Aspectos térmicos da soldagem
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Metalurgia da Soldagem
Aspectos Térmicos da Soldagem
Neste texto você conhecerá os aspectos térmicos relacionados com o
processo de soldagem, que compreendem a Energia de Soldagem, o
Ciclo Térmico, a Repartição Térmica e a Zona Fundida (transformações
associadas à Fusão). Serão apresentados também os tratamentos
térmicos de preaquecimento e pós-aquecimento em soldas.
Energia de Soldagem
O conceito de energia de soldagem é muito importante no estudo do
aspecto térmico da soldagem. Define-se a energia de soldagem como a
razão entre a quantidade de energia dispendida na soldagem e a
velocidade de avanço da poça de fusão. A velocidade de avanço exprime
o comprimento de solda executado em cada passe na unidade de
tempo.
Soldagem a arco elétrico
Onde:
E - energia de soldagem (joule/milímetro)
f - eficiência de transmissão de calor (%)
V - tensão (volt)
I - corrente (ampère)
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V - velocidade de avanço (milímetro/segundo)
Soldagem a gás
Onde:
E - energia de soldagem (joule/milímetro)
f - eficiência de transmissão de calor (%)
P - potência dispendida pela fonte de calor na soldagem (watt)
V - velocidade de avanço (milímetro/segundo)
A energia de soldagem é característica do processo de soldagem
empregado. O processo Eletroescória, por exemplo, possui elevada
energia de soldagem, visto que a velocidade de deslocamento da poça
de fusão é muito lenta.
Ciclo Térmico e Repartição Térmica
Considere um ponto da junta soldada, definido pela sua distância ao
centro da solda e pela sua posição em relação à espessura. O calor da
operação de soldagem provoca, neste ponto, variações de temperatura
como indica a figura 1.
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TEMPERATURA (θ)
Figura 1: Ciclo térmico no ponto A.
A variação de temperatura em função do tempo, θ = f(t) num
determinado ponto da junta soldada é o ciclo térmico no ponto
considerado. A curva permite a determinação de:
θm - temperatura máxima atingida
tp - tempo de permanência acima de uma certa temperatura, por
exemplo: θc
Vθ - velocidade de resfriamento à temperatura θ
tr - tempo de resfriamento entre as temperaturas θ1 e θ2
Analisando todos os pontos, é possível se obter as temperaturas
máximas atingidas em função da distância ao centro da solda θm = f(x)
(figura 2). Esta função é a repartição térmica para a reta considerada (no
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centro da solda). Estabelecido o regime de soldagem, a repartição
térmica mantém a sua forma ao longo do cordão de solda.
Figura 2: Repartição térmica.
Com as duas funções, torna-se viável o estudo das transformações
metalúrgicas no estado sólido ocorrente numa junta soldada. O ciclo
térmico possibilita a interpretação ou previsão das transformações,
enquanto que a repartição térmica permite determinar a extensão das
zonas onde se passam tais fenômenos.
As curvas temperatura-tempo levantadas em diversos pontos ao longo
de uma perpendicular à solda têm a forma da figura 3. À medida que o
ponto considerado se afasta da solda, as temperaturas máximas são
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decrescentes e atingidas com certo atraso. O tempo de permanência
acima de certa temperatura decresce no mesmo sentido.
Figura 3: Ciclos térmicos em diversas distâncias da solda.
Teoricamente as velocidades de resfriamento decrescem à medida que a
distância x aumenta. Entretanto do ponto de vista prático e para a faixa
de temperatura onde ocorrem os fenômenos de têmpera, pode-se
considerar a velocidade de resfriamento - ou o tempo de resfriamento como constante em toda extensão da zona afetada termicamente.
Fatores do Ciclo Térmico
A temperatura máxima e a velocidade de resfriamento, calculadas pelas
fórmulas abaixo, são os parâmetros principais do ciclo térmico.
θm =
⎛ αx 2 ⎞
2
E
×
⎜1−
⎟;
π e 2C × E x ⎝
λE ⎠
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Vθ =
2πλ(θ − θ o ) 2
, para peças espessas (t > 40 mm);
E
2πλC. (θ − θ 0 ) t 2
Vθ =
, para peças finas.
E2
3
Onde:
θm - temperatura máxima atingida
Vθ
- velocidade de resfriamento
C
- capacidade térmica volumétrica
E
- energia de soldagem
t
α
- espessura
λ
- condutibilidade térmica
e
x
θ
- base dos logaritmos neperianos
- coeficiente de troca térmica superficial
- distância ao centro da solda
- temperatura na qual se calcula a
velocidade de resfriamento
θo - temperatura inicial da peça
Da análise dessas fórmulas, pode-se concluir que:
•
A temperatura máxima atingida e a velocidade de resfriamento
dependem das propriedades físicas do material que está sendo
soldado;
•
A temperatura máxima atingida varia diretamente com a energia de
soldagem, isto é, quanto maior a energia de soldagem maior será a
temperatura máxima atingida. É importante observar que o aumento
da temperatura inicial da peça equivale, simplificadamente, a um
aumento da energia de soldagem;
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•
A temperatura máxima atingida varia inversamente com a distância
ao centro da solda, isto é, quanto mais afastado da solda estiver o
ponto considerado, menor será a temperatura máxima atingida.
