.
c) Porosidade - pode ocorrer devido à limpeza inadequada do chanfro ou a impurezas contidas no metal de base ou por deficiência no suprimento do gás.
d) Trincas - na soldagem TIG normalmente são devidas à fissuração a quente. Trincas longitudinais ocorrem em depósitos feitos em alta velocidade. Trincas de Cratera, na maioria das vezes, são devidas a correntes de soldagem impróprias. As trincas devidas ao hidrogênio (fissuração a frio), quando aparecem, são decorrentes de umidade no gás inerte. Condições de Proteção Individual Na soldagem TIG a quantidade de radiação ultravioleta liberada é bastante grande. Partes da pele diretamente expostas a tais radiações queimam-se rapidamente, o que exige precauções; a proteção da vista é fundamental. Outro aspecto dessas radiações é sua
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capacidade de decompor solventes, com a liberação de gases bastante tóxicos. Daí, em ambientes confinados, devemos cuidar para que não haja solventes nas imediações. A tabela abaixo contém resumidamente algumas das informações mais importantes sobre a soldagem TIG.
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14.2.4 Soldagem MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding - GMAW) Processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo consumível sob proteção gasosa, que utiliza como eletrodo um arame maciço e como proteção gasosa um gás inerte (MIG), um gás ativo (MAG), ou misturas de gases. Fundamentos do Processo A Soldagem MIG/MAG usa o calor de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo nu alimentado de maneira contínua e o metal de base, para fundir a ponta do eletrodo e a superfície do metal de base na junta que está sendo soldada. A proteção do arco e da poça de solda fundida vem inteiramente de um gás alimentado externamente, o qual pode ser inerte, ativo ou uma mistura destes. Portanto dependendo do gás poderemos ter os seguintes processos: - Processo MIG (METAL INERT GAS): injeção de gás inerte. O gás pode ser argônio, hélio, argônio + 1 % de O2, argônio + 3% de O2, argônio + (até) 15% CO2 - Processo MAG (METAL ACTIVE GAS): injeção de gás ativo ou mistura de gases que perdem a característica de inertes, quando parte do metal de base é oxidado. Os gases utilizados são o CO2, CO2 + 5 a 10% de O2, argônio + 15 a 30% de CO2, argônio + 5 a 15% de O2, argônio + 25 a 30% de N2. A figura 86 mostra como o processo de soldagem MIG/MAG funciona.
Figura 86
Arame Sólido
Entrada de Gás
Condutor de Corrente
Sentido da Soldagem
Bico de contato e guia do arame
Bocal Atmosfera Protetora
Arco
Metal de Solda Solidificado
Metal de Base
Metal de Solda Fundido
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Escórias formadas nos processos de soldagem com eletrodo revestido e soldagem a arco submerso, não são formadas no processo de soldagem MIG/MAG, porque nesses processos não se usa fluxo. Entretanto, um filme vítreo (que tem o aspecto de vidro) de sílica se forma de eletrodos de alto silício, o qual deve ser tratado como escória. A soldagem MIG/MAG pode ser semi-automático ou automático. Equipamentos de Soldagem O equipamento de soldagem MIG/MAG consiste de uma pistola de soldagem, um suprimento de energia, um suprimento de gás de proteção e um sistema de acionamento de arame. A figura 87 mostra o equipamento básico necessário para este processo.
Figura 87
Tipos de Transferência do Metal de Adição Há quatro modos pelos quais o processo de soldagem MIG/MAG pode depositar solda numa junta: a) Por transferência globular - ocorre com uma corrente baixa em relação ao tamanho do eletrodo. O metal se transfere do eletrodo para a peça como glóbulos, cada um maior em diâmetro que o eletrodo. Os glóbulos se transferem para a poça sem muita direção e o aparecimento de salpico é bem evidente. b) Por transferência por spray ou por pulverização axial - ocorre com correntes altas. O metal de adição fundido se transfere através do arco como gotículas finas. Com a transferência por spray a taxa de deposição pode chegar até a 10 kg/h. Entretanto, essa taxa de deposição restringe o método à posição plana devido a grande quantidade de material depositado e a fluidez da poça de fusão. c) Por transferência por curto circuito - pode requerer uma fonte de energia especial. A fusão inicia-se globularmente e a gota vai aumentando de tamanho até tocar a poça de fusão, produzindo um curto circuito e extinguindo o arco. Sob a ação de determinadas forças, a gota é transferida para a peça. Este processo permite soldagem em todas as posições e é
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um processo de energia relativamente baixa, o que restringe seu uso para espessuras maiores. d) Por soldagem a arco pulsante - mantém um arco de corrente baixa como elemento de fundo e injeta sobre essa corrente baixa, pulsos de alta corrente. A transferência do metal de adição é pelo jato de gotículas durante esses pulsos. Esta característica da corrente de soldagem faz com que a energia de soldagem seja menor, o que torna possível a soldagem na posição vertical pelo uso de arames de diâmetros grandes. Para se obter este modo de transferência deve-se utilizar fontes de energia especiais, capazes de fornecer corrente pulsada, com períodos de pulso controláveis. A maioria da soldagem MIG/MAG por spray é feita na posição plana. As soldagens MIG/MAG por arco pulsante e por transferência por curto circuito são adequadas para soldagem em todas as posições. Quando a soldagem é feita na posição sobre-cabeça, são usados eletrodos de diâmetros pequenos com o método de transferência por curto circuito. A transferência por spray pode ser usada com corrente contínua pulsada.
Tipos e Funções dos Consumíveis A finalidade principal do gás protetor em soldagem MIG/MAG é proteger a solda da contaminação atmosférica. O gás protetor também influi no tipo de transferência, na profundidade de penetração, e no formato do cordão. Argônio e hélio são gases de proteção usados para soldagem das maiorias dos metais não ferrosos. O CO2 é largamente usado para a soldagem de aços doces. Quando da seleção de um gás protetor, o fator mais importante para se ter em mente é que quanto mais denso for o gás, mais eficiente é a sua proteção ao arco. Os eletrodos para soldagem MIG/MAG são similares ou idênticos na composição àqueles dos outros processos de soldagem que utilizam eletrodos nus, sendo que, para o caso específico da soldagem MAG, contêm elementos desoxidantes tais como silício e manganês em percentuais determinados. Como uma regra, as composições do eletrodo e do metal de base devem ser similares, sendo que, especificamente para o processo MAG, deve ser levado em conta o acréscimo de elementos desoxidantes. Para se ter maiores informações sobre os eletrodos consultar as especificações AWS A 5.9, A 5.10 e A 5.18. Características e Aplicações da Soldagem MIG/MAG A soldagem MIG/MAG produz soldas de alta qualidade com procedimentos de soldagem apropriados. Como não é utilizado um fluxo, a possibilidade da inclusão de escória semelhante ao processo eletrodo revestido ou arco submerso é mínima, podendo, por outro lado, ocorrer a inclusão de uma escória vítrea característica do processo se a limpeza interpasse não for feita de maneira adequada. Hidrogênio na solda é praticamente inexistente. A soldagem MIG/MAG é um processo de soldagem para todas as posições, dependendo do eletrodo e do gás ou gases usados. Pode soldar a maioria dos metais e ser utilizado inclusive para a deposição de revestimentos superficiais. Tem capacidade para soldar espessuras maiores de 0,5 mm por transferência por curto circuito. A taxa de deposição pode chegar a 15 kg/h dependendo do eletrodo, modo de transferência, gás usado.
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Descontinuidades Induzidas pelo Processo Na soldagem MIG/MAG podem ocorrer as seguintes descontinuidades: a) Falta de Fusão - pode acontecer na soldagem MIG/MAG com transferência por curto-circuito. Ocorre também com transferência por spray ou pulverização axial quando utilizamos baixas correntes. Velocidade de soldagem excessiva é outro motivo da falta de fusão.
b) Falta de Penetração - sua ocorrência é mais provável com a transferência por curto-circuito.
c) Inclusões de Escória - o oxigênio contido no próprio metal de base, ou aquele captado du-rante a soldagem sob condições deficientes de proteção, forma óxidos na poça de fusão. Na maioria das vezes, esses óxidos flutuam na poça de fusão, mas eles podem ficar aprisionados sob o metal de solda, dando origem a inclusão de escória.
d) lascas, Dobras, Duplas laminações e Trinca Interlamelar - podem vir à tona ou surgir em soldas com alto grau de restrição.
e) Mordedura - quando acontecem são em função da inabilidade do soldador.
f) Poros e Porosidade - como já vimos, poros e porosidade são causadas por gás retido na solda. Na soldagem MIG/MAG verifica-se o seguinte mecanismo: o gás de proteção, injetado sem a observância de determinados requisitos técnicos, pode deslocar a atmosfera que o envolve, a qual contém oxigênio e nitrogênio. O oxigênio e nitrogênio da atmosfera podem dissolver-se na poça de fusão, dando origem a poros e porosidade no metal de solda.
g) Sobreposição - pode acontecer com a transferência por curto-circuito.
h) Trincas - podem ocorrer trincas em soldagem com técnica deficiente, como, por exemplo, uso de metal de adição inadequado. Condições de Proteção Individual Na soldagem MIG/MAG é grande a emissão de radiação ultravioleta. Existe também o problema de projeções metálicas. O soldador deve usar os equipamentos convencionais de segurança, tais como luvas, macacão, óculos para proteção da vista, etc. Na soldagem em áreas confinadas não esquecer da necessidade de uma ventilação forçada, bem como de remover da área recipientes contendo solventes que podem se decompor em gases tóxicos por ação dos raios ultravioleta. A tabela abaixo resume algumas das informações mais importantes sobre a soldagem MIG/MAG.
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14.2.5 Soldagem a Arco com Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding – FCAW) Processo de soldagem a arco que produz a coalescência de metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico tubular, contínuo, consumível e o metal de base. A proteção do arco e do cordão é feita por um fluxo de soldagem contido dentro do eletrodo, que pode ou não ser suplementada por uma proteção gasosa adicional fornecida por uma fonte externa. Fundamentos do Processo A soldagem com arame tubular foi desenvolvida visando unir as vantagens do processo MIG/MAG (semi-automático ou automático) com as do processo com eletrodo revestido (revestimento fusível formador de gases protetores, escória, elementos de liga, etc.). Deste modo o arame eletrodo maciço foi substituído por outro, composto de um arame tubular com alma de fluxo fusível, semelhante ao utilizado no arco submerso.. Existem dois tipos de arames tubulares: - Autoprotegido - onde a proteção do arco e da poça de fusão é feita unicamente pela queima do fluxo em pó, contido no núcleo do arame. - Proteção adicional de gás - onde, além dos gases gerados pelo fluxo, é utilizado um gás adicional para a proteção, que flui pelo mesmo bocal de onde emerge o arame tubular. Os gases normalmente utilizados são: -CO2 -Ar+ 2% de O2 -Ar + 18 - 25% de CO2 A escória formada sobre o metal de solda possui as mesmas funções metalúrgicas daquelas vistas anteriormente nos processos de soldagem com eletrodo revestido e arco submerso. Aliada a estas funções, a escória promove um ótimo acabamento. Pela utilização de arames de maior diâmetro e faixas mais altas de corrente elétrica têm-se, em comparação com o processo MIG/MAG, elevadas taxas de deposição, juntamente com boa penetração e velocidades de soldagem altas. Assim como os arames maciços, utilizados nos processos MlG/MAG, o arame tubular também é embalado numa forma contínua (bobinado); por esta razão, eles podem ser empregados tanto em processos semi-automáticos como em processos automáticos. Em ambos os processos, o arame tubular é alimentado automaticamente através de uma pistola. No processo semi-automático, o soldador controla a inclinação e a distância da pistola à peça, bem como a velocidade de deslocamento e a manipulação do arco. Equipamentos de Soldagem O equipamento de soldagem com arame tubular é bastante próximo ao utilizado no processo MIG/MAG, com as seguintes ressalvas: - A fonte tem capacidade de gerar maior intensidade de corrente; - As pistolas, para intensidade de corrente alta, usualmente são refrigeradas com água ou ar; - No processo autoprotegido o sistema de gás é inexistente.
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Tipos de Transferência Metálica As transferências metálicas no processo arame tubular, além de serem em função dos parâmetros de soldagem empregados, são também em função do gás ou mistura gasosa utilizada. Neste processo têm-se os seguintes tipos de transferências:
- Curto-circuito: caracterizada pelo constante processo de extinção e reacendimento do arco elétrico. Este tipo de transferência permite a soldagem em todas as posições, com o inconveniente de gerar uma grande quantidade de respingos.
- Globular: é a transferência metálica típica produzida pelos arames tubulares; ocorre à correntes mais baixas que na transferência por spray. Existe grande incidência de respingos de metal fundido.
- Por spray ou pulverização: ocorre quando são estabelecidas altas intensidades de correntes e altas tensões do arco em relação a um determinado diâmetro de arame. Dentre os gases ou misturas gasosas utilizadas, apenas o Argônio e as misturas gasosas de Argônio com teor de CO2 variando entre 8 e 15%, permitem produzir este tipo de transferência metálica. Por produzir uma elevada taxa de deposição, a transferência por spray restringe-se apenas à posição plana. Um problema gerado por este tipo de transferência metálica é a possibilidade de ocorrência de falta de fusão, devido ao jato metálico ser dirigido para regiões que não tenham sido suficientemente aquecidas.
- Por arco pulsante: é uma transferência tipo spray sintético, obtida pela pulsação da corrente entre dois níveis pré-estabelecidos: uma corrente de base, baixa o suficiente para manter estável o arco elétrico e resfriar a poça de fusão e uma corrente de pico, superior a corrente de transição globular - spray. Por este motivo a energia de soldagem é baixa, facilitando a soldagem com arames de grandes diâmetros fora da posição plana.
Figura 88
Tipos e Funções dos Consumíveis Na soldagem com arame tubular os consumíveis utilizados são: - Eletrodos - são arames tubulares ocos com alma formada por um fluxo fusível de baixo teor de hidrogênio. Quando o gás protetor for de natureza ativa, devem estar presentes na
Arame Tubular
Bico de Contato
Atmosfera Protetora
Arco Elétrico
Poça de Fusão
Transferência de Metal Metal de Solda
Escória Fundida
Escória Solidificada
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composição química do eletrodo elementos desoxidantes, tais como Mn, e o Si. No caso dos arames autoprotegidos, existe na composição química do fluxo a presença do AI. As especificações AWS A5.20 e A5.29 classificam arames tubulares para aços C-Mn e baixa liga respectivamente. Para aços inoxidáveis são utilizados arames classificados pela AWS A5.22. - Gases de proteção - dentre as diversas opções de gases disponíveis utiliza-se mais freqüentemente o gás CO2 e misturas deste com argônio. Os mesmos são utilizados conforme requerido pela especificação do eletrodo. Características e Aplicações Este processo apresenta alta taxa de deposição e a solda possui boa qualidade decorrente dos benefícios metalúrgicos provenientes do fluxo, justificando a vasta aplicação na indústria. Um cuidado especial deve ser tomado durante a remoção da escória formada sobre cada passe depositado, de modo a evitar inclusões na junta soldada. Descontinuidades Induzidas pelo Processo Falta de fusão - ligada à transferência por curto-circuito;
Falta de penetração – também ligada à transferência por curto-circuito, podendo ainda surgir por preparação inadequada do chanfro ou erro na configuração da junta escolhida pelo projeto.
