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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Departamento de Engenharia Metalúrgica

Soldagem I Introdução aos Processos de Soldagem

Prof. Paulo J. Modenesi Prof. Paulo Villani Marques

Belo Horizonte, novembro de 2000

Processos de Soldagem - 1

1 - Métodos de União dos Metais02
2 - Definição de Soldagem02
3 - Pequeno Histórico da Soldagem03
4 - Formação de uma junta soldada05
5 - Processos de Soldagem09
5.1 - Processos de Soldagem por Fusão09
5.2 - Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação)10
6. Processos de Soldagem Por Fusão10
6.1 - Soldagem com Eletrodos Revestidos10
6.2 - Soldagem GTAW15
6.3 - Soldagem GMAW18
6.4 - Soldagem com Arames Tubulares21
6.5 - Soldagem ao Arco Submerso2
6.6 - Soldagem a Plasma24
6.7 - Soldagem de Pinos26
6.8 - Soldagem por Eletro-escória27
6.9 - Soldagem Oxi-gás28
6.10 - Soldagem com Feixe de Elétrons30
6.1 - Soldagem a Laser31
7 - Processos de Soldagem por Deformação3
7.1 - Soldagem por Resistência3
7.2 - Soldagem por Centelhamento36
7.3 - Soldagem por Alta-frequência38
7.4 - Soldagem por Fricção39
7.5 - Soldagem por Difusão39
7.6 - Soldagem por Explosão40
7.7 - Soldagem por Laminação41
7.8 - Soldagem a Frio42
7.9 - Soldagem por Ultra-som42
8 - Processos de Brasagem42
9 - Processos de Corte Térmico45
9.1 - Corte a Oxigênio46
9.2 - Corte a Plasma48
9.3 - Corte a Laser49
10 - Processos de Aspersão Térmica49

SUMÁRIO 1 - Bibliografia Complementar ........................................................................ 51

Processos de Soldagem - 2

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE SOLDAGEM 1 - Métodos de União dos Metais

Os métodos de união de metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto é, aqueles baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas (interatômicas ou intermoleculares). No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite, mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo caso, a união é conseguida pela aproximação dos átomos e moléculas das partes a serem unidas, ou destas e um material intermediário, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem.

2 - Definição de Soldagem

Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo SOLDAGEM. Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados com os de soldagem são utilizados para o corte ou para o recobrimento de peças. Diversos aspectos dessas operações de recobrimento e corte são similares à soldagem e, por isso, muitos aspectos destes processos são abordados juntamente com esta.

Algumas definições de soldagem são:

• "Processo de junção de metais por fusão". (Deve-se ressaltar que não só metais são soldáveis e que é possível soldar metais sem fusão).

• "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças , assegurando, na junta soldada, a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas".

Processos de Soldagem - 3

• "Operação que visa obter a coalescência localizada produzida pelo aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição." (Definição a adotada pela AWS - American Welding Society).

• “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento, na região de contato entre os materiais sendo unidos, de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais.”

3 - Pequeno Histórico da Soldagem

Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cerca de 100 anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas deste épocas remotas. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 AC.

O ferro, cuja fabricação se iniciou em torno de 1500 AC, substituiu o cobre e o bronze na confecção de diversos artefatos. O ferro era produzido por redução diretaa e conformado por martelamento na forma de blocos com um peso de poucos quilogramas. Quando peças maiores eram necessárias, os blocos eram soldados por forjamento, isto é, o material era aquecido ao rubro, colocava-se areia entre as peças para escorificar impurezas e martelava-se até a soldagem. Como um exemplo da utilização deste processo, cita-se um pilar de cerca de sete metros de altura e mais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Delhi (Índia).

A soldagem foi usada, na antiguidade e na idade média, para a fabricação de armas e outros instrumentos cortantes. Como o ferro obtido por redução direta tem um teor de carbono muito baixo (inferior a 0,1%), este não pode ser endurecido por têmpera. Por outro lado, o aço, com um teor maior de carbono, era um material escasso e de alto custo, sendo fabricado pela cementação de tiras finas de ferro. Assim, ferramentas eram fabricadas com ferro e com tiras de aço soldadas nos locais de corte e endurecidas por têmpera. Espadas de elevada resistência mecânica e tenacidade foram fabricadas no oriente médio utilizando-se um processo a Neste processo o minério de ferro era misturado com carvão em brasa e soprado. Desta forma, o óxido de ferro era reduzido pelo carbono, produzindo-se ferro metálico sem a fusão do material.

