(a) Representação esquemática da soldagem por fusão; (b) Macrografia de uma junta

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1 1 1. A TÉCNICA DA SOLDAGEM E CONCEITUAÇÕES Um grande número de processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo SOLDAGEM. Soldagem é a operação que visa obter a união de duas ou mais partes, metálicas ou não, assegurando na junta a continuidade das propriedades mecânicas, físicas e químicas. (a) Representação esquemática da soldagem por fusão; (b) Macrografia de uma junta Para a soldagem é necessário a aplicação de calor e este surge da utilização de uma determinada fonte de energia. 1.1 TIPOS DE FONTES DE CALOR Mecânica - o calor é gerado por atrito ou por ondas de choque, ou por deformação plástica do material; soldagem por atrito, ultra-som, explosão Química - o calor é gerado por reações químicas exotérmicas como, por exemplo, a queima de um combustível ou a reação de oxidação do alumínio; Oxiacetilênica, Aluminotermia 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; Eletrodos Revestidos, MIG/MAG, TIG, Arco submerso, Plasma, Resistência Elétrica Radiante: o calor é gerado por radiação eletromagnética (laser) ou por um feixe de elétrons acelerados através de um potencial.

2 2 Laser, Feixe de Elétrons Os processos estão em constante evolução. Pouco adianta desenvolver um novo material sem que ele possibilite alcançar boa soldabilidade. Requisitos de um Processo de soldagem: 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 metalurgia de soldagem, para que a solda alcance as propriedades desejadas, sejam elas físicas, químicas ou mecânicas. 1.2 CONCEITUAÇÃO BÁSICA Metal de Base É o metal que constitui as partes a unir. Metal de Adição É o metal que pode ser adicionado ao metal de base para constituir a junta soldada. Este metal, sob a forma de varetas, fios ou eletrodos se deposita fundido nas bordas a unir; é necessário em muitos processos de soldagem, mas não em todos. Passe É o resultado de uma translação, ao longo da junta, em operação de soldagem. O primeiro passe, realizado no fundo da junta em soldagem, é chamado passe de raiz. Cordão É o resultado final da soldagem, sendo constituído de um ou mais passes. Sua parte superior denomina-se superfície do cordão. Camada É constituída de um ou mais passes realizados lado a lado, atingindo as bordas das peças a unir e com eixos à mesma profundidade no cordão Cordão de Solda 6 Passes 3 Camadas

3 3 Penetração É a profundidade atingida pela fusão no metal de base, sobre o qual se deposita um cordão de solda. A penetração depende do processo de soldagem e dos parâmetros de execução tais como velocidade de avanço, intensidade de corrente, etc. p p p penetração da solda SOLDAGEM AUTÓGENA É aquela que se realiza com a participação ativa do metal de base. SOLDAGEM HETERÓGENA OU BRASAGEM É aquela que se realiza por ação de metal de adição, fundido entre as bordas do metal de base não levados à fusão. Evidentemente, a brasagem requer metal de adição com temperatura de fusão inferior e, portanto, composição química diversa do metal de base. θ

4 4 Diluição É a relação percentual entre a quantidade do metal de base fundido e o volume total da poça de fusão. D = A f / (A f + A d ) *100 (%) Brasagem: Diluição = 0% Solda por Resistência Elétrica: Diluição = 100% Solda a Arco Elétrico: Diluição = 10 a 30% Solda a Arco Submerso: Diluição = 50 a 70% 1.3 TIPOS DE SOLDAGEM SOLDAGEM MANUAL É aquela na qual o soldador realiza todas as operações de soldagem propriamente dita. Exemplo: Soldagem com eletrodos revestidos SOLDAGEM SEMI-AUTOMÁTICA É aquela na qual parte das operações da soldagem é realizada automaticamente e parte realizada pelo soldador. Exemplo: Soldagem MIG/MAG SOLDAGEM AUTOMÁTICA É aquela na qual todas as operações da soldagem são eventualmente executadas por uma máquina. O elemento que comanda a máquina é chamado Operador e não mais Soldador. Exemplo: Soldagem com arco submerso.