Inclusão de escória – deficiência do soldador no processo de remoção da escória, alta velocidade de soldagem, projeto inadequado da junta.
Mordedura - inabilidade do soldador ou amperagem elevada.
Poros e porosidade - surgem quando a velocidade de soldagem é elevada, não permitindo a difusão dos gases pelo cordão. Na soldagem com proteção gasosa, podem ser causados por uma vazão de gás inadequada ou por ventos no local de soldagem, o que impede uma proteção efetiva da poça de fusão. Podem ocorrer ainda quando são utilizadas misturas ricas em Ar em soldagem chapas grossas. Voltagens elevadas utilizadas na soldagem.
Sobreposição - ligada à transferência por curto-circuito ou inabilidade do soldador.
Trincas - normalmente são oriundas de técnicas de soldagem e/ou preparação inadequadas. Há que se considerar a formação de fases pré-fusíveis, resultantes das combinações de elementos desoxidantes com o oxigênio que podem ocasionar trincas à quente. Condições de Proteção Individual Os equipamentos de proteção individual (EPI) são os mesmos utilizados em outros processos de soldagem à arco elétrico. Devido às radiações emitidas serem de maior intensidade, os filtros utilizados deverão ter uma densidade maior. O processo de soldagem com arame tubular gera uma grande quantidade de fumaça. Deste modo o ambiente deverá ter boa aeração preferencialmente através de exaustores.
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14.2.6 Soldagem por Eletro-escória (Electroslag Welding – ESW) A processo de soldagem por Eletroescória não é um processo de soldagem a arco pois nele o arco somente é usado apenas para dar início a soldagem. Na soldagem por eletroescória, uma escória fundida (temperatura de aproximadamente 1700°C), funde o metal de adição e o metal de base. O banho de escória formado sobrenada a poça de fusão protegendo-a durante toda a soldagem. O processo é iniciado através da abertura de um arco elétrico entre o eletrodo e um apêndice colocado na base da junta. Fluxo granulado é então acrescido e fundido pelo calor do arco. Quando uma camada espessa de escória se forma, toda a ação do arco cessa, sendo o mesmo extinto. Entretanto, a corrente de soldagem continua a passar do eletrodo para o metal de base através da escória por condução elétrica. A resistência da escória fundida à passagem dessa corrente é justamente o que gera o calor necessário para a soldagem (efeito Joule), sendo este suficiente para fundir o eletrodo e as faces do chanfro. O eletrodo fundido (e tubo guia, se é usado) e o metal de base fundido formam o metal de solda abaixo do banho de escória fundida. A figura 89 mostra esquematicamente este processo.
Figura 89
Equipamento de Soldagem O processo eletroescória é um processo automático. O equipamento básico necessário para este processo é constituído de: - Fonte de energia. - Alimentador de arame e oscila dor. - Tubo guia e eletrodo. - Deslocador (não precisa se o guia é consumível). - Sapata de retenção (sapata de moldagem) - Controles de soldagem - Cabos de conexão elétrica
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- Isolantes No início da soldagem é necessário colocar uma chapa apêndice, pois o processo, na sua fase inicial, é instável com conseqüentes prejuízos à qualidade da solda. Este apêndice é descartado posteriormente. Para o avanço vertical da soldagem, usa-se usualmente sapatas de retenção que podem ser refrigeradas a água (figura 90).
Figura 90
As sapatas de retenção servem para conter tanto o metal de solda fundido como o fluxo fundido. A superfície da solda é moldada pelo contorno ou formato das sapatas enquanto a poça de fusão se move para cima na junta. Conforme vai ocorrendo a solidificação, impurezas metálicas flutuam para cima do metal fundido através da escória. Fontes de energia para o processo de soldagem eletro-escória são do tipo transformador-retificador de tensão constante, que operam na faixa de 450 a 1000 A. Elas são similares às usadas no processo de soldagem a arco submerso. A tensão mínima em circuito aberto da fonte de energia deve ser de 60 V. É requerida uma fonte de energia separada para cada eletrodo. Características e Aplicações A soldagem eletroescória é um processo de aplicação limitado, usado apenas para fazer soldas verticais em espessuras médias de aços carbono, de baixa liga, de alta resistência, de médio carbono e de alguns aços inoxidáveis. O processo se aplica melhor a espessuras acima de 20 mm. Embora a habilidade manual não seja requerida, o conhecimento da técnica é necessário para operar o equipamento. Vantagens: - Alta taxa de deposição e boa qualidade se solda fazem deste processo desejável para secções espessas encontradas em inúmeras aplicações industriais como maquinarias pesadas, vasos de pressão, navios e fundidos grandes; - Requer pouco ajuste e preparação da junta (usualmente em juntas sem chanfro); - Solda materiais espessos num só passe; - É um processo mecanizado com um mínimo de manuseio de material. Uma vez iniciado o processo, ele continua até o término; - Requer tempo mínimo de soldagem e apresenta uma distorção mínima; - Não há arco de soldagem visível e nenhum lampejo de arco. Como desvantagem podemos citar o superaquecimento do metal de base, em função do deslocamento da fonte ser lenta, permitindo o crescimento exagerado dos grãos na zona
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afetada termicamente. Com isso as propriedades mecânicas da junta soldada, sobretudo a tenacidade, sofre degradação. A fragilidade da solda obtida necessita ser corrigida mediante tratamento térmico posterior à soldagem (normalização). Descontinuidades Induzidas pelo Processo Algumas descontinuidades que podem surgir neste processo são:
- Falta de Fusão - soldas de chapas espessas, nas quais o calor é distribuído por oscilação do eletrodo, podem apresentar falta de fusão na parte central ou perto das sapatas. O efeito de resfriamento das sapatas pode impedir a fusão do metal de base próximo à superfície em que a sapata está apoiada. A indicação resultante assemelha-se com uma mordedura. Podem ocorrer também num início de soldagem com temperatura abaixo da necessária.
- Inclusões - são incomuns, mas podem acontecer. É o caso de pedaços de arame introduzidos na poça de maneira muita rápida pela unidade de alimentação de arame e que não se fundem. Também têm sido encontradas na zona fundida, varetas e, até mesmo, partes do equipamento de soldagem como, por exemplo, a extremidade do guia tubular de eletrodo.
- Inclusões de Escória - podem ocorrer se a solda for quase interrompida e reiniciada. O processo de soldagem exige uma poça de escória aquecida a aproximadamente 1.700°C. Um reinício de soldagem inadequado pode não fundir perfeitamente o metal, redundando em escória na solda.
- Porosidade - quando ocorre, é grosseira e do tipo vermiforme, podendo ser causada por pedaço de abesto úmido utilizado como vedação entre a sapata de retenção e a peça a ser soldada, fluxo contaminado ou úmido, eletrodo, tubo guia ou material para início de soldagem úmidos.
- Sobreposição - pode ocorrer se as sapatas não forem bem ajustadas às chapas, permitindo o vazamento de material fundido.
- Trinca Interlamelar - não tem sido observada na soldagem eletroescória de juntas de topo porque não se registram tensões no sentido da espessura das chapas do metal de base.
- Trincas - devido à fissuração a frio não são encontradas na soldagem eletroescória. Isso devido ao ciclo lento de aquecimento e resfriamento da junta, inerente ao processo. Já as trincas causadas pela fissuração a quente são comuns na soldagem eletroescória, principalmente no caso de soldas com alto grau de restrição, devido à granulação grosseira da junta soldada. Essas trincas propagam-se ao longo dos contornos de grãos.
- Duplas Laminações - não se constituem em grandes inconvenientes para a soldagem eletroescória. A escória fundida atrai para fora qualquer inclusão existente na dupla laminação e sela a dupla laminação ao longo da solda. Analogamente, lascas e dobras são absorvidas pela soldagem eletroescória. A tabela abaixo apresenta um resumo das principais informações deste processo.
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14.2.7 Soldagem Eletrogás (Electrogas Welding – EGW) A soldagem eletrogás é uma variação dos processos MIG/MAG e com arame tubular, que utiliza sapatas de retenção para confinar a poça de fusão na soldagem na posição vertical. A formação da atmosfera protetora e a transferência do metal são idênticas ao processo MIG/MAG. Uma proteção adicional pode ou não ser utilizada pela injeção de um gás ou de uma mistura de gases provenientes de uma fonte externa. Os aspectos mecânicos do processo de soldagem eletro-gás são similares aos do processo eletro-escória e, como este, uma vez iniciado continua até se completar a solda (figura 91).
Figura 91
Para o início da operação um eletrodo consumível em forma de arame, sólido ou tubular, é alimentado numa cavidade formada pelas faces do chanfro das peças a serem soldadas e pelas sapatas de retenção. Um arco elétrico se inicia entre o eletrodo e uma chapa apêndice situada na parte inferior da junta. O calor do arco funde as faces do chanfro e o eletrodo que é alimentado de maneira contínua. O metal fundido proeminente do metal de adição e do metal de base fundido forma uma poça de fusão abaixo do arco e se solidifica. O eletrodo pode oscilar horizontalmente através da junta, principalmente em juntas mais espessas de maneira a distribuir de maneira mais uniforme o calor e o metal de adição. À medida que a solda se solidifica uma ou ambas as sapatas se movem para cima junto com o cabeçote de soldagem de modo a dar continuidade à solda. Embora o eixo da solda seja vertical, a posição de soldagem é a posição plana, com deslocamento vertical. Equipamento de Soldagem O equipamento básico para a soldagem eletrogás é similar ao convencional da soldagem por eletroescória. A diferença fundamental é a introdução do gás de proteção do arco e da
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poça de metal fundido, quando o gás de proteção é necessário (na soldagem eletro-gás com arame tubular, o gás de proteção nem sempre é necessário). Basicamente, os componentes do sistema de soldagem eletro-gás são: a) fonte de energia de corrente contínua. b) Sapatas refrigeradas com água para conter a solda fundida. c) Uma pistola de soldagem. . d) Dispositivo para alimentar o arame. e) Um mecanismo para oscilar a pistola na soldagem. f) Equipamento para suprir o gás de proteção, quando usado. Num sistema típico de soldagem eletrogás, os componentes essenciais, com exceção da fonte de energia, são incorporados num único conjunto (cabeçote de soldagem) que se move verticalmente para cima, acompanhando a progressão da soldagem. Dispositivos de controle para fluxo de água, pressão horizontal nas sapatas retentoras, oscilação da pistola de soldagem, alimentador de arame, e movimento vertical são similares aos usados no processo de soldagem com eletroescória. Fonte de Energia A fonte de energia pode ser tanto do tipo tensão constante como do tipo corrente constante. Quando uma unidade de tensão constante é utilizada, o deslocamento vertical pode ser controlado manualmente ou por um dispositivo, tal como uma célula foto-elétrica, que detecta a altura da subida da poça de fusão. Com fontes de energia tipo tensão variável (corrente constante), o deslocamento vertical pode ser controlado pela variação do arco voltaico. Alimentador do Eletrodo de Arame É similar ao utilizado nos processos de soldagem automática MIG/MAG e com arame tubular. O alimentador deve ser capaz de suprir o eletrodo a altas velocidades e de indireitar o arame tornando sua extremidade reta. Pistola de Soldagem A pistola de soldagem para soldagem eletro-gás efetua as mesmas funções daquelas das soldagens MIG/MAG e com arame tubular. Ela guia o eletrodo para a posição desejada na abertura da junta, transmite a corrente de soldagem para o eletrodo, e, em algumas aplicações, ela fornece gás de proteção ao redor do eletrodo e do arco. A principal diferença entre uma pistola de soldagem eletro-gás e as da soldagem MIG/MAG ou com arame tubular, é a limitação na dimensão paralela à abertura da raiz entre chapas, pois o bocal da pistola deve se adaptar nesta abertura estreita. A largura da pistola é freqüentemente limitada a 10 mm para encaixar-se em aberturas de raiz de no mímino 17 mm, para que possa ter um deslocamento horizontal adequado. Sapatas de Retenção Tal como na soldagem por eletro-escória, sapatas são usadas para reter a poça de fusão da solda. Usualmente ambas as sapatas movem-se para cima com a progressão da soldagem. Em algumas soldagens uma das sapatas pode ser um cobre-junta estacionário. Para prevenir que a poça de fusão incorpore o cobre das sapatas, estas são refrigeradas a água para não se fundirem.
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Tipos de Funções de Consumíveis (Eletrodos e Gases) Há dois tipos de eletrodos usados na soldagem eletro-gás, a saber: - Arame tubular (com fluxo interno). - Arames sólidos. Os dois tipos de eletrodos são usados comercialmente. A especificação AWS A 5.26 cobre os requisitos desses eletrodos para a soldagem de aços carbono e de baixa liga. Para soldagem de aço com arame tubular, CO2 é o gás de proteção normalmente usado. A mistura de 80% argônio e 20% CO2 é normalmente usada para soldagem de aço com eletrodos sólidos. Alguns eletrodos tubulares são do tipo autoprotetor. Eles geram um vapor protetor denso através do calor de arco para proteger o metal de adição e o metal de solda fundido. Características e Aplicações A soldagem eletro-gás é usada para a união de chapas espessas que devem ser soldadas na posição vertical ou que podem ser posicionadas verticalmente para a soldagem. A soldagem é feita usualmente num só passe. A viabilidade econômica depende da espessura da chapa e do comprimento da junta. O processo é usado principalmente para a soldagem de aços carbonos e aços ligas, mas também é aplicável a aços inoxidáveis austeníticos e outros metais e ligas que são soldáveis pelo processo MIG/MAG. A espessura do metal de base pode variar numa faixa de 10 a 100 mm. Usualmente, quando a espessura é superior a 75 mm, o processo de soldagem eletro-escória é mais recomendado que o processo eletro-gás. Quanto maior a junta a ser soldada, maior é a eficiência deste processo. Para soldagem de campo, por exemplo, juntas verticais de tanques de armazenamento de grande porte, o processo elimina o grande trabalho e o custo da soldagem manual. As variáveis de soldagem do processo eletro-gás são similares às do processo por eletro-escória. A energia normalmente usada, no processo de soldagem eletro-gás, é de corrente contínua, polaridade inversa. Fontes de energia usadas para soldagem eletro-gás são usualmente na faixa de 750 a 1000 A para ciclo de trabalho de 100% (uso contínuo). Neste processo, o calor do arco deve ser aplicado uniformemente através da junta com chapas de 30 a 100 mm de espessura, a pistola de soldagem é oscilada horizontalmente sobre a poça de fusão para realizar uma deposição uniforme do metal e a fusão completa de ambas as partes da raiz. A oscilação horizontal não é usualmente necessária para chapas menores que 30 mm de espessura. Descontinuidades Induzidas pelo Processo A soldagem eletro-gás é basicamente um processo de soldagem MIG/MAG ou com arame tubular.
