CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA

LABORATÓRIO DE SOLDAGEM E ASPERSÃO TÉRMICA

Professor Fábio Martins

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO VPROCESSOS DE FABRICAÇÃO V

SOLDAGEM DE LIGAS DE ALUMÍNIO

PROPRIEDADES

Físicas

Densidade: A mais conhecida das características físicas do alumínio e a mais interessante do ponto de vista da engenharia. O alumínio tem uma das menores densidades entre os metais, o que o torna competitivo com outros metais em função do baixo peso, mesmo quando outros metais apresentam melhores propriedades em base volumétrica.

Condutividade elétrica: varia de metal para metal e, para o alumínio, de liga para liga. O alumínio puro perde apenas para o cobre. Ainda assim, apesar de um condutor de alumínio necessitar Ter 1,67 vezes a área de seção transversal de um condutor equivalente de cobre, o seu peso seria apenas a metade deste. Esta propriedade tem pouca influência em soldagem a arco elétrico,

CEFET-PR

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contudo é muito importante na soldagem por resistência.

Condutividade térmica: uma das mais altas entre os metais, aproximadamente 5 vezes a do aço.

Ponto de fusão: para o alumínio puro, 660 ºC, decrescendo para ligas.

Módulo de elasticidade: Determinado pela força necessária para produzir determinada deformação elástica em um material, é definido como a razão da tensão por unidade de deformação. O módulo de elasticidade do alumínio é 3 vezes menor que o do aço.

Coeficiente de expansão linear: Medida da variação de seu comprimento com a variação da temperatura. O do alumínio é aproximadamente o dobro do aço.

Calor específico: É a medida da quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um dado material.

Calor latente de fusão: calor absorvido quando uma substância passa do estado sólido para o líquido sem acréscimo de temperatura. No alumínio o calor latente de fusão é relativamente pequeno comparado a outros fatores e seu efeito sobre a soldagem por fusão é normalmente desconsiderado.

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Químicas

A principal característica química do alumínio e

suas ligas é a resistência à corrosão pelo meio

ambiente, devido à presença de uma camada

superficial de óxido de alumínio (Al2O3). Esta

camada é originada pela oxidação do alumínio

metálico, e sua espessura no início de sua formação

é cerca de 15 Å, mas a taxa de crescimento da

camada decresce rapidamente, de modo que a

espessura final normal da camada de óxido fica

entre 25 a 50 Å. Embora esta camada seja

extremamente fina, ela é suficiente para proteger e

isolar o metal dos mais diversos meios corrosivos.

Esta resistência à corrosão pode ser aumentada por

meio da anodização, que é um crescimento artificial,

por meios eletroquímicos, da camada de óxido.

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A camada de óxido é tenaz, aderente, impermeável e

funde por volta de 2052 ºC, o que impossibilita a

soldagem por fusão a arco sem a retirada da camada.

A camada superficial de óxido possui ainda outras

características, tais como elevada dureza, isolação

térmica e elétrica e irregularidade superficial, o que

faz com que a camada retenha umidade e

contaminantes. Por estas características, a camada

superficial de óxido é indesejável para o

estabelecimento do arco elétrico, devendo ser

removido para a realização da soldagem.

A retirada da camada superficial de óxido pode

ser feita por 3 maneiras distintas: retirada mecânica,

ataque químico ou ataque catódico. A mais simples

é a retirada mecânica por meio de escovação ou

esmerilhamento, momentos antes da soldagem. Este

método, apesar de reduzir a camada de óxido e

permitir o estabelecimento do arco de soldagem, não

a elimina totalmente, pois ela se forma

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continuamente em função do contato do alumínio

com o ar, com poucos segundos de contato, o que

faz com que este método tenha pouca durabilidade.

Outra maneira de se retirar a camada de óxido é a

limpeza química do material, que pode ser feita pela

aplicação de bases e ácidos alternadamente, a

temperaturas variadas, intercaladas por lavagens

com água. Este método é mais duradouro que a

retirada mecânica, porém mais demorado e caro. Os

dois primeiros métodos implicam em procedimentos

de preparação da junta antes da soldagem,

consumindo tempo para estas operações e

aumentando o custo final do processo. O terceiro

método consiste do estabelecimento de um arco

elétrico, que pode ser o próprio arco de soldagem,

entre a peça e um eletrodo, com o fluxo de corrente

elétrica atuando no sentido peça-eletrodo,

arrancando a camada superficial de óxido.

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Mecânicas

O alumínio puro é um metal que apresenta

resistência mecânica relativamente baixa e

dutilidade elevada. No entanto, por meio da adição

de elementos de liga a sua resistência pode ser

substancialmente aumentada, mantendo ainda a

dutilidade em níveis aceitáveis. Como a maioria dos

metais, o alumínio perde resistência com o aumento

da temperatura, e, a baixas temperaturas, a

resistência mecânica aumenta sem perda de

dutilidade.

Outras propriedades

Antimagnético, para a maioria dos fins práticos.

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Antifagulhante, característica fundamental em

ambientes explosivos ou inflamáveis.

