EME733 INTRODUÇÃO À SOLDAGEM

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1 EME733 INTRODUÇÃO À SOLDAGEM Ramón S. Cortés Paredes, Dr. Engº. Coordenador do Laboratório de Aspersão Térmica e Soldagem Especiais - LABATS Departamento de Engenharia Mecânica - DEMEC Universidade Federal do Paraná - UFPR ramon@ufpr.br

2 Conteúdos abordados Apresentação da disciplina e critérios de avaliação Importância do estudo da Soldagem Fundamentos dos processos de fabricação industrial Fundamentos dos processos de união Classificação dos processos de soldagem Conceitos básicos de soldagem Barreiras à soldagem Fundamentos da física do arco elétrico Fontes de soldagem Princípio da transferência metálica

3 Apresentação Ementa: A disciplina apresenta inicialmente conceitos gerais de soldagem, permitindo a compreensão da sua utilização em relação a outros processos de fabricação, em especial aos processos união. Aborda e discute as diferentes conceituações encontradas na literatura sobre a definição de soldagem. Mostra as diferentes formas de classificações dos processos de soldagem. Apresenta as dificuldades físicas que impedem ou dificultam o processo de união. Em seguida, introduz os conhecimentos pertinentes à física do arco elétrico, mostrando as diferenças existentes nesta região em função dos diversos processos de soldagem ao arco elétrico e as suas variáveis. Finalmente, apresenta os diferentes tipos de transferência metálica e discute os diferentes tipos de fontes de potência aplicados à soldagem. Além do anterior a disciplina considera a realização de aulas práticas de soldagem a chama, resistência e por arco elétrico.

4 Referências WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; MESSLER, R.. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; MACHADO, Ivan. Soldagem e Técnicas Conexas: Processos; QUITES, Almir M., Introdução à Soldagem a Arco Voltaico; ASM Handbook: Fundamentos e Tecnologia; Revista Soldagem & Inspeção; Artigos e textos apresentados em sala de aula.

5 Onde buscar informações sobre a área de soldagem? Associação Brasileira de Soldagem - ABS ( American Welding Society - AWS ( Infosolda ( The International Institute of Welding - IIW ( University Cambridge ( The Welding Institute and Welding & Joining Society - TWI ( PATON Eletric Welding Institute ( ASM ( Edison Welding Institute - EWI ( Labsolda UFSC ( Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFMG ( Graco UnB ( Laprosolda UFU ( Welding and Joining Institute Aachen (

6 Considerações iniciais Motivação para estudar os processos de fabricação? a) Compreender como o processo de fabricação influencia na qualidade final e no preço do produto; b) Compreender as aplicações dos diferentes processos de fabricação e os possíveis empregos conjuntos (custo x produtividade x mão de obra x cliente); c) Compreender os limitantes na relação material x processos de fabricação. Material (propriedade, disponibilidade e custo) Inter-relação projeto x material x processo de fabricação Projeto Processamento (Seleção de equipamento, custo, influência nas propriedades) (custo, função, condição de operação, desenho) Qual o conceito de processo de fabricação? São as operações empregadas para dar a forma desejada ao componente (envolvimento de diferentes fenômenos físicos: fusão, solidificação, remoção de material, deformação plástica, difusão, outros) Atividade em grupo: Relacionar cada um dos fenômenos físicos com os possíveis processos de fabricação onde os mesmos ocorrem.

7 Processos de fabricação - fundamentos Como se classificam os processos de fabricação? Base para classificação dos processos de fabricação: Relação entre manutenção de volume/forma x propriedades do material x forma de montagem Atividade em grupo: Processos de fabricação Agrupar os processos de fabricação considerando: a) Aqueles que induzem mudança de volume/forma (com e sem remoção de material) b) Aqueles que induzem mudança nas propriedades do material (tratamento térmico e acabamento superficial) c) Aqueles que permitem diferentes formas de montagem (níveis de permanência: não, semi e permanente) Corte Fundição Conformação Usinagem Qual o processo? Conformação, Usinagem ou Soldagem? União Processamento de polímeros / compósitos Metalurgia do Pó (Sinterização) Prototipagem rápida

8 Efeitos da relação processo x microestrutura x propriedade Processo de fabricação / condição Conformação / a frio Conformação / a quente Usinagem Efeito sobre a microestrutura Encruada (alta densidade de discordâncias) Grãos alongados (orientados) Trinca / delaminação Recristalizada (baixa densidade de discordância) Grãos refinados e equiaxiais Descarburização / oxidação Tensão residual na superfície da peça Possibilidade de mudança de fase Possibilidade de trinca superficial Precipitação de fases (sensitização) Efeito sobre as propriedades Elevada resistência Aumento da dureza Baixa ductilidade Grande anisotropia Ausência de tensões residuais Moderada resistência Elevada ductilidade Pequena anisotropia Grau de acabamento x resistência à fadiga Induz pequena anisotropia Redução de resistência à corrosão Fundição ou soldagem. sem tratamento térmico ou mecanismo de refino de grão Estrutura dendrítica Grãos colunares e/ou equiaxiais Baixa densidade de discordâncias Presença de segregação (zoneamento) Presença de tensões residuais Pode haver formação de poros e/ou ZTA Contração (rechupe) Baixa resistência Moderada ductilidade Moderada anisotropia Variação de dureza

