Processos de SoldaProcessos de Solda

PROF. ENG. HEINER NERI

UNIP – UNIVERSIDADES PAULISTAS

Edição 2011- 2° semestreEngenharia Mecânica / Mecatrônica

SoldagemSoldagemA soldagem é considerada como um método de união,

porém, muitos processos de soldagem ou variações destessão usados para a deposição de material sobre umasuperfície.

DefiniçõesOperação que visa obter a união de duas ou maisOperação que visa obter a união de duas ou mais

peças , que visa obter a coalescência localizadaproduzida pelo aquecimento até uma temperaturaadequada;

Processo de união de materiais baseado noestabelecimento, na região de contato entre os materiaissendo unidos de forças de ligação química de naturezasimilar as atuantes no interior do próprio material

TiposTipos dede fontesfontes nana soldagemsoldagem porpor fusãofusão

TiposTipos dede fontesfontes nana soldasolda porpor pressãopressão

CaracterísticasCaracterísticas

Apesar das falhas não ocorrem em grande númeroe a sua freqüência ser bastante baixa do ponto de vistaestatístico, a ocorrência das mesmas abriu um novocampo de investigação relacionado aos aspectos físicose metalúrgicos envolvidos na analise de uma falha.e metalúrgicos envolvidos na analise de uma falha.

Terminologia da SoldagemTerminologia da Soldagem

Solda Elétrica Solda Elétrica –– Eletrodo revestidoEletrodo revestido

Usa vareta de soldacom revestimentoque se vaporiza,protegendo asoldagem. (ex.: Cosoldagem. (ex.: Co2,

Argônio)

Solda MIG / MAGSolda MIG / MAG

� Solda com gás Inerte:utiliza um eletrodoconsumível, e um gásque circundaeletrodo durante aeletrodo durante asoldagem, o gás servepara a proteção doarco

Solda TIGSolda TIG

Utiliza um eletrodonão consumível, a solda écolocada na região desoldagem manualmente,na forma de uma vareta,na forma de uma vareta,usa Hélio ou Argônioque envolve o eletrodo,da mesma forma da MIG,o gás serve para aproteção do arco

Solda por arco submersoSolda por arco submersoPrincipalmente utilizadoem superfícies planas, ummaterial granular édepositado na frente dasolda e cobre a região aser soldada. O eletrodoconsumível é protegidoconsumível é protegidopor um filme que écriado pelo materialgranular aquecido,permite soldagem dequalidade superiorquando comparada aosprocessos descritosanteriormente.

Soldagem por resistênciaSoldagem por resistência

Baseia-se na passagemde corrente elétricapelas superfícies emcontato, essa correnteaquece as superfíciesaquece as superfíciescausando a soldagem,o efeito é maior como aumento da pressãoexterna entre assuperfícies.

Soldagem por aquecimentoSoldagem por aquecimento

A soldagem pode sertambém outroprocesso que aqueçaas superfícies queserão soldadas, esseserão soldadas, esseaquecimento pode serpor gás, laser, plasma,feixe elétrons, feixe deprótons, tendo porconseqüência a uniãopermanente.

Soldagem Soldagem -- PlasmaPlasmaO termo plasma - quarto estado

da matéria - designa um gássuficientemente aquecido a ponto de setornar ionizado, isto é, constituído deíons e elétrons livres, porém emequilíbrio. Neste estado o gás deixa deser isolante e passa a conduzir corrente

elétrica.

Os processos de soldagem a arco elétrico seutilizam justamente desta baixa resistividadepara transferir uma alta intensidade depara transferir uma alta intensidade decorrente (um arco elétrico) para as peças detrabalho, gerando calor e elevando atemperatura nas mesmas, possibilitando, assim,a fusão e, conseqüentemente, a coalescênciade metais. Se esse plasma é obrigado a passaratravés de um orifício, torna-se um jatoconstrito, de altíssima velocidade (alta energiacinética) e concentrado (energia térmicaconcentrada). Este arco, que tem funções quevão além da térmica como nos processosconvencionais a arco, é normalmentedenominado arco-plasma.

Solda Solda -- LaserLaserSoldagem a laser (em

inglês: Laser beam welding- LBW) é uma técnica desoldagem utilizada paraunir várias peças de metalpor meio do uso de umfeixe de laser. O feixefornece uma fonte de calorfeixe de laser. O feixefornece uma fonte de calorconcentrada, permitindo,soldas profundas e altastaxas de soldagem. Oprocesso éfrequentemente usadoprodução de larga escala,como na indústriaautomotiva.