5 5 1.4 TERMINOLOGIA DA JUNTA SOLDADA f fresta ou folga s nariz, encosto ou parede r reforço L largura α - ângulo de abertura da junta β - ângulo do chanfro IC índice de convexidade = r/l 1.5 TIPOS DE SOLDA a. Segundo a Posição Recíproca das Peças a1. Juntas de Tôpo a.2 Juntas de Ângulo Em quina; Em L; Em T; Em Ângulo

6 6 b. Segundo o Tipo de Cordão de Solda Plano Côncavo Convexo c. Segundo a Continuidade do Cordão Contínua Descontínua d. Segundo a Posição das Peças a Soldar As posições clássicas de soldagem são as seguintes: Plana; Horizontal; Vertical e Sobre-cabeça Plana Horizontal Vertical Sobre-cabeça

7 7 2. O ARCO ELÉTRICO 2.1 DEFINIÇÕES Arco elétrico é a descarga elétrica mantida através de um gás ionizado, iniciada por uma quantidade de elétrons emitidos do eletrodo negativo (catodo) aquecido e mantido pela ionização térmica do gás aquecido IONIZAÇÃO Suponhamos que temos um gás monoatômico (a molécula é formada por um átomo apenas), por exemplo Argônio ou Hélio; caso forneçamos energia a este gás, ele vai se ionizar. Todos os átomos tem um núcleo, ao redor do qual giram elétrons. Os elétrons possuem órbitas circulares em torno do núcleo e é possível numa mesma órbita se encontrarem até no máximo oito elétrons. Ao fornecermos energia a certos gases, estes perdem um elétron de sua última órbita e ficam ao invés de átomos, IONS positivos ou negativos. 2.3 FORMAS DE OBTENÇÃO DO ARCO ELÉTRICO EM SOLDAGEM a. Acendimento do Arco por Aplicação de Diferença de Potencial Elétrico Volts condutor 1 mm Não convém criar um arco voltaico pela aplicação de uma elevada diferença de potencial, porque tais tensões são perigosas e de difícil isolamento. b. IONIZAÇÃO DO GÁS O processo mais simples consiste em aquecer o gás existente entre o eletrodo e a peça e sujeitá-lo a um bombardeio eletrônico. Isto é conseguido através da aplicação de uma ddp entre a peça e o eletrodo, chamada de tensão em vazio. Quando se toca com o eletrodo na peça, a tensão cai rapidamente e a corrente cresce a um valor bem próximo da corrente de curto-circuito. Assim, por efeito Joule, a região de contato se aquece até a incandescência.

8 8 Oscilograma da tensão e da corrente no instante do acendimento do arco: (Vcc - tensão de curto circuito; Icc - corrente de curto-circuito; Vo - tensão em vazio; Vs - tensão de soldagem; Is - corrente de soldagem. A quantidade de calor liberada torna fácil o arrancamento dos elétrons dos átomos do ambiente gasoso, o que ocorre por efeito da emissão termoiônica da zona incandescente. Assim o gás se ioniza. Devido a alta temperatura no contato geram-se vapores metálicos que também se ionizam. Neste caso a energia de geração do arco dependerá da natureza dos vapores metálicos. Formação do Arco Elétrico Máquina de Soldagem - + ddp Ionização Peça Arco Proteção Características Potencial Ionização Efeitos no Arco K 4,3 ev Boa estabilidade Ar 15,7 ev Média Estabilidade He 24,5 ev Baixa Estabilidade Baixo calor Médio Calor Alto calor