9 Processos de união Quais os processos de união utilizados industrialmente? - Soldagem (soldagem/brasagem); - Colagem (adesão); - União mecânica (fixação/união/ligação mecânica). Fonte: Suranaree University of Technology Observar que a escolha do processo de união será função da aplicação desejada.

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11 Importância e critérios de seleção O processo de união é aplicável sempre que a produção/recuperação de um componente não possa ser feita por um processo de fabricação mais simples (laminação, forjamento, fundição, outros). É um processo indispensável às indústrias de manufatura, montagem, automobilistica, naval, outras. Quais os critérios que definem os potenciais processos de união? a) Funcional (grau de permanência, tipo de carga e resistência); b) Técnico (tipo de material, projeto da junta e condições de operação); c) Espacial (espessura, área, peso, complexidade de formas e posições de montagem); d) Econômico (quantidade a ser produzida, facilidade de automação, disponibilidade do equipamento). A montagem ou a manutenção de uma planta industrial demanda a aplicação de diferentes processos de união.

12 Conceituação de soldagem E o que vem a ser soldagem? - É coalescência localizada de metal, onde a coalescência é produzida pelo aquecimento à temperaturas convenientes, com ou sem a aplicação de pressão e com ou sem a aplicação de metal de adição. O metal de adição, ou possui ponto de fusão aproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fusão abaixo daquele dos metais mas acima de 450 ºC (AWS, 1958). - União localizada de metais ou não-metais, produzida ou pelo aquecimentos dos metais até a temperatura de soldagem, com ou sem a aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão somente, com ou sem uso de metal de adição (AWS, 1987).

13 Soldagem por ARCO ELÉTRICO Gás ou vapor Argônio Alumínio Cálcio Cobre Flúor Hidrogênio Hélio Ferro Potássio Nitrogênio Níquel Oxigênio Silício Tungstênio CO H 2 O EV 15,7 6,0 6,1 7,7 17,3 13,5 24,5 7,8 4,3 14,5 7,6 13,6 8,1 8,1 14,1 12,6

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15 Conceituação de soldagem - Processo que visa a união localizada de materiais, similares ou não, de forma permanente, baseada na ação de forças em escala atômica semelhantes às existentes no interior do material e é a forma mais importante de união permanente de peças usadas industrialmente (Wikipédia). - Processo metalúrgico de união de metais ou ligas metálicas,devendo os materiais estarem em seu estado fundido ou pastoso. - Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas. - Processo de união de entre duas partes metálicas, usando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão (Wainer, 2002). Welding is a joining process in which metals are heated, melted and mixed to produce a joint with properties similar to those of the materials being joined.

16 Conceituação de solda O que se entende por solda (definição)? Região gerada pela operação de soldagem. Solda de materiais dissimilares Solda de topo Solda em ângulo Deposição multipasse Quais os requerimentos para a coalescência dos materiais? Calor; Solda circunferencial Intimidade do contato (pressão ou não pressão).

17 Critérios envolvidos na construção de uma estrutura soldada Projeto de estrutura soldada união/revestimento (critérios) Objetivos: a) Executar funções almejadas; b) Garantir segurança e confiabilidade; c) Garantir capacidade de fabricação (configuração), inspeção, transporte e operação com menor custo. Por sua vez, o custo final do componente compreende: i. Custo do Projeto; ii. iii. iv. Custo dos Materiais; Custo da Fabricação; Custo da Montagem; v. Custo da Operação; vi. Custo da Inspeção; vii. Custo de Manutenção; viii. Custo de Reparo. Observação: Um conjunto soldado deve apresentar um formato apropriado para transferir a aplicação das cargas, resistir ao meio e permitir fabricação por um determinado processo de soldagem.