Processos de Soldagem - 4 semelhante, no qual tiras alternadas de aço e ferro eram soldadas entre si e deformadas por compressão e torção. O resultado era uma lâmina com uma fina alternância de regiões de alto e baixo teor de carbono.

Assim, a soldagem foi, durante este período, um processo importante na tecnologia metalúrgica, principalmente, devido a dois fatores: (1) a escassez e o alto custo do aço e (2) o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por redução direta.

Esta importância começou a diminuir, nos séculos XII e XIII, com o desenvolvimento de tecnologia para a obtenção, no estado líquido, de grandes quantidades de ferro fundido com a utilização da energia gerada em rodas d'água e, nos séculos XIV e XV, com o desenvolvimento do alto forno. Com isto, a fundição tornou-se um processo importante de fabricação, enquanto a soldagem por forjamento foi substituída por outros processos de união, particularmente a rebitagem e parafusagem, mais adequados para união das peças produzidas.

A soldagem permaneceu como um processo secundário de fabricação até o século XIX, quando a sua tecnologia começou a mudar radicalmente, principalmente, a partir das experiências de Sir Humphrey Davy (1801-1806) com o arco elétrico, da descoberta da acetileno por Edmund Davy e do desenvolvimento de fontes produtoras de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de soldagem por fusão. Ao mesmo tempo, o início da frabricaçào e utilização de aço na forma de chapas tornou necessário o desenvolvimento de novos processos de união para a fabricação de equipamentos e estruturas.

A primeira patente de um processo de soldagem, obtida na Inglaterra por Nikolas Bernados e Stanislav Olszewsky em 1885, foi baseada em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada (figura 1).

Por volta de 1890, N. G. Slavianoff, na Rússia, e Charles Coffin, nos Estados Unidos, desenvolveram independentemente a soldagem a arco com eletrodo metálico nu. Até o final do século XIX, os processos de soldagem por resistência, por aluminotermia e a gás foram

Processos de Soldagem - 5 desenvolvidos. Em 1907, Oscar Kjellberg (Suécia) patenteia o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Em sua forma original, este revestimento era constituído de uma camada de cal, cuja função era unicamente estabilizar o arco. Desenvolvimentos posteriores tornaram este processo o mais utilizado no mundo.

Figura 1- Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carvão de acordo com a patente de Bernados.

Nesta nova fase, a soldagem teve inicialmente pouca utilização, estando restrita principalmente à execução de reparos de emergência até a eclosão da 1ª grande guerra, quando a soldagem passou a ser utilizada mais intensamente como um processo de fabricação.

Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem têm alguma utilização industrial e a soldagem é o mais importante método para a união permanente de metais. Esta importância é ainda mais evidenciada pela presença de processos de soldagem e afins nas mais diferentes atividades industriais e pela influência que a necessidade de uma boa soldabilidade tem no desenvolvimento de novos tipos de aços e outras ligas metálicas.

4 - Formação de uma Junta Soldada

De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0, na qual a energia do sistema é mínima, como mostra a figura 2.

Processos de Soldagem - 6

Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tendendo a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situação não se mantém, pois os átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto um maior nível de energia do que os átomos no seu interior. Esta energia pode se reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação de uma ligação permanente, uma solda entre as peças seria formada, como ilustrado na figura 3. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo.

Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas, exceto em condições muito especiais. A explicação para isto está na existência de obstáculos que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordem de r0. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos:

• As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e sub-microscópica (figura 4).

Mesmo uma superfície com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atômicas. Isto impede uma aproximação efetiva das superfícies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o número de ligações formadas é insuficiente para garantir qualquer resistência para a junta.

Distância n e r g i a

Figura 2 - Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles.

Processos de Soldagem - 7

Solda

Figura 3 - Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças.

200 camadas atômicas ou

500 ângstrons

Figura 4 - Representação esquemática da superfície metálica limpa.