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Todas as descontinuidades encontradas nas soldas feitas pelos dois processos podem ser' encontradas em soldas feitas com a soldagem eletro-gás. Entretanto, a causa de algumas descontinuidades, tal como falta de fusão, pode ser diferente na soldagem eletrogás. Soldas feitas com processo de soldagem eletro-gás sob condições normais de operação resultam em soldas de alta qualidade e livres de descontinuidades prejudiciais. Entretanto, soldagens feitas em condições anormais podem resultar em soldas defeituosas. Descontinuidades na solda que podem ser encontradas são: a) Inclusões de Escória O processo é usualmente num só passe, e assim a remoção da escória não é requerida. A velocidade de solidificação da solda é relativamente baixa. Há um tempo grande disponível para a escória fundida flutuar para a superfície da poça de fusão. Entretanto, quando é utilizada a oscilação do eletrodo, a escória pode solidificar parcialmente perto de uma sapata enquanto o arco está perto da outra sapata. Quando o arco retoma, a escória pode ser incorporada se ela não é refundida. b) Porosidade Eletrodos tubulares contém elementos desoxidantes e desidratantes na alma. Uma combinação do gás de proteção e compostos formadores de escória da alma do eletrodo, usualmente produz uma solda sã, livre de poros idades. Contudo, se algo interfere com a cobertura do gás de proteção, podem resultar porosidades. c)Trincas Não ocorrem em condições normais de soldagem. O aquecimento e resfriamento relativamente lentos da solda reduzem consideravelmente o risco do desenvolvimento de fissuração a frio. Também a zona afetada termicamente tem uma alta resistência à fissuração a frio. Se trincas ocorrem, elas são usualmente do tipo trincas a quente. As trincas se formam a altas temperaturas, junto com, ou imediatamente após, a solidificação. Elas estão localizadas próximo ao centro da solda. Trincas na solda podem ser evitadas pela modificação da característica de solidificação da solda. Isto pode ser realizado pela alteração da forma da poça de fusão, através de mudanças apropriadas nas variáveis de soldagem. A tensão do arco deve ser aumentada, e a amperagem e a velocidade de deslocamento decrescidas. Freqüentemente, o aumento na abertura da raiz entre chapas pode ajudar, embora isto possa não ser econômico. Se trincas são causadas pelo alto carbono ou alto enxofre no aço, a penetração do metal de base deve ser mantida baixa para minimizar a diluição do metal de base na solda. Além disso, um eletrodo com alto teor de manganês pode ser usado para soldagem de aços de alto enxofre. Além dessas descontinuidades temos que observar: - a alta taxa de deposição deste processo implica em alto risco de falta de fusão, e - a soldagem eletrogás, a exemplo da soldagem por eletroescória, apresenta o problema do superaquecimento: a granulação grosseira da solda e de regiões adjacentes apresenta propriedades deficientes no que se refere à tenacidade. Toma-se, pois necessário um tratamento térmico após a soldagem. A tabela abaixo apresenta um resumo deste processo
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15. TRATAMENTO TÉRMICO NA SOLDAGEM O tratamento térmico em metais é um conjunto de operações envolvendo aquecimento, tempo de permanência em determinadas temperaturas e resfriamento sob condições controladas, com o objetivo de melhorar as propriedades do material ou conferir-lhe características pré-determinadas. Os principais tipos de tratamento térmico associado às operações de soldagem são: recozimento; normalização; revenimento; solubilização; têmpera; pré-aquecimento; pós-aquecimento e alívio de tensões. 15.1 Recozimento O recozimento consiste no aquecimento da peça até uma temperatura onde haja recristalização e/ou transformação em uma nova fase. Para os aços, a permanência na temperatura de patamar durante um determinado tempo serve para homogeneizar a austenita e deve ser seguido de resfriamento lento, geralmente no próprio forno. Os principais objetivos a serem alcançados por este tratamento são: reduzir a dureza do metal; melhorar a usinabilidade; remover o encruamento; aliviar tensões internas e homogeneizar a microestrutura de peça. 15.2 Normalização A normalização é um tratamento para aços que consiste em aquecer o material a uma temperatura um pouco acima da austenitização e resfriá-Io ao ar, com o intuito de refinar o grão e aumentar sua resistência mecânica. 15.3 Revenimento O revenimento é um tratamento para aços que consiste no aquecimento da peça sob temperaturas entre 450 e 750°C e na permanência no forno por período de 30 minutos a quatro horas, seguido de resfriamento controlado. O revenimento é um tratamento térmico aplicado quando se deseja aliviar tensões internas e aumentar a tenacidade, isto é, diminuir a fragilidade do material de peças nas quais tenham sido produzidas microestruturas martensíticas. Em algumas ligas de alumínio faz-se um envelhecimento, sob temperaturas de 100 a 200°C, a fim de restaurar a zona afetada pelo calor (ZAC) e aumentar a resistência mecânica afetada pela solda, de modo a deixar a regiâo menos dura. 15.4 Solubilização A solubilização é um tratamento térmico que transforma elementos antes precipitados em uma solução no estado sólido, seguido de resfriamento rápido, o suficiente para reter na matriz os elementos da solução, antes precipitado. 15.5 Têmpera A têmpera consiste no aquecimento da peça até uma temperatura adequada para austenitização do aço, e na permanência do material nesta temperatura durante um determinado tempo para homogeneização da austenita, seguido de refriamento rápido. Os
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objetivos da têmpera são: endurecer o material; aumentar a resistência mecânica; aumentar a resistência ao desgaste; aumentar a resistência ao escoamento. A peça temperada fica muito frágil, sendo necessária a aplicação do revenido após a têmpera. Ao conjunto de operações de têmpera e revenimento dá-se o nome de beneficiamento. 15.6 Pré-aquecimento O pré-aquecimento consiste em introduzir uma fonte de calor adicional na peça quando se executa uma soldagem; no entanto, muitos não o consideram como um tratamento térmico. O aquecimento pode muitas vezes ser feito em uma faixa de temperatura que varia de seis a doze vezes a espessura da peça e pode ser obtido por vários métodos. O pré-aquecimento tem como objetivo diminuir a velocidade de resfriamento de uma junta soldada, tornando menores as tensões residuais. Em metais com alta condutibilidade térmica, facilita as operações de soldagem. Em aços, favorece a difusão do hidrogênio e reduz a ocorrência de zonas afetadas pelo calor com altos níveis de dureza. Os principais parâmetros para especificar um pré-aquecimento são: a espessura da peça, a natureza da composição química e condições metalúrgicas do metal, o nível de restrição a que a junta está sendo submetida e também o processo de soldagem e seu aporte de energia. 15.7 Pós-aquecimento O pós-aquecimento é responsável pela eliminação de hidrogênio induzido por processos de soldagem nos aços carbono e de baixa liga. Consiste em aquecer a junta soldada sob temperaturas da ordem de 150°C a 300°C durante um período de uma a quatro horas, imediatamente após a soldagem, e aproveitando o pré-aquecimento. As temperaturas e os tempos são diretamente proporcionais à quantidade de liga do material e da espessura. Na maioria dos casos, o pós-aquecimento não provoca alívio de tensões, salvo em materiais que sofreram têmpera ou são suscetíveis a ela; neste caso, o pós-aquecimento pode provocar um abaixamento de dureza, caso as temperaturas e os patamares de revenimento do material estejam próximos aos do pós-aquecimento. 15.8 Alívio de Tensões O tratamento térmico de alívio de tensões para os aços é o mais empregado e envolve aquecimento abaixo da temperatura crítica de transformação, permanência do material nesse nível por um período de tempo, geralmente proporcional à espessura do material, e resfriamento lento posterior; permite reduzir a um limite mínimo e aceitável as tensões prejudiciais provocadas pelas operações de soldagem, ou mesmo por conformação. Não se deve confundir a operação de alívio de tensões com tratamentos de recozimento, em que as temperaturas são bem mais elevadas, acima da temperatura crítica de transformação do material. Os benefícios maiores do alivio de tensões são: aumentar a ductilidade, diminuir a dureza e melhorar as condições metalúrgicas da zona afetada pelo calor. O alívio de tensões depende fundamentalmente da temperatura e do tempo de permanência nessa temperatura. Também se deve levar em consideração a resistência mecânica e a composição química do material.
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O aquecimento localizado provoca tensões de tração e de compressão nas adjacências de uma junta soldada. Para reduzir as tensões provocadas pelas contrações do metal depositado após a soldagem, faz-se o tratamento térmico de alívio de tensões (figura 1).
Figura 1
Na soldagem, o fenômeno da introdução de tensões pode ser descrito pela deposição de um cordão de solda sobre a chapa. A poça de fusão e a fonte de calor juntas provocam um aquecimento localizado na região; a massa, sob a ação da fonte de calor, tende a se expandir e como o metal quente é relativamente dúctil, as tensões de compressão causam deformação local no metal quente. As adjacências resistem à expansão do material e impedem que a seção se expanda; à medida que a poça de fusão esfria, o metal quente se contrai, as tensões de compressão são anuladas e em seguida transformam-se em tensões de tração no metal frio. (figura 2).
Figura 2 Outra forma de introduzir tensões em níveis indesejáveis em um corpo é através da deformação a frio, como por exemplo a calandragem; além da relação diâmetro/espessura permitida por norma, devem ser obedecidos os requisitos do código ASME VIII, muito empregado na indústria. 15.9 Aplicações dos Tratamentos Térmicos Os tratamentos térmicos devem ser adequados aos materiais em função das características físicas, mecânicas e de propriedades de cada material, além da finalidade da junta soldada. A soldagem dos aços de baixa liga requer cuidados especiais, uma vez que esses materiais são temperáveis por causa da adição de elementos de liga, a exemplo de cromo, molibdênio, níquel e vanádio, além do carbono. Esses materiais têm suas ZACs suscetíveis ao endurecimento, e portanto, as faixas de pré-aquecimento são geralmente mais elevadas que as dos aços carbono. Para os aços de construção mecânica mais usuais da indústria, indicam-se as faixas de espessura mais comuns. O alívio de tensões é obrigatório após as operações de soldagem de aços de construção mecânica e deve ser feito conforme a norma ASME VIII na faixa de 580°C a 620°C, com uma hora de permanência da temperatura para cada polegada (25,4mm) de espessura, nas duas primeiras polegadas e 15 minutos para cada polegada suplementar; o alívio deve ser feito, de preferência, imediatamente após a soldagem; caso não seja possível, fazer um pós-
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aquecimento a 50°C acima da temperatura máxima de pré-aquecimento empregada, com um patamar de permanência de uma a quatro horas, seguido de resfriamento lento. Na soldagem de aços carbono devem ser tomadas várias medidas para se obter um resultado satisfatório; uma das operações é o pré-aquecimento, que é imprescindível apesar de encarecer o produto e alongar o tempo de fabricação. O pré-aquecimento em aços carbono, normalizado pelo SAE, é utilizado quando se solda pelos processos com eletrodo revestido, MIG/MAG e com arame tubular; também é utilizado nos processos por arco submerso e TIG, que têm aporte de calor mais elevado. Como um dos princípios do pré-aquecimento é diminuir a velocidade de resfriamento, o aporte de calor faz com que a taxas de resfriamento sejam diminuídas, e, portanto é possível usar temperaturas inferiores às sugeridas na fórmula
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16. TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM Através do estudo deste módulo o leitor deve tornar-se apto a: 1)Saber os termos de soldagem corretos e usuais; 2)Identificar os vários tipos de juntas; 3)Identificar os vários tipos de soldas; 4)Identificar os vários tipos de chanfros; 5)Identificar as várias zonas da junta soldada; 6)Identificar as várias posições de soldagem; 7)Saber os termos de descontinuidades; 8)Identificar os vários tipos de descontinuidades. Em soldagem no que se refere à terminologia, é difícil a desvinculação dos termos técnicos da língua inglesa. Estes, sempre que possível, serão mencionados entre parêntesis para permitir um perfeito entendimento da matéria. Os termos relacionados a seguir são apenas alguns dos mais usuais. Os termos técnicos em língua inglesa e suas definições são encontrados numa abordagem mais completa na norma AWS A 3.0. As designações abreviadas dos processos de soldagem mais usuais segundo a norma AWS A3.0, encontram-se na Tabela 1, conforme abaixo.
Tabela 1 - Designação abreviada dos processos de soldagem - AWS A 3.0
Abertura da raiz (root opening) -mínima distância que separa os componentes a serem unidos por soldagem ou processos afins (ver fig. 1).
Acopladeira -Maquinário empregado geralmente nas operações de montagem de componentes a serem soldados.
Alicate de eletrodo (electrode holder) -dispositivo usado para prender mecanicamente o eletrodo enquanto conduz corrente através dele.
Alma do eletrodo (core electrode) -Eletrodo nu componente do eletrodo revestido.
Ângulo do bisel (bevel angle) -ângulo formado entre a borda preparada do componente e um plano perpendicular à superfície do componente (ver fig. 1).
Ângulo do chanfro (groove angle) -ângulo integral entre as bordas preparadas dos componentes (ver fig. 1).
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Ângulo de deslocamento ou de inclinação do eletrodo (travel angle) -ângulo formado entre uma reta de referência, perpendicular ao eixo da solda, no plano comum ao eixo da solda e ao eixo do eletrodo (ver fig. 2).
Figura 1 – Abertura da Raiz, Ângulo do Bisel e Ângulo do Chanfro Ângulo de trabalho (work angle) -ângulo formado entre o eixo do eletrodo e a reta de referência normal (perpendicular) à superfície do metal de base. (figura 2 A e 2B).
Arame -ver definição de eletrodo nu.
Arame tubular -ver definição de eletrodo tubular.
Bisel (bevel) -borda do componente a ser soldado preparado na forma angular (fig. 1).
Figura 2A e 2B – Ângulo de deslocamento (ou de inclinação do eletrodo) e Ângulo de trabalho
Eixo do eletrodo
Profundidade do bisel
Profundidade do bisel
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Figura 2C – Ângulo de deslocamento (ou de inclinação do eletrodo) e
Ângulo de trabalho Brazagem (brazing, soldering) -processo de união de materiais onde apenas o metal de adição sofre fusão, ou seja, o metal de base não participa da zona fundida. O metal de adição se distribui por capilaridade na fresta formada pelas superfícies da junta, após fundir-se.
Camada (layer) -deposição de um ou mais passes consecutivos situados aproximadamente num mesmo plano. (ver fig. 3).
Figura 3 – Camada, Cordão de solda ou Passe de solda e Seqüência de Passes
Certificado de Qualificação de Soldador (welder certification) – documento escrito certificando que o soldador executa soldas de acordo com padrões pré-estabelecidos.
