Disciplina: Fundição e Soldagem

Disciplina: Fundição e Soldagem Prof. Valtair Antonio Ferraresi Laboratório para o Desenvolvimento de Processos de Soldagem - LAPROSOLDA Tópico 1:Soldagem, corte e operações afins Objetivo Descrever e diferenciar os principais processos de soldagem, corte térmico e operações afins, incluindo tipos de fontes de calor, equipamentos, acessórios e consumíveis. Fazer entender os princípios atuantes na física do arco (e outros de processos não a arco) para prever as correlações básicas entre os parâmetros de soldagem e suas ações sobre a produção. Especificar o processo de soldagem, corte ou operação afins mais adequados em função das características do produto (tamanho, material) e da produção. Entender os fundamentos básicos da metalurgia da soldagem e da imposição dos ciclos térmicos sobre o material a soldar, correlacionado com a formação de trincas. 1

Ementa Geral Soldagem: introdução - engenharia e Inspeção na soldagem; classificação dos processos de soldagem (fusão e pressão); soldagem x brasagem; Brasagem; princípio e características. Brasagem fraca, brasagem forte e brasagem em alta temperatura. Soldagem por Pressão: por atrito; faiscamento; Soldagem por Resistência: solda a ponto; múltiplos pontos; roletes; de topo (4 horas-aulas). O arco voltaico: formação; Propriedades do plasma; Acendimento e manutenção do arco; Tensão e divisão do arco; Distribuição de calor entre ânodo e cátodo; Jato de Plasma: formação; Característica Estática dos arcos (CEA); Fontes de Soldagem: característica Estática de Fonte (CEF); Relação entre CEA e CEF: ponto de trabalho; Tipos de fontes; Fontes Convencionais; Controle; Fontes Modernas; Soldagem manual, automática e semi-automática; Ciclo de Trabalho (9 horas-aulas) Sopro magnético; Consumo de Eletrodos; Controle de comprimento de arco: auto-ajuste (interno) e retroalimentação (externo); Forças atuantes na transferência metálica; tipos de transferência; (7 horas-aula) Processos de soldagem a arco: definição, equipamentos, fontes, consumíveis (tipo, função, classificação AWS), vantagens, limitações e comparações entre eles; Processo Eletrodo Revestido; Processo TIG; Processo MIG/MAG e MIG pulsado; Processo Eletrodo Tubular; Processo Arco Submerso. (10 horas-aula) Outros processos de soldagem e operações afins: laser, feixe eletrônico, Soldagem e Corte Oxiacetileno; corte por plasma; arco grafite, eletroescória, aluminotermia, eletrogás; (6 horas-aula) Aspectos gerais da metalurgia da soldagem. Ciclos térmicos da zona de solda. Formação da ZAC; Defeitos;. Segurança e higiene na soldagem. (8 Horas-aula) Livros Textos Soldagem MIG/MAG: melhor entendimento, melhor desempenho - Scotti, A. & Ponomarev, V., Ed Artliber, 2008 Introdução à Soldagem a Arco Voltaico, Quites, A.M., Florianópolis, Ed. Soldasoft, 2002 (ISBN 85-89445-01-1 (soldasoft@soldasoft.com.br) Soldagem & Técnicas Conexas: Processos. Ivan Guerra Machado, 1996. Soldagem - Processos e Metalurgia; Wainer, E., Brandi, S.D. e Melo, F.D.H., Edit. Edgard Blücher Ltda, SP, 1992. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia; Marques, P.V., Modenesi, P.J. e Bracarense, A.Q., Editora UFMG, Ed. 2005, 363 p. Reis, R.P. & Scotti, A., Fundamentos e Prática da Soldagem a Plasma, 1. ed. São Paulo: Artliber Editora, 2007. v. 1000. 147 p http://www.demet.ufmg.br/labs/soldagem/ > TEXTOS > Processos da Soldagem (graduação) Seção didática dos sites www.cimm.com.br ou www.infosolda.com.br ou www.esab.com.br 2

2004 100 anos da soldagem Antes de 1904, as soldagens eram feitas.. por eletrodo de grafite e, principalmente,... por forjamento. Cedido pela ITW (Ubirajara P. Costa) 3

Soldagem é uma tecnologia que agrega diversas áreas de conhecimento: Física dos átomos; Mecânica dos fluídos; Transferência de calor; Eletricidade; Eletrônica; Siderurgia; Metalurgia; Cinemática; Mecanismos; Dinâmica; Resistência dos materias; Elasticidade; Plasticidade; DEFINIÇÕES Algumas definições encontradas são: União de metais por fusão Processo de união localizada produzida por aquecimento, com ou sem uso de pressão e metal de adição Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais na região de contato entre os materiais sendo unidos. Mas a mais completa (IIW): Soldagem é um processo de união que garante a continuidade (no sentido matemático) das propriedades físicas e químicas da junta 4