Princípios consumíveis de SoldagemPrincípios consumíveis de SoldagemO termo consumíveis é aplicado aos produtos que são

consumidos durante a execução de uma soldagem. Porexemplo, na soldagem manual com eletrodos revestidos é oeletrodo empregado, e na soldagem por arco submerso sãoo arame e o fluxo. Na soldagem com gás de proteção inclui ogás de proteção — argônio, hélio, dióxido de carbono oumisturas de gases — bem como o arame. Também se incluembocais, peças de reserva e a energia elétrica empregada nabocais, peças de reserva e a energia elétrica empregada nasoldagem. Entretanto, usualmente o termo fica restrito aositens controladores ou influentes nas propriedadesmecânicas e na qualidade metalúrgica da junta soldada.

Uma função primária dos consumíveis é proteger ometal fundido e aquecido no arco e na poça de fusão daatmosfera, cujo perigo provém do nitrogênio e do oxigênioque reagem com o metal fundido.

Poça de Fusão e Poça de Fusão e DiluíçãoDiluíçãoSeria ideal se o metal de solda propriamente dito e a zona

afetada pelo calor tivessem exatamente as mesmas propriedades ecaracterísticas que as do metal de base. Entretanto, isso não épossível, porque o metal de solda é fundido, enquanto que amaioria dos metais de base é utilizada no estado forjado ou nolaminado.

Materiais conformados sempre apresentam maior resistência,ductilidade e tenacidade que os materiais comparáveis no estadoductilidade e tenacidade que os materiais comparáveis no estadofundido. O metal de solda é, no entanto, uma miniatura de umfundido que é rapidamente resfriado, e suas propriedadesfreqüentemente se assemelham às de um material conformado.Essa é particularmente a situação com metais ferrosos, porém acombinação de propriedades é menos satisfatória em alguns metaisnão ferrosos como ligas de alumínio e de cobre.

Por causa das forças eletromagnéticas do arco, a poça defusão movimenta-se internamente em modelos variados de fluxodependendo do tipo de junta, da corrente de soldagem e do ânguloque a tocha ou o eletrodo faz com a linha da solda.

Aporte TérmicoAporte Térmico

A maioria dos processos de soldagem por fusão écaracterizada pela utilização de uma fonte de calor intensa elocalizada. Esta energia concentrada pode gerar em pequenasregiões temperaturas elevadas, altos gradientes térmicos, variaçõesbruscas de temperatura e, conseqüentemente, extensas variaçõesde microestrutura e propriedades em um pequeno volume dede microestrutura e propriedades em um pequeno volume dematerial. Na soldagem a arco elétrico o aporte térmico (heat input)é definido como o calor cedido à junta soldada por unidade decomprimento e é calculado pela equação:

Ciclo térmico de SoldagemCiclo térmico de Soldagem

A variação da temperatura em diferentes pontos da peçadurante a soldagem pode ser estimada na forma de uma curvadenominada ciclo térmico de soldagem. Os pontos mais próximos dajunta sofrerão uma variação de temperatura devido à passagem dafonte de calor.

Ciclo térmico de SoldagemCiclo térmico de SoldagemEsta curva apresenta os seguintes pontos importantes:

� temperatura de pico (Tp), que é a temperatura máxima atingida noponto. Tp diminui com a distância ao centro da solda e indica aextensão das regiões afetadas pelo calor de soldagem;

� temperatura crítica (Tc), que é a emperatura mínima para ocorreruma alteração relevante como uma transformação de fase, poruma alteração relevante como uma transformação de fase, porexemplo;

� tempo de permanência acima de uma temperatura crítica (tp), queé o tempo em que o ponto fica submetido a temperaturassuperiores a uma temperatura crítica;

� velocidade de resfriamento, que é definida pela variação datemperatura sob a área de resfriamento percorrida.

