Soldagem CONTEÚDO 5/2/2013 2

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Soldagem CONTEÚDO 1. Conceitos fundamentais da soldagem; 2. Introdução a soldagem; 3. Processos de Brasagem, Soldagem e Corte; 4. Terminologia da Soldagem; 5. Simbologia da Soldagem; 6. Normalização da Soldagem; 7. Processo de Soldagem (SMAW) Soldagem por Eletrodos Revestidos; 8. Processo de Soldagem (GTAW) Soldagem por TIG; 9. Higiene e Segurança na Soldagem. 5/2/2013 2 2

Introdução à Soldagem 5/2/2013 3 3

Soldagem A SOLDAGEM é um dos processos de fabricação hoje mais utilizados em nível industrial, nas mais variadas aplicações. A utilizamos desde para união microscópica de fios em pequenos circuitos eletrônicos (soldabrasagem seletiva de baixo aporte), até para união de chapas de grande espessura em equipamentos pesados, como as utilizadas em navios, vagões e vagonetas, estruturas metálicas ou em turbinas hidráulicas. Atualmente são usados mais de 50 tipos de processos diferentes de soldagem, nos mais diversos segmentos da indústria e em serviços. Desta forma os métodos de soldagem e as características das juntas soldadas podem ser totalmente diferentes para aplicações específicas ou não. Sem exceção, esta seleção de um processo ideal, dependerá muito de basicamente de 5 (cinco) fatores distintos : 5/2/2013 4

Soldagem I. Geométricos: da forma, espessura e geometria das peças (ou conjuntos) a serem soldados; II. Metalúrgicos: do tipo de material (ou materiais) que se pretende unir entende-se sempre pelo metal de base e de adição; III. Processo: do tipo de processo de soldagem, dominado industrialmente, comumente utilizado e disponível (máquina, consumível, mãode-obra qualificada, etc); IV. Desempenho: do desempenho esperado para com o processo e para com os componentes soldados frente às condições de serviço e as solicitações de carga (estáticas e/ou cíclicas); V. Custo: do custo total do processo, envolvendo treinamento de pessoal, condições de segurança, materiais, etc. 5/2/2013 5

A soldagem é o melhor método para fixação de duas peças metálicas? 5/2/2013 6

Soldagem Vantagens: Juntas de integridades e eficiências elevadas; Grande variedade de processos; Aplicável em diversos materiais (quando compatíveis); Operação manual ou automática; Pode ser altamente portátil; Juntas podem ser isentas de vazamentos (estanques); Custo em geral, razoavelmente baixo; Junta não apresenta problemas de perda de aperto; Não existe problemas de corrosão por frestas; Uniformidade. 5/2/2013 7

Soldagem Desvantagem: Não pode ser desmontada; Pode afetar microestrutura e propriedade das partes (ZAT); Pode causar distorções e tensões residuais; Requer considerável habilidade do operador; Requer qualificação de mão-de-obra; Pode exigir operações auxiliares de elevado custo e duração (ex: tratamento térmico); Estrutura final é única e pode ser sensível a falha total; Em alguns tipos de materiais e em algumas aplicações, requer qualificação do processo e dos consumíveis; Necessidade de compatibilidade de materiais de base; Necessidade de fontes externas de energia. 5/2/2013 8

Soldagem Definição: Soldagem é um termo genérico aplicado à um processo de fabricação, utilizado na união de peças metálicas (ou não), tendo como princípio termodinâmico básico a transformação das superfícies de união em estado líquido (poça de fusão), utilizando-se para isso de calor ou pressão, ou ambos simultaneamente, e com a posterior solidificação desta poça fundida. As 4 (quatro)* principais fontes diretas de calor mais comuns, utilizadas na soldagem, são as seguintes: I. Chama - produzida pela combustão de um gás combustível com ar ou oxigênio. II. Arco elétrico - produzido entre um eletrodo e as peças a soldar, ou entre dois eletrodos. III. Resistência elétrica oferecida pela passagem de corrente entre duas ou mais peças a soldar. IV. Pressão oferecida pelo exercício de uma pressão de atrito entre os dois materiais.. * Há porém outras formas de soldagem quanto ao tipo de fonte de calor disponíveis no mercado, contudo as mesmas não serão abordadas nesta disciplina. 5/2/2013 9