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Chanfro (groove) -abertura ou sulco na superfície de uma peça ou entre dois componentes, que determina o espaço para conter a solda. Os principais tipos de chanfros são os seguintes (ver fig. 4): -Chanfro em J (single-J-groove) -Chanfro em duplo J (double-J-groove) -Chanfro em U (single-U-groove) -Chanfro em duplo U (double-U-groove) -Chanfro em V (single-V-groove) -Chanfro em X (double-V-groove) -Chanfro em meio V (single-bevel-groove) -Chanfro em K (double-bevel-groove) -Chanfro reto, ou sem chanfro (Square-groove)
Figura 4 – Tipos de Chanfros Cobrejunta (backing) -material (metal de base, solda, material granulado, cobre ou carvão), colocado na raiz da junta a ser soldada, com a finalidade de suportar o metal fundido durante a execução da soldagem.
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Consumível -material empregado na deposição ou proteção da solda, tais como: eletrodo, vareta, arame, anel consumível, gás e fluxo.
Cordão de solda (weld bead) -depósito de solda resultante de um passe (ver fig. 3).
Corte com eletrodo de carvão (carbon arc cutting) -processo de corte a arco elétrico no qual metais são separados por fusão devido ao calor gerado pelo arco voltaico formado entre um eletrodo de grafite e o metal de base.
Dimensão da solda (size of weld) • para solda em chanfro -é a penetração da junta (profundidade do bisel mais a penetração da raiz, quando esta é especificada). A dimensão de uma solda em chanfro e a garganta efetiva deste tipo de solda é a mesma coisa. • para solda em ângulo (ver fig. 10). Para soldas em ângulo de pernas iguais, é o comprimento dos catetos do maior triângulo retângulo isósceles que pode ser inscrito na seção transversal da solda. Para soldas em ângulo de pernas desiguais, é o comprimento dos catetos do maior triângulo retângulo que pode ser inscrito na seção transversal da solda.
Eficiência de junta (joint efficiency) -relação entre a resistência de uma junta soldada e a resistência do metal de base.
Eletrodo de carvão (carbon electrode) -eletrodo usado em corte ou soldagem a arco elétrico, consistindo de uma vareta de carbono ou grafite, que pode ser revestida com cobre ou outros revestimentos.
Eletrodo nu (bare electrode) -metal de adição consistindo de um metal ligado ou não, em forma de arame, tira ou barra, e sem nenhum revestimento ou pintura nele aplicado além daquele concomitante à sua fabricação ou preservação.
Eletrodo revestido (covered electrode) -metal de adição composto, consistindo de uma alma de eletrodo no qual um revestimento é aplicado, suficiente para produzir uma camada de escória no metal de solda. O revestimento pode conter materiais que formam uma atmosfera protetora, desoxidam o banho, estabilizam o arco e que servem de fonte de adições metálicas à solda.
Eletrodo para solda a arco (arc welding electrode) -um componente do circuito de solda através do qual a corrente é conduzida entre o alicate de eletrodo e o arco.
Eletrodo tubular (flux cored electrode, metal cored electrode) -metal de adição composto, consistindo de um tubo de metal ou outra configuração com uma cavidade interna, contendo produtos que formam uma atmosfera protetora, desoxidam o banho, estabilizam o arco, formam escória ou que contribuam com elementos de liga para o metal de solda. Proteção adicional externa pode ou não ser usada.
Eletrodo de tungstênio (tungsten electrode) -eletrodo metálico usado em soldagem ou corte a arco elétrico, feito principalmente de tungstênio.
Equipamento (weldment) -produto da fabricação, construção e/ou montagem soldada, tais como equipamentos de caldeiraria, tubulação, estruturas metálicas, oleodutos e gasodutos.
Escama de solda (stringer bead, weave bead) -aspecto da face da solda semelhante a escamas de peixe. Em deposição sem oscilação transversal (stringer bead), assemelha-se a uma fileira de letras V; em deposição com oscilação transversal (weave bead), assemelha-se a escamas entrelaçadas. (ver fig. 5).
Face do chanfro (groove face) -superfície de um componente preparada para conter a solda (ver fig. 6).
119
Figura 5 – Escamas de Solda, Passe estreito e Passe oscilante
Face de fusão (fusion face) -superfície do metal de base que será fundida na soldagem. (ver fig. 7). Face da raiz (root face) -porção da face do chanfro adjacente à raiz da junta. (ver fig. 6).
Figura 6 – Face da raiz e Face do Chanfro
120
Figura 7 – Face de fusão, Zona de ligação e Zona de fusão
Face da solda (face of weld) -superfície exposta da solda, pelo lado por onde a solda foi executada (ver fig. 8).
Figura 8 – Face da solda, Margem da solda, Reforço da solda e Raiz da solda
Fluxo (flux) -material usado para prevenir, dissolver ou facilitar a remoção de óxidos e outras substâncias superficiais indesejáveis.
121
Gabarito de solda (weld gage) -dispositivo para verificar a forma e a dimensão de soldas.
Garganta efetiva (effective throat) -distância mínima da raiz da solda à sua face menos qualquer reforço. (ver fig. 9 e 10).
Garganta de solda (throat of a fillet weld) -dimensão em uma solda em ângulo determinada de três modos: -teórica: altura do maior triângulo retângulo inscrito na seção transversal da solda (ver fig. 10). -real: distância entre a raiz da solda e a face da solda (ver fig. 10). -efetiva: distância entre a raiz da solda e a face, exclusive qualquer reforço (ver fig. 9 e 10).
Figura 9 – Garganta efetiva, Penetração da junta e Penetração da raiz
Gás de proteção (shielding gas) -gás utilizado para prevenir contaminação indesejada pela atmosfera.
Gás inerte (inert gas) -gás que normalmente não combina quimicamente com o metal de base ou metal de adição.
Geometria da junta (joint geometry) -forma e dimensões da seção transversal de uma junta antes da soldagem.
Goivagem (gouging) -operação de fabricação de um bisel ou chanfro pela remoção de material.
Goivagem a arco (arc gouging) -processo de corte a arco usado para fabricar um bisel ou chanfro.
Goivagem por trás (back gouging) -remoção do metal de solda e do metal de base pelo lado oposto de uma junta parcialmente soldada, para assegurar penetração completa pela subseqüente soldagem pelo lado onde foi efetuada a goivagem.
Inspetor de soldagem (welding inspector) -profissional qualificado, empregado pela executante dos serviços, para exercer as atividades de controle de qualidade relativas à soldagem.
122
Figura 10 – Perna, Garganta teórica, Garganta real e Garganta efetiva de uma solda em ângulo
Junta (joint) -região onde duas ou mais peças serão unidas por soldagem.
Junta de aresta (edge-joint) -junta em que, numa seção transversal, as bordas dos componentes a soldar formam, aproximadamente, um ângulo de 180° (ver fig. 11).
Perna e Dimensão
Convexidade
Garganta Efetiva
Garganta Real
Perna e Dimensão
Garganta Teórica
(A) Solda em ângulo convexa
Garganta teórica
Garganta real e Garganta efetiva
Perna
Dimensão
Perna DimensãoConcavidade
123
Figura 11 – Juntas de aresta (edge joint)
Junta de ângulo (corner joint, T -joint) -junta em que, numa seção transversal, os componentes a soldar apresentam-se sob forma de um ângulo. As juntas (ver fig. 13) podem ser: -junta de ângulo em quina; -junta de ângulo em L; -junta de ângulo em T; -junta em ângulo.
Junta dissimilar (dissimilar joint) -junta soldada, cuja composição química do metal de base dos componentes difere entre si significativamente.
Junta sobreposta (lap joint) -junta formada por dois componentes a soldar, de tal maneira que suas superfícies sobrepõem-se (ver. fig. 14).
Junta soldada (welded joint) -união, obtida por soldagem, de dois ou mais componentes incluindo zona fundida, zona de ligação, zona afetada termicamente e metal de base nas proximidades da solda.
Junta de tôpo (butt joint) -junta entre dois membros alinhados aproximadamente no mesmo plano (ver fig. 12).
Margem da solda (toe of weld) -junção entre a face da solda e o metal de base (ver fig.8).
Martelamento (peening) -trabalho mecânico, aplicado à zona fundida da solda por meio de impactos, destinado a controlar deformações da junta soldada.
Metal de adição (filler metal) -metal a ser adicionado à soldagem de uma junta.
Figura 12 – Juntas de topo (butt joint)
124
Figura 13 – Juntas de ângulo
Figura 14 – Juntas sobrepostas
Junta de ângulo em T Junta de ângulo em L
Junta de ângulo em quina
Junta de ângulo em T Junta de ângulo em L
Junta de ângulo em ângulo
Junta de ângulo em T Junta de ângulo em L
Junta de ângulo em T
125
Metal de base (base metal, parent metal) -metal a ser soldado, brazado ou cortado. Metal depositado (deposited metal) -metal de adição que foi depositado durante a operação de soldagem.
Metal de solda (weld metal) -porção de solda que foi fundida durante a soldagem.
Operador de soldagem (welding operator) -elemento capacitado a operar máquina ou equipamento de soldagem automática.
Passe (pass) -progressão unitária da soldagem ao longo de uma junta (ver fig. 3).
Passe estreito (stringer bead) -depósito efetuado seguindo a linha de solda, sem movimento lateral apreciável (ver fig. 5 A).
Passe oscilante (weave bead) -depósito efetuado com movimento lateral (oscilação transversal), em relação à linha de solda (ver fig. 5B).
Passe de revenimento (temper bead) -passe ou camada depositados em condições que permitam a modificação estrutural do passe ou camada anterior e de suas zonas afetadas termicamente.
Passe de solda (weld bead) -ver definição de cordão de solda.
Penetração da junta (joint penetration) -profundidade mínima da solda em juntas com chanfro ou da solda de fechamento (flange weld) medida entre a face da solda e sua extensão na junta, exclusive reforços. A penetração da junta pode incluir a penetração da raiz (ver fig. 9 e 15).
Figura 15 – Penetração da raiz, Penetração da junta
Penetração da raiz (root penetration) -profundidade com que a solda se prolonga na raiz da junta medida na linha de centro da seção transversal da raiz (ver fig. 9 e 15).
Penetração total da junta (complete joint penetration) -penetração de junta na qual o metal de solda preenche totalmente o chanfro, fundindo-se completamente ao metal de base em toda a extensão das faces do chanfro.
Perna de solda (leg of a fillet weld) -distância da raiz da junta à margem da solda em ângulo (ver fig. 10).
Poça de fusão (molten weld pool) -zona em fusão, a cada instante, durante uma soldagem, ou a porção líquida de uma solda antes de solidificar-se.
Polaridade direta (straight polarity) -tipo de ligação para soldagem com corrente contínua, onde os elétrons deslocam-se do eletrodo para a peça (a peça é considerada como pólo positivo e o eletrodo como pólo negativo).
Polaridade inversa (reverse polarity) -tipo de ligação para soldagem com corrente contínua, onde os elétrons deslocam-se da peça para o eletrodo (a peça é considerada como pólo negativo e o eletrodo como pólo positivo).
Penetração da raiz Penetração da junta (garganta efetiva)
Penetração incompleta ou parcial da junta
126
Pós-aquecimento (postheating) -aplicação de calor na junta soldada, imediatamente após a deposição da solda, com a finalidade principal de remover hidrogênio difusível.
Posição horizontal (horizontal position) -em soldas em ângulo, posição na qual a soldagem é executada entre a superfície aproximadamente horizontal e uma superfície aproximadamente vertical (ver fig. 16A); em soldas em chanfro, posição na qual o eixo da solda está num plano aproximadamente horizontal e a face da solda em um plano aproximadamente vertical (ver fig. 16B e 20).
Figura 16 – Posição de soldagem horizontal
Posição plana (flat position) -posição na qual a face da solda é aproximadamente horizontal, sendo usada para soldar a parte superior da junta (ver fig. 17 e 20).
Posição vertical (vertical position) -posição de soldagem na qual o eixo da solda é aproximadamente vertical, sendo que, para tubos, é a posição da junta na qual a soldagem é executada com o tubo na posição horizontal sendo o tubo girado ou não (ver fig. 18 e 20).
Posição sobre-cabeça (overhead position) -posição na qual executa-se a soldagem pelo lado inferior da junta (ver fig. 19 e 20).
Pré-aquecimento (preheating) -aplicação de calor no metal de base imediatamente antes da soldagem, brazagem ou corte.
Pré-aquecimento localizado (local preheating) -preaquecimento de uma porção específica de uma estrutura.
Figura 17 – Posição de soldagem plana
127
Figura 18 – Posição de soldagem vertical Procedimento de soldagem ou procedimento de soldagem da executante (welding procedure, welding procedure specification) -documento, emitido pela executante dos serviços, descrevendo todos os parâmetros e as condições da operação de soldagem.
Processo de soldagem (welding process) -processo utilizado para unir materiais pelo aquecimento destes a temperatura adequadas, com ou sem aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão apenas, e com ou sem a participação de metal de adição.
Profundidade de fusão, penetração (depth of fusion) -distância que a fusão atinge no metal de base ou no passe anterior, a partir da superfície fundida durante a soldagem.
Qualificação de procedimento (procedure qualification) -demonstração pela qual, soldas executadas por um procedimento específico, podem atingir os requisitos preestabelecidos.
Figura 19 – Posição de soldagem sobre-cabeça Qualificação de soldador (welder performance qualification) -demonstração da habilidade de um soldador em executar soldas que atendam padrões preestabelecidos.
Raiz da junta (root of joint) -porção da junta a ser soldada onde os membros estão o mais próximo possível entre si. Em seção transversal, a raiz pode ser um ponto, uma linha ou uma área. (ver fig. 21).
Raiz da solda (root of weld) -pontos nos quais a parte posterior da solda intercepta as superfícies do metal de base. (ver fig. 8A e 22).
Eixo Vertical da Solda
Chapas na Vertical Chapas na
Vertical
Chapas na Horizontal
Eixo Horizontal da Solda
128
Figura 20 – Posições de soldagem de juntas circunferenciais de tubos Reforço de solda (reinforcement of weld) -metal de solda em excesso, além do necessário para preencher a junta; excesso de metal depositado nos últimos passes (ou na última camada), podendo ser na face da solda e/ou na raiz da solda (ver fig. 8B). Registro da qualificação de procedimento (procedure qualification record) -documento, emitido pela executante dos serviços, registrando os parâmetros da operação de soldagem da chapa ou tubo de teste e os resultados de ensaios ou exames de qualificação.
Revestimento do chanfro (buttering) -revestimento com uma ou mais camadas de solda, depositado na face do chanfro, destinado principalmente a facilitar as operações subseqüentes de soldagem.