18 Aplicações Áreas de aplicação e importância econômica da indústria / setor de soldagem Naval Off-shore Química/Petroquímica Montagem e/ou recuperação metálica Construção civil Automobilística

19 Setores envolvidos Value Added by Welding Industry in different Sectors Value Added by Welding Industry in different Sectors Áreas de aplicação Value Added by e importância econômica da indústria /setor de Value Welding Added Industry by Welding in different Industry Sectors in different Sectors soldagem (continuação) Vehicle Construction 50 Billion EUR Welding Industry 5 % Mechanical Engineering 60 Billion EUR Welding Industry 4 % Vehicle Construction Mechanical Engineering Vehicle Construction Vehicle 50 Billion Construction EURMechanical Mechanical Engineering 60 Billion Engineering EUR 50 Billion Welding 50 EUR Billion Industry EUR5 % 60 Billion Welding 60 EUR Billion Industry EUR4 % Welding Industry Welding 5 Industry % 5 Welding % Industry Welding 4 Industry % 4 % Aero Space and Metal Construction Aero Space Aircraft and Metal Construction Aero Construction Space and Metal Construction Metal 55 Billion Construction EUR Aircraft Construction 55 Billion EUR 55 Billion EUR Aircraft Shipbuilding Construction Welding 55 Billion Industry EUR6 % Shipbuilding 8 Shipbuilding Billion. EUR Welding Industry Welding 6 % Industry 86 Billion. % Welding EUR Welding Industry 6 % 8 Billion. Industry EUR5 % Welding Industry 5 % Welding Industry 5 % Aero Space and Aircraft Construction Shipbuilding 8 Billion. EUR Welding Industry 5 % Source: RWI Essen/Germany 2001 Source: RWI Essen/Germany 2001 Source: Source: RWI Essen/Germany RWI Essen/Germany Fig. 3.2 Fig. 3.2

20 Estimativa de demanda mundial por metal de adição e por processo de soldagem ao arco elétrico Por continente Por processo Fonte: production.investis.com/charter/esab

21 Perspectivas de utilização (tendências) Perspectivas do consumo de eletrodos x processos Fonte: ESAB

22 Classificação Qual a área de conhecimento onde a tecnologia de soldagem é inserida e como se dividem os processos (taxonomia)? Engenharias / Tecnologia Ciências térmicas Ciências dos materiais Metrologia Projetos mecânicos Vibrações e acústica Processos de Fabricação Fundição Conformação Metalurgia do pó Usinagem Soldagem Estado sólido Fusão Brasagem A frio A quente Aluminotermia Feixe de elétrons Resistência elétrica Laser Arco elétrico Brasagem (solda branda) Soldabrasagem Explosão Ultra-som Atrito Difusão Eletroescória Resistência Eletrodo Não-consumível Proteção gasosa Eletrodo consumível Proteção de escória Sem proteção Prisioneiro TIG Arame tubular Plasma MIG MAG Arame tubular Eletrodo revestido Arco submerso

23 Comparação entre os diferentes processos de soldagem Características gerais dos processos de soldagem por fusão. Joining process Operation Advantage Shielded metal-arc Manual Portable and flexible Submerged arc Automatic High deposition Gas metal-arc Semiautomatic Most metals or automatic Gas tungsten-arc Manual or Most metals automatic Flux-cored arc Semiautomatic High or automatic deposition Oxyfuel Manual Portable and flexible Electron-beam, Semiautomatic Most metals Laser-beam or automatic * 1, highest; 5, lowest. Skill level Welding Current Cost of required position type Distortion * equipment High All ac, dc 1 to 2 Low Low to medium Flat and horizontal ac, dc 1 to 2 Medium Low to All dc 2 to 3 Medium to high high Low to All ac, dc 2 to 3 Medium high Low to All dc 1 to 3 Medium high High All 2 to 4 Low Medium to high All 3 to 5 High

24 Terminologia básica relacionada a soldagem Metal de base (MB) Zona termicamente afetada (ZTA) Linha de fusão Zona fundida (ZF) ou metal de solda Soldagem multipasse 1ª camada 2ª camada.. Enésima camada Zona regenerada 1º passe (raiz) 2º e 3º passes (enchimento) 4º passe (acabamento) Cordão de solda Soldagem simples deposição Passe Cordão de solda Camada Seqüência da deposição (passes)

25 Terminologia básica relacionada a soldagem Metal de base Amanteigamento camada depositada de material com composição química intermediária aos materiais dissimilares a serem unidos, com objetivo de isolar o material menos nobre (efeito da diluição). Revestimento camada depositada de material com composição química e propriedades mecânicas adequadas para resistir a solicitação de serviço (desgaste, corrosão, outros). Exercício de fixação Com base nas informações obtida a partir da macrografia do corpo de prova soldado ( figura ao lado), identificar as diferentes regiões que compõem a união.

