Soldadura de Alumínio O alumínio é um metal leve, maleável, fácil de trabalhar, com boas propriedades térmicas e eléctricas. Tem uma película de óxido sobre a superfície que lhe dá uma boa resistência à corrosão. Também é o metal mais abundante na crosta terrestre. As ligas de alumínio podem ser subdivididas em dois grupos principais - ligas fundidas e ligas forjadas. Os materiais forjados também têm uma ampla variedade de formas de produto. As ligas forjadas são subdivididas em ligas tratáveis e não tratáveis termicamente. As ligas tratáveis ao calor têm por base alumínio, cobre, magnésio e alumínio silício sistemas de liga de alumínio-magnésio-zinco. Estas podem desenvolver alta resistência por tratamento da solução seguido por idade endurecimento a uma temperatura elevada. As ligas não-tratáveis termicamente incluem alumínio puro, e aquelas com base em alumínio, manganês, alumínio-silício, alumínio e magnésio. Podem ser reforçadas apenas pelo trabalho a frio. Tipos O alumínio e as ligas de alumínio podem ser divididos em dois grupos principais que se referem à forma sob a qual são utilizados. Podem ser ligas fundidas e ligas forjadas. Cada um desses dois grupos pode ser ainda dividido em sub-tipos de ligas de composição. Moldes das Ligas As fundições das ligas de alumínio podem ser produzidas em moldes de areia, em moldes de metal, e por acção da gravidade ou pressão de fundição em moldes. As peças vazadas possuem rigidez e boa resistência à corrosão, com resistência e ductilidade geralmente de importância secundária. Os elementos de liga frequentemente utilizados em peças fundidas de alumínio são de cobre, silício, magnésio, zinco, ferro, manganês e níquel. As ligas fundidas são de dois tipos principais: Aquelas que se baseiam exclusivamente nas suas propriedades, tais como Al-Mg e Al-Si; Aquelas que o tratamento térmico pode ser utilizado para melhorar as propriedades, como as ligas de Al-Cu. Por enquanto, ainda não existe um sistema de numeração padrão internacional acordado para moldes. Cada país utiliza o seu próprio método de identificação. No Reino Unido, as ligas de fundição são prefixadas pelas letras 'LM', seguido de um número um ou dois dígitos; nos EUA, são dadas às ligas de fundição um número de dois ou três dígitos, alguns prefixados com uma carta. São utilizados sistemas similares também na Austrália e Nova Zelândia. Muitas ligas de alumínio são baseadas nos sistemas de Al-Si ou Al-Cu. O sistema de Al-Si tem uma boa fluidez e podem ser usadas para as secções do molde. O silicone reduz falta quente e a tendência para a fundição na solidificação. Estas ligas possuem boas propriedades de corrosão de cobre e muitas vezes têm como um segundo elemento para aumentar a sua força. Existem apenas algumas ligas de Al-Mg, pois enquanto eles têm boas propriedades de corrosão em ambientes marinhos e boa resistência, eles são um pouco mais difícil para lançar do que as ligas Al-Si.
Ligas Forjadas As ligas forjadas consistem em material fundido que foi trabalhado por processos tais como forjamento, extrusão, desenho, ou rolamento, melhorando desse modo a homogeneidade e as propriedades mecânicas do material. Isso torna a forma das ligas mais adequada para a soldadura de construção. As ligas forjadas podem ser: Quentes ou laminadas a frio, para produzir chapas, folhas, películas; Por extrusão, para barras, perfis, ou tubos; Desenhada, para fazer arame, parafusos, rebites ou tubo; Forjada, para dar uma variedade de formas. As ligas forjadas de alumínio podem ser de dois tipos: Tratamento por calor (aquelas que podem ser reforçadas por tratamento térmico); Tratamento não-térmico (aquelas que só pode ser reforçadas por trabalho a frio). As ligas de alumínio forjadas também são classificadas em grupos de acordo com o elemento de liga principal ou elementos. Cada grupo, ou «série», tem uma designação de quatro dígitos conferidos pela Organização Internacional de Normalização (ISO). O primeiro número refere-se ao principal elemento da liga, o segundo número da modificação da liga (zero sendo a liga original) e os próximos dois números indicam a ordem pela qual as ligas foram desenvolvidas e variações subsequentes. A carta a seguir o número de quatro dígitos indica uma variação na composição nacional. Por exemplo, a liga 1200A é uma variação da composição da liga de 1200. Ligas de alumínio forjado, em ordem numérica de série, são brevemente descritas abaixo. Algumas das ligas em cada série, e as suas composições aproximadas, são apresentadas em tabelas em cada secção. Os elementos são apenas citados se incluídos como uma adição deliberada, com um requisito mínimo, ou como um intervalo máximo e mínimo em especificações. Outros elementos podem estar presentes como impurezas com um limite máximo. Propriedades Mecânicas O alumínio é dúctil e maleável, permitindo que este seja fabricado em muitas formas diferentes por métodos como laminação a quente, laminação a frio, extrusão, forjamento, desenho, estamparia, fiação, pressionando ou flexão. O alumínio tem boa tenacidade, mesmo a temperaturas criogénicas (abaixo de -100 C), porque a fase de transição de não dúctil para frágil ocorre, mesmo com um arrefecimento rápido. Embora a força de alumínio puro seja baixa quando comparada com o aço e outros materiais de engenharia comuns, pode ser melhorada por trabalhar a frio ou por moagem com diferentes elementos, e essas ligas podem ser ainda melhoradas com o tratamento térmico ou o trabalho a frio. Os elementos mais vulgarmente utilizados para formar ligas com o alumínio são o cobre, magnésio, silício, manganês e zinco, individualmente ou em combinações.