Seqüência de passes (joint buildup sequence) -ordem pela qual os passes de uma solda multi-passe são depositados com relação à seção transversal da junta. (ver fig. 3). Seqüência de soldagem (welding sequence) -ordem pela qual são executadas as soldas de um equipamento. Solda (weld) -união localizada de metais ou não-metais, produzida pelo aquecimento dos materiais a temperatura adequada, com ou sem aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão apenas, e com ou sem a participação de metal de adição.
Solda em ângulo (fillet weld) -solda de seção transversal aproximadamente triangular que une duas superfícies em ângulo (ver fig. 28, 8A, 16A, 17A, 18A e 19A).
Solda de aresta (edge weld) -solda executada numa junta de aresta. (ver fig. 28).
Solda autógena (autogenous weld) -solda de fusão sem participação de metal de adição.
Solda automática (automatic welding) -soldagem com equipamento que executa toda a operação sob observação e controle de um operador de soldagem.
Posições de soldagem, para soldas circunferenciais de tubos. As posições são indicadas por áreas hachuradas para eixos de tubo com posição variando de 0º a 90º.
Plana
Horizontal
Vertical
Sobre-cabeça
129
Figura 21 – Raiz da junta Solda em cadeia ou solda intermitente coincidente ou descontínua coincidente (chain intermittent fillet weld) -solda em ângulo composta de cordões intermitentes, (trechos de cordão igualmente espaçados) que coincidem entre si, de tal modo que a um trecho de cordão sempre se opõe ao outro. (ver fig. 24A ou figura 8B-simbologia).
Solda em chanfro (groove weld) -solda executada em uma junta com bisel previamente preparado.
130
Figura 22 – Raiz da solda
Solda de costura (seam weld) -solda contínua executada entre ou em cima de membros sobrepostos. A solda contínua pode consistir de um único passe ou de uma série de soldas por pontos. (ver fig. 23).
Figura 23 – Solda de costura
131
Solda descontínua ou solda intermitente (intermittent weld) -solda na qual a continuidade é interrompida por espaçamentos sem solda. (ver fig. 24 ou fig. 8A-Simbologia).
Solda descontínua coincidente -ver definição de solda em cadeia. Solda descontínua intercalada -ver definição de solda em escalão.
(A) Solda em cadeia ou solda intermitente coincidente ou descontínua coincidente e (B) Solda em escalão ou solda descontínua intercalada ou intermitente intercalada
Figura 24 – Solda descontínua ou solda intermitente (A e B)
Solda em escalão ou solda descontínua intercalada ou intermitente intercalada (staggered intermittent fillet weld) -solda em ângulo, usada nas juntas em T, composta de cordões intermitentes que se alternam entre si, de tal modo que a um trecho do cordão se opõe uma parte não soldada. (ver fig. 24 B ou fig. 8C-Simbologia).
Solda heterogênea -solda cuja composição química da zona fundida difere significativamente da do(s) metal(ais) de base, no que se refere aos elementos de liga.
Solda homogênea -solda, cuja composição química da zona fundida é próxima a do metal de base.
Solda por pontos (spot weld) -solda executada entre ou sobre componentes sobrepostos cuja fusão ocorre entre as superfícies em contato ou sobre a superfície externa de um dos componentes. A seção transversal da solda no plano da junta é aproximadamente circular (ver fig. 27).
Solda provisória (tack weld) -solda destinada a manter membros ou componentes adequadamente ajustados até a conclusão da soldagem.
Solda de selagem (seal weld) -qualquer solda estabelecida com a finalidade principal de impedir ou diminuir vazamentos.
Solda de tampão (plug weld/slot weld) -solda executada através de um furo circular ou não, num membro de uma junta sobreposta ou em T, unindo um membro ao outro. As paredes do furo podem ser ou não paralelas e o furo pode ser parcial ou totalmente preenchido com metal de solda. (ver fig. 25)
Figura 25 – Solda tampão
132
Solda de topo (butt weld) -solda executada em uma junta de topo.
Soldabilidade (weldability) -capacidade de um material ser soldado, sob condições de fabricação obrigatórias a uma estrutura específica adequadamente projetada, e de apresentar desempenho satisfatório em serviço.
Soldador (welder) -pessoa capacitada a executar soldagem manual e/ou semi-automática. Soldagem (welding) -processo utilizado para unir materiais por meio de solda.
Soldagem a arco (arc welding) -grupo de processos de soldagem que produz a união de metais pelo aquecimento destes por meio de um arco elétrico, com ou sem a aplicação de pressão e com ou sem o uso de metal de adição.
Soldagem automática (automatic welding) -processo no qual toda operação é executada e controlada automaticamente.
Soldagem manual (manual welding) -processo no qual toda a operação é executada e controlada manualmente.
Soldagem com passe a ré (backstep sequence) -soldagem na qual trechos do cordão de solda são executados em sentido oposto ao da progressão da soldagem, de forma que cada trecho termine no início do anterior, formando ao todo, um único cordão. (ver fig. 26)
Soldagem semi-automática (semiautomatic arc welding) -soldagem a arco com equipamento que controla somente o avanço do metal de adição. O avanço da soldagem é controlado manualmente.
Sopro magnético (arc blow) -deflexão de um arco elétrico, de seu percurso normal, devido a forças magnéticas.
Figura 26 – Soldagem com passe a ré
Figura 27 – Solda por pontos
133
Figura 28 – Solda de aresta
Taxa de deposição (deposition rate) -peso de material depositado por unidade de tempo.
Técnica de soldagem (welding technique) -detalhes de um procedimento de soldagem que são controlados pelo soldador ou operador de soldagem.
Temperatura de interpasse (interpass temperature) -em soldagem multi-passe, temperatura (mínima ou máxima como especificado) do metal de solda depositado antes do passe seguinte ter começado.
Tensão do arco (arc voltage) -tensão através do arco elétrico, na soldagem.
Tensão residual (residual stress) -tensão remanescente numa estrutura ou membro como resultado de tratamento térmico ou mecânico, ou de ambos os tratamentos. A origem da tensão na soldagem deve-se principalmente à contração do material fundido ao resfriar-se a partir da linha solidus até a temperatura ambiente.
Tensões térmicas (thermal stresses) -tensões no metal resultante de distribuição não uniforme de temperaturas.
Tratamento térmico (postweld heat treatment) -qualquer tratamento térmico subseqüente à soldagem, destinado a aliviar tensões residuais ou alterar propriedades mecânicas ou características metalúrgicas da junta soldada. Consiste de aquecimento uniforme da estrutura ou parte dela a uma temperatura adequada, seguido de esfriamento uniforme.
Velocidade de avanço -Taxa de deposição do metal depositado ao longo de uma junta durante a soldagem.
Vareta de solda (welding rod) -tipo de metal de adição utilizado para soldagem ou brazagem, o qual não conduz corrente elétrica durante o processo.
Zona afetada termicamente (heat-affected zone) -região do metal de base que não foi fundida durante a soldagem, mas cujas propriedades mecânicas e microestrutura foram alteradas devido a geração de calor (ver fig. 29).
Zona de fusão (fusion zone) -região do metal de base que sofre fusão durante a soldagem (ver fig. 7).
Zona fundida -região da junta soldada que sofre fusão durante a soldagem (ver fig. 29).
Zona de ligação -região da junta soldada que envolve a zona que sofre fusão durante a soldagem (ver fig. 29).
134
Figura 29 – Zonas de uma junta soldada
Face de Fusão
Zona de Ligação ou Interface da Solda
Zona afetada pelo calor (área hachurada)
Zona afetada pelo calor (área hachurada)
Área do metal de solda
Zona de Fusão (área escurecida)
Profundidade de Fusão
Zona de Fusão (área escurecida)
135
17. TERMINOLOGIA DE DESCONTINUIDADES Este módulo define os termos empregados na denominação de descontinuidades em juntas soldadas. Antes de abordarmos sobre descontinuidades, é conveniente que sejam definidas as três palavras seguintes:
• Indicação: evidência que requer interpretação para se determinar o seu significado. • Descontinuidades: interrupção da estrutura típica de uma peça, no que se refere à homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas. • Defeito: Descontinuidade que, por sua natureza, tipo, dimensões, localização ou efeito acumulado, torna a peça imprópria para uso por não satisfazer os requisitos mínimos de aceitação da norma ou especificação aplicável. Das definições podemos concluir que: a) as soldas não são totalmente isentas de descontinuidades, podendo apresentar-se em diferentes condições; b) um defeito é sempre rejeitável; c) uma descontinuidade só pode ser chamada de defeito quando a mesma exceder o padrão de aceitação das normas ou especificações. A seguir serão apresentadas as definições para os termos relacionados. Abertura de arco: Imperfeição local na superfície do metal de base, caracterizada por uma ligeira adição ou perda de metal, resultante da abertura do arco elétrico (Fig. 1).
Figura 1 – Abertura de Arco
Ângulo excessivo de reforço: Ângulo excessivo entre o plano da superfície do metal de base e o plano tangente ao reforço de solda, traçado a partir da margem da solda (Fig. 2).
Cavidade alongada: Vazio não arredondado com a maior dimensão paralela ao eixo da solda podendo estar localizado: (a) na solda (Fig. 3a); (b) na raiz da solda (Fig. 3b).
136
Figura 2 – Ângulo excessivo do reforço
Figura 3 – Cavidade alongada
Concavidade: Reentrância na raiz da solda podendo ser: (a)central, situada ao longo do centro do cordão (Fig. 4a); (b)lateral, situada nas laterais do cordão (Fig. 4b).
Concavidade excessiva: solda em ângulo com a face excessivamente côncava (Fig. 5).
Convexidade excessiva: solda em ângulo com a face excessivamente convexa (Fig. 6).
Deformação angular: distorção angular da junta soldada em relação à configuração de projeto (Fig. 7), exceto para junta soldada de topo (Ver embicamento).
Deposição insuficiente: Insuficiência de metal na face da solda (Fig. 8).
Desalinhamento: junta soldada de topo, cujas superfícies das peças, embora paralelas, apresentam-se desalinhadas, excedendo à configuração de projeto (Fig. 9).
Figura 4 - Concavidade
137
Figura 5 – Concavidade excessiva
Figura 6 – Convexidade excessiva
Figura 7 – Deformação angular
138
Figura 8 – Deposição insuficiente
Figura 9 - Desalinhamento
Figura 10 - Embicamento
Embicamento: Deformação angular de junta soldada de topo (Fig. 10).
Falta de fusão: fusão incompleta entre a zona fundida e o metal de base, ou entre passes da zona fundida, podendo estar localizada: (a)na zona de ligação (Fig. 11a); (b)entre os passes (Fig. 11b); (c)na raiz da solda (Fig. 11c, 11d, 11e, 11f, 11g).
Figura 11 – Falta de fusão (continua)
139
Figura 11 – Falta de fusão (continuação)
Falta de penetração: insuficiência de metal na raiz da solda (Fig. 12).
Fissura: ver termo preferencial: trinca.
Inclusão de escória: material não metálico retido na zona fundida, podendo ser: (a)alinhada (Fig. 13a e 13b); (b)isolada (Fig. 13c); (c)agrupada (Fig. 13d).
Inclusão metálica: metal estranho retido na zona fundida.
Micro-trinca: trinca com dimensões microscópicas.
Mordedura: depressão sob a forma de entalhe, no metal de base acompanhando a margem da solda (Fig. 14).
Mordedura na raiz: mordedura localizada na margem da raiz da solda (Fig. 15).
Penetração excessiva: metal da zona fundida em excesso na raiz da solda (Fig. 16).
Perfuração: furo na solda (Fig. 17a) ou penetração excessiva localizada (Fig. 17b) resultante da perfuração do banho de fusão durante a soldagem.
Figura 12 – Falta de penetração
e f
g
140
Figura 13 – Inclusão de escória
Figura 14 - Mordedura
Figura 15 – Mordedura na raiz
Figura 16 – Penetração excessiva
141
Figura 17 - Perfuração
Poro: vazio arredondado, isolado e interno à solda.
Poro superficial: poro que emerge à superfície da solda (fig. 18).
Figura 18 – Poro superficial Porosidade: conjunto de poros internos à solda ou superficiais (Fig. 19), podendo ser: • Porosidade agrupada: conjunto de poros agrupados (Fig. 20). • Porosidade alinhada: conjunto de poros dispostos em linha, segundo uma direção paralela ao eixo longitudinal da solda (Fig. 21). • Porosidade vermiforme: conjunto de poros alongados ou em forma de espinha de peixe situados na zona fundida (Fig. 22).
Figura 19 – Porosidade aleatória interna
142
Figura 20 – Porosidade agrupada (interna ou superficial)
Figura 21 - Porosidade Alinhada (interna ou superficial)
Figura 22 – Porosidade vermiforme
Rachadura: ver termo preferencial: trinca.
Rechupe de cratera: falta de metal resultante da contração da zona fundida, localizada na cratera do cordão de solda (Fig. 23).
Rechupe interdendrítico: vazio alongado situado entre dendritas da zona fundida.
Reforço excessivo: excesso de metal da zona fundida, localizado na face da solda (Fig. 24).
Respingos: glóbulos de metal de adição transferidos durante a soldagem e aderidos à superfície do metal de base ou à zona fundida já solidificada (Fig. 25).
143
Figura 23 – Rechupe de cratera
Figura 24 – Reforço excessivo
Figura 25 Sobreposição: excesso de metal da zona fundida sobreposto ao metal de base na margem da solda, sem estar fundido ao metal de base (Fig. 26).
Solda em ângulo assimétrica: solda em ângulo, cujas pernas são significativamente desiguais em desacordo com a configuração de projeto (Fig. 27).
CORTE A-A
144
Trinca: descontinuidade bidimensional produzida pela ruptura local do material.
Figura 26 - Sobreposição
Figura 27 – Solda em ângulo assimétrica Trinca de cratera: trinca localizada na cratera do cordão de solda, podendo ser: (a)longitudinal (Fig. 28a); (b)transversal (Fig. 28b); (c)em estrela (Fig. 28c).
Trinca em estrela: trinca irradiante de tamanho inferior à largura de um passe da solda considerada (ver trinca irradiante).
Trinca interlamelar: trinca em forma de degraus, situados em planos paralelos à direção de laminação, localizada no metal de base, próxima à zona fundida (Fig. 29).
Trinca irradiante: conjunto de trincas que partem de um mesmo ponto podendo estar localizada: (a) na zona fundida (Fig. 30a); (b) na zona afetada termicamente (Fig. 30b); (c) metal de base (Fig. 30c).
Trinca longitudinal: trinca com direção aproximadamente paralela ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: (a)na zona fundida (Fig. 31a); (b)na zona de ligação (Fig. 31b); (c)na zona afetada termicamente (Fig. 31c); (d)no metal de base (Fig. 31d).
Trinca na margem: trinca que se inicia na margem da solda, localizada geralmente na zona afetada termicamente (Fig. 32).
145
Figura 28 – Trinca de cratera
Figura 29 – Trinca interlamelar
Figura 30 – Trinca irradiante
146
Figura 31 – Trinca longitudinal
Trinca na raiz: trinca que se inicia na raiz da solda, podendo estar localizada: (a)na zona fundida (Fig. 33a); (b)na zona afetada termicamente (Fig. 33b).
