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Centro Universitário do Leste de Minas de Gerais

UNILESTEMG

Coronel Fabriciano - MG

TECNOLOGIA MECÂNICA

METALURGIA DA SOLDAGEM

SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS

ENGENHARIA DE MATERIAIS

PROF. REGINALDO PINTO BARBOSA

Março de 2007

Sumário

Centro Universitário do Leste de Minas de Gerais 1

UNILESTEMG 1

TECNOLOGIA MECÂNICA 1

METALURGIA DA SOLDAGEM 1

SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS 1

1. INTRODUÇÃO 5

1.1. Conceito de Soldagem 5

1.2. A Importância da Soldagem 6

1.3. Efeitos da Soldagem nos Aços 6

1.4. Classificação dos Processos de Soldagem 7

1.5. O Engenheiro de Soldagem 9

1.6. Seleção dos Processos de Soldagem 10

1.7. As Propriedades dos Aços e a Soldagem 10

1.8. O Arco Elétrico 11

1.8.1. Perfil Elétrico 12

1.8.2. Efeitos Magnéticos 14

1.9. Tipos de Juntas e Chanfros 15

1.10. Exercícios Propostos 18

2. METALURGIA DA SOLDAGEM 19

2.1. Macroestrutura de uma Junta Soldada 19

Figura 1 – Macrografia de uma junta soldada 20

2.2. Fluxo Térmico na Soldagem 24

2.3. Ciclos Térmicos de Soldagem 26

2.4. Velocidade de Resfriamento e Temperaturas Máximas 29

2.5. Diagrama de IRSID 33

2.6. Tratamentos Térmicos 35

2.7. Exercícios Propostos 38

3. PROCESSOS DE SOLDAGEM 41

3.1. Processo Eletrodo Revestido 41

3.2. Processo de Soldagem TIG 45

3.3. Processo MIG/MAG 49

3.4. Soldagem por Resistência Elétrica 56

3.5. Exercícios Propostos 59

4. Soldagem dos Aços Carbono e Ligados (1) 62

4.1. Soldabilidade 62

4.2. Classificação dos Aços 63

4.3. Soldagem dos Aços Carbono e de Baixa Liga 65

4.3.1. Aços de Baixo Carbono e Aços Doces 66

4.3.2. Aços de Médio Carbono 66

4.3.3. Aços de Alto Carbono 67

4.3.4. Aços de Baixo Liga 67

4.3.5. Procedimentos de Soldagem 69

4.4. Soldagem dos Aços Ligados 70

4.5. Exercícios Propostos 73

5. SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS 74

5.1- Aços Inoxidáveis Martensíticos 74

5.1.1 – Microestrutura da Região Soldada 75

5.1.2 – Procedimento de Soldagem 76

5.1.3 – Tratamento Térmico Pós Soldagem 76

5.2. Aços Inoxidáveis Ferríticos 77

5.2.1 - Microestrutura da Região de Solda 78

5.2.2 - Procedimentos de Soldagem 79

5.3 – Aços Inoxidáveis Austeníticos 80

5.3.1 - Microestrutura da Zona Fundida 82

5.3.2 - Procedimentos de Soldagem 82

5.3.3. Tratamento Térmico após a Soldagem 83

5.4 – Problemas na Soldagem dos Aços Inoxidáveis 84

5.4.1 - Trincas a Frio em Aços Martensíticos (Fragilização por Hidrogênio) 84

5.4.2 – Trincas a Quente em Aços Austeníticos 85

5.4.3. Formação de Fase Sigma 86

5.4.4. Fragilização à 475C 87

5.4.5. Fragilização pelo Crescimento de Grão 87

5.4.6. Corrosão Intergranular 88

5.4.7. Corrosão sob Tensão 90

5.4.8. Outros Tipos de Corrosão 91

5.5. Escolha do Metal de Adição 91

5.5.1. Diagrama de Schaeffler 92

5.6. Exercícios Propostos 99

6. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS E METAIS NÃO FERROSOS 100

6.1. Soldagem de Ferros Fundidos 100

6.2. Soldagem de Metais Não Ferrosos 102

6.2.1. Alumínio e suas Ligas 102

6.2.2. Cobre e suas Ligas 105

6.3. Exercícios Propostos 106

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 107

1. INTRODUÇÃO

1.1. Conceito de Soldagem

Classicamente a soldagem é considerada como um processo de união, porém, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais.

