Resumo Metalurgia da Soldagem

Resumo Metalurgia da Soldagem

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Capítulo 4

Influências Metalúrgicas no Metal Fundido

4 - INFLUÊNCIAS METALÚRGICAS NO METAL FUNDIDO A soldagem apresenta peculiaridades como:

• temperaturas elevadas,

• elevada interação do metal fundido com suas vizinhanças,

• presença de fluxos ou escórias complexas, etc.

Região I: reações na gota de metal de adição localizada na ponta do eletrodo ou no arco; Devido à sua maior temperatura e maior área específica, as interações com o ambiente ocorrem de forma mais intensa. Nesta região, podem ocorrer mais fortemente a incorporação de gases e de outros elementos ao metal fundido. Região I: reações na poça de fusão, em sua parte anterior e na região localizada sob a raiz do arco; Ocorrem principalmente a fusão do metal base e a sua mistura com o metal de adição (diluição). As reações de incorporação de gases e de outros elementos ainda ocorrem, mas de forma menos intensa. Região I: reações na poça de fusão, em sua região posterior. Caracterizada por temperaturas menores e decrescentes, ocorrem as reações de evolução de gases dissolvidos na poça, precipitação de compostos (formação de escória e de inclusões) e a solidificação do metal fundido.

4.2 - Interações Metal-Gás As interações metal-gás englobam aspectos como:

• reações entre o gás e outros elementos da poça,

• evolução de gás durante o resfriamento e a solidificação da poça e

• permanência do componente em solução na solda após a solidificação

Absorção de Gás pelo Metal Fundido: A solubilidade (Sn) de um gás diatômico (N2, O2, H2, etc.) em um metal líquido pode ser descrita pela lei de Sievert: Em linhas gerais, pode-se minimizar a absorção de gases indesejáveis pela poça de fusão por medidas como:

• utilizar gás de proteção de pureza adequada; • limpar a junta, por meios mecânicos ou químicos, para eliminar óxidos, graxas, etc.;

• na soldagem com proteção gasosa, utilizar a vazão correta de gás de proteção, juntamente com um bocal adequado e equipamento em boas condições de funcionamento;

• na soldagem com eletrodo revestido, utilizar somente eletrodos com revestimento em boas condições físicas e, quando for o caso, adequadamente secos;

Reações com componentes da poça de fusão:

• A evolução de gás pode gerar porosidade se este não escapar do metal líquido antes de sua solidificação;

• Reações que formam um produto insolúvel: Se o produto da reação possuir um ponto de fusão superior ao do próprio material da poça, Al2O3 e MgO.

• Reações que geram um produto de elevada solubilidade tendem a não dificultar a formação da poça de fusão: fragilizam a solda, absorção de oxigênio e nitrogênio.

• A porosidade pode ser prevenida pela presença, na poça de fusão, de elementos desoxidantes, isto é, com elevada afinidade pelo oxigênio.

• Elementos desoxidantes utilizados em soldagem incluem, por exemplo, o manganês e o silício, na soldagem dos aços.

Evolução de Gás durante o Resfriamento e Solidificação da Poça Esta ocorre pela formação de bolhas no metal líquido, que podem atingir a superfície ou serem aprisionadas pela frente de solidificação, gerando porosidade.

Evolução esquemática da solubilidade de um gás com a temperatura e mecanismo de formação de porosidade na solda pela evolução de gás.