26 Terminologia básica relacionada a soldagem Geometria do chanfro? B A 1G w eld in g p o sitio n groove angle A B A B wall thickness B root face A Abertura da raiz: mínima distância que separa os componentes (A-B) a serem unidos por soldagem ou processos afins B root opening Ângulo do chanfro: ângulo total formado entre as bordas preparadas dos componentes (A-B) Bisel: borda do componente (A ou B) a ser soldado preparada na forma angular A Ângulo do bisel: ângulo formado entre a borda preparada do componente (A ou B) e um plano perpendicular à superfície deste componente B A Face da raiz ou altura do nariz: parte da face do chanfro adjacente à raiz da junta

27 Terminologia básica relacionada a soldagem Chanfro: Abertura devidamente projetada, entre os componentes a serem unidos, para permitir o acesso e adequado preenchimento formação da junta. Tipos: Chanfro em V Chanfro em duplo V ou X Chanfro em meio V Chanfro em duplo meio V ou K Chanfro em J Chanfro em duplo J Chanfro em U Chanfro em duplo U Chanfro reto

28 Terminologia básica relacionada com a soldagem Exemplos de preparação do chanfro em função da espessura e da chapa a) Chapa fina a) Chapa grossa Atividade em grupo Definir os requisitos que definem o tipo e a geometria do chanfro. a) Espessura b) Tipo de material c) Acesso d) Carga (solicitação) Onde: Nos exemplos a espessura é dada em polegada

29 Conceitos e grandezas físicas relacionadas com a soldagem Corrente elétrica ou corrente de soldagem (A) Tensão elétrica ou tensão de soldagem (V) Vazão de gás (l/min) Velocidade de soldagem ou deslocamento da tocha/eletrodo (cm/min) Espessura, largura, diâmetro e/ou comprimento do metal de base (mm ou pol) Tipo de corrente (CA ou CC) Tipo de polaridade (CC+ ou CC- sempre em relação ao eletrodo) Posições de soldagem (plana, vertical, horizontal e sobre cabeça ou topo 1G a 6G e filete 1F a 4F) Deslocamento da tocha (à direita, à esquerda, ascendente e descendente) 1F 2F 3F 4F 1G 5G 2G 1G 2G 1G 4G Chapa 6G Tubo Observação: Não há a utilização das posições 3G ou 4G para a soldagem de tubulação.

30 Elementos básicos que compõem um processo de soldagem ao arco elétrico Manômetros Misturadores de gás 1 Rolo de arame Cabeçote alimentador de arame Fluído refrigerante Eletrodo revestido Condutor Condutor Gás Arame Cilindros de gás de proteção 300 A 25 V Vs Bocal O2 CO2 Ar Fonte de soldagem Bico de contato Eletrodo consumível Arco (+) Gás de proteção Poço de fusão MIG/MAG Arame Tubular Metal de solda (-) Metal de base

31 Exercícios de fixação a) Quais os principais processos de fabricação empregados industrialmente? b) Quais processos que compõem o grupo dos processos de união? c) Baseado nos conhecimentos trabalhados em sala, crie um conceito para soldagem e para solda. d) É possível relacionar o grau de desenvolvimento industrial de um país ou região a partir dos processos de soldagem empregados? e) Quais os critérios que definem os potenciais processos de união? f) Dê exemplos de processos de fabricação que: (I) induzem mudança de volume/forma, (II) induzem mudança nas propriedades do material e (III) permitam diferentes formas de montagem. g) Quais os principais processos de soldagem empregados em sua região (estado)? h) Quais as áreas de aplicação dos processos de união/revestimento por soldagem? i) Qual o custo médio associado a uma obra que utilize união/revestimento por soldagem?

32 Rugosidade Superficial (µm) Estudo de caso definição de qual processo aplicar Exemplo 1: Construção/manutenção de nitroduto (transporte de HNO 3 ) O que devemos levantar (é preciso conhecer as condições de projeto/operação)? a) Como funciona cada processo aplicável à união (parafusagem, soldagem ou colagem)? b) Qual o material da tubulação (ferroso ou não ferroso)? c) Qual o grau de automatização (manual, semi ou automatizado)?; d) Qual o valor dos encargos (HH, impostos, outros)? e) Já houve aplicação similar do processo? f) Qual a pressão e temperatura de trabalho? g) Quais os tipos e níveis aceitáveis de defeitos? Tempo (Horas) 01 X 05 X 17 X 21 X Linear (01 X) Linear (05 X) Linear (21 X) Linear (17 X)

33 Estudo de caso definição de qual processo aplicar Exemplo 2: Fabricação e/ou recuperação de barramentos (ânodos de redução da Al 2 O 3 ) Problema: Necessidade de aliar resistência mecânica (aço) com condutividade elétrica (Al). Características do processo de união por explosão Detalhe da região de ligação da união por explosão

34 Estudo de caso definição de qual processo aplicar Representação esquemática do processo de soldagem por explosão Processos envolvidos: Fundição, conformação, usinagem e soldagem.

35 Estudo de caso definição de qual processo aplicar Exemplo 2 Recuperação: Trinca em ferro fundido (combinações de diferentes processos de fabricação) Processo de fabricação 1 USINAGEM Trinca em ferro fundido Processos de fabricação 2 e 3 CONFORMAÇÃO e SOLDAGEM Técnica: Metalock Processo de fabricação 3 USINAGEM