As ligas com estes elementos podem reforçar o alumínio por um de dois mecanismos: A força pode ser aumentada pela presença de elementos de solução sólida no interior do alumínio por um processo chamado endurecimento solução sólida. Ligas com solução sólida endurecida podem ser trabalhadas a frio para aumentar ainda mais a força e isso é chamado de encruamento. Encruamento do material envolve laminação a frio, extrusão, prensagem, estampagem, etc. A força atingida depende da quantidade de trabalho a frio aplicado, e pode ser descrita como o "temperamento" da liga. Ligas deste tipo incluem Al- Mn e de Al-Mg, e são conhecidos como ligas não tratáveis termicamente. As propriedades de algumas ligas de alumínio podem ser melhoradas por tratamento por calor, um processo em que a precipitação dos constituintes é realizada em solução sólida é deixada a realizar-se, mantendo a uma temperatura adequada. O processo é geralmente descrito como o envelhecimento ou endurecimento. Se o endurecimento ocorrer à temperatura ambiente, é referido como o envelhecimento natural, mas se forem utilizadas temperaturas elevadas é chamado de envelhecimento artificial. Ligas deste tipo incluem Al-Cu, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg, que são conhecidas como ligas tratáveis termicamente. Soldadura Embora, à primeira vista, pareça ser um sistema relativamente simples de liga de soldadura, em comparação com o aço, porque nenhuma mudança de fase de estado sólido ocorre, existem vários factores importantes que influenciam a capacidade de soldadura do alumínio e das suas ligas. Existem alguns factores gerais, abrangendo todas as ligas, e algumas características individuais de liga leve, este último tomada de algumas ligas mais difíceis de soldar do que outros. Os principais factores a serem considerados e tratados em detalhe na soldagem de alumínio são: A presença de um refractário, película de óxido, da superfície tenaz que, se não for removida antes da soldadura, pode causar falta de fusão ou porosidade; A elevada solubilidade do hidrogénio no líquido de alumínio, que em comparação com a sua solubilidade no alumínio sólido, pode levar a porosidade no metal de solda;
A tendência para algumas ligas, nomeadamente ligas da série 2XXX, 6XXX e 7XXX, é sofrerem rachaduras a quente ou HAZ rachaduras por liquidação; A redução das propriedades mecânicas que ocorre em toda a zona de soldadura quando as ligas de alumínio são soldadas. Processo de Soldadura O alumínio e muitas das suas ligas podem ser facilmente soldados, mais frequentemente a utilização de processos em atmosfera inerte, tal como a MIG e TIG. MMA ainda é usado ocasionalmente, especialmente para trabalhos de reparação local, mas é difícil a obtenção de soldaduras de boa qualidade com os consumíveis disponíveis. A soldadura MIG do alumínio é sempre realizada com um escudo de gás totalmente inerte, tradicionalmente argon, mas agora cada vez mais misturas de hélio/árgon, tais como a gama BOC revestida a alumínio, que ajudam a aumentar a penetração e para reduzir a incidência de porosidade. Deve ter-se em consideração que o alumínio e suas ligas não devem ser soldados a MIG usando gases activos como o dióxido de carbono, ou misturas Ar-CO2, uma vez que estas levarão a oxidação grave e insuficiência para soldar. A soldadura TIG também deve ser levada a cabo utilizando misturas de gás inerte para blindagem, de árgon ou de árgon/hélio, não só para evitar a oxidação da solda, mas também para impedir que o eléctrodo de tungsténio seja consumido. Processos de alta densidade de potência, como laser e feixe de elétrodos, e o processo de soldadura por fricção, desenvolvido mais recentemente, também são adequados para a soldadura de todas as ligas. Técnicas de brasagem e soldadura de resistência são