Soldagem - Processos, Fontes de Energia e Aplicações

TEMA 5 SOLDAGEM NESTE CAPÍTULO VOCÊ IRÁ APRENDER Diferenciar soldagem de solda Diferenças nos processos de soldagem Diferenças nas fontes de calor 1 Introdução O processo de soldagem é um dos processos de união dos metais Este capítulo abordará somente o caso de união dos metais bem como se restringirá aos processos em que ocorrem fusão parcial dos metais base ou dos adicionados Não abordando o caso de união mecânica por exemplo Este é um processo que se tem conhecimento desde tempos antigos tipo a 4000 anos aC no entanto somente no início do século XX passou a ser considerado um processo de fabricação Este processo tem por objetivo a colocar em contato íntimo e permanente por fusão de partes metálicas ou aditivos por meio de combinação de aquecimento e pressão Isto dependerá da fonte de calor aplicada para esse efeitoAs fontes podem ser de origem elétrica química óptica ou mecânica O termo solda é empregado como o resultado da operação de soldagem O processo de soldagem pode ser dividido em três grandes grupos tais como processos por fusão processos por pressão e brasagem Podese ter ainda pode ser uma variante no processo de fusão como soldagem branda É esperado como resultado da soldagem uma boa resistência mecânica e em alguns casos deve ser superior a do metal base É um processo economicamente viável no entanto em alguns desses casos apresenta uma dependência muito grande da mão de obra do operador e em certas situações de difícil automatização Embora sendo um processo de manufatura é bastante empregado em reparos e manutenção A escolha do processo mais adequado depende de fatores como dos metais envolvidos do projeto da geometria dos componentes como espessura e tamanho 2 Fontes de Energia na Soldagem Como para se atingir essa temperatura alta que fará a união das partes fazse necessário o uso de uma determinada forma de energia Essa fonte de energia de soldagem é subdividida em quatro categorias quais sejam elétrica química óptica e mecânicaKiminami Castro Oliveira 2018 Chiaverini 1986 Fontes elétricas As fontes elétricas são divididas em arco elétrico e resistência elétrica Arco elétrico O processo a arco elétrico é um dos mais empregados neste tipo de processo de manufatura A fonte de calor que irá produzir a fusão parcial dos metais apresenta grande quantidade de calor concentrado como resultado dessa descarga elétrica entre eletrodo e peça Um deles chamado de ânodo ou terminal positivo e o outro de cátodo ou terminal negativo Entre esses dois terminais ocorre uma região de gases ionizados ou plasma Esses gases ionizados são formados por uma coluna de íons e elétrons livres que transformam sua energia cinética em calor figura 1 A corrente que produz o arco elétrico entre a peça e o eletrodo pode ser contínua ou alternada No uso de corrente alternada CA a polaridade fica mudando de acordo com a frequência empregada No entanto no uso de corrente contínua CC pode ser escolhida a polaridade direta onde o eletrodo é o polo negativo cátodo e a peça o positivo ânodo ou a polaridade reversa em que o eletrodo é positivo ânodo e a peça o negativo cátodo figura 2Kiminami Castro Oliveira 2018 Chiaverini 1986 Figura 1 Representação esquemática de um arco elétricofonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Figura 2 Representação do tipo de corrente e polaridade de um arco elétrico fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Como mostra a figura 2 a polaridade escolhida tem influência na transferência da energia térmica pela direção em que os elétrons avançam Caso seja em direção a peça ocorre uma maior fusão desta e consequentemente uma maior penetração isto é no modo contínuo direto Quando no modo contínuo reverso ocorre uma maior fusão no eletrodo e menor penetração na peça Um caso intermediário se observa no modo de corrente alternada Uma combinação de corrente tensão eletrodo e tipo de gás de proteção determina a taxa e o modo de transferência do metal fundido do eletrodo para a peça Esse modo de transferência pode ser classificado como globular spray ou curto circuito esses modos podem ser vistos na figura 3 Kiminami Castro Oliveira 2018 Chiaverini 1986 Figura 3 Modos de transferência no arco elétrico fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Resistência