COMPARAÇÃO COM OUTROS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO A união de peças metálicas com parafusos ou rebites exige que estas sejam furadas, causando uma perda de seção de até 10%, que deve ser compensada por uma espessura maior das peças. Também há a descontinuidade, com fator de concentração de tensão A utilização de chapas de reforço e os próprios parafusos e porcas ou rebites aumentam ainda mais o peso final da estrutura. COMPARAÇÃO COM OUTROS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO (cont..) As juntas soldadas podem ser estanques, não havendo necessidade de se recorrer a artifícios para se prevenir vazamentos, mesmo sob pressão elevada. A soldagem é muito versátil em termos dos tipos de ligas metálicas e das espessuras que podem ser unidas (Pode-se unir desde peças com espessura inferior a 1 mm, como jóias, componentes eletrônicos, etc., até estruturas de grandes dimensões (navios, vasos de pressão etc.). 5

COMPARAÇÃO COM OUTROS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO (cont..) Comparada à fundição, a soldagem apresenta características interessantes: possibilidade de se ter grandes variações de espessura na mesma peça; inexistência de uma espessura mínima para adequado preenchimento do molde com o metal fundido; possibilidade de se usar diferentes materiais numa mesma peça; maior flexibilidade em termos de alterações no projeto da peça a ser fabricada e menor investimento inicial. COMPARAÇÃO COM OUTROS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO (cont...) Mas... A solda é uma união permanente e não deve ser utilizada em juntas que precisam ser desmontadas. É baseada na aplicação de energia térmica e/ou mecânica, o que tende a causar o aparecimento de distorções, tensões residuais, mudanças de microestrutura e alteração de propriedades. 6

Uniões de Materiais É possível dividir os processos de uniões de materiais em dois grandes grupos (além dos adesivos): - Soldagem; - Brasagem BRASAGEM: "Brasagem é o processo de união de materiais através da fusão de um metal de adição, cuja linha liquidus é superior à 450oC, mas inferior à linha sólidus dos materiais de base, que permanecem no estado sólido". SOLDAGEM: Soldagem é o processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzidos por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição" (American Welding Society - AWS). 7

Classificação dos Processos de Soldagem Por fusão Por pressão a chama a arco oxi-acetilena oxi-hídrica oxi-propânica Encoberto (submerso) descoberto (visível) em banho de escória aluminotermia bombardeamento eletrônico raio Laser plasma a resistência elétrica a indução a ultra som a atrito Friction Stir Welding Explosão com fio contínuo com fita contínua com eletrodos auto protegidos com eletrodos imersos em atmosferas protetoras por sobreposição de topo por pontos por relevos por costura eletro-forjamento faiscamento Protetor externo (eletrodo revestido) protetor interno (eletrodos tubulares auto-protegido) Com arame contínuo (MIG/MAG/ET) Com eletrodo permanente (TIG) PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÂO 8

N o de processos desenvolvidos (cumulativo) 40 30 20 10 Plasma-MIG MIG/MAG Duplo-Pulso MIG/MAG Duplo-Arame e MIG-LASER MIG-Brazing Friction Stir Welding Laser TIG Multi-Eletrodo MIG/MAG Pulsado MAG Curto-Circuito Controlado Plasma Feixe de Elétrons Atrito Eletro-Gás Eletro-Escória Explosão Ultra-Som MIG/MAG TIG Arco Submerso Arco Elétrico Eletrodo Revestido Oxiacetileno 1800 1850 1900 1950 2000 Anos PROCESSO DE SOLDAGEM POR PRESSÃO (OU DEFORMAÇÃO) Soldagem por fusão a arco elétrico Eletrodo revestido A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding SMAW), também conhecida como soldagem manual a arco elétrico. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revestido e a peça de trabalho. 9

Soldagem TIG (Tungsten Inert Gás) ou GTAW É um processo no qual a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento e fusão desta através de um arco elétrico estabelecido entre o eletrodo de tungstênio (W), não consumível, e as peças a unir. 10

Aspecto Geral do Processo de Soldagem a Plasma Os dois principais efeitos que surgem com a constrição física do arco são: - perfil estreito e colunar do arco; - aumento da velocidade do jato de plasma pela maior obstrução à passagem do fluxo de gás. TIG Plasma Soldagem MIG/MAG (Metal Inert Gás) ou GMAW Um arco elétrico é estabelecido entre a peça e um consumível na forma de arame. O arco funde continuamente o arame à medida que este é alimentado à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera pelo fluxo de um gás inerte ou por uma mistura de gases. 11