Soldagem Estrutura atômica do metal A Estrutura atômica do metal B Diluição de A+B = SOLDA Conceito teórico de uma solda, pela aproximação das superfícies das peças, pela atração atômica (difusão ou fusão). 5/2/2013 10

Soldagem Conceitos Fundamentais: Am = área fundida do metal de base Aa = área do metal adicionado (metal de adição) A2 = área da Zona Afetada Termicamente (ZAT) LI = Linha de Interface MB = Metal de Base. 5/2/2013 11

Soldagem Conceitos Fundamentais: Material de Base: É o material que constitui as partes a unir (o metal de cada lado de uma junta). Material de Adição: É o material que será usado como enchimento no processo de soldagem, capaz de preencher as folgas entre as superfícies a unir. O material adicional é de mesma natureza* das partes e será usado para assegurar a continuidade de propriedades, no caso da soldagem por fusão. Zona Afetada pelo Calor (ZAC ou ZAT): É a porção de metal, adjacente a região soldada, afetada pelo calor do processo de soldagem, onde ocorre as principais transformações de fases, e decorrente destas, as descontinuidades. Linha de Interface: Linha exata que se sucedeu a soldagem (linha limite da ZAC ou ZAT). 5/2/2013 12

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Macrografia de uma junta de topo, com chanfro em X. 5/2/2013 14

MICROGRAFIA DA JUNTA SOLDADA 5/2/2013 15

Nos processos de soldagem em geral, são influenciados diretamente por alguns fatores adicionais, que devem ser atentados, afim de que obtenhamos sucesso no resultado final do processo, a solda. São exatamente 4 (quatro) fatores de influência, quais podem vir a afetar negativamente (ou positivamente) uma operação de soldagem. Todos os fatores abaixo são levados em conta de uma seleção prévia do processo. São os fatores: Energia de Soldagem (relativo ao processo); Tensões Residuais; Parâmetros de Soldagem (relativo ao processo); Soldabilidade do Metal de Base. Soldagem 5/2/2013 16

Energia de Soldagem Os principais tipos de soldagem no estado sólido ou por fusão são classificados quanto à natureza da energia utilizada para promover a ligação metalúrgica, ao tipo de processo e com indicações de intensidade da fonte de energia de soldagem. A esta intensidade de calor da fonte, damos o nome de energia de soldagem (ou aporte térmico). O conceito de energia de soldagem ( E ) é quantidade de energia térmica transferida à peça por unidade de tempo, sobre a unidade de área (geralmente expressa por J/mm²). 5/2/2013 17

Energia de Soldagem A energia de soldagem é uma característica do processo de soldagem e da técnica empregados. Os processos de soldagem do tipo arco submerso (SAW) ou eletroescória (ESW), por exemplo, possuem inerentemente elevada energia de soldagem, enquanto processos muito intensos, no fator de aporte de calor, onde a área de aquecimento para fusão é pequena, como plasma (PAW) ou TIG (GTAW), são considerados de baixa energia. Quanto mais alto for a energia de soldagem (aporte de calor), maior será a quantidade de energia calorífica transferida à peça, maior a poça de fusão, mais larga a zona aquecida e menor o gradiente térmico entre a solda e o metal de base. 5/2/2013 18

Energia de Soldagem A energia de soldagem (ou aporte térmico, ou aporte de calor) tem relação também com o tamanho da poça de fusão e com a área das regiões aquecidas, e deve ser controlado na soldagem de ligas especiais. Escoamento de calor na soldagem de cordão sobre chapa: (a) chapa fina escoamento de calor bidimensional; (b) chapa grossa escoamento de calor tridimensional. 5/2/2013 19

Energia de Soldagem No ponto mediano da solda, no centro do cordão, é o ponto Tm, de maior calor, isto é, onde a temperatura máxima ocorre com toda intensidade. 5/2/2013 20