Trinca ramificada: conjunto de trincas que partem de uma trinca podendo estar localizado: (a)na zona fundida (Fig. 34a); (b)na zona afetada termicamente (Fig. 34 b); (c)no metal de base (Fig. 34c).
Trinca sob cordão: trinca localizada na zona afetada termicamente não se estendendo à superfície da peça (Fig. 35).
Trinca transversal: trinca com direção aproximadamente perpendicular ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: (a)na zona fundida (Fig. 36a); (b)na zona afetada termicamente (Fig. 36b); (c)no metal de base (Fig. 36c).
147
Figura 32 – Trinca na margem
Figura 33 – Trinca na raiz
148
Figura 34 - Trinca ramificada
Figura 35 – Trinca sob cordão
149
Figura 36 – Trinca transversal
150
18. ANÁLISE DE DESCONTINUIDADES Conforme já abordado, há diversas possibilidades de ocorrência de descontinuidade. O inspetor deve antes de iniciar a execução do ensaio procurar saber quais os processos que foram utilizados na fabricação da peça ou componente a ser inspecionado, para, mediante uma análise global, identificar a técnica que ofereça melhor resultado na detecção das descontinuidades. Assim, deve analisar inicialmente a possibilidade das descontinuidades serem inerentes, que são as decorrentes ou originadas quando da solidificação do lingote. Em seguida, descontinuidades devido ao processo primário, que surgem no material quando é transformado de lingote em barras, chapa, arames, discos, etc. Depois é feita a análise a descontinuidade é de origem de processamento secundário como as que ocorrem nos processos de usinagem, forjamento, beneficiamento. Deve-se também lembrar que, conforme a situação, poderá requerer revisão de projeto. Naturalmente não será o inspetor que irá decidir sobre o que fazer ou como recuperar a peça se isso for possível. Apenas fizemos tais comentários para mostrar a importância e a responsabilidade que um ensaio tem como fator de qualidade e garantia de um produto. Finalmente, o ensaio deverá ser realizado sob a orientação de um procedimento escrito cujos resultados serão interpretados conforme condições, especificações e normas pré-estabelecidas. Assim procedendo, o inspetor registrará em um relatório todas as informações relativas aos métodos e técnicas utilizadas, bem como registro de todas as descontinuidades que forem detectadas. Definição e Comparação dos Ensaios
Histórico
A direção de uma fábrica, usina ou companhia, utiliza os ensaios destrutivos e não-destrutivos, para por em prática uma política de produção, de controle de custo e principalmente, a política de garantir a qualidade do seu produto em um mercado cada vez mais competitivo. Somente por meio dos ensaios não-destrutivos somos capazes de detectar descontinuidades escondidas na massa dos metais, somente por meio desses ensaios nós podemos garantir o funcionamento seguro da peça em serviço de responsabilidade.
Há cerca de 45 anos, a arte de inspecionar uma peça sem danificá-la era espécie de curiosidade de laboratório. O exame visual foi o pioneiro, e hoje tem grande importância na inspeção por Ensaios Não Destrutivos de certos tipos de equipamentos.
A necessidade de se descobrir, desenvolver e aperfeiçoar novos métodos de ensaios não-destrutivos dos metais, veio naturalmente imposta pelo progresso de todos os ramos da engenharia, pelo progresso da tecnologia que cada dia se acelera mais.
Existem vários fatores que levam a indústria moderna a utilizar os ensaios não-destrutivos, dentre estes, podemos citar três importante razões, são elas:
1ª - Para impor a confiança no produto e garantir a reputação do fabricante: A produção de cada fábrica tende a aumentar. E o aparecimento de novas fábricas também, um outro agravamento é a entrada, no Brasil, cada vez maior de produtos importados. O comprador se torna mais exigente a cada dia, e espera melhor desempenho de tudo que compra, ele tem grande participação na propaganda do produto, seja para elogiar e indicar, bem como para criticar e não recomendar, fazendo com que o produto fique desacreditado.
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2ª - Para prevenir acidentes e evitar perdas de vidas humanas ou paralização de serviços básicos: Com o passar do tempo, o avanço da tecnologia deixou nossas vidas mais dependentes de peças, componentes de máquinas e estruturas. Milhões de seres humanos dependem da integridade de peças metálicas. Basta pensar nas asas, hélices e outros componentes de uma aeronave; nos eixos dos veículos, na caldeiras, nos reatores nucleares, nos equipamentos de refinarias, etc.., que trabalham muitas vezes a altas tensões mecânicos e em altas temperaturas. A falha de peças importantes num equipamento ou estrutura em serviço, acarretariam a perda de vidas humanas ou paralisação de serviços básicos.
3ª - Aumentar os lucros da empresa, fábrica ou companhia: Antes de iniciar a produção de uma determinada peça fundida ou forjada, cujos projetos de canais de alimentação ou de matrizes, já estão prontos, é de boa técnica submeter as primeiras partidas de peças semi-acabadas aos ensaios não-destrutivos com a finalidade de verificar se o projeto e o processamento metálico utilizado, estão produzindo realmente peças isentas de defeitos, se não, as causas de possíveis defeitos são determinadas e portanto, controlada a produção dos primeiros produtos, procurando-se produzir desde o início peças isentas de defeitos, controlando o processo e diminuindo as perdas com lotes rejeitados.
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19. ENSAIOS DESTRUTIVOS (ENSAIOS MECÂNICOS) As propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes dos metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que, o projeto e a execução de estruturas metálicas são baseadas no comportamento destas propriedades. As propriedades mecânicas avaliam o comportamento de um material quando sujeito a esforços de natureza mecânica e correspondem as propriedades que, num determinado material, determinam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforços que lhe são aplicados, sem romper ou sem que produzam deformações incontroláveis. A determinação das propriedades mecânicas dos metais é obtida através de ensaios mecânicos, realizados em corpos de prova de dimensões, forma e procedimento ou especificação de ensaio, padronizados por normas brasileiras e estrangeiras. 19.1 Ensaios Mecânicos, Normas e Especificações A determinação das propriedades mecânicas de um material é feita por intermédio dos ensaios mecânicos. Estes visam não só medir as propriedades propriamente ditas, mas também comparar essas propriedades em diversos materiais, constatar a influência das condições de fabricação, tratamento e utilização dos materiais e, finalmente, determinar qual o material que mais se recomenda para uso sob determinadas condições e se o material escolhido irá satisfazer às condições exigidas quando realmente aplicado na estrutura ou na máquina inteira. 19.2 Corpo de Prova Para ter-se o resultado mais representativo, o ensaio mecânico deveria ser realizado na própria peça. Como isso não é praticável, por razões técnicas e econômicas, lança-se mão de uma amostra do material, cujas propriedades se quer medir, de forma e dimensões determinadas. A essa amostra representativa do material dá-se o nome de corpo de prova.
Orientação dos Corpos de Prova Nas especificações de materiais, para o caso de produtos laminados e forjados, são utilizados os termos “ensaio longitudinal” e “ensaio transversal”. Os termos acima se relacionam à orientação de retirada dos corpos de prova, considerando-se a direção de laminação da peça em ensaio. Corpo de Prova Longitudinal Significa que o eixo longitudinal (E.L.) do corpo de prova é paralelo à direção de laminação da amostra do material a ser ensaiado (figura 37).
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Figura 37
Corpo de Prova Transversal Significa que o eixo longitudinal do corpo de prova é ortogonal à direção de laminação da amostra do material a ser ensaiado. 19.3 Resistência à tração e Ensaio de Tração Quando se submete uma barra de metal a uma carga de tração, paulatinamente crescente, ela sofre uma deformação progressiva de extensão ou aumento de comprimento.
O ensaio de tração objetiva fornecer dados relativos à capacidade, de um sólido, de suportar solicitações quando aplicado a uma estrutura, determinando o comportamento das propriedades de resistência tais como, o limite de escoamento, o limite de resistência, etc.
A verificação das propriedades de resistência é feita através de máquinas de ensaio (figura 38) onde é fixada uma amostra, do material, denominada corpo de prova (C.P.). A máquina de ensaio aplica esforços crescentes na direção axial do corpo de prova, levando o mesmo até sua ruptura. Os esforços (cargas) são medidos na própria máquina.
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Figura 38
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PONTO 1 – Corresponde ao limite de escoamento, ou seja, durante o ensaio de tração, corresponde à carga que permanece constante ou diminui, formando um patamar no gráfico, em que ocorrem deformações permanentes no corpo de prova.
A tensão τe corresponde ao início da fase de escoamento e ao início da plasticidade do corpo de prova.
O escoamento é caracterizado praticamente por uma oscilação ou uma parada do ponteiro da máquina durante a duração do fenômeno.
PONTO 2 – Corresponde ao limite de resistência à tração ou seja, durante o ensaio de tração, corresponde à carga máxima atingida.
PONTO 3 – Após ser atingida a carga máxima (ponto 2 do diagrama), entra-se na fase de ruptura do material. Inicia-se o decréscimo visível da seção transversal do corpo de prova e a carga diminui até que se dê a sua ruptura total.
A ruptura do material é caracterizado pelo fenômeno da estricção que é a deformação localizada na seção transversal do corpo de prova.
Quanto menor for o teor de carbono do material, mais estrita se torna a seção nessa fase (figura 39).
Figura 39
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NOTA: através do ensaio de tração obtem-se valores de outras propriedades do material como Resiliência (Propriedade pela qual a energia armazenada em um corpo deformado é devolvida quando cessa a tensão causadora de uma deformação elástica.) e Tenacidade (é a capacidade de o material absorver energia na faixa plástica de deformação) por exemplo. 19.4 Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do material. Por ser um ensaio de realização muito simples, ele é largamente utilizado nas indústrias e laboratórios, constando mesmo nas especificações de todos os países, onde são exigidos requisitos de ductilidade para em certo material. O ensaio, de um modo geral, consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e seção circular, tubular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada, de acordo com o tamanho do corpo de prova, por intermédio de um cutelo, que aplica um esforço de flexão no centro do corpo de prova até que seja atingido um ângulo de dobramento especificado em um procedimento ou norma (Figura 40 e 41).
Figura 40
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Figura 41
19.5 Ensaio de Fratura O ensaio de fratura (com ou sem entalhe) é denominado em algumas normas estrangeiras por Fillet Weld Break Test, Fracture Test ou Nick Break Test e é normalmente previsto como requisito para qualificação de procedimentos de soldagem e de soldadores. O ensaio é realizado, em alguns casos, por dobramento de uma parte do corpo de prova sobre outra, de modo a tracionar a raiz da solda e, em outros casos, a solda é rompida a partir de um entalhe. 19.6 Ensaio de Dureza Dureza é uma propriedade mecânica bastante utilizada na especificação de materiais, em pesquisas metalúrgicas, mecânicas e na comparação de diversos materiais. Sua determinação é realizada por métodos apropriados e o seu valor representa o resultado da manifestação combinada de várias propriedades inerentes ao material (figura 42). Por esta razão, a sua conceituação é difícil e entre os conceitos mais conhecidos destacam-se: -Dureza é a resistência à deformação plástica permanente, e -Dureza de um metal é a resistência que ele oferece à penetração de um corpo duro.
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Figura 42
O método de determinação relacionado a este último conceito – dureza por penetração – é o mais empregado no ramo da Metalurgia e da Mecânica e normalmente citado em especificações técnicas. Para aços-carbono e aços-liga de médio teor de liga, a dureza é proporcional ao limite de resistência à tração. Na soldagem, a dureza é influenciada pela composição química do metal de base, pela composição química do metal de adição, pelos efeitos metalúrgicos do processo de soldagem, pelo grau de encruamento do metal da base e pelo tratamento térmico. Obs.: Por ser um ensaio mecânico, o ensaio de dureza acha-se incluído entre os ensaios destrutivos, porém em vários casos não é um ensaio destrutivo pois depende do método aplicado e da utilização posterior da peça ou equipamento. Os principais métodos de ensaio são os métodos Brinell, Rockwell e Vickers. O método Brinell utiliza uma esfera de aço, o Rockwell um cone de diamante com 120º de conicidade e o Vickers uma pirâmide também de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º. 19.7 Ensaio de Impacto O ensaio de impacto é um ensaio empregado no estudo da fratura frágil dos metais, caracterizada pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrer deformação apreciável (figuras 43 e 44).
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Figura 43
Figura 44
É um ensaio dinâmico usado ainda em todo mundo e consta de várias normas técnicas internacionais como ensaio obrigatório, principalmente para materiais utilizados em baixa temperatura, como teste de aceitação do material.
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O corpo de prova é padronizado e provido de um entalhe para localizar a sua ruptura e produzir um estado triaxial de tensões, quando ele é submetido à uma flexão por impacto, produzida por um martelo pendular. A energia que o corpo de prova absorve, para se deformar e romper, é medida pela diferença entre a altura atingida pelo martelo antes e após o impacto, multiplicada pelo peso do martelo. Nas máquinas em geral essa energia é lida na própria máquina através de um ponteiro que corre numa escala graduada, já convertida em unidade de energia. Pela medida da área da seção entalhada do corpo de prova, pode-se então obter a energia absorvida por unidade de área, que também é um valor útil. Quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será o comportamento do material àquela solicitação dinâmica.
O resultado do ensaio é apenas uma medida da energia absorvida na fratura de um corpo de prova não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento do metal ao choque em geral. 20. FLUÊNCIA Entretanto, à medida que a temperatura se eleva, ocorre uma deformação progressiva do material, mesmo mantida a carga constante. O fenômeno de deformação progressiva de um metal a tensão constante é chamada fluência.
Esse fenômeno é significativo em ligas de alumínio a temperatura superiores a 150ºC; nos aços só se torna importante a temperaturas acima de 350ºC.
A fluência depende do tempo e da temperatura. 21. FADIGA E LIMITE DE FADIGA Daí a definição de fadiga: é a “tendência que um material apresenta de romper, por intermédio de uma pequena fissura frágil, sob a aplicação de tensões cíclicas ou alternadas, de grandeza muito inferior à resistência nominal”. Pode-se dizer que a falha por fadiga é traiçoeira, porque ocorre sem qualquer aviso prévio. A fratura resultante é do tipo frágil e não apresenta deformação visível (figura 45).
Figura 45
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2222.. EENNSSAAIIOOSS NNÃÃOO DDEESSTTRRUUTTIIVVOOSS “São ensaios que, quando realizado sobre peças semi-acabadas e acabadas, não prejudicam, nem interferem com o uso futuro da mesma”. Tal definição, usada internacionalmente e aceita pela maioria dos profissionais que dele se utiliza, diz claramente: “ensaios que não prejudicam, ou que não afetam o funcionamento futuro da peça (no todo ou em parte)”.