Repartição térmicaRepartição térmicaOs ciclos térmicos de soldagem e a repartição térmica

são principalmente dependentes dos seguintes parâmetros:� tipo de metal de base, relativamente a sua condutividade

térmica, pois quanto maior a condutividade térmica do metal,maior sua velocidade de resfriamento;

� geometria da junta (uma junta em T possui três direçõespara o escoamento de calor, enquanto uma junta de topopara o escoamento de calor, enquanto uma junta de topopossui apenas duas, por isso juntas em T resfriam-se maisrapidamente que juntas de topo para as mesmas condiçõesde soldagem;

� a espessura da junta aumenta com a velocidade deresfriamento até uma espessura limite; acima desse limite, avelocidade de resfriamento independe da espessura;

� a velocidade de resfriamento diminui com o aumento doaporte térmico e da temperatura inicial da peça econseqüentemente a repartição térmica torna-se mais larga.

A estrutura do metal de soldaA estrutura do metal de soldaEm cordões de solda de aços carbono e

carbono-manganês os grãos colunares sãocircundados pela ferrita e freqüentementeexistem plaquetas de ferrita crescendo a partirdos contornos de grão. Esse tipo demicroestrutura apresenta baixa tenacidade, e sefor necessário modificá-la o método usual é omicroestrutura apresenta baixa tenacidade, e sefor necessário modificá-la o método usual é otratamento térmico de normalização.

Entretanto, numa soldagem multipasses cadacordão de solda é tratado termicamente pelocordão subseqüente. O metal que é aquecidoacima da faixa de temperatura de transformaçãorecristaliza-se em grãos equiaxiais de menortamanho.

A estrutura do metal de soldaA estrutura do metal de solda

Sempre que a tenacidade for importante, como em estruturasque precisam manter sua integridade a baixas temperaturas deserviço, deve ser evitada a técnica de soldagem de largos cordõestrançados, dando-se preferência à técnica de cordões filetados.

Com aços temperáveis, aquecimento e resfriamento rápidospodem criar uma camada dura de martensita ao lado do cordão desolda. Um cuidadoso planejamento da seqüência dos passes finaispode reduzir a dureza do metal depositado.

Defeitos do metal solda Defeitos do metal solda ––Trincas de solidificaçãoTrincas de solidificação

A maioria dos aços pode ser soldada com um metal de soldade composição similar à do metal de base. Muitos aços com altoteor de liga e a maioria das ligas não ferrosas requerem eletrodosou metal de adição diferentes do metal de base porque possuemuma faixa de temperatura de solidificação maior do que outrasligas.

Isso torna essas ligas suscetíveis à fissuração de solidificaçãoou a quente, que pode ser evitada mediante a escolha deou a quente, que pode ser evitada mediante a escolha deconsumíveis especiais que proporcionam a adição de elementosque reduzem a faixa de temperatura de solidificação. A fissuração aquente também é fortemente influenciada pela direção desolidificação dos grãos na solda (veja a Figura abaixo).

Quando grãos de lados opostos crescem juntos numa formacolunar, impurezas e constituintes de baixo ponto de fusão podemser empurrados na frente de solidificação para formar uma linhafraca no centro da solda.

Defeitos do metal solda Defeitos do metal solda ––Trincas induzidas por hidrogênioTrincas induzidas por hidrogênio

Esse modo de fissuração acontece a temperaturaspróximas da ambiente, sendo mais comumente observada nazona termicamente afetada.

O hidrogênio é introduzido na poça de fusão através daumidade ou do hidrogênio contidos nos compostos dosfluxos ou nas superfícies dos arames ou do metal de base,resultando em que a poça de fusão e o cordão de solda jásolidificado tornam-se um reservatório de hidrogênioresultando em que a poça de fusão e o cordão de solda jásolidificado tornam-se um reservatório de hidrogêniodissolvido.

Numa poça de fusão de aço o hidrogênio se difunde docordão de solda para as regiões adjacentes da zonatermicamente afetada que foram reaquecidas suficientementepara formar austenita.

À medida que a solda se resfria a austenita setransforma e dificulta a difusão posterior do hidrogênio.

Defeitos do metal solda Defeitos do metal solda –– PorosidadePorosidade

A porosidade pode ocorrer de três modos. Primeiro,como resultado de reações químicas na poça de fusão, isto é,se uma poça de fusão de aço for inadequadamentedesoxidada, os óxidos de ferro poderão reagir com ocarbono presente para liberar monóxido de carbono (CO).

A porosidade pode ocorrer no início do cordão desolda na soldagem manual com eletrodo revestido porquenesse ponto a proteção não é totalmente efetiva. Segundo,solda na soldagem manual com eletrodo revestido porquenesse ponto a proteção não é totalmente efetiva. Segundo,pela expulsão de gás de solução à medida que a soldasolidifica, como acontece na soldagem de ligas de alumínioquando o hidrogênio originado da umidade é absorvido pelapoça e mais tarde liberado.