Usualmente costuma-se definir soldagem como "processo de união de metais por fusão", entretanto deve-se ressaltar que não apenas os metais são soldáveis e que é possível se soldar sem fusão. Para efeito de nosso estudo, vamos utilizar duas definições de soldagem propostas na literatura:

  • "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas". (Dutra & Quites)

  • "Processo de união de materiais usados para obter a coalescência localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem utilização de pressão e/ou material de adição". (American Welding Society - AWS)

Durante a soldagem dos diversos materiais, a temperatura do metal adjacente à solda atinge valores nos quais transformações microestruturais podem ocorrer. A ocorrência destas mudanças e o seu efeito sobre a junta soldada - em termos de resistência à corrosão e propriedades mecânicas - depende do teor de elementos de liga, espessura da chapa, metal de adição usado, configuração da junta, método de soldagem utilizado e habilidade do soldador. Apesar destas transformações microestruturais, o principal objetivo da soldagem é produzir uma solda com qualidade igual ou superior àquela do metal de base.

O processo de soldagem teve seu grande impulso durante a II Guerra Mundial, devido à fabricação de navios e aviões soldados. A evolução dos processos de soldagem ocorreu ao longo do tempo. Segundo Houldcroft, cada processo de soldagem deve preencher os seguintes requisitos:

* Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais, similares ou não.

* Remover as contaminações das superfícies a serem unidas.

* Evitar que o ar atmosférico contamine a região durante a soldagem.

* Propiciar o controle da transformação de fase, para que a solda alcance as propriedades desejadas, sejam elas físicas, químicas ou mecânicas.

1.2. A Importância da Soldagem

A soldagem é um dos mais importantes e versáteis meios de fabricação disponíveis na indústria. A soldagem é usada para unir centenas de diferentes ligas comerciais em muitas diferentes formas. Aços carbono, ligados e aços inoxidáveis, bem como numerosas ligas não ferrosas tais como o alumínio, níquel e cobre, e metais como o titânio, nióbio, molibdênio e zircônio são extensivamente soldados. Muitos metais resistentes às altas temperaturas e superligados são transformados em componentes úteis pela soldagem. Metais numa larga faixa de espessura, desde poucos milímetros até materiais espessos são soldados. Realmente, muitos produtos não podem ser fabricados sem a utilização da soldagem, como por exemplo, produtos da usina nuclear, vasos de pressão e equipamentos da indústria química, etc..

A soldagem é de grande importância econômica devido ser uma das ferramentas disponíveis mais importante para o engenheiro em seu esforço para reduzir custos de produção e fabricação. A maior liberdade de projeto também é possível pelo uso da soldagem; o que é uma grande vantagem deste processo de fabricação.

1.3. Efeitos da Soldagem nos Aços

A grande maioria dos aços usados na soldagem consistem de aço carbono baixo carbono (C  0,30%). A fração restante consiste de aços carbono alto carbono e aços ligados.

A experiência prática tem mostrado que estas ligas não podem ser soldadas com o mesmo grau de dificuldade. Por exemplo, aços carbono com menos de 0,15% de carbono podem ser facilmente soldados por quase todos os processos resultando soldas de boa qualidade. Aços com conteúdo de carbono entre 0,15 a 0,30% podem ser totalmente soldados em espessuras até 12,7 mm. A soldagem de seções mais espessas poderá ou não necessitar de cuidados especiais. A soldagem de aços de alta resistência requer consideração especial, de forma que o calor de soldagem não prejudique a sua microestrutura temperada e revenida.

A razão pela qual todos os aços não podem ser soldados sem o uso de materiais especiais ou operações suplementares é que os mesmos são mais facilmente alterados pelo calor de soldagem do que outros. A aplicação do calor produz uma alteração estrutural, efeitos térmicos e mecânicos no metal a ser soldado ou em qualquer outro que venha a ser parte integrante da união. È suficiente dizer que os efeitos incluem expansão e contração, mudanças metalúrgicas (tais como, crescimento de grão) e alterações composicionais. No componente soldado, estes fatos podem aparecer de duas maneiras:

  1. A presença de trincas no metal base e no metal de solda bem como porosidade ou inclusões no metal de solda.

  2. Mudanças nas propriedades do metal base tais como resistência, ductilidade, tenacidade e resistência à corrosão.

Estes efeitos da soldagem podem ser minimizados ou eliminados através de mudanças nos métodos e práticas envolvidos na soldagem.

1.4. Classificação dos Processos de Soldagem

Uma peça metálica pode ser considerada como sendo formada por um grande número de átomos ligados aos seus vizinhos, estabelecendo um arranjo espacial característico. Cada átomo está distante do outro numa extensão r0 onde a energia do sistema é mínima, não tendendo a ligar-se a qualquer outro.

Na superfície, o número de vizinhos é menor implicando em energia maior que o átomo do interior. Uma união é possível se houver uma diminuição desta energia, como por exemplo, através da aproximação a distâncias bem pequenas (da ordem de r0) de duas peças metálicas. É o que acontece quando se coloca em contato dois blocos de gelo.

