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1a Aula – Conceitos fundamentais e classificação 1.1– Alguns exemplos de soldagem

Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Produto : _ Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Materiais : _ Processo de soldagem : _

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Materiais : _ Processo de soldagem : _

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1.2 - Introdução

A definição de soldagem é algo bastante simples, se considerarmos a escala microscópica envolvida. Neste nível, entende-se por soldagem de diferentes peças ou materiais como sendo a aproximação de átomos a uma distância de equilíbrio, em que a energia potencial é minimizada. Nesta situação, ao tentarmos aproximar mais ou distanciar estes átomos, surgirão forças que tendem a reestabelecer a distância de equilíbrio (ver teoria de poço de potencial - Callister, cap 1)

A aproximação dos átomos até a distância de equilíbrio garante a soldagem, e pode ser realizada de diversas formas, que podem ou não requerer a fusão dos materiais envolvidos. A soldagem que envolve a fusão dos materiais é classificada como soldagem por fusão, existindo inúmeras técnicas que se utilizam deste preceito. A soldagem que não envolve fusão é denominada soldagem no estado sólido, destacando-se neste caso a soldagem por difusão e a soldagem por fricção. Existe ainda uma terceira forma de soldagem onde a união de dois materiais base é realizada pela fusão de um terceiro material, que se adere (mollha) os materiais base sem fundi-los. Neste caso temos a chamada brasagem.

A soldagem por fusão nos é intuitivamente compreensível e envolve a fusão e solidificação das partes a serem unidas. Durante a fusão a distância de equilíbrio é quebrada pelo fornecimento de energia (aquecimento), e as ligações se tornam mais flexíveis, permitindo chegar-se a chamada fase líquida. O subseqüente resfriamento acarreta a solidificação, onde os átomos se aproximam e se ordenam formando as a estruturas cristalinas (C, CFC, HC, fases intermetálicas, eutéticos, etc) na distância de equilíbrio. Encerrada a solidificação, a união está completa.

No caso da soldagem no estado sólido deve-se considerar a temperatura e a pressão ser exercida na interface de soldagem. Como sabemos, os materiais apresentam rugosidade superficial, de forma que quando aproximamos as partes a serem unidas no estado sólido, apenas algumas partes se tocam. Para realizar esta aproximação, utiliza-se o aquecimento para facilitar a deformação plástica através da pressão envolvida. Evidentemente o aquecimento acelera ainda a difusão atômica (Callister, cap 5), que favorece a soldagem dos materiais pela troca de posição dos átomos na região da interface de união. Desta forma, a soldagem no estado sólido por ser obtida através a da combinação da aplicação de pressão e aquecimento na interface de união.

Existe uma dependência entre a temperatura e a pressão exercida para obter-se a soldagem no estado sólido. Um exemplo desta dependência pode ser vista na figura 1 (Lison, 1998), válida para a soldagem de ferro puro. Quanto maior a temperatura de soldagem (neste caso, abaixo da temperatura de fusão dos materiais base), menor é a pressão necessária para a obtenção de uniões satisfatórias. Acima da temperatura de fusão não é necessária a aplicação de pressão, pois a fusão e subseqüente solidificação se encarrega de aproximar os átomos.

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Druck : pressãoTemperatur : temperatura Schmelzpunkt : temperatura de fusão

Brauchbare Schweissverbindungen : uniões por soldagem satisfatórias Unbraucbare Verbindungen : uniões não satisfatórias

Figura 1 : Combinações de temperatura e pressão para união de ferro puro (Lison, 1998).

Uma forma mais abrangente de mostrar as alternativas de soldagem do ferro puro (exemplo didático) pode ser visto na figura 2. Além da soldagem no estado sólido estão consideradas a soldagem por fusão e a brasagem. Para baixos fatores de processo são aplicáveis as técnicas conhecidas como soldagem a frio e soldagem por ultra-som (estado sólido) e a brasagem fraca (por utilizar ligas de baixa resistência mecânica). Para fatores médios e altos são aplicáveis a soldagem por fricção e a soldagem por difusão (estado sólido) e a brasagem forte e a brasagem a alta temperatura.

Weichlöten : Brasagem fracaHartlöten : Brasagem forte Hochtemperaturlöten : Brasagem a alta temperatura

Verfahrensfaktor : fator de processo Schweissverfahren : processo de soldagem Lötverfahren : Processo de brasagem Processtemperatur : temperatura do processo Schmelzpunkt Grundwerkstoff : temperatura de fusão do material base Kaltpress und Ultraschallschweissen : Soldagem a frio e por ultrassom

Figura 2 : Faixas de temperatura para soldagem de diferentes processos de soldagem e brasagem do ferro puro (Lison, 1998).