• As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxidos, umidade, gordura, poeira, etc, o que impede um contato real entre as superfícies, prevenindo a formação da solda. Estas camadas se formam rapidamente e resultam exatamente da existência de ligações químicas incompletas na superfície.

Dois métodos principais são utilizados para superar estes obstáculos, os quais originam os dois grandes grupos de processos de soldagem. O primeiro consiste em deformar as superfícies de contato permitindo a aproximação dos átomos a distâncias da ordem de r0 (figura 5). As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitar a deformação das superfícies de contato.

Processos de Soldagem - 8

Óxidos Pressão

Pressão Figura 5 - Soldagem por pressão ou deformação.

O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região de união até a sua fusão e do metal de adição (quando este é utilizado), destruindo as superfícies de contato e produzindo a união pela solidificação do metal fundido (figura 6).

Desta forma, uma forma de classificação dos processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos de soldagem por fusão.

Metal de AdiçãoCalor Metal de base

(a)(b)

Solda

Figura 6 – (a) Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) Macrografia de uma junta.

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5 - Processos de Soldagem

5.1 - Processos de Soldagem por Fusão

Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em sub-grupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. Dentre estes, os processos de soldagem a arco (fonte de energia: arco elétrico) são os de maior importância industrial na atualidade. Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações. A tabela 1 mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características principais.

Tabela 1Processos de soldagem por fusão.

Soldagem por eletro-escória

Aquecimento por resistência da escória líquida

Contínua ou alternada

EscóriaAutomática/Mecanizada. Junta na vertical. Arame alimentado mecanicamente na poça de fusão. Não existe arco

Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, espessura ≥ 50 m. Soldagem de peças de grande espessura, eixos, etc.

Soldagem ao Arco Submerso

Arco elétricoContínua ou alternada. Eletrodo +

Escória e gases gerados

Automática/mecaniz. ou semiautomática. O arco arde sob uma camada de fluxo granular

Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. Espessura ≥ 10 m. Posição plana ou horizontal de peças estruturais, tanques, vasos de pressão, etc.

Soldagem com Eletrodos Revestidos

Arco elétricoContínua ou alternada. Eletrodo + ou -

Escória e gases gerados

Manual. Vareta metálica recoberta por camada de fluxo

Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro, metais preciosos, reativos e de baixo ponto de fusão. Usado na soldagem em geral.

Soldagem com Arame Tubular

Arco elétrico Contínua.

Eletrodo +

Escória e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO

O fluxo está contido dentro de um arame tubular de pequeno diâmetro. Automático ou semiautomático

Soldagem de aços carbono com espessura ≥ 1 m. Soldagem de chapas

Soldagem MIG/MAG

Arco elétrico Contínua.

Eletrodo +

Argônio ou Hélio, Argônio + O, Argônio + CO, CO

Automática/mecaniz. ou semiautomática. O arame é sólido Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, não ferrosos, com espessura ≥ 1 m. Soldagem de tubos, chapas, etc. Qualquer posição

Soldagem a Plasma

Arco elétrico Contínua.

Eletrodo -

Argônio, Hélio ou Argônio + Hidrogênio

Manual ou automática. O arame é adicionado separadamente. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arco é constrito por um bocal

Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espessura de até 1,5 m. Passes de raiz

Soldagem TIGArco elétricoContínua ou alternada. Eletrodo -

Argônio, Hélio ou misturas destes

Manual ou automática. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arame é adicionado separadamente.

Soldagem de todos os metais, exceto Zn, Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 m. Soldagem de não ferrosos e aços inox. Passe de raiz de soldas em tubulações

Soldagem por Feixe Eletrônico

Feixe eletrônico

Contínua. Alta Tensão. Peça +

Vácuo (»10mm Hg)Soldagem automática. Não há transferência de metal. Feixe de elétrons focalizado em um pequeno ponto.

Soldagem de todos os metais, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização excessiva, a partir de 25 m de espessura. Indústria nuclear e aeroespacial.

Soldagem a Laser

Feixe de luzArgônio ou HélioComo acimaComo acima. Corte de materiais não metálicos

Soldagem aGás

Chama oxiacetilênica

Gás (CO, H, CO, H O)

Manual. Arame adicionado separadamente

Soldagem manual de aço carbono, Cu, Al, Zn, Pb e bronze. Soldagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro

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