Energia de Soldagem O conceito de energia de soldagem (ou aporte térmico) é muito importante no estudo dos aspectos térmicos da soldagem, e dos fenômenos diversos que ocorrem (defeitos, distorções, etc.). A energia de soldagem E também é conhecida como aporte de calor, ou aporte térmico H do inglês heat input. O cálculo da energia de soldagem pode ser expresso através da relação: E = f. V. I v Onde: V tensão (V) I Corrente (A) v velocidade de avanço (mm/s) f valor do aporte cedido pela fonte (de acordo com o tipo do processo de soldagem). 5/2/2013 21

Tensões Residuais As operações de soldagem por fusão (sem exceção), criam tensões residuais que resultam da dilatação e contração do metal aquecido e da distribuição não uniforme de temperaturas, que caracteriza-se na operação. O metal de solda e a zona termicamente afetada (ZAT), próxima a zona de ligação, são aquecidos em temperaturas muito maiores do que o metal de base. Há então um gradiente de temperatura bem desuniforme ao longo da junta soldada, qual caminha com direção do centro do cordão ao metal de base. Durante o aquecimento, devido às restrições físicas do restante do material não aquecido (metal de base), ocorre progressivamente na zona termicamente afetada uma compressão e deformação plástica localizada para acomodar sua dilatação. 5/2/2013 22

Relembrando... Expansão (Dilatação) pelo Calor Dilatação Superficial T. inicial T. final Dilatação Volumétrica V. inicial V. final V. inicial V. final 5/2/2013 23

Tensões Residuais 5/2/2013 24

Tensões Residuais A medida em que a poça de fusão se solidifica, e posteriormente se resfria, começa a ocorrer (devido à forte concentração de tensão induzida pelo calor) uma volta elástica das regiões plastificadas, seguido de um tensionamento em formato de tração. Este tensionamento, que permanece residual, pode atingir valores tão elevados quanto o limite de escoamento do metal de base, e logicamente da zona termicamente afetada (ZAT). Entre os grãos do metal, chamamos este estado de tensionamento de, estado triaxial de tensões (no grão do metal, há a incidência de tensão entre os 3 eixos x, y e z) Os principais defeitos de origem metalúrgica (trincas), provenientes da operação de soldagem, ocorrem sempre pela associação das tensões residuais e susceptibilidade ao trincamento do metal de base. Essas trincas podem ocorrer em altas temperaturas (trincas a quente); ou em baixas temperaturas (trincas a frio). 5/2/2013 25

Tensões Residuais MA MB MB Logo após solda da peça (ou conjunto) solidificar-se, ao resfriar, a solda, devido a contração pela variação volumétrica da temperatura, cria linhas de tensão de tração, contrárias ao do metal de base. Há inúmeros tipos de trincas e fatores de trincamento. A este tipo de trincas consideramos trincas mecânicas. 5/2/2013 26

Tensões Residuais 5/2/2013 27

Tensões Residuais Imagem de um conjunto soldado, onde pelo excesso de solda, e conseqüentemente pelo excesso de tensões residuais, levou a trincar prematuramente. 5/2/2013 28

Tensões Residuais As tensões residuais podem ainda gerar problemas de estabilidade dimensional (distorções), empenamentos, ruptura de elementos. Muitas vezes são a causa de falha prematura em juntas soldadas, com ocorrências graves de defeitos. Alguns fatores como: Intertravamento de estruturas; Estruturas pesadas, de grandíssimo porte, com juntas mal dimensionadas; Estruturas hiperestáticas; Anéis e/ou placas circulares com soldas de topo; devem ser estudadas minuciosamente, e deve-se ainda, quando necessário, procurar formas de alívio e/ou espaço para contração, evitando assim uma susceptibilidade de acumulo das tensões externas, diminuindo a soma das tensões residuais da junta soldada. 5/2/2013 29

Soldabilidade A soldabilidade é uma propriedade inerente do material, oriunda de características metalúrgicas, que representa a facilidade com que este material pode ser soldado. Apesar da difícil quantificação, é fácil perceber que um material que exige procedimentos de soldagem mais complexos, apresentam difícil soldabilidade. Os principais problemas que se traduzem em má soldabilidade, e que podem levar o material a falhas durante a soldagem, ou quando esta em serviço (em operação após a soldagem), apresentam natureza metalúrgica e estão relacionados à formação de trincas durante ou após o procedimento de soldagem. Estas trincas, diferentemente das trincas ocasionadas por tensões residuais, tem natureza similar para com todos os materiais, e que podem ser classificadas como: TRINCAS A QUENTE e TRINCAS A FRIO. 5/2/2013 30