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1.3 - Classificação dos processos de soldagem

Nas figuras 3 e 4 são mostradas a classificação da AWS para os distintos processos de soldagem e corte, nas versões em inglês e português. Esta apresentação é feita porque no Brasil ainda se utiliza muito a nomenclatura em inglês, o que implica na necessidade de conhecê-la. A classificação faz uma separação básica entre :

- Soldagem a arco elétrico : envolve os processos onde o aquecimento é gerado pela abertura de um arco elétrico, obtido pela ionização de um gás. É considerado um processo de soldagem por fusão, sendo extensamente utilizados em metalúrgicas de pequena a grande porte. Os equipamentos são de custo acessível, entretanto alguns processos requerem mão-de-obra treinada, o que encarece os custos. Por promover um aquecimento significativo das peças a serem soldadas, normalmente ocorrem pequenas distorções e geração de tensões residuais;

- Soldagem no estado sólido : a união é realizada no estado sólido, sendo aplicada para casos em que se justifique o investimento em equipamentos, para grandes escalas de produção e soldagem de materiais dissimilares (diferentes), devido a problemas metalúrgicos.

- Brasagem forte e fraca : a união é realizada por um metal de adição que se funde e une os materiais base (estes não se fundem). A distinção entre forte e fraca está no tipo de metal de adição, sendo que na fraca são utilizadas ligas de baixa temperatura de fusão e baixa resistência mecânica (Exemplo : ligas Pb-Sn) enquanto que na forte são utilizadas ligas de temperatura de fusão acima de 450C e elevada resistência mecânica (Exemplo : ligas Ag-Cu-Zn-Cd). É extensamente utilizada nas indústrias de refrigeração, eletro-eletrônica, autopeças pela versatilidade em soldar diferentes materiais, de pequena espessura (tubos de parede fina por exemplo). É a técnica de soldagem que permite soldar os mais variados tipos de materiais e configurações;

- Soldagem por resistência : são processos amplamente utilizados na soldagem de carroceria de automóveis e outras aplicações de soldagem de chapas finas, sendo classificado como processo por fusão. O custo do equipamento é baixo, e por não utilizar metal de adição o custo da soldagem também é baixo. O nível de treinamento do operador é mínimo, e pode ser facilmente automatizado (robôs) Obtem-se uma boa qualidade, com baixa distorção das chapas;

- Outros : relaciona processos como laser, feixe de elétrons,eletroescória, etc. O laser está sendo aplicada cada vez mais na indústria automotiva, e sua popularização é dificultada pelo elevadíssimo custo do equipamento. Permite soldar chapas de topo com excelente acabamento sem distorções, sendo aplicado nos chamados taylored-blanks. O feixe de elétrons é bastante interessante, entretanto a soldagem deve ser feita sob vácuo. O custo do equipamento é altíssimo e a produtividade é baixa. Existem pouquíssimas máquinas de soldagem por feixe de elétrons no país. A eletroescória é utilizada somente na indústria realmente pesada, e pode soldar grandes espessuras (por exemplo 200mm). É utilizado na indústria naval e na fabricação de turbinas hidráulicas.

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Figura 3 : Classificação dos processos de soldagem segundo a AWS (em português). Figura 4 : Classificação dos processos de soldagem segundo a AWS (em inglês).

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1.4 – Comentários sobre a seleção do processo de soldagem

A seleção de um processo de soldagem leva em conta inúmeros fatores, e uma análise global é bastante delicada. Faz-se necessário inicialmente entender o que ocorre na região da solda, para justificar os critérios de seleção. Ao soldarmos diferentes peças ou materiais sempre necessitamos de aquecimento, seja localizado ou na peça toda. O aquecimento localizado decorrente da fusão ou mesmo no estado sólido, acarretam :

• Geração de tensões, que podem ocasionar dois problemas : a) deformações ou empenamentos das peças. As deformações ou empenamentos são indesejáveis em algumas aplicações tais como chapas finas automotivas, por ocasionarem aspecto visual ruim. Assim sendo, nos carros são utilizados processos de soldagem que ocasionem aquecimento bem localizado e em pequenas regiões, tais como soldagem por resistência, soldagem a Laser, brasagem a Laser que minimizam as deformações e empenamentos. Nas figuras 5 e 6 são mostradas macrografias de chapas soldadas pelos processos a Laser sem material de adição e brasagem a laser com material de adição, mostrando que a região fundida é bem pequena. b) tensões residuais nas peças. Tensões residuais são preocupantes quando as peças soldadas sofrem esforços mecânicos estáticos ou dinâmicos ou estão sujeitos a meios corrosivos. Os carregamentos mecânicos acrescentam ao valor da tensão residual mais tensões, favorecendo falhas mecânicas por fadiga ou mesmo falhas catastróficas sem esforços cíclicos. Existem ainda fenômenos conhecidos como corrosão sob tensão, que ocorrem quando temos a presença de tensões e um meio corrosivo. Um exemplo de falha deste tipo ocorreu recentemente na região de Curitiba. Os oleodutos da Petrobrás que se romperam na serra do mar no ano de 1999 tiveram como mecanismo inicial de falha a ocorrência de trincas formadas por este mecanismo. Outro exemplo de corrosão sob tensão muito comum ocorre nos aquecedores de água domésticos fabricados em aços inoxidáveis. Quando furam, em muitos casos foram detectados corrosão sob tensão junto aos cordões de solda do tanque de acumulação.

Figura 5 : Macrografia de solda de topo de chapas automotivas (0,8 –1,4mm) soldadas a laser.

Figura 6 : Macrografia de solda de chapas automotivas (0,8 m) brasadas a laser.

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