Soldagem por Resistência Compreende um grupo de processos nos quais a união de peças metálicas é produzida em superfícies sobrepostas ou em contato topo a topo, pelo calor gerado na junta através de resistência à passagem de uma corrente elétrica (efeito joule) e pela aplicação de pressão. Soldagem a gás É um processo np qual a coalescência ou união dos metais é obtida pelo aquecimento destes até a fusão com uma chama de um gás combustível e oxigênio. 12

Soldagem por fricção O ARCO ELÉTRICO NA SOLDAGEM O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada através de um gás ionizado, a alta temperatura (conhecido como PLASMA), podendo produzir energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, pela fusão localizada das peças a serem unidas. A primeira observação do arco elétrico em condições controlada foi feita por Sir Humphrey Davy no início do século XIX. O termo arco foi aplicado a este fenômeno em função de sua forma característica resultante da convecção dos gases quentes gerados pelo mesmo Em soldagem, o arco normalmente ocorre entre um eletrodo cilíndrico e um plano (a peça), dando a esse um formato típico de tronco de cone. O eletrodo pode ser de um material refratário como o tungstênio (eletrodo não consumível) ou de metal de menor ponto de fusão como o aço (eletrodo consumível). 13

No caso de eletrodo consumível, o processo é mais complicado pois tem-se: (a) passagem de metal fundido (e, às vezes, de escória) através do arco, (b) geometria variável da ponta do eletrodo e (c) comprimento de arco variável e dependente do balanço entre as velocidades de alimentação e fusão do eletrodo. Fonte de energia para soldagem por fusão A soldagem por fusão é realizada pela aplicação de energia em uma parte da junta fusão localizada. A fonte transfere energia à junta através de uma área de contato (Ao) aquecendo o material até a sua fusão. Devido a condutividade térmica dos metais o calor se difunde rapidamente para o restante da peça. Para se quantificar este requisito, define-se potência específica (Pesp) ou intensidade de uma fonte de energia como: 14

Intensidade da fonte de energia para diferentes processos de soldagem: - Eletrodo revestido 0,005 0,5 GW/m2 - MIG/MAG 0,005 0,5 GW/m2 - Plasma 0,005 50 GW/m2 - Feixe de elétrons ou laser 50 5000 GW/m2 A alta energia de soldagem causa alterações de temperatura no metal depositado e nas regiões adjacentes do metal de base dependem das características do fluxo de calor. Variações de temperatura causam variações dimensionais e alterações microestruturais que podem resultar em defeitos indesejáveis, tais como: a - tensões residuais e distorção; b - deterioração de propriedades mecânicas (ductilidade, tenacidade, resistência mecânica à tração, etc.); c - formação de trincas devido a (a) e (b); d deterioração de propriedades físicas, químicas, etc. Energia envolvida na soldagem - energia gerada no arco P = V.I (Volts x Amperes) = Watts = J/s - energia depositada por unidade de comprimento da solda (H) H = V.I/v (J/mm), onde v é a velocidade de soldagem dada por mm/s. Entretanto, somente parte desta energia é transferida para a solda (HL) energia líquida de soldagem, dado por: HL =.H, onde é o rendimento térmico valor inferior a um. (1- ).H representa as perdas ocorridas energia por unidade de comprimento não transferida para a peça. Com isso: = energia transferida para a peça (HL)/energia gerada pela fonte de calor (H). O depende do processo e das condições de soldagem - Arco submerso 85 a 98% - MIG/MAG 75 a 95% - Eletrodo revestido 70 a 85% - TIG (CC-) 50 a 80% - TIG (CA) 20 a 50% 15

A energia de soldagem é um parâmetro cuja medida é extremamente simples, sendo comumente utilizada em normas e trabalhos técnicos para se especificar as condições de soldagem. Cautela: Nem sempre existe uma relação direta entre a energia de soldagem e os efeitos térmicos da soldagem na peça. Corrente, tensão e velocidade de soldagem afetam de modo diferente a intensidade do arco e o rendimento térmico. Para o mesmo processo é possível obter soldas de formatos completamente: - 800A, 26V e 12 mm/s - 125A, 26V e 1,7 mm/s. A penetração e o formato do cordão são completamente diferente para a mesma energia de soldagem (1,8 KJ/mm) Perfil Elétrico Existem quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos (ânodo e cátodo) que atingem entre 1 e 20V. Esta variação de tensão ao longo do arco sugere que este pode ser dividido em três regiões principais: Zona de Queda Catódica, Coluna de Plasma, e Zona de Queda Anódica. As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térmicos e elétricos, da ordem de 10 6 oc/mm e de 10 3 a 10 5 V/mm, respectivamente. A coluna de plasma apresenta gradientes térmicos e elétricos bem mais baixos, da ordem de 10 3 oc/mm e 1 V/mm, respectivamente. 16