Refletividade, podendo chegar a 90%, atuando em

largo espectro de comprimentos de onda, passando

pelo espectro visível, infravermelho, calor e até

ondas de rádio e radar. Devido a esta característica,

o alumínio é largamente aplicado em luminárias e

refletores de luz e calor (espelhos de grandes

telescópios, por exemplo). O alumínio pode ser

utilizado como blindagem térmica quando a sua

propagação se dá por radiação.

Soldabilidade

Para se obter melhor compreensão dos efeitos das

propriedades físicas do material, compara-se o

alumínio e suas ligas com o aço.

A condutividade térmica exerce grande influência na

soldabilidade, sendo quase 5 vezes maior no

alumínio do que no aço. Isto significa que é

necessário um fornecimento de energia cerca de 5 7

vezes superior ao do aço, para que uma mesma

massa de alumínio atinja a mesma temperatura

localmente.

Na prática, significa a necessidade de fontes de calor

de maiores intensidades para que a soldagem seja

bem sucedida.

Em uma primeira análise, devido ao ponto de fusão

do alumínio ser inferior ao do aço (660 ºC contra

1350 ºC), pode parecer que o calor requerido para a

soldagem do alumínio é menor do que o requerido

para a soldagem do aço. Entretanto, a alta

condutividade térmica do alumínio compensa estas

diferenças entre as temperaturas de fusão, e, de fato,

o alumínio necessita de pelo menos tanto calor, ou

mais provavelmente, mais calor do que o aço para

ser soldado.

A alta condutividade térmica, o alto coeficiente de expansão linear e a necessidade de maior energia podem causar consideráveis distorções, se não se utilizar altas velocidades de soldagem. Outra característica digna de nota é a rápida solidificação

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da poça de fusão, devida à elevada condutividade térmica.

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Propriedades físicas aproximadas de vários materiais

Propriedade Alumínio Cobre Bronze 63/35 Aço Inox 304 Magnésio

Densidade [Kg/m3] 2700 8925 8430 7800 7880 1740

Condutividade elétrica [% IACS] 62 100 27 10 2 38

Condutividade térmica a 25 ºC [W/mºC] 222 394 117 46 21 159

Coeficiente de expansão linear [1/ºC] 23,6 x 10-6 16,5 x 10-6 20,3 x 10-6 12,6 x 10-6 16,2 x 10-6 25,8 x 10-6

Calor específico médio 0 – 100 ºC [J/Kg ºC] 940 376 368 496 490 1022

Calor latente de fusão [KJ/Kg] 388 212 272 372

Ponto de fusão [ºC] 660 1083 930 1350 1426 651

Módulo de elasticidade [MPa] 69 x 103 110 x 103 103 x 103 200 x 103 200 x 103 45 x 103

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CLASSIFICAÇÃO

As ligas de alumínio são classificadas de acordo

com o sistema proposto pela Aluminum Association

em 1969, que mais tarde, em 1972, foi adotado pela

American National Standards Institute como norma,

sob o código ANSI H35.1-1972. No Brasil, a norma

que trata da classificação das ligas de alumínio

recebeu o código NBR 6834. De acordo com este

sistema, as ligas de alumínio são divididas em dois

grupos básicos, ligas trabalháveis e fundidas,

conforme ilustra a figura 1:

Figura 1: Classificação das ligas de alumínio.

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Como pode ser visto na figura 1, os dois grupos

básicos se subdividem em ligas tratáveis e não

tratáveis termicamente. Ligas trabalháveis são

aquelas cuja forma final do material é obtida através

do processamento de um produto semi-acabado.

Este processamento pode ser, por exemplo,

laminação, extrusão, forjamento, etc. Ligas fundidas

são aquelas obtidas pelo vazamento do metal líquido

em um molde, sem processamentos posteriores que

alterem a forma da peça. Ligas tratáveis

termicamente são aquelas cujas propriedades

mecânicas apresentam sensível melhora pela ação de

tratamentos térmicos, quando se verifica o fenômeno

da solubilização e precipitação de elementos de liga,

conhecido também como envelhecimento. As ligas

não tratáveis termicamente não apresentam melhora

significativa em suas propriedades mecânicas pela

ação de tratamentos térmicos.

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Este aperfeiçoamento de propriedades é

conseguido pela deformação à frio, pelo

encruamento do material, ou, em outras palavras,

pelo empilhamento de discordâncias de sua rede

cristalina sobre obstáculos tais como contornos de

grão. Quanto maior for este acúmulo de

discordâncias mais tensionada estará a estrutura

cristalina e maior será a resistência do metal à novas

deformações.

O encruamento do metal tende a diminuir ou

mesmo desaparecer com o aquecimento do material,

ou seja, ligas não tratáveis termicamente tem suas

propriedades mecânicas deterioradas quando

submetidas à soldagem, conforme ilustra a figura 2,

onde pode-se ver, de maneira esquemática, a seção

transversal de uma solda com suas respectivas

regiões, a ZF, ou zona fundida, a ZAC, ou zona

afetada pelo calor, e o MB, ou metal base. Ainda na

mesma figura é mostrado esquematicamente a

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variação de temperatura em função da região do

metal, e como as propriedades mecânicas de um

material encruado variam em função do aporte de

calor. A resistência média do material é mostrada na

zona fundida para soldagem com adição de material,

onde, pela ação de elementos de liga consegue-se

uma maior resistência do material, e sem adição de

material, situação em que a resistência média do

material sofrerá queda bastante apreciável. O mesmo

não se verifica quando se solda uma liga não tratável

termicamente que não tenha sofrido encruamento.