•
A velocidade de resfriamento varia inversamente com a temperatura
inicial da peça que está sendo soldada, isto é, quanto maior a
temperatura inicial da peça, menor a velocidade de resfriamento. A
influência da temperatura inicial é mais significativa em peças de
pequena espessura;
•
A velocidade de resfriamento varia diretamente com a espessura da
peça que está sendo soldada, isto é, quanto maior a espessura maior
a velocidade de resfriamento. Entretanto, a variação tem um limite. A
partir de uma determinada velocidade de resfriamento, por mais que
se aumente a espessura, a velocidade de resfriamento não se altera.
A velocidade de resfriamento limite varia com a energia de soldagem
(ver figura 4).
•
A velocidade de resfriamento varia inversamente com a energia de
soldagem, isto é, quanto menor a energia de soldagem maior a
velocidade de resfriamento. A influência da energia de soldagem na
velocidade de resfriamento é maior em espessuras finas.
•
A velocidade de resfriamento varia com a forma geométrica das
peças. A figura 5 mostra os coeficientes de correção para a energia
de soldagem e a espessura da peça a serem empregados no cálculo
da velocidade de resfriamento, em função da geometria das juntas.
•
O processo de soldagem define a energia de soldagem e, portanto,
influencia tanto a temperatura máxima como a velocidade de
resfriamento.
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Deve-se observar que quanto maior é a temperatura máxima atingida,
maior é a extensão da zona afetada termicamente e que quanto menor
é a velocidade de resfriamento, menor é a possibilidade de têmpera.
Figura 4: Influência da energia de soldagem e da espessura no tempo de
resfriamento.
Figura 5: Coeficiente de correção para a energia de soldagem e
espessura da peça em função das geometrias das juntas.
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Zona Fundida
Transformações Associadas à Fusão
Chama-se de fusão para um determinado metal, a sua passagem do
estado sólido para o estado líquido. Essa transformação se dá com
aumento de calor ou energia térmica. Durante a fusão, o metal passa
por um processo de aquecimento.
Durante a breve permanência no estado líquido, a solda sofre alterações
em sua composição química que podem ser atribuídas às seguintes
causas: volatilização, reações químicas, absorção de gases e diluição.
Destas causas, apenas a diluição é objeto de estudo do inspetor de
soldagem nível 1, conforme descrito abaixo:
Diluição
A composição química de uma solda não é a mesma especificada para o
metal de adição depositado. O coeficiente de diluição ou simplesmente
diluição, indica a participação do metal de base na constituição da zona
fundida (ver figura X).
A – área de seção transversal da zona fundida.
B – área de participação do metal de base na seção transversal da zona
fundida.
d - diluição
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A diluição é função do processo de soldagem e do procedimento de
soldagem (variáveis de soldagem). Por exemplo, com eletrodo revestido,
a diluição é da ordem de 25 a 35%, enquanto que, na soldagem a arco
submerso, pode atingir 50%.
A extrapolação das propriedades dos metais de adição é geralmente
comprometida pela diferença de diluição entre a preparação dos corpos
de prova de avaliação de propriedade do metal de adição, e as soldas
propriamente ditas. Daí a necessidade de simulação e teste do
procedimento de soldagem antes da fabricação de equipamentos
(qualificação do Procedimento0 de Soldagem).
Na soldagem de metais dissimilares, a diluição é um dado disponível
para a previsão dos constituintes e propriedades da solda. Um exemplo
clássico é o emprego do diagrama de Schaeffler na soldagem dos aços
inoxidáveis.
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Nota
Para uma compreensão mínima será apresentado um breve resumo das
outras causas mencionadas:
•
Volatilização: estas perdas, além de acarretarem problemas de
segurança quanto à inalação dos fumos de soldagem produzidos,
alteram a composição química da solda, variando esse efeito
conforme o elemento químico que está sendo transferido, o
processo de soldagem e etc.;
•
Reações químicas: as reações químicas no metal líquido são
prejudiciais quando provocam o desprendimento de gases, que
poderão ficar aprisionadas na solda, acarretando porosidades;
•
Absorção de gases: o metal líquido da solda pode dissolver gases
notadamente o hidrogênio, resultante da decomposição do vapor
d’água no arco elétrico.
Preaquecimento
O preaquecimento consiste no aquecimento da junta numa etapa
anterior à soldagem. Tem como principal efeito reduzir a velocidade de
resfriamento da junta soldada, permitindo desta forma:
•
Evitar a têmpera, isto é, a formação de martensita (finalidade
principal); e
•
Aumentar a velocidade de difusão do hidrogênio na junta soldada
favorecendo o seu escape (finalidade secundária).