Soldabilidade Ao criarmos um determinado procedimento de soldagem, a soldabilidade deve ser levada em consideração primordial, e devemos atentar aos conceitos genéricos sobre: As características inerentes a cada região do conjunto soldado; A estrutura dos metais de base; Os consumíveis (gases, eletrodos, cobre-juntas); Os principais problemas metalúrgicos que podem surgir em metálicos e suas causas. materiais É muito importante ressaltar que qualquer tipo de trinca que possa ocorrer durante a soldagem ou durante o serviço é função do nível de tensões aplicadas + tensões residuais de soldagem, e que procedimentos para aliviar tensões serão sempre recomendados em materiais de pequena capacidade de deformação plástica. 5/2/2013 31

Soldabilidade Na soldagem de aços ligados (de média e alta liga), há a necessidade de atenção especial, no que tange a suscetibilidade de ocorrência de Trincas a frio e Trincas a Quente. Nestes aços, é comum a aplicação de uma formula para avaliar esta soldabilidade: As Fórmulas de Carbono Equivalente (CE). Estas fórmulas são comumente usadas para estimar a necessidade de cuidados especiais na sua soldagem. Uma expressão de CE muito difundida é: 5/2/2013 32

Soldabilidade Preferencialmente, o CE deve ser calculado para a composição real do aço a ser trabalhado. Quando esta composição não é conhecida, os teores máximos na faixa da especificação do aço devem ser considerados por segurança. Ex: Um metal base é considerado facilmente soldável com o processo SMAW quando CE < 0,40. Acima deste nível, cuidados especiais são necessários. Processos de soldagem de baixo hidrogênio devem ser usados e pode ser necessário pré-aquecer a junta. Quando CE > 0,60, deve-se usar préaquecimento para juntas com espessura acima de 20mm. Quando CE > 0,90, um pré-aquecimento a uma temperatura levada é absolutamente necessário para todos os casos, exceto para juntas de muito pequena espessura. 5/2/2013 33

Soldabilidade MATERIAIS Soldabilidade Otima Boa Regular Má Aço Baixo Carbono X Aço Médio Carbono X X Aço Alto Carbono Aço Inox X X Aço Liga X Ferro Fundido Cinzento X Ferro Fundido Nodular X Ferro Fundido Branco Alumínio e suas ligas X Cobre e suas ligas X Tabela com informações genéricas sobre soldabilidades dos principais metais. 5/2/2013 34 X X

Processos de Soldagem 5/2/2013 35

Processos de Soldagem A soldagem no estado sólido, envolve basicamente energia mecânica para aproximar a estrutura metalúrgica dos dois materiais de base (sem os óxidos superficiais) e desenvolver uma atração atômica, seja através da ação de fricção, impacto ou pressão. Como exemplo temos os processos de: soldagem por fricção, soldagem por explosão, soldagem por difusão ou ainda soldagem por laminação. A soldagem por fusão, ocorre com o aumento localizado da temperatura do material até que a temperatura da região onde estão os materiais a serem unidos ultrapasse a temperatura de fusão do metal ou da liga e posteriormente as partes sofram solidificação, mantendo uma continuidade física. Como exemplo temos os processos de: soldagem a arco, arco plasma, oxi-combustível. 5/2/2013 36

Processos de Soldagem Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo SOLDAGEM. Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados com os de soldagem são utilizados para o corte ou para o recobrimento de peças. Diversos aspectos dessas operações de recobrimento e corte são similares à soldagem e, por isso, muitos aspectos destes processos são abordados juntamente com esta. 5/2/2013 37

Processos de Brasagem 1.1 Soldabrasagem; 1.2. Brasagem; 1.3. Mig Brazing (MIG com arame não-ferroso); 1.4. Solda Branda (Solda Fraca). 5/2/2013 38