O aprisionamento da bolha de gás pela frente de solidificação, ocasionando a formação da porosidade, depende da capacidade da bolha de se formar e se desprender antes que o metal solidificado a cerque. Este mecanismo é influenciado por vários fatores, como por exemplo: a velocidade de crescimento da bolha, sua facilidade de se soltar do substrato, a velocidade e a morfologia da frente de solidificação, a composição química do metal líquido, etc. Refletindo a complexidade deste problema, a incidência de porosidade em soldas apresenta alguns aspectos contraditórios. Por exemplo, soldas em aço feitas com eletrodos rutílicos ou celulósicos, que propiciam a absorção de elevados teores de hidrogênio, são relativamente imunes à porosidade. Por outro lado, soldas feitas com eletrodos básicos, que geralmente levam a menores teores absorvidos de hidrogênio, são mais sensíveis à formação de porosidade. Porosidade fina e dispersa pode ser tolerada na maioria das aplicações, pois não afeta apreciavelmente as resistências mecânica e à fadiga da solda. Contudo, porosidade densa ou grosseira pode exigir a remoção da região afetada e o seu reparo. A quantidade e o tipo de porosidade depende tanto da quantidade de gases absorvida pelo metal fundido como das condições para a evolução destes gases na poça. Por sua vez, estes fatores são afetados pelas condições de soldagem que, assim, podem influenciar fortemente o nível de porosidade em uma solda.

Permanência em Solução Sólida após a Solidificação da Poça: Alguns elementos absorvidos da atmosfera do arco podem permanecer em solução sólida no cordão de solda após a sua solidificação. É o caso, por exemplo, do hidrogênio, carbono e nitrogênio no aço. Com a redução da temperatura, a solubilidade desses elementos tende a cair fortemente, podendo ocorrer a formação de precipitados ou a sua permanência como uma solução sólida super-saturada. Em ambos os casos, a dutilidade e a tenacidade do metal de solda são, em geral, prejudicadas.

4.3 - Interações Metal-Escória Um fluxo é um material utilizado em soldagem para a formação de escória, podendo gerar ainda gases e fornecer elementos de liga ou desoxidantes para a solda. As interações entre uma escória e o metal fundido envolvem diferentes aspectos físicos e químicos. Resumidamente, um fluxo pode desempenhar algumas das seguintes funções durante a soldagem:

• Dissolver e escorificar impurezas, facilitando o contato direto entre os metais base e de adição fundidos. Na soldagem do alumínio, por exemplo, a camada superficial de óxido, cujo ponto de fusão (2050ºC) é muito superior ao do metal base (660ºC), pode se tornar uma barreira física à formação da solda. Um fluxo capaz de reagir com este óxido e formar uma escória de menor ponto de fusão pode eliminar esta barreira. A escorificação de impurezas superficiais é fundamental também na brasagem. Nesta, o uso de fluxos contendo, por exemplo, bórax e ácido bórico garante a formação, na escória, de boretos de baixo ponto de fusão capazes de dissolver impurezas superficiais. Fluoretos podem também ser adicionados para reduzir o ponto de fusão do fluxo e aumentar a sua atividade. Em muitos casos, o fluxo e sua escória devem ser cuidadosamente removidos para se evitar problemas de corrosão.

• Formar uma barreira, impedindo a contaminação do metal fundido por gases da atmosfera. Isto pode ser conseguido pela geração de gases, como resultado da queima de compostos orgânicos ou da decomposição de carbonatos, ou pelo envolvimento do metal líquido por uma camada de escória fundida. Para isto, o fluxo precisa fundir a temperaturas inferiores ao metal de solda e apresentar, na temperatura de operação, uma viscosidade suficientemente alta para ser impermeável aos gases da atmosfera, mas baixa o suficiente para permitir o seu escoamento e garantir o completo envolvimento do metal fundido. Ainda, a escória e o metal fundido devem apresentar uma boa molhabilidade.

• Fornecer elementos de liga para o ajuste da composição ou refino da poça de fusão.

Estes elementos podem estar na forma de adições (como ferro-ligas, metal puro ou carbonetos em pó) ou resultarem da decomposição de componentes do fluxo. Para ser utilizado efetivamente como desoxidante, um elemento deve ter uma elevada afinidade pelo oxigênio. Contudo, esta não deve ser excessiva para não ocorrer a oxidação prematura deste elemento antes dele atingir a parte posterior da poça de fusão. Neste sentido, na soldagem de aço, Si e Mn são preferencialmente utilizados em relação ao Al e Ti.