9 9 Gás ou vapor Argônio Hélio Hidrogênio Nitrogênio Alumínio Cálcio Cobre Flúor Ferro Potássio Potencial de Ionização 15,7 24,5 13,5 14,5 6,0 6,1 7,7 17,3 7,8 4, RELAÇÃO ENTRE TENSÃO DE SOLDAGEM E COMPRIMENTO DO ARCO Observa-se que o arco elétrico é mantido pela diferença de potencial elétrico fornecida pelo equipamento e apresenta uma relação diretamente proporcional ao comprimento do arco. Assim se o comprimento do arco é aumentado, a tensão de soldagem também será maior (Figura ). Figura: Representação esquemática da relação entre comprimento do arco, tensão de soldagem e área de contato do arco. 2.5 POLARIDADE E EQUIPAMENTOS Corrente Contínua Retificadores, Geradores Corrente Alternada Transformadores

10 10 Retificador Polaridade CC+ + Retificador Polaridade CC Transformador Polaridade CA Figura: Variação da tensão e da corrente em arco voltaico de corrente alternada. Observa-se do esquema acima que, em cada semi-ciclo, há um tempo (t1 + t2) em que o arco praticamente se extingue. Por isso, é mais difícil acender um arco em CA e também é mais difícil mantê-lo.

11 TIPOS DE FONTES QUANTO À CARACTERÍSTICA DE ENERGIA DE SAÍDA CARACTERÍSTICA ESTÁTICA Característica Estática: é o comportamento do par tensão vs. corrente, que a fonte fornece quando dela é solicitada energia em regime estático. Cada fonte de energia possui uma família de características estáticas. Quando se ajustam os controles numa determinada posição, apenas se seleciona uma característica estática. Esta dependerá, além de outras variáveis, do comprimento do arco e da atmosfera ionizante do arco. Corrente Constante Tensão Constante Corrente Constante: Grande Vc Pequeno Ic Soldagens Manuais Tensão Constante: Pequeno Vt Grande It Soldagens Automáticas a. Auto-Controle Interno: autocontrole interno v a alimentação do arame v a - consumo Retorno a situação original O auto controle interno é típico de fontes com característica estática de tensão constante e permite ao arco se ajustar a situação original frente a uma alteração qualquer. Este auto controle permite um automatismo do processo

12 TIPOS DE TRANSFERÊNCIAS METÁLICAS A transferência metálica é a forma pela qual o material de adição se transfere em direção ao material de base. Tipos: Globular Curto-circuito Pulverização ou spray a. TRANSFERÊNCIA POR CURTO CIRCUITO Transferência que ocorre gota a gota; Baixa tensão e baixa velocidade de alimentação do arame; Desta forma, aplica-se menos calor à peça de trabalho e produz-se uma poça de fusão pequena, fácil de controlar e de resfriamento rápido. Utilizada para soldagem em todas as posições, de materiais de espessuras finas, passe de raiz, etc. b. TRANSFERÊNCIA GLOBULAR Com o aumento do par tensão corrente, aumenta o tamanho da gota e ela se solta sem que haja ocorrência de curtos circuitos. Nestes casos as gotas são maiores que o diâmetro do arame, e a intensidade do processo aumenta bem como a quantidade de respingos. Esse modo de transferência pode ser utilizado em todas as posições de soldagem. c. TRANSFERÊNCIA POR SPRAY Nesse caso, a tensão e a velocidade de alimentação do arame são mais elevados que em outros tipos de transferências;

13 13 Grande intensidade de calor; Soldagem nas posições plana e horizontal; Gera alta produtividade e adequado para soldagem de materiais de maiores espessuras; Melhor estabilidade do arco. Para se conseguir o regime de transferência por spray, a corrente de soldagem deve exceder um valor predeterminado, conhecido como corrente de transição. (a) (b) (c) Tipos de transferências e sinais de tensão e corrente característicos: (a) transferência por curtocircuito, (b) transferência globular e (c) transferência por spray 2.8 FORÇAS ATUANTES NA GOTA METÁLICA F g força gravitacional F em força eletromagnética F γ - força de tensão superficial F a força de arraste F v força de reação Os diversos tipos de transferências metálicas são influenciados pela atuação conjunta destas forças sobre a gota. A forma de atuação das forças (+ ou -) será influenciada pela posição de soldagem