Processos de Soldagem 2.1. Soldagem por Descarga Capacitiva. 2..1.1.Soldagem de pinos. 2.2 Soldagem por Arco Elétrico 2.2.1 Soldagem Eletrodos revestidos 2.2.2 Soldagem TIG 2.2.3 Soldagem MIG/MAG 2.2.4 Soldagem por Arame Tubular 2.2.5 Soldagem por Arco submerso 2.2.6 Soldagem por Arco Plasma 2.2.7 Soldagem por Eletroescória 2.2.8 Soldagem por Eletrogás 2.2.9 Soldagem LASER; 2.2.10 Soldagem por Feixe de Elétrons. 2.3. Soldagem por Resistência; 2.3.1 Soldagem por Resistência a ponto 2.3.2 Soldagem por Resistência a roldana 2.4 Soldagem por Explosão (Cladeamento) 2.5 Soldagem por Fricção; 2.6 Soldagem por Difusão atômica; 2.7 Soldagem por Ultra-som; 2.8 Soldagem por Laminação; 2.9 Soldagem por Forjamento; 2.10 Soldagem por Oxicombustivel. 5/2/2013 39

Processos de Corte 3.1. Cortes Térmicos. 3.1.1. Corte por Oxigás (Oxicorte); 3.1.2. Corte por LASER; 3.1.3. Corte por Plasma; 3.1.4. Corte por Eletrodo de grafite. 3.2. Cortes Não-Térmicos. 3.2.1. Corte por Jato d água ultra-pressurizado (Flow Cut Water); 3.2.3. Corte por Serra; 3.2.4. Corte por Discos Abrasivos Compostos. 5/2/2013 40

Processos de Soldagem GTAW - Soldagem por Arame Sólido MIG/MAG FCAW Soldagem por Arame Tubular 5/2/2013 41

Processos de Soldagem SMAW - Soldagem por Eletrodos Revestidos SAW Soldagem por Arame Submerso 5/2/2013 42

Processos de Soldagem GTAW - Soldagem por Eletrodo de Tungstênio Protegido TIG 5/2/2013 43

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Terminologia de Soldagem 5/2/2013 45

Posições de Soldagem Planas (Topo) Tubulares 5/2/2013 46

Posições de Soldagem Em ângulo 5/2/2013 47

Partes de Uma Junta Soldada 5/2/2013 48

Partes de Uma Junta Soldada 5/2/2013 49

Tipos de Junta Junta de topo Junta em quina Junta em aresta Junta em ângulo ou em T Junta sobreposta 5/2/2013 50

Soldas Sem Chanfro Solda Tampão Alongado Solda Tampão 5/2/2013 51

Tipos de Chanfros em Juntas 5/2/2013 52

Nomenclatura de Soldagem 5/2/2013 53

Simbologia de Soldagem 5/2/2013 58

Normalização na Soldagem 5/2/2013 63

PROCESSO Normalização da Soldagem API 6A, API 17D, API 16 A, API 5CT... PROJETO AWS American Welding Society D1.1 estruturas metálicas... DVN - Rules for Design, Construction and Inspecion of Offshore Structures - estruturas marítimas de aço; Especificações diferentes de associações como: ISO - International Organization for Standardization; AWS - American Welding Society; BBS - British Standard Society; DIN - Deustches Institute fur Normung; NFA - Association Francaise de Normalisation; ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, etc. 5/2/2013 64

Normas PETROBRÁS Normalização da Soldagem Petrobras - N 133 Soldagem Geral Documentação (EPS, RQPS, RQS); Garantia (equipamentos, métodos); Recomendações para aços C, C-Mn, C-Mo, Cr-Mo, Ni, inoxidáveis austeníticos, martensíticos e ferríticos, além de ligas de níquel e cobre. 5/2/2013 65