Terceiro, pelo aprisionamento de gases na base de poçasde fusão turbulentas na soldagem com gás de proteção, ou ogás evoluído durante a soldagem do outro lado de uma juntaem "T" numa chapa com tinta de fundo.

Defeitos do metal solda Defeitos do metal solda –– InclusõesInclusões

Com processos que utilizam fluxo é possível que algumaspartículas desse fluxo sejam deixadas para trás, formando inclusõesno cordão de solda. É mais provável de as inclusões ocorrerementre passes subseqüentes ou entre o metal de solda e o chanfrodo metal de base. A causa mais comum é a limpeza inadequadaentre passes agravada por uma técnica de soldagem ruim, comcordões de soldas em concordância entre si ou com o metal debase.base.

Assim como na porosidade, inclusões isoladas não são muitodanosas às propriedades mecânicas, porém inclusões alinhadas emcertas posições críticas como, por exemplo, na direção transversalà tensão aplicada, podem iniciar o processo de fratura.

Inclusões de óxidos podem ser encontradas em soldas comgás de proteção onde o gás foi inadequadamente escolhido ouinclusões de tungstênio na soldagem GTAW (TIG) com correntesmuito altas para o diâmetro do eletrodo de tungstênio ou quando estetoca a peça de trabalho.

Defeitos do metal solda Defeitos do metal solda -- CCrateraratera

Já foi mencionado que a granulação no metal de solda égeralmente colunar. Esses grãos tendem a crescer a partirdos grãos presentes nos contornos de fusão e crescemafastando-se da interface entre o metal líquido e o metal debase na direção oposta ao escoamento de calor.

Um ponto fundido estacionário teria naturalmente umcontorno aproximado no formato circular, porém omovimento da fonte de calor produz um contorno em formacontorno aproximado no formato circular, porém omovimento da fonte de calor produz um contorno em formade lágrima com a cauda na direção oposta ao movimento.

Quanto maior for a velocidade de soldagem, maisalongado será o formato da cauda. Se a fonte de calor forrepentinamente removida, a poça fundida solidifica com umvazio que é denominado cratera. A cratera está sujeita aconter trincas de solidificação na forma de estrela.

ZTA ZTA –– Zona termicamente afetadaZona termicamente afetadaNenhuma solda por fusão pode ser realizada sem acumular

um gradiente térmico no metal de base. A difusão de calor para ometal de base é fortemente influenciada pela temperatura da poçade fusão e pela velocidade de soldagem. Soldagem com altapotência e alta velocidade reduz o gradiente térmico.

Essa região desenvolve grãos grosseiros (região de crescimentode grão) porém um pouco mais além, onde a temperatura não foi tãoalta, entrando na faixa acima da temperatura de transformação masalta, entrando na faixa acima da temperatura de transformação masnão atingindo a região austenítica, o tamanho de grão é menor(região de refino de grão).

Raramente a condição de soldagem é tão simples, porque osmetais de base são freqüentemente imperfeitos quandoobservados detalhadamente, sendo também possível para a poça defusão introduzir hidrogênio na zona termicamente afetada.

Esta é, portanto, uma região potencial de defeitos e seucomportamento em um material qualquer é um aspectoimportante da consideração de soldabilidade.

Fissuração na ZTA Fissuração na ZTA –– por hidrogêniopor hidrogênioEsse tipo de fissuração pode ocorrer nos aços e resulta

da presença de hidrogênio numa microestrutura temperada suscetível à fissuração como a martensita, aliada à tensão aplicada. Normalmente pouco pode ser feito sobre a tensão, embora seja conhecido que juntas com aberturas excessivas sejam mais suscetíveis à fissuração. As medidas práticas para evitar a fissuração dependem de reduzir o hidrogênio na poça de fusão e evitar uma ZTA endurecida.poça de fusão e evitar uma ZTA endurecida.

Para qualquer aço a dureza atingida na ZTA depende diretamente da taxa de resfriamento e quanto maior a taxa de resfriamento mais facilmente a estrutura pode trincar. Um importante fator influenciando a taxa de resfriamento é a massa de material sendo soldada: quanto maior a espessura da junta, maior a velocidade de resfriamento.