• Promover a escorificação (remoção) de elementos considerados nocivos à solda, particularmente, enxofre e fósforo.

• Estabilizar o arco, pela presença de elementos facilmente ionizáveis (por exemplo, o sódio e o potássio), de forma a tornar a operação mais fácil e suave e, em alguns casos, permitir a soldagem com corrente alternada.

• Facilitar a soldagem fora de posição gerando uma escória de viscosidade adequada.

4.4 - Diluição e Formação da Zona Fundida

A zona fundida é formada por contribuições do metal base e do metal de adição, que são misturados, no estado líquido, na poça de fusão. Define-se como coeficiente de diluição (δ), ou simplesmente diluição, a proporção com que o metal base participa da zona fundida. O coeficiente de diluição pode variar entre 100% (soldagem autógena) e 0% (brasagem) e o seu valor depende além do processo de soldagem, das condições de operação, da espessura de peça e do tipo de junta.

4.5 - Solidificação da poça de fusão Estrutura de solidificação de um lingote:

A região coquilhada é formada de grãos equiaxiais, relativamente finos. Esta é formada devido à baixa temperatura do molde em relação ao metal líquido, que causa neste um grande super-resfriamento. A região colunar é formada a partir de grãos do lado interno da região coquilhada que crescem preferencialmente em direção ao centro do lingote, enquanto a nucleação de novos grãos é impedida pela grande redução do super-resfriamento do metal líquido. O crescimento dos grãos ocorre no sentido oposto ao de extração de calor pelo molde. A região central é formada de grãos equiaxiais, maior concentração de solutos e impurezas.

Comparação entre as condições de solidificação em um lingote e em soldagem Embora a poça de fusão possa ser comparada, em muitos aspectos, com um lingote em miniatura, diferenças básicas entre os dois processos resultam em diferenças importantes em termos da estrutura de solidificação e, consequentemente, de propriedades.

• Na soldagem, o início da solidificação não requer a formação de núcleos sólidos.

Nesta, o metal fundido molha perfeitamente os grãos do metal base, os quais estão aquecidos a temperaturas muito próximas de seu ponto de fusão. Como consequência, uma região coquilhada não é formada.

• Na soldagem, a velocidade de solidificação pode ser algumas ordens de grandeza maior que as comumente encontradas no lingotamento. Ela depende da velocidade de soldagem e pode atingir até 103mm/s. • Os gradientes térmicos na poça de fusão são muito elevados, podendo atingir até

• O formato da interface sólido-líquido varia progressivamente com o tempo em fundição. Na soldagem, particularmente na mecanizada e sem tecimento, assim como no lingotamento contínuo, esta interface se mantém essencialmente a mesma.

Solidificação inicial da poça de fusão

• A solidificação se inicia nos pontos de largura máxima da poça de fusão (pontos A e

B). Os grãos na ZF tendem a se formar como um prolongamento dos grãos do metal base. Crescimento epitaxial.

• Os grãos da ZF localizados junto à linha de fusão são uma continuação dos grãos da ZTA

Continuidade entre os grãos da ZTA e da ZF devido ao crescimento competitivo;

Crescimento competitivo O crescimento competitivo decorre da tendência dos cristais crescerem preferencialmente, durante a solidificação, segundo certas direções cristalinas. Assim, os grãos melhor orientados em relação à direção de extração de calor tendem a crescer à frente dos demais grãos, bloqueando-os e impedindo o seu crescimento.

Crescimento compatitivo entre os grãos da ZF.

Influência da geometria da poça O formato da poça de fusão influencia diretamente a estrutura de solidificação da zona fundida e que mudanças neste formato, devido, por exemplo, a variações nos parâmetros de soldagem, podem alterar esta estrutura.

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