No caso de duas peças metálicas isto não ocorre, exceto em raras situações, devido a:

  • As superfícies metálicas apresentam grande rugosidade em escala atômica;

  • As superfícies metálicas estão cobertas por camadas de óxidos, umidade, graxa, poeira, etc., impedindo a ligação metal/metal.

Os dois modos de superar estes obstáculos deram origem aos dois grandes grupos de processos de soldagem. De acordo com a natureza da união os mesmos podem ser divididos em dois grandes grupos a saber: soldagem por fusão e soldagem por pressão.

A soldagem por pressão consiste na aplicação de pressões elevadas que deformam a superfície dos materiais, diminuindo a rugosidade da superfície e, consequentemente, a distância média entre as mesmas. São processos de aplicação mais ou menos restritas. Dentre estes podemos citar:

* Resistência Elétrica com junta overlap (sobreposição): por pontos e por costura.

* Resistência Elétrica com junta de topo: por centelhamento e por resistência pura.

* Por Indução

* Por Atrito

Na soldagem por fusão, a energia é aplicada com a intenção de produzir calor capaz de fundir o material, produzindo a ligação das superfícies na solidificação. Inclui a maioria dos processos mais utilizados atualmente, podendo ser subclassificado em:

* Soldagem a chama: oxi-acetilênica e ar-acetileno.

* Soldagem a arco encoberto com fio contínuo ou com fita contínua.

* Soldagem a arco descoberto com eletrodo autoprotetor: eletrodo revestido (protetor externo) ou eletrodo tubular (protetor interno).

* Soldagem a arco descoberto com eletrodo imerso em atmosfera gasosa: com fio contínuo (MIG/MAG) ou com eletrodo permanente (TIG).

Os processos de soldagem também podem ser classificados de acordo com o tipo de fonte de energia. As fontes de energia empregadas nos processos de soldagem são mecânica, química, elétrica e radiante.

  1. Fonte mecânica – O calor é gerado por atrito ou por ondas de choque, ou por deformação plástica do material.

  2. Fonte química – O calor é gerado por reações químicas exotérmicas como, por exemplo, a queima de um combustível (chama) ou a reação de oxidação do alumínio.

  3. Fonte elétrica – O calor é gerado ou pela passagem de corrente elétrica ou com a formação de um arco elétrico. No primeiro caso, o aquecimento é realizado por efeito joule, enquanto no segundo é através do potencial de ionização, corrente e outros parâmetros de soldagem.

  4. Fonte radiante – O calor é gerado por radiação eletromagnética (laser) ou por um feixe de elétrons acelerados através de um potencial.

1.5. O Engenheiro de Soldagem

O engenheiro de soldagem pode ser considerado em quatros campos da engenharia, a saber:

  1. O projeto de máquinas, estruturas e equipamentos;

  2. As propriedades dos materiais disponíveis;

  3. Os processos, procedimentos e equipamentos da indústria de soldagem;

  4. Inspeção para manter a qualidade e sanidade das juntas soldadas até um nível definido e apropriado para o serviço.

Ele é chamado para decidir sobre problemas pertinentes a estes campos. Por exemplo, ele deve responder perguntas tais como:

- O projeto é adequado para o serviço requerido?

- O material é adequado para o serviço requerido?

- O processo de soldagem, os procedimentos e o equipamento de soldagem são adequados?

Quando discute estas questões, o engenheiro de soldagem freqüentemente refere-se à característica do material denominada "soldabilidade". O que significa soldabilidade? Este termo não tem um significado aceitável universalmente e a sua interpretação varia largamente de acordo com o ponto de vista de cada um. A AWS define soldabilidade como "a capacidade do metal ser soldado sob condições de fabricação impostas para uma estrutura específica e adequada e para satisfazer plenamente o serviço requerido".

Deve ser entendido, primeiramente, que a adequação de uma estrutura soldada para uma condição específica de serviço depende dos seguintes fatores:

  1. o projeto da estrutura, incluindo as juntas soldadas,

  2. as características e propriedades do material base,

  3. as propriedades e características das soldas e do material na região adjacente ao cordão de solda.

1.6. Seleção dos Processos de Soldagem

As estruturas de aços baixo carbono e não ligados podem ser projetadas com base nas propriedades do metal base e na composição do metal de solda. Entretanto, quando aços de alta resistência e aços ligados necessitam de serem soldados deve-se levar em consideração a seleção dos processos de soldagem e das técnicas de soldagem. Estes parâmetros podem exercer uma influência significante na qualidade da solda e nas características da zona afetada pelo calor e por conseqüência, na soldabilidade destes aços.