Fissuração na ZTA Fissuração na ZTA –– por hidrogêniopor hidrogênioO controle da microestrutura é alcançado principalmente de duas

maneiras.1. escolhendo um aço que tenha uma temperabilidade adequada. A

temperabilidade de um aço é determinada por seu teor de carbono e deoutros elementos de liga como manganês, cromo, molibdênio e vanádio,existindo várias equações para estimar o carbono equivalente a partir dacomposição química de um aço.

2. a microestrutura pode ser controlada reduzindo-se a taxa deresfriamento que, para qualquer tipo de junta, pode ser conseguido deresfriamento que, para qualquer tipo de junta, pode ser conseguido deduas maneiras:

� elevando o aporte térmico pelo aumento do tamanho do cordão de soldae/ou reduzindo a velocidade de soldagem. Em termos de soldagem ao arcoelétrico, isso significa empregar eletrodos de diâmetro maior; ou

� empregando pré-aquecimento. A fissuração induzida por hidrogênioocorre apenas a temperaturas em torno da temperatura ambiente, demodo que, se for realizado um pós-aquecimento (manutenção datemperatura após a soldagem) por um tempo dependente da espessura doaço, haverá a difusão do hidrogênio para fora da região da solda antes quea fissuração possa acontecer.

DecoesãoDecoesão LamelarLamelarEsse defeito ocorre em chapas grossas como resultado de

imperfeições no metal de base acentuadas pelas deformações de soldageme projeto de junta inadequado. Chapas de aço são provavelmente afetadasdevido as suas pobres propriedades ao longo da espessura provenientes deregiões finas de inclusões não metálicas dispostas em camadas paralelas àsuperfície.

Essas são abertas pelas deformações de soldagem, formam trincaspróximas à ZTA e se propagam na forma de degraus. A condição éagravada pela presença de até mesmo pequenas quantidades de hidrogênio.agravada pela presença de até mesmo pequenas quantidades de hidrogênio.Se existir a suspeita de que o aço possa ser suscetível à decoesão lamelar,as juntas devem ser projetadas para evitar ao máximo a contração queocorre na direção da espessura, isto é, evitando juntas cruciformes oucordões espessos e empregando eletrodos básicos adequadamenteressecados.

Almofadar para proteger áreas sensíveis é útil antes da soldadefinitiva ou durante a própria soldagem que seria, na realidade, umaseqüência de passes controlada. É melhor, contudo, estimar o risco dedecoesão lamelar antes que a solda comece e, se necessário, pedir a chapade aço com propriedades apropriadas na direção da espessura.

DecoesãoDecoesão LamelarLamelar

Princípios de:(a) almofadamento e (b) almofadamento durante a própria soldagem para reduzir o risco de decoesão lamelar

Trincas de reaquecimentoTrincas de reaquecimentoEsse fenômeno pode acontecer em alguns aços

de baixa liga nos contornos de grão, normalmente naregião de granulação grosseira da ZTA, após a soldater entrado em serviço a altas temperaturas ou tersido tratada termicamente.

As causas reais para esse fenômeno sãocomplexas e não estão completamente entendidas,complexas e não estão completamente entendidas,mas o mecanismo pode envolver endurecimento nointerior dos grãos pelos formadores de carbonetoscomo cromo, molibdênio e vanádio, concentrando adeformação nos contornos de grão que, secontiverem impurezas como enxofre, fósforo, estanho,antimônio e arsênio, poderá haver colapso nessasregiões.

Fissuração por corrosão sob tensãoFissuração por corrosão sob tensão

É uma forma de fissuração que pode ocorrerem muitos materiais e está usualmente associadaà presença de um meio corrosivo como, porexemplo, sulfeto de hidrogênio (H2S), podendoatacar a região endurecida da ZTA em tubulaçõesde aço. Por isso é especificada muitas vezes umade aço. Por isso é especificada muitas vezes umadureza máxima.

Precauções gerais contra a corrosão sobtensão incluem a seleção cuidadosa do metal debase e de um tratamento pós-soldagem adequadopara reduzir as tensões e colocar a ZTA em suacondição microestrutural mais adequada.

Trincas de Trincas de LiquaçãoLiquação

Outros possíveis defeitos na ZTAincluem trincas de liquação causadas pelafusão de constituintes de baixo ponto defusão presentes nos contornos de grão,fusão presentes nos contornos de grão,resultando em microtrincas que podemposteriormente formar sítios depropagação de trincas maiores.