Neste caso não se verificarão grandes variações nas

propriedades mecânicas entre o metal base, a ZF e a

ZAC.

As propriedades mecânicas de uma liga de

alumínio não tratável termicamente podem ser

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recuperadas por trabalho a frio posterior à soldagem,

desde que a geometria da junta assim o permita.

As ligas trabalháveis, ao contrário das fundidas,

podem ser utilizadas com propósitos estruturais,

uma vez que podem ser produzidas na forma de

chapas ou perfis, motivo pelo qual tem maior uso na

indústria.

Figura 2- Variações de microestrutura e

propriedades mecânicas devido a soldagem em ligas

de alumínio não-tratáveis termicamente.

O sistema de classificação das ligas trabalháveis

utiliza um código alfanumérico conforme o modelo:

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XXXX-LXXXX

onde,

X= número

L= letra

Os primeiros quatro números determinam a

composição química da liga, enquanto que o

segundo grupo de números, juntamente com a letra,

está relacionado com as propriedades mecânicas da

liga em questão. Na tabela 1 estão listados os grupos

de ligas normalizados em função de seu principal

elemento de liga.

Tabela 1 - Classificação das ligas trabalháveis de

alumínio em função do principal elemento de liga.

LIGA PRINCIPAL ELEMENTO DE LIGA

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1XXX Alumínio não ligado, com no mínimo

99,00% de pureza

2XXX Cobre

3XXX Manganês

4XXX Silício

5XXX Magnésio

6XXX Magnésio e Silício

7XXX Zinco

8XXX Outros elementos

9XXX Série não utilizada

Como se pode ver na tabela 1, o primeiro

número está relacionado com o principal elemento

de liga presente. Os dois últimos números

identificam a liga ou, no caso do alumínio puro,

indicam o grau de pureza. O segundo dígito indica

modificações na liga original ou nos limites de

impurezas. Assim, o alumínio designado como

1050, por exemplo, indica que o alumínio não é

ligado e que tem 99,50% de pureza.

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Além dos códigos apresentados na tabela 1, as

ligas de alumínio são designadas por um código de

têmpera, sendo que este termo, para a nomenclatura

das ligas de alumínio, tem o significado de

modificação das propriedades do material, a quente

ou a frio. A designação de têmpera tem os seguintes

códigos:

F- Como fabricado

O- Recozido

H- Encruado

W- Solubilizado

T- Tratado termicamente

O código H refere-se apenas às ligas não-

tratáveis termicamente e pode ser subdividido em:

H1- Apenas encruada

H2- Encruada e recozida parcialmente

H3- Encruada e estabilizada

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Pode-se ainda seguir o código H com mais um

número, variável de 0 a 9, para indicar o grau de

encruamento.

O código T também pode ser subdividido em 10

subcódigos, variando de T1 a T10, indicando a

seqüência de tratamentos a que o material foi

submetido. Este código pode ainda ser seguido por

dois algarismos para indicar uma alteração

significativa nas características do material.

A série 5000, entre as ligas não tratáveis

termicamente, é a que alcança as melhores

propriedades mecânicas, sendo que, das quatro ligas

de alumínio mais utilizadas em todo o mundo, três

são desta série. A liga 5052, que está incluída neste

grupo, é utilizada na indústria marítima e como

material estrutural na forma de chapas. Em sua

composição química o teor de magnésio está por

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volta de 2,5%, o que, como veremos a seguir, torna

esta liga bastante suscetível à trinca de solidificação.

METALURGIA DA SOLDAGEM

- Principais problemas

Fissuração a quente

- Trinca de solidificação

- Trinca de liquação

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Porosidade

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Fontes de hidrogênio

Metal de adição

Metal base

Gás de proteção

Compostos hidrogenados: umidade,

hidrocarbonetos, etc.

Hidrogênio é dissociado, convertido em H atômico e

forçado para o interior da poça por ação de forças

eletromagnéticas.

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Questões Propostas

1. Discorra sobre o potencial do alumínio como material de engenharia.

2. Por que a soldagem do alumínio é considerada problemática?

3. Quais são os cuidados que devem ser tomados antes de se realizar a soldagem de

uma liga de alumínio por um processo a arco elétrico para que esta operação possa

ser realizada com sucesso?

4. Quais são os fatores que afetam a ocorrência da fissuração à quente na soldagem de

ligas de alumínio? É possível evitar este problema? Como?

5. Explique as consequências do ciclo térmico da soldagem para as propriedades

mecânicas de uma liga de alumínio tratável termicamente.

6. Explique as consequências do ciclo térmico da soldagem para as propriedades

mecânicas de uma liga de alumínio não tratável termicamente.

7. Como ocorre a porosidade em soldagem de ligas de alumínio?

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