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Nota
No estudo do diagrama de equilíbrio de fases Ferro – Fe3C, dos aços
carbono, estudo este exigido somente para o Inspetor de soldagem N2,
é visto o que acontece com uma liga Fe-carbono quando esfriada
lentamente.
No nosso caso, ou seja, Inspetor de soldagem n1, somente faremos
menção do que é a austenita e a martensita nos aços-carbono, afim de
melhor explicar o preaquecimento.
- Austenita: É uma estrutura cúbica de face centrada-CFC (ferro ) que
possui
pouca
capacidade
de
dissolver
o
carbono.
Durante
o
resfriamento, se o mesmo for lento, abaixo de 723°C, o carbono se
precipita formando um composto Fe3C (cementita).
- Martensita: Quando ocorre um resfriamento rápido do aço com
microestrutura austenítica, pode-se obter uma fase super saturada em
carbono, chamada martensita. A martensita é muito frágil e possui
elevada dureza justamente por reter uma grande quantidade de
carbono que não teve tempo para se precipitar. Chama-se de têmpera
o resfriamento rápido que permite a sua formação.
O preaquecimento faz com que a junta soldada atinja temperaturas
ligeiramente mais elevadas e que permaneça nestas temperaturas por
mais tempo. Isto permite que o hidrogênio dissolvido, em sua maior
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parte na austenita, tenha possibilidade de se difundir. Intensiona-se
com o preaquecimento evitar a formação de martensita (finalidade
principal), assim como reduzir a possibilidade à fissuração pelo
hidrogênio.
O preaquecimento influencia também as tensões de contração da junta
soldada. As tensões de contração normalmente diminuem com o
preaquecimento. Entretanto, se a junta possui um alto grau de restrição,
as tensões de contração podem ser aumentadas, por preaquecimento
localizado, aumentando a possibilidade da fissuração.
O preaquecimento tem como desvantagem aumentar a extensão da
zona afetada termicamente. Em alguns materiais, caso não se controle
convenientemente a temperatura, o preaquecimento pode ter um efeito
bastante prejudicial. Um exemplo é a soldagem de aços com 16% de
cromo, nos quais um preaquecimento excessivo pode propiciar a
formação de fases de baixa tenacidade. Em materiais de alta
temperabilidade como, por exemplo, os aços-liga é bastante usual a
utilização de preaquecimento.
Pós-Aquecimento
O pós-aquecimento consiste na manutenção da junta soldada a uma
temperatura acima da temperatura ambiente por um determinado
tempo, por exemplo, duas horas a 250°C, com o objetivo principal de
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aumentar a difusão do hidrogênio na solda. O pós-aquecimento deve
ser executado tão logo a soldagem termine, de forma a não permitir o
resfriamento da junta soldada. A eficiência do pós-aquecimento
depende deste fato, pois o resfriamento da junta soldada permitiria a
formação de fissuração pelo hidrogênio.
É conveniente salientar que o pós-aquecimento, por ser executado em
temperatura relativamente baixa, não deve ser considerado como um
tratamento térmico de alívio de tensões, pois, para tanto, seria
necessário um tempo de permanência nesta temperatura extremamente
longo.
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Você estudou neste texto os processos de aquecimento que podem vir a
ser utilizados no procedimento de soldagem de uma junta. Em alguns
desses processos é possível interpretar e prever as transformações
sofridas pelo metal no estado sólido durante a solda e até mesmo
determinar a área de ocorrência de tais alterações.
Teste agora o seu nível de compreensão do texto respondendo às
questões de revisão. Caso seja necessário releia o texto e/ou recorra
aos tutores para resolver suas dúvidas.
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Questões de Revisão
1- O calor da operação de soldagem pode provocar, em um ponto da
junta soldada, variações de temperatura. Dependendo da variação
ocorre o fenômeno do Ciclo Térmico ou Repartição Térmica.
Exponha a diferença de ambas funções, não esquecendo de explicar a
importância
que
exercem
para
o
estudo
das
transformações
metalúrgicas que a junta soldada sofre.
2- Os parâmetros principais do Ciclo Térmico são calculados a partir de
fórmulas no qual a temperatura máxima e a velocidade de resfriamento
exercem grande relevância. Represente esta fórmula e descreva quais
análises podem ser concluídas a partir da mesma.
3- Sobre as Transformações Associadas à Fusão ocasionadas na solda,
explique os motivos que influenciam na alteração da composição
química da solda fazendo com que esta seja diferente da do metal
depositado.
4- Em que consiste o processo de Preaquecimento e Pós aquecimento,
levando em consideração?
a) Suas definições.
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b) Objetivos principais.
c) Funcionalidades.
d) Desvantagens.
5- Sabe-se que fissuração a quente é a incapacidade do metal de solda
para se deformar sob a ação dos esforços inerentes. Contudo algumas
medidas podem ser adotadas a fim de se reduzir esses esforços
atuantes sobre a zona fundida na fase de resfriamento. Explicite quais
são essas medidas e os resultados que ocasionam no final da solda?
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