A indústria da soldagem desenvolveu vários processos que são capazes de produzir satisfatoriamente uma junção em um aço. Freqüentemente, a seleção para uma aplicação particular baseia-se em numerosos fatores que podem afetar as propriedades mecânicas desejadas da junta. Eles incluem a espessura e dimensão das partes; a posição das juntas a soldar; a quantidade de componentes a serem fabricados; a possibilidade de mecanização do processo; a aparência da junta acabada; e o custo e limitações estabelecidas para o produto.

1.7. As Propriedades dos Aços e a Soldagem

A extensiva substituição das estruturas rebitadas pelas soldadas iniciou-se durante a II Guerra Mundial e continua até hoje. Inicialmente esta substituição baseava-se nos ganhos de custos e produtividade, entretanto, os projetistas perceberam que as propriedades requeridas na construção de certas estruturas somente podiam ser obtidas através da soldagem. Por conseguinte, as propriedades do aço e da junta soldada são importantes para o projetista, metalurgista de soldagem e o engenheiro de soldagem.

Neste caso, deve-se conhecer as propriedades da junta que deve ser considerada no projeto da estrutura soldada e que influenciam a performance da mesma. As propriedades mais importantes incluem o limite de resistência à ruptura, ductilidade, tenacidade da fratura, resistência à fadiga, propriedades a temperatura elevada e resistência à corrosão. As propriedades dos materiais e aquelas requeridas na junta soldada é que vão ditar os procedimentos de soldagem a serem adotados. Abaixo citam-se alguns casos práticos:

  1. Soldagem de aços resistentes ao desgaste e de alta temperabilidade necessitam de tratamentos de pré e pós aquecimento para evitar a formação de estruturas frágeis na zona afetada pelo calor.

  2. Aços de alto coeficiente de expansão térmica devem ser soldados com baixo aporte de calor ou deve-se utilizar técnicas especiais de soldagem para evitar distorções.

  3. Na soldagem de aços inoxidáveis ferríticos, deve-se controlar o aporte de calor para evitar crescimento de grão ou formação de martensita no seu contorno, o que pode fragilizar a junta soldada.

  4. Materiais susceptíveis à corrosão sob tensão devem ser submetidos a tratamento de alívio de tensão ou ter aplicação de alguma técnica para as tensões internas de tração.

1.8. O Arco Elétrico

O estudo do arco elétrico é importante na soldagem porque:

  1. Nos processos em que ele se aplica, o arco elétrico é a fonte de calor necessária para se executar a soldagem, sendo responsável pela formação da poça de fusão, pelo aquecimento do eletrodo e pelos ciclos térmicos de soldagem.

  2. Sua alta temperatura e turbulência produzem intensas reações químicas, principalmente, reação gás-metal e reações escória-metal.

  3. O arco elétrico é o responsável pela transferência do metal de adição da ponta do eletrodo para a poça de fusão.

  4. A demanda necessária para manter um arco estável determina as características que a fonte de energia deve possuir.

Um arco elétrico ou voltaico pode ser definido como "a descarga de corrente elétrica mantida através de um gás, iniciada por uma quantidade de elétrons emitidos do eletrodo negativo (cátodo) aquecido". Todavia todo gás é isolante térmico nas condições normais de temperatura e pressão. Portanto para que ele se torne condutor é necessário ionizá-lo, ou seja, formar íons ou elétrons livres em sua constituição. Um gás ionizado recebe a denominação de plasma. Nessa definição existem três conceitos importantes para o conhecimento do arco elétrico: calor, ionização e emissão.

Em soldagem, o arco normalmente ocorre entre um eletrodo cilíndrico e um plano (a peça), dando a esse um formato típico de tronco de cone. O eletrodo pode ser um material refratário como o tungstênio (eletrodo não consumível) ou de metal de menor ponto de fusão como o aço (eletrodo consumível). Neste último caso, o processo é mais complicado pois tem-se: (a) passagem de metal fundido (e, às vezes, de escória) através do arco, (b) geometria variável da ponta do eletrodo e (c) comprimento de arco variável e dependente do balanço entre as velocidades de alimentação e fusão do eletrodo.

1.8.1. Perfil Elétrico

Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre as suas extremidades e pela corrente que circula por este. A queda de potencial não é uniforme ao longo do mesmo, podendo ser divido em três regiões principais:

a) Zona de Queda Catódica: os elétrons são emitidos e acelerados para o ânodo através de campos elétricos.

b) Coluna de Plasma: constituída de elétrons livres, íons positivos, íons negativos. Forma o plasma, sendo a parte visível e brilhante do arco.

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