Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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) Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 1 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 2 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 3 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 4 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 ⎠ Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 5 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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; Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 6 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ • 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 7 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 8 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 9 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 10 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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). Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 11 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 12 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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 Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 13 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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. ________________________________________________________________ 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 14 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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. Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 15 Aspectos térmicos da soldagem _____________________________________________________________________________________ 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? Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem | ‐ FBTS Este texto complementar é parte integrante do material on line disponibilizado para o Curso de Inspetor de Soldagem Página | 16