aplicáveis a algumas ligas. Os processos de fio com núcleo de fundente e de arco submerso não são utilizados para a soldadura de sistemas de liga de alumínio. Ligas de Soldadura As peças fundidas de alumínio têm uma utilização limitada na soldadura de construção soldada, principalmente devido ao seu baixo teor de ductilidade e alta porosidade, mas na re-instalação e reparação de peças fundidas por soldadura é muitas vezes necessária. Muitas ligas de fundição, nomeadamente as que contêm cobre, não são recomendadas para soldadura por serem muito sensíveis e mais propícias a rachar. No caso do alumínio puro e em ligas à base de Al-Si e Al-Mg, podem ser soldados com metais de adição apropriados. Ligas Forjadas de Soldadura É dado abaixo um breve resumo das características de soldadura de cada grupo de ligas: 1XXX série: sem liga de alumínio As ligas 1XXX são facilmente soldadas usando metais de enchimento de composição correspondentes. É também possível a utilização de metais de enchimento Al-Si ou Al-Mg para algumas aplicações. Podem ser soldadas utilizando todos os processos principais, incluindo MIG, TIG, MMA, soldadura a gás, soldadura de resistência e os métodos de soldadura de atrito.
Série 2XXX: cobre como principal elemento da liga Estas ligas não são soldáveis porque a formação de compostos intermetálicos de alumínio-cobre no metal a soldadura torna-a quebradiça. Tendem a rachar se forem realizadas tentativas utilizando processos de soldadura de fusão, embora a utilização de Al-Si 12% de enchimento podem por vezes dar resultados razoáveis. As técnicas de não-fusão, como a soldadura por fricção e atrito podem dar algum sucesso. Série 3XXX: Manganês como principal elemento da liga As ligas da série 3XXX são ligas soldáveis, soldadas com harmonização de metais de enchimento, mas com pouca frequência, sendo o principal método de união a brasagem. Brasagem por gás e por tocha são métodos adequados. Série 4XXX: Silicone como principal elemento da liga Estas ligas são soldadas por todos os processos que utilizam metais de enchimento Al-Si. No entanto, como dito antes, para uma maior utilização destas ligas é necessário utilizar um fio com 5% ou 12% de Si. Série 5XXX: Magnésio como principal elemento da liga Ligas com teores em magnésio inferiores a 3%, tal como 5251 e 5454, são susceptíveis a fissuras e é usual utilizar enchimentos de magnésio superiores a superar esta tendência. Ligas com mais de 4,5% de Mg são facilmente soldadas. MIG e TIG são os processos de soldadura utilizados com mais frequência para estas ligas, pois tendem a não responder bem ao MMA ou à soldadura a gás. Série 6XXX: Magnésio e silício como elementos principais da liga Estas ligas podem ser soldadas com cuidado, uma vez que com menos de 1% de Si e 1% de Mg, eles têm uma tendência para quebrar na HAZ por um mecanismo chamado fissuração se as existirem entradas de calor intenso. Para evitar a fissuração do metal de soldadura, deve utilizarse para MIG ou TIG metais de enchimento que contenham 5% de Mg ou 5% de Si. Devem ser tomadas precauções para não misturar as duas composições de enchimento ou fissuras. 7XXX série: Zinco como principal elemento da liga A série inclui notas tanto soldáveis como não soldáveis, embora mesmo as ligas HAZ soldáveis sejam propensas a sofrer rachaduras. É habitual utilizar metais de enchimento que contêm magnésio e zinco, embora seja possível utilizar enchimentos Al-Mg 5,5% em alguns casos. MIG e TIG tendem a ser os principais processos utilizados nestas ligas. 8XXX série: Ligas diversas A maioria das ligas desta série não são usualmente soldadas, e algumas não são soldáveis. No entanto, tem havido desenvolvimentos em ligas de alumínio-lítio para aplicações aeroespaciais que levaram aos graus soldáveis, tornando-as disponíveis.