Os ensaios não-destrutivos envolvem todos os métodos para a medição e detecção de propriedades, capacidade de desempenho dos materiais metálicos, partes e peças de equipamentos e estruturas, por meio de energias físicas que não danificam as mesmas.
2222..11 EEnnssaaiioo VViissuuaall O ensaio visual é o ensaio não-destrutivo básico. Todos os outros ensaios não-destrutivos devem ser executados após uma boa inspeção visual, que pode ser feito, à vista desarmada, com o auxílio de lupa ou com aparelhos ou instrumentos para inspeção remota. A norma Petrobrás N-1597, fixa as condições exigíveis para a realização do ensaio visual. Finalidades do ensaio O ensaio visual, no controle de qualidade, é utilizado antes e após qualquer operação de soldagem. Antes da soldagem a inspeção visual tem por finalidade: a) - detectar defeitos de geometria da junta, tais como:
• Ângulo do bisel • Ângulo do chanfro • Nariz do bisel • Abertura da raiz • Alinhamento das partes a serem soldadas.
b) - detectar descontinuidades no metal de base, como por exemplo: • Dupla-laminação • Segregação.
Após a operação de soldagem, o ensaio visual tem por finalidade detectar possíveis descontinuidades induzidas na soldagem. NOTA: Os termos de descontinuidades utilizados, estão definidos na norma Petrobrás N-1738 - Descontinuidades em Juntas Soldadas, Fundidos, Forjados e Laminados. Esta deve ser consultada em caso de dúvidas. Além de sua aplicação na soldagem, o ensaio se aplica, de uma maneira geral, na detecção de irregularidades superficiais de vários tipos, tais como: dobras de laminação de chapas, pontos e estados de corrosão, evidências de vazamento, acabamento de peças usinadas ou forjadas e identificação de estados de superfície. Seqüência do Ensaio Basicamente, a seqüência de cada ensaio visual se compõe de apenas duas etapas: - Preparação da superfície, quando necessário. - Inspeção pelo método visual previsto no procedimento qualificado, sempre sob iluminação adequada. Há, porém, uma seqüência correta de execução do ensaio, que normalmente é efetuado mais de uma vez ao longo de uma operação de soldagem. Desta maneira, evita-se, no início, incorreções que trariam problemas para serem corrigidos mais tarde, como por exemplo, ajustagem incorreta de juntas.
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Vantagens - O ensaio visual é o ensaio não-destrutivo de mais baixo custo. - O ensaio visual permite detectar e eliminar possíveis descontinuidades antes de se iniciar ou completar a soldagem de uma junta. - O ensaio visual detecta as descontinuidades maiores e geralmente indica pontos de prováveis descontinuidades, que devem ser inspecionados por outros ensaios não-destrutivos. - Um ensaio visual bem executado proporciona uma diminuição da quantidade de reparos de solda, uma maior produção dos outros ensaios não-destrutivos e conseqüentemente diminui o custo da obra. Limitações e Desvantagens - O ensaio visual depende grandemente da experiência e conhecimento de soldagem por parte do inspetor. O inspetor deve estar familiarizado com o projeto e os requisitos de soldagem. - O ensaio visual é limitado à detecção de defeitos superficiais. 22.2 Teste por Ponto e Teste Magnético O teste por ponto e teste magnético é um ensaio de fácil execução, é um meio rápido e seguro para identificação dos metais e ligas metálicas mais utilizados na indústria do petróleo. O reconhecimento dos metais e ligas metálicas é feito através de suas propriedades físicas e químicas. Para a execução do ensaio propriamente dito, lança-se mão do princípio físico do magnetismo, que é uma característica intrínseca dos materiais. Através do magnetismo pode-se separar os materiais em três grupos: Magnéticos, levemente magnético e Não-magnéticos. Após esta primeira separação, pode-se identificar o material de cada grupo, lançando mão agora das propriedades químicas, que são verificadas pela capacidade de reação, espontânea ou forçada, quando na presença de determinadas soluções químicas. 22.3 Teste de Estanqueidade Este teste tem como objetivo principal a detecção de defeitos passantes em soldas, como por exemplo as soldas de chapas de reforço; soldas em ângulo de juntas sobrepostas do fundo de tanques de armazenamento e soldas em ângulo de ligação fundo-costado. É utilizado também para a detecção de defeito passantes em chapas e fundidos. Um dos métodos baseia-se na aplicação de uma solução formadora de bolhas, estando cada trecho inspecionado sujeito a um vácuo parcial de no mínimo 14 kpa (0,1428kgf/cm2 ou 2psi). Forçando a passagem de ar e formando bolhas no interior da caixa de vácuo. 22.4 Líquido Penetrante O ensaio por meio de líquido penetrante é relativamente simples, rápido e de fácil execução. É utilizado na detecção de descontinuidades abertas para a superfície de materiais sólidos não porosos. A detecção das descontinuidades independe: do tamanho, orientação, configuração da descontinuidade e da estrutura interna ou composição química do material. A norma Petrobrás N-1596, fixa as condições exigíveis na realização do ensaio não-destrutivo por meio de líquido penetrante.
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Características e Tipos de Líquido Penetrante O líquido penetrante é um líquido de grande poder de penetração e alta ação capilar. Contém em solução ou suspensão pigmentos coloridos ou fluorescentes, que vão definir a sua utilização:
Tipo I - Penetrante fluorescente - É utilizado em ambientes escuros sendo visível com luz ultravioleta (luz negra).
Tipo II - Penetrante visível (não fluorescente) - É utilizado em ambientes claros, sendo visível com luz natural. Além da visibilidade, os penetrantes podem variar quanto à forma em que é removido o seu excesso. Os penetrantes, quanto à remoção do seu excesso, podem ser classificados como: A - Removível com água. B- Removível com água após emulsificação, lipofílico. C - Removível com solvente. D - Removível com água após emulsificação, hidrofílico. Características do Revelador O revelador fundamentalmente é um talco aplicado de forma seca, úmida ou líquida, que tem como função retirar o penetrante das descontinuidades e conduzi-lo para a superfície dando uma indicação colorida ou fluorescente destas descontinuidades. Seqüência do Ensaio Basicamente, o ensaio por líquido penetrante se compõe de cinco etapas:
Limpeza Inicial - A superfície a ser examinada e todas as áreas adjacentes dentro de pelo menos 25 mm devem estar secas, sem graxa, óleo, ferrugem ou sujeira, sendo que, no caso de soldas, toda a escória deve ser cuidadosamente removida.
A limpeza inicial tem como objetivo remover contaminantes, que poderiam mascarar os resultados do ensaio, das proximidades e de dentro de possíveis descontinuidades.
Aplicação do Penetrante - Após passado o tempo de evaporação do produto utilizado na limpeza inicial, aplica-se o líquido penetrante, de modo que cubra toda a área a ser examinada. Esta aplicação pode ser feita por pincel, pulverização, por aerosol ou derramamento. O penetrante, por ação capilar, migra para dentro de possível descontinuidade durante o tempo de penetração.
Remoção do Excesso do Penetrante - Após decorrido o tempo de penetração, remove-se o excesso de líquido penetrante da superfície da peça examinada, observando sempre que cada tipo de penetrante tem características e cuidados especiais de limpeza.
Aplicação do Revelador - Após decorrido o tempo de secagem do produto utilizado na remoção do excesso de penetrante, aplica-se uma fina camada de revelador na região a ser examinada.
Inspeção Final - O inspetor inspeciona visualmente a peça examinada procurando indicações de descontinuidades, tais como trincas, falta de fusão, poros, porosidade agrupada, etc..
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Vantagens - O ensaio por meio de líquido penetrante tem sensibilidade muito boa e detecta até descontinuidades muito pequenas. - A forma da peça não é um problema, pois é um método que se aplica tanto a superfícies planas quanto a superfícies curvas. - É um ensaio rápido, de fácil execução e custo relativamente baixo. - É aplicável em materiais magnéticos e não magnéticos. - Para o treinamento de operadores e inspetores se requer menor tempo que para os outros tipos de ensaios não-destrutivos. Limitações e Desvantagens - Detecta somente descontinuidades abertas para a superfície e que não estejam obstruídas. - Não proporciona registro permanente dos resultados. - O resíduo de penetrante que permanece nas descontinuidades (pois os penetrantes são de remoção muito difícil) pode ser prejudicial à peça ou solda quando em serviço. 22.5 Partículas Magnéticas O ensaio por meio de partículas magnéticas é utilizado para localizar descontinuidades superficiais e sub-superficiais em peças de material ferromagnético, tais como, as ligas de ferro e níquel. O método consiste na aplicação de uma corrente de magnetização, ou de um campo magnético à peça inspecionada, com o objetivo de se ter um campo magnético nesta. A presença de descontinuidades superficiais ou sub-superficiais irá produzir campos de fuga na região da descontinuidade, causando uma polarização localizada, que é detectada pelas partículas ferromagnéticas que são aplicadas sobre a peça (figura 46).
Figura 46
21.5.1 Técnicas de Ensaio Técnica do Yoke Existem dois tipos de Yokes; o yoke permanente e o yoke eletromagnético, sendo que a norma Petrobrás N-1598 apenas permite o uso de yoke eletromagnético de corrente alternada, pelo fato do mesmo apresentar as melhores características de detecção de descontinuidades.
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O yoke eletromagnético consiste basicamente de uma bobina enrolada em um entreferro ou núcleo em forma de “U”. O yoke induz na peça um campo magnético longitudinal, que é gerado por corrente alternada. Durante a inspeção, as descontinuidades são detectadas entre os pontos de contato do yoke, em uma direção aproximadamente perpendicular às linhas de força do campo magnético estabelecido na peça. Técnica dos Eletrodos Esta técnica consiste na injeção de corrente na peça através de dois eletrodos que são alimentados por um gerador de corrente, contínua ou retificada de meia onda. A corrente ao passar pela peça, provoca um campo magnético circular na mesma. A intensidade de corrente a ser utilizada depende da distância entre os eletrodos e da espessura da peça a ser inspecionada. Durante a inspeção as descontinuidades são detectadas entre os pontos de contato dos eletrodos, numa direção aproximadamente perpendicular às linhas de força do campo magnético estabelecido na peça. Técnica da Bobina Esta técnica consiste na indução de um campo magnético longitudinal à peça a ser inspecionada, podendo esta indução ser feita de duas maneiras: a) Enrolando-se um cabo em torno da peça, de modo que a peça funcione como o núcleo de uma bobina. b) No caso de peças pequenas, colocam-se as mesmas no interior de uma bobina. Para esta técnica pode-se utilizar as correntes contínua ou retificada de meia onda. A intensidade de campo magnético necessária, deve ser calculada tendo por base o comprimento ( L ) e o diâmetro ( D ) da peça a ser inspecionada. Durante a inspeção, as descontinuidades são detectadas simultaneamente em toda a peça, numa direção aproximadamente perpendicular às linhas de força do campo magnético gerado. Técnica do Contato Direto Esta técnica consiste na indução de um campo magnético circular à peça a ser inspecionada, pela aplicação de corrente contínua ou retificada de meia-onda pelas extremidades da peça. A intensidade de corrente de magnetização necessária, deve ser calculada tendo como base a maior dimensão, da peça, transversal a passagem da corrente. Durante a inspeção, as descontinuidades são detectadas simultaneamente em toda a peça, numa direção aproximadamente perpendicular às linhas de força do campo magnético formado.
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Partículas Ferromagnéticas As partículas ferromagnéticas indicam a existência das descontinuidades, aderindo aos locais onde existem campos de fuga. A fim de aumentar o contraste com a superfície em inspeção, as partículas podem ser: Coloridas - Visíveis sob luz normal As cores mais usuais são: • preta • cinza • vermelha • Fluorescentes - Visíveis sob luz negra Quanto ao método de aplicação as partículas se classificam em: - Partículas para via seca - Aplicam-se simplesmente o pó seco sobre a peça. - Partículas para via úmida - Aplicam-se uma suspensão em meio líquido sobre a peça a ser examinada. Os veículos mais utilizados são água e querosene. A relação líquido/partículas deve variar dentro de uma faixa pré-determinada. Seqüência do Ensaio Basicamente, a inspeção por meio de partículas magnéticas, se compõe das seguintes etapas:
Limpeza - A superfície a ser inspecionada e qualquer área adjacente dentro de pelos menos 25 mm devem estar livres de sujeira, graxa, óleo, carepa, escória, fluxo ou qualquer impureza que possa prejudicar a resolução e a sensibilidade do ensaio.
Magnetização da Peça - Escolhe-se a técnica de magnetização segundo o procedimento de inspeção qualificado, que pode ser qualquer da técnicas citadas anteriormente. Observar sempre a sobreposição especificada para as técnicas do yoke e dos eletrodos. Observar ainda que a peça seja magnetizada em duas direções diferentes, isto é, as linhas de força da primeira magnetização devem ter direções aproximadamente a 90º das da segunda magnetização, de modo a que toda descontinuidade, independente de sua orientação seja detectada.
Aplicação das Partículas - Enquanto a peça está sujeita ao campo magnético, aplica-se as partículas, por via-seca ou via-úmida, as quais são atraídas para os possíveis campos de fuga existentes na peça.
Inspeção Final - Enquanto a região inspecionada está sujeita à aplicação do campo magnético, o inspetor deve procurar indicações de descontinuidades, tais como trincas e falta de fusão. Vantagens - Detecta descontinuidades sub-superficiais. - Fornece resultados imediatos, não tendo os tempos de espera requeridos pelo ensaio por meio de líquido penetrante. Limitações e Desvantagens - O ensaio por partículas magnéticas aplica-se somente a materiais ferromagnéticos. - A inspeção de áreas com materiais de características magnéticas muito diferentes dificulta bastante a inspeção. - A geometria da peça pode dificultar e/ou tornar a inspeção não confiável, ou mesmo impossível em alguns casos.
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22.6 Ultra-som O ensaio por ultra-som usa a transmissão do som, que é uma forma de energia mecânica em forma de ondas, a freqüências acima da faixa audível. Daí o nome ultra-som. O ensaio pelo técnica pulso-eco consiste basicamente de pulsos de alta freqüência, emitidos pelo cristal, que caminham através do material. Estes pulsos refletem quando encontram uma descontinuidade ou uma superfície do material. Esta energia mecânica (som) é recebida de volta pelo cristal, que transforma o sinal mecânico em sinal elétrico, que é visto na tela do aparelho (figura 47).
Figura 47
Transdutores (Cabeçotes) Os transdutores utilizados na construção dos cabeçotes de ultra-som são os responsáveis pela transmissão de energia mecânica para a peça, e também são eles que transformam a energia mecânica recebida no sinal elétrico que é visto na tela do aparelho (Figura 48).
Figura 48
Um transdutor transforma uma tensão pulsante de alta freqüência em energia mecânica (vibracional) e vice-versa. O transdutor é um cristal especial polarizado, que muda de dimensão quando uma tensão elétrica é aplicada. Quando a tensão é aplicada, o cristal aumenta ligeiramente de espessura e quando a tensão é retirada o cristal retorna à sua espessura original. Quando o cristal é ligado a um gerador de pulsos de alta freqüência, o cristal aumenta e diminui de espessura em uníssono com os pulsos de tensão. Se o cristal for acoplado à superfície de uma peça de aço, ele vai agir como um “martelo ”ultra-sônico”.