Normalização da Soldagem Normas ABNT - NBR ABNT NBR10150. Radiografia - Inspeção de soldas de topo em vasos de pressão e tanques em armazenamento - Critérios de aceitação; ABNT NBR10234. Folhas-de-flandres - Avaliação da soldabilidade com solda 30A; ABNT NBR10474. Qualificação em soldagem; ABNT NBR10516. Consumíveis em soldagem; ABNT NBR10614. Eletrodos revestidos de aço-carbono para a soldagem a arco elétrico; ABNT NBR10615. Eletrodos revestidos de aço-carbono para a soldagem a arco elétrico; ABNT NBR10616. Eletrodos revestidos de aço-carbono para a soldagem a arco elétrico Ensaios; ABNT NBR10617. Eletrodos de aço-carbono e fluxos para a soldagem a arco submerso; ABNT NBR10618. Eletrodos de aço-carbono e fluxos para a soldagem a arco submerso; ABNT NBR10619. Eletrodos de aço-carbono e fluxos para a soldagem a arco submerso Ensaios; 5/2/2013 66

Normalização da Soldagem Normas ABNT - NBR ABNT NBR10685. Soldas em partes estruturais do casco de embarcações - Ensaio por ultra-som; ABNT NBR10686. Inspeção de solda por ensaio de ultra-som em partes estruturais do casco de embarcações; ABNT NBRNM315 / NBR11449. Trilho "Vignole" - Solda - Determinação da resistência à fadiga ABNT NBR11720.Conexões para união de tubos de cobre por soldagem ou brasagem capilar Requisitos; ABNT NBR11964. Tintas - Verificação do não comprometimento em soldagem; ABNT NBR12275. Junta soldada em componentes metálicos de uso aeroespacial; ABNT NBR13043. Soldagem - Números e nomes de processos; ABNT NBR13244. Peças de ferro fundido recuperadas - Requisitos para aprovação do procedimento de soldagem e aceitação das peças; 5/2/2013 67

Normas ABNT - NBR Normalização da Soldagem ABNT NBR14842. Critérios para a qualificação e certificação de inspetores de soldagem; ABNT NBR5164. Ensaios básicos climáticos e mecânicos - Ensaio Tb: Resistência à choques térmicos de soldagem; ABNT NBR5401. Componentes e equipamentos eletrônicos - Ensaios de ambiente e resistência mecânica - Ensaio T Soldagem; ABNT NBR5874. Terminologia de soldagem elétrica; ABNT NBR5883. Solda branda ABNT NBR5900. Mangueiras para solda a gás ABNT NBR6634. Solda branda em fio com núcleo de resina 5/2/2013 68

Normas ABNT - NBR Normalização da Soldagem ABNT NBR7165. Símbolos gráficos de solda para construção naval e ferroviário; ABNT NBR7239. Chanfro de solda manual para construção naval - Tipo01; ABNT NBR7373. Tubos de polietileno duro fabricados por enrolamento; ABNT NBR7419. Material ferroviário ferroso - Determinação de defeitos superficiais e subsuperficiais por meio magnético - Cancelada ; ABNT NBR7859.Máquina elétrica para soldagem a arco; ABNT NBR8420. Solda para construção naval - Identificação de descontinuidades radiográficas; 5/2/2013 69

Normas ABNT - NBR Normalização da Soldagem ABNT NBR6657. Perfil de estruturas soldadas de aço; ABNT NBR 11720 Processo de Soldagem e Brasagem; ABNT NBR 13932. Projeto de Juntas Soldadas; ABNT NBR 14842. Inspetores de Soldagem; ABNT NBR8672. Qualificação do procedimento de soldagem de tubos de ligas de ZR-SN para varetas combustíveis pelo processo TIG automático; ABNT NBR8878. Solda manual e semi-automática para estrutura de embarcações - Qualificação de soldadores; ABNT NBR9111.Varetas e arames de ligas de alumínio para soldagem e brasagem, de aplicação aeronáutica; 5/2/2013 70

Normalização da Soldagem Normas ABNT - NBR ABNT NBR9378. Equipamento elétrico para soldagem a arco - Fontes de energia de corrente constante e fontes de energia de tensão constante; ABNT NBR9540. Requisitos gerais para um programa de qualificação de soldadores e operadores de soldagem em nível aeroespacial; ABNT NBR10680. Qualificação de soldadores e operadores de soldagem emnível aeroespacial; ABNT NBR9360. Inspeção radiográfica em soldas na estrutura do casco de embarcações; ABNT NBR10663. Qualificação de procedimentos de soldagem pelo processo eletrodo revestido para oleodutos e gasodutos. 5/2/2013 71

Fim!!! 5/2/2013 72