Corte Processos que utilizem um arco eléctrico numa corrente de gás inerte de corte podem ser utilizados para cortar todas as ligas de alumínio. As superfícies de corte são geralmente bastante suaves e limpas, mas a placa mantém zonas estreitas, derretidas e parcialmente derretidas que, com ligas tratáveis termicamente, podem levar a fissuras intergranulares. As propriedades de corrosão também podem ser afectadas negativamente de forma imediata na HAZ do corte. É, portanto, aconselhável cortar para trás por cerca de 3 mm da superfície cortada Deve notar-se que algumas normas requerem níveis de até 6 mm de ser removido após o corte. Normas pertinentes devem ser consultadas para estabelecer requisitos. Processos de Corte Existem vários processos térmicos diferentes para alumínio e para as suas ligas corte, mas o mais utilizado é o corte plasma; com o corte a laser também encontrar algumas aplicações. Para a maioria dos fabricantes industriais actuais, o corte plasma é provavelmente a primeira escolha como uma técnica de corte para o alumínio com espessura de 3 a 50 mm ou superior. O corte plasma permite que a superfície resulte num corte liso e livre de contaminação, mas esta deve ser aparada antes da soldadura, como descrito acima.
Pré-aquecimento de alumínio e ligas de alumínio Pré-aquecimento O pré-aquecimento é necessário quando existe risco de, se uma operação de soldadura for efectuada a "frio", resultar uma soldadura instável. Existem algumas orientações que podem ser seguidas para saber se deve ou não ser realizado o pré-aquecimento, aqui descritas e classificadas por tipo de liga. Ligas de alumínio As ligas de alumínio têm uma elevada condutibilidade térmica e o pré-aquecimento é utilizado para fornecer calor adicional para a zona de soldadura, a fim de ajudar a garantir a fusão completa da soldadura. A aplicação do pré-aquecimento também é usada para eliminar qualquer humidade na superfície oxidada. O pré-aquecimento pode não ser necessário durante a soldadura em chapa fina, mas torna-se cada vez mais importante como a espessura e, portanto, a condução térmica para longe da soldadura aumenta. Quanto Pré-aquecimento Aplicar A temperatura de pré-aquecimento real necessária para uma operação de soldadura específica depende não só do material ou materiais a ser soldados, mas também sobre a espessura combinada da articulação, a entrada de calor do processo de soldadura a ser utilizado, e a quantidade de restrição imposta sobre os componentes. Não existem regras fixas sobre quanto pré-aquecimento a aplicar, mas existem muitas publicações disponíveis que dispõem orientações úteis. Essas publicações incluem normas ou códigos de práticas nacionais e internacionais, guias de produtores de aço e ligas de alumínio e de fabricantes de consumíveis. Algumas orientações estão incluídas aqui e, como na secção anterior, classificados por conveniência e por tipo de liga. Ligas de Alumínio Como regra geral, as ligas de alumínio só são pré-aquecidas a temperaturas entre 80-120 C. Certas ligas de alumínio que podem ser tratadas por calor (Al-Si-Mg) são sensíveis à fissuração da HAZ em caso de sobreaquecimento, e o pré-aquecimento deve ser cuidadosamente controlado dentro desta gama. Com ligas menos sensíveis, o pré-aquecimento pode ser aumentado até um máximo de 180-200 C. Lembre-se que devem ser utilizadas ligas de alumínio pontos de fusão relativamente baixos e devem tomar-se precauções para evitar o superaquecimento, o que pode resultar em má qualidade de soldadura e fissuras em algumas ligas.
Alumínio e Ligas de Alumínio NOTAS: 1. O metal de enchimento mostrado para cada combinação de metais de base é o utilizado com mais frequência. No entanto, o metal de enchimento depende da utilização específica e do tipo de junta e, num certo número de casos, as alternativas aceitáveis são recomendadas (notas A a C). 2. Metais de enchimento em conformidade com os requisitos da especificação AWS A5.10-80. 3. A exposição a produtos químicos específicos ou a uma temperatura elevada sustentada (mais de 150 C), podem limitar a escolha dos metais. As ligas de enchimento 5183, 5356, 5556 e 5654 não devem ser utilizadas numa temperatura elevada sustentada. a) 5813, 5356, 5554, 5556 e 5654 podem ser utilizados. Em alguns casos fornecem: melhor correspondência de cor depois do tratamento de anodização, maior ductilidade da soldadura, maior força de soldadura. O 5554 é adequado para serviço de temperatura elevada. Os moldes soldados com estes metais de enchimento não devem ser submetidos ao envelhecimento artificial pós-solda. b) 4043 pode ser utilizado para algumas aplicações. c) Metal de enchimento com a mesma análise que o metal de base é por vezes utilizado. d) 5183, 5356 ou 5556 podem ser utilizados. e) 4047 pode ser utilizado para algumas aplicações.