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O som ou energia vibracional é transmitido através do aço em uma linha relativamente reta, a uma freqüência tão alta que não se pode ouvi-lo e a uma amplitude tão pequena que não se pode senti-lo. Aos cristais que se deformam em função de uma tensão elétrica aplicada e que geram uma tensão elétrica quando deformados dá-se o nome de cristais piezo-elétricos. Cabeçote Normal Compõe-se basicamente de um cristal piezo-elétrico, disposto em um plano paralelo ao plano da peça a ser examinada (Figura 49).
(Figura 49)
Cabeçote Duplo-Cristal Compõe-se basicamente de dois cristais piezoeléctrico, um agindo como emissor e outro como receptor, dispostos em um plano aproximadamente paralelo ao da peça a ser examinada ou focados num ponto situado a uma distância determinada (Figura 50).
(Figura 50)
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Cabeçote Angular Compõe-se basicamente de um cristal piezoeléctrico disposto em ângulo em relação ao plano da peça a ser examinada (Figura 51). Os cabeçotes angulares mais usuais são os de 45º, 60º, 70º, e 80º.
Figura 51
Acoplante O acoplante é qualquer substância (usualmente líquida, semilíquida ou pastosa), introduzida entre o cabeçote e a superfície da peça em inspeção com o propósito de transmitir vibrações de energia ultra-sônica entre ambos. Ele tem a finalidade de fazer com que a maior parcela possível de som seja transmitida do cabeçote à peça e vice-versa, o que não aconteceria se existisse ar entre o cabeçote e a peça. 22.6.1 Utilizações do Ensaio por Ultra-som Medição de Espessura Como o próprio nome diz, é o ensaio que visa determinar a espessura de uma peça. O ensaio é feito normalmente com o auxílio de cabeçotes duplo-cristal, após calibrado o aparelho. Esta calibração é feita em blocos padrões de dimensões padronizadas, de material similar ao da peça a ser medida. Detecção de Dupla-laminação É o ensaio feito em chapas, afim de que se detecte as duplas-laminações porventura existentes. Esta modalidade de ensaio é muito útil na orientação do plano de corte de chapas. O ensaio é feito com o auxílio de cabeçotes normais e/ou duplo-cristal, após feita a calibração da escala e a determinação da sensibilidade do exame. Inspeção de Solda É a modalidade de ensaio que visa detectar descontinuidades oriundas de operações de soldagem, tais como, falta de penetração, falta de fusão, inclusões de escória, poros, porosidades, trincas e trincas interlamelares (Figura 52).
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O ensaio é feito com o auxílio de cabeçotes normais e/ou duplo-cristal e cabeçotes angulares, depois de feita a calibração da escala e a determinação da sensibilidade do ensaio. É usual a traçagem, sobre a tela do aparelho, de curvas denominadas curvas de referência, que servem para avaliar as descontinuidades existentes. Estas curvas são traçadas, a partir de refletores padronizados, de acordo com a norma de projeto ou de construção e montagem do equipamento.
Figura 52
Vantagens - Pode se executado em materiais metálicos e não-metálicos. - Não necessita, para inspeção, do acesso por ambas as superfícies da peça. - Permite localizar e dimensionar com precisão as descontinuidades. - É um ensaio mais rápido do que radiografia. - Pode se executado em juntas de geometria complexa, como nós de estruturas tubulares. - Não requer paralização de outros serviços durante a sua execução e não requer requisitos rígidos de segurança, tais como os requeridos para o ensaio radiográfico. Limitações e Desvantagens - Não se aplica a peças cuja forma, geométrica e rugosidade superficial impeçam o perfeito acoplamento do cabeçote à peça. - O grão grosseiro de certos metais de base e de solda (particularmente ligas de níquel e aço inoxidável austenítico) podem dispersar o som e causar sinais que perturbem ou impeçam o ensaio. - O reforço da raiz, cobre-juntas e outras condições aceitáveis podem causar indicações falsas. - Peças pequenas ou pouco espessas são difíceis de inspecionar. - O equipamento de ultra-som é caro. - Os inspetores de ultra-som requerem, para sua qualificação, de maior treinamento e experiência que para os outros ensaios não-destrutivos. - A melhor detecção da descontinuidade depende da orientação do defeito na solda. - A identificação do tipo de descontinuidade requer grande treinamento e experiência, porém mesmo assim não é totalmente segura.
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22.7 Ensaio Radiográfico O ensaio radiográfico utiliza os raios X e raios γ para mostrar a presença e certas características de descontinuidades internas ao material. O método baseia-se na capacidade que os raios X e γ possuem de penetrar em sólidos. Esta capacidade depende de vários fatores, tais como comprimento de onda da radiação, tipo e espessura do material. Quanto menor for o comprimento de onda, maior é a capacidade de penetração da radiação. Parte da radiação atravessa o material e parte é absorvida. A quantidade de radiação absorvida depende da espessura do material. Onde existe um vazio ou descontinuidade há menos material para absorver a radiação. Assim, a quantidade de radiação que atravessa o material não é a mesma em todas as regiões. A radiação, após atravessar o material irá impressionar um filme, formando uma imagem do material. Este é chamado radiografia (figura 53). A norma Petrobrás N-1595 fixa as condições exigíveis na realização dos ensaios por meio de raios X e raios γ.
Figura 53
22.7.1 Fontes de Radiação Raios-X São produzidos eletricamente e são formados pela interação de elétrons de alta velocidade com a matéria. Quando elétrons de suficiente energia colidem com elétrons de um átomo pode ser gerado um raio-X característico. Cada elemento quando atingido por elétrons em alta velocidade emite o seu raio-X característico.
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Quando elétrons de suficiente energia colidem com o núcleo de átomos são gerados raios-X contínuos, que são assim chamados porque o seu espectro de energia é contínuo. As condições necessárias para a geração de raios-X são: - fonte de elétrons - alvo para ser atingido pelos elétrons (foco) - acelerador de elétrons na direção desejada. Um tubo de raios-X apresenta no seu interior todas estas condições (figura 54).
Figura 54
Raios-gama Os isópotos de alguns elementos tem seus núcleos em estado de desequilíbrio, devido ao excesso de neutrons, e tendem a evoluir espontaneamente para uma configuração mais estável, de menor energia. As transformações nucleares são sempre acompanhadas de uma emissão intensa de ondas eletromagnéticas chamadas raios-γ Os raios-γ são ondas eletromagnéticas de baixo comprimento de onda, e com as mesmas propriedades dos raios-X. Os isótopos radioativos o Cobalto 60 e o Irídio 192 são os mais utilizados na radiografia industrial. Por causa do perigo de radiação sempre presente, as fontes radioativas devem ser manejadas com muito cuidado e são necessários aparelhos que permitam guardá-las, transportá-las em condições de segurança total. Estes aparelhos consistem de uma blindagem ou carcaça protetora de chumbo, tungstênio ou urânio 238. Esta carcaça apresenta um furo axial no interior do qual existe um estojo metálico, chamado porta-isótopo, fixado a um comando mecânico flexível munido de um pequeno volante ou manivela para manobra a distância (figura 55).
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Figura 55
22.7.2 Comparação entre Raios-X e raios-gama A diferença mais importante entre os raios-X e γ é o fato de se poder regular a tensão anódica e, por conseqüência, o poder de penetração dos raios-X, ao passo que não é possível de maneira alguma fazer variar o comprimento de onda dos raios-γ. Com os raios-γ, a única solução é mudar a fonte radioativa. Prefere-se o irídio para as menores espessuras (de 10 a 60 mm para aços); e o cobalto para as espessuras maiores (de 60 a 160 mm para aços). Do ponto de vista de qualidade, os raios-X são melhores que os raios-γ. Porém, existem, a favor dos raios-γ, diversas circunstâncias nas quais eles apresentam um interesse prático. Os raios-γ são emitidos espontâneamente, não necessitando de aparelhagem ou alimentação elétrica. Em locais onde não existe energia elétrica os raios- γ devem ser usados. Para espessuras muito altas (acima de 90 mm) o poder de penetração dos raios-X não é suficiente. As instalações para uso de raios- γ são bem mais baratas que as dos raios-X. Certos casos particulares apresentam problemas de acesso e o uso de raios- γ é o indicado. Para estes casos as fontes radioativas são mais maleáveis e tornam possíveis posicionamentos corretos. Uma grande vantagem dos raios- γ é a sua emissão esférica a partir da fonte, permitindo efetuar radiografias circunferenciais em uma única exposição (exposição panorâmica).
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22.7.3 Absorção da Radiação Todos os materiais absorvem radiação, alguns mais do que outros. Os materiais mais densos e os de maior número atômico absorvem uma maior quantidade de radiação do que os materiais menos densos e os de menor número atômico (figura 56).
Figura 56
A espessura também contribui para a absorção, quanto maior a espessura maior quantidade de radiação irá absorver. 22.7.4 Filme O filme radiográfico consiste de uma fina chapa de plástico transparente, revestida de um ou ambos os lados com uma emulsão de gelatina, de aproximadamente 0,03 mm de espessura, contendo finos grãos de brometo de prata. Quando expostos aos raios-X, raios-γ ou luz visível, os cristais de brometo de prata sofrem uma reação que os tornam mais sensíveis ao processo químico (revelação), que os converte em depósitos negros de prata metálica. Em resumo, a exposição à radiação cria uma imagem latente no filme, e a revelação torna a imagem visível. Quando o Inspetor interpreta uma radiografia, ele está vendo os detalhes da imagem da peça em termos da quantidade de luz que passa através do filme revelado (figura 57). Áreas de alta densidade (expostas a grandes quantidades de radiação) aparecem cinza escuro; áreas de baixa densidade (áreas expostas a menos radiação) aparecem cinza claro. A densidade é o grau de enegrecimento do filme. A densidade é medida por meio de densitômetros de fita ou densitômetros eletrônico. A medição da densidade é feita no negatoscópio, que é o aparelho que é usado para a interpretação de radiografias. É uma caixa contendo lâmpadas, com luminosidade variável e um suporte de plástico ou vidro leitoso onde o filme é colocado.
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Figura 57
22.7.5 Indicadores de Qualidade de Imagem (PENETRÂMETROS) O penetrâmetro é um dispositivo, cuja imagem na radiografia é usada para determinar o nível de qualidade radiográfica (sensibilidade). Não é usado para julgar o tamanho das descontinuidades ou estabelecer limites de aceitação das mesmas. O penetrâmetro padrão adotado pelo código ASME (American Society of Mechanical Engineers) é um prisma retangular de metal com três furos de determinados diâmetros, e a sensibilidade radiográfica é definida em função do menor furo visível na radiografia. O penetrômetro padrão adotado pela norma DIN (Deutsche Industrie Normen) é composto de uma série de sete arames de metal e de diâmetros padronizados. A sensibilidade radiográfica é definida em função do menor arame visível na radiografia. Os penetrômetros devem sempre ser de material idêntico ou radiograficamente similar ao material radiografado (figura 58).
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Figura 58
22.7.6 Telas São utilizadas com o intuito de filtrar determinadas radiações, proteger o filme contra radiações dispersas e também atuar como intensificadoras, isto é, diminuir o tempo necessário para exposição. A tela mais usada é a tela de chumbo. 22.7.7 Processamento do Filme Existem dois tipos de processamento, o automático e o manual, sendo este último o mais utilizado na indústria do petróleo. O processamento do filme, consiste basicamente em: - Revelação - Banho de parada - Lavagem intermediária - Fixação - Lavagem final - Banho umectante - Secagem. 22.7.8 Proteção As radiações ionizantes dos tipos X ou & têm uma ação nociva sobre o organismo humano. Os efeitos dependem da quantidade de raios que o corpo recebe. Os sintomas que se observa, na ordem de doses crescentes são dores de cabeça, falta de apetite, diminuição dos glóbulos vermelhos no sangue, esterilidade, destruição de tecidos. Um excesso de radiação pode provocar a morte de uma pessoa. Para se evitar qualquer problema, deve se rigorosamente seguido o Plano de Proteção Radiológica previsto para cada caso, o qual prevê as áreas a serem isoladas e os controles a serem efetuados (contador Geiger, canetas dosimétricas, filmes dosimétricos, etc.). Desta maneira, os trabalhos podem ser desenvolvidos preservando-se a saúde dos que trabalham nos serviços de radiografia e nas imediações dos locais do exame.
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Vantagens - Registro permanente dos resultados. - Detecta facilmente defeitos volumétricos, tais como porosidades, inclusões, falta de penetração, excesso de penetração. Limitações e Desvantagens - Descontinuidades bi-dimensionais, tais como, trincas, duplas-laminações e faltas de fusão são detectadas somente se o plano delas estiver alinhado ou paralelo ao feixe de radiação. - É necessário o acesso a ambas as superfícies de uma peça para radiografá-la. - Dependendo da geometria da peça não é possível obter radiografias com qualidade aceitável, que permitam uma interpretação confiável. - A radiografia afeta a saúde dos operadores, inspetores e do público e deve por isso, ser criteriosamente utilizada. - É necessária a interrupção de trabalhos próximos para a exposição da fonte. - O custo do equipamento e material de consumo são relativamente altos. - É um ensaio relativamente demorado. - No caso de raios-X, o aparelho não é totalmente portátil, dificultando a execução de radiografias em lugares de difícil acesso. - A interpretação requer experiência e conhecimento dos processos de soldagem, para identificação correta das descontinuidades.
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23. BIBLIOGRAFIA - TECNOLOGIA MECÂNICA – Estrutura e Propriedades, Processos de Fabricação – Autor: Vicente Chiaverini – Editora MC GRAW HILL. - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO e materiais para engenheiros – Autor: Lawrence E. Doyle – Editora EDGARDE BLUCHER LTDA. - SELEÇÃO E EMPREGO DOS AÇOS – Coordenador: Fernando Cosme Rizzo Assunção – Editora ABM. - CORROSÃO – Autor: Vicente Gentil – Editora Guanabara Dois S.A. - Apostila da FBTS, Inspetor de Soldagem, Editora Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem. - METALS HANDBOOK – Nondestructive Inspection and Quality Control – Editora AMERICAN SOCIETY FOR METALS – Vol. 11. - Apostila da FBTS, Inspetor de Soldagem, Editora Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem. - Artigo técnico – Material Didático – Centro de Informação Metal Mecânica – CIMM, site:www.cimm.com.br – Agosto de 2005. - Soldagem – Coleção Tecnologia Senai, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Senai-SP, 1997.
![Notas Aula Processos Fabricacao Soldagem Bracarense[1]](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/55cf9868550346d033977182/notas-aula-processos-fabricacao-soldagem-bracarense1.jpg)