Jato de Plasma Em geral, os gases são absorvidos pelo arco junto do eletrodo e impulsionados como um jato a alta velocidade (de até 102m/s) para a peça independentemente da polaridade usada. Este jato confere ao arco uma certa rigidez ou resistência a correntes de ar e influencia as características do processo como, por exemplo: -a soldagem fora da posição plana, - o formato do cordão, - a estabilidade do processo e, - a absorção de gases pela poça de fusão. Deflexão Magnética (Sopro Magnético) Consiste de um desvio do arco de sua posição normal de operação e que tende a ocorrer de uma forma intermitente e similar a uma chama sendo soprada. O sopro magnético resulta de uma distribuição assimétrica do campo magnético em torno do arco, o que causa o aparecimento de forças radiais atuando sobre o arco e levando à alterações de sua posição. Para minimizar ou eliminar este efeito: - inclinar o eletrodo para o lado que se dirige o arco; - soldar com arco mais curto; - usar mais de uma conexão de corrente na peça, visando balanceá-la em relação ao arco; - usar CA. 17

Posições típicas de cordões de junta de topo: posição plana; posição sobrecabeça; posição vertical; posição horizontal; Posições típicas de cordões de junta em ângulo: posição plana; posição sobrecabeça; posição horizontal; posição vertical; 18

Ângulo do eletrodo em relação ao cordão: Ângulo de ataque Empurrando Reto Puxando Ângulo de trabalho 19

TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM Os termos relacionados a seguir são apenas alguns dos mais usuais. Abertura da raiz (root opening) separação entre os membros a serem unidos na raiz da junta; Ângulo do bisel (bevel angle) ângulo formado entre a borda preparada do componente e um plano perpendicular à superfície do componente; Ângulo do chanfro (groove angle) ângulo interno do chanfro entre as partes a serem unidas por uma solda. Ângulo de deslocamento ou de inclinação do eletrodo (travel angle) ângulo que o eletrodo forma com uma reta de referência, perpendicular ao eixo da solda, no plano comum ao eixo da solda e ao eletrodo. Ângulo de trabalho (work angle) ângulo que o eletrodo forma com relação à superfície do metal de base num plano perpendicular ao eixo da solda. 20

Camada (layer) conjunto de passes depositados e situados aproximadamente num mesmo plano Figura 3. Cordão de solda (weld bead) depósito de solda resultante de um passe. 21

Chanfro (groove) abertura ou sulco na superfície de uma peça ou entre dois componentes, que determina o espaço para conter a solda. Os principais tipos de chanfros são: FIGURA 5 22

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Soldagem (welding) processo utilizado para unir materiais por meio de solda Solda (weld) união localizada de metais ou não-metais, produzida pelo aquecimento dos materiais a temperatura adequada, com ou sem aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão apenas, e com ou sem a participação de metal de adição. Solda autógena (autogenous weld) solda de fusão sem participação de metal de adição. Solda heterogênea solda cuja composição química da zona fundida difere significativamente da dos(s) metal(is) de base, no que se refere aos elementos de liga. Solda homogênea solda, cuja composição química da zona fundida é próxima a do metal de base. Soldagem a arco (arc welding) grupo de processos de soldagem que produz a união de metais pelo aquecimento destes por meio de um arco elétrico, com ou sem a aplicação de pressão e com ou sem o uso de metal de adição. Brasagem (brazing, soldering) processo de união de materiais onde apenas o metal de adição sofre fusão, ou seja, o metal de base não participa da zona fundida. O metal de adição se distribui por capilaridade na fresta formada pelas superfícies da junta, após fundir-se. Atmosfera protetora (protective atmosphere) envoltório de gás que circunda a parte a ser soldada ou brasada, sendo o gás de composição controlada com relação a sua composição química, pressão, vazão, etc. Cobre-junta (backing) material (metal de base, material granulado, cobre ou carvão) colocado na raiz da junta soldada, com a finalidade de suportat o metal fundido durante a execução da soldagem. 30

Eficiência da junta (joint efficiency) relação entre a resistência de uma junta e a resistência do metal de base. Goivagem (gouging) operação de fabricação de um bisel ou chanfro pela remoção de material. Goivagem a arco (arc gouging) processo de corte a arco usado para fabricar um bisel ou chanfro. Inspetor de soldagem profissional qualificado, empregado pela executante dos serviços, para exercer as atividades de controle de qualidade relativas à soldagem. FIM 31