elétrica O processo de resistência elétrica empregado em soldagem utiliza uma combinação de força e calor para produzir a solda O calor é produzido pela resistência à passagem da corrente elétrica entre as peças a serem unidas e simultaneamente é aplicada uma força enquanto a corrente elétrica está atuando conforme figura 4 Mais detalhes no livro de Kiminami Castro Oliveira 2018 Figura 4 Representação do processo de soldagem por resistência Fonte química É considerado como fonte química a queima de gases combustíveis como acetileno propileno hidrogênio propano e gás natural misturado com oxigênio Essa relação gásoxigênio pode determinar o caráter da chama como sendo neutra oxidante ou redutora bem como sua temperatura na escolha do gás Um outro processo é conhecido como aluminotermia no caso é a reação exotérmica da oxidação do alumínio que promove o calor suficiente para provocar a soldagem Fonte Óptica Neste tópico podese colocar o laser e o feixe de elétrons como fontes de calor para promover a soldagem de peças Mais detalhes no livro de Kiminami Castro Oliveira 2018 Fonte Mecânica Esses processos empregam como fonte mecânica a fricção o ultrassom e a explosão para gerar calor suficiente para união das partes O mais comum deles é a soldagem por fricção onde o calor é gerado pelo atrito mecânico entre as partes normalmente uma deles está girando até atingir a temperatura necessário então a rotação é interrompida e pressão é exercida entre elas promovendo a soldagem Mais detalhes no livro de Kiminami Castro Oliveira 2018 Metalurgia da soldagem Normalmente os diferentes processos de soldagem promovem a fusão parcial das partes envolvidas podendo ter ou não metal de adição É um processo que apresenta aquecimento e resfriamento dessas partes Como uma parte do metal entra em fusão é preciso ter conhecimento do processo de solidificação chamado de metalurgia da soldagem onde complexas reações metalúrgicas estão envolvidas Além da fusão e solidificação outros fenômenos tendem a ocorrer tipo reação metalgás reação metalescória mudanças no estado sólido expansão e contração podendo gerar tensões residuais descontinuidades entre outros A região que atingiu a fusão quer seja por adição ou somente do metal base é denominada de metal de solda Nesta região como o metal entrou em estado líquido no resfriamento ocorre a solidificação Essa por sua vez apresenta todos os fenômenos de nucleação e crescimento de grão que de acordo com a forma de resfriamento afetam o tamanho e orientação dos grãos E se sabe que essa morfologia altera as características do produto final Também é preciso um controle da composição química do metal de solda que deve se adequar com o metal base para não modificar as propriedades do conjunto figura 5 Também é preciso ter cuidado com a quantidade de calor envolvido como velocidade com que o arco é se move e a potência empregada Durante e após a soldagem devese ter cuidado com a extração de calor da peça que envolve condutividade térmica temperatura inicial e final volume do material eou espessura Nessa solidificação é preciso cuidar da forma dos grãos normalmente colunares que podem conter trincas por redistribuição de soluto ou segregação bem como porosidadesKiminami Castro Oliveira 2018 Chiaverini 1986 Figura 5 Zonas de uma junta soldada fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 A reação metalgás deve ser cuidada pois pode ocorrer oxidação e formação de inclusões não metálicas Outros defeitos que precisam ser evitados são porosidades devido aos gases dissolvidos e sua baixa solubilidade no estado sólido Formação de trincas por resfriamento rápido ou devido ao hidrogênio Como se trabalha com metal líquido alguns problemas podem ser controlados na reação metalescória Ela pode controlar e reter produtos da desoxidação muito embora seja importante uma boa limpeza local Neste processo de soldagem é preciso analisar o diagrama TTT no caso de aços formação de martensita divido ao teor de carbono e que pode levar a trincas localizadas ou aumento de resistênca mecânica Como forma de controle existem eletrodos que baixam a temperabilidade do aço ou préaquecer o metal base ou resfriamento controlado no final da solda Processos de soldagem Primeiramente uma abordagem nos processos de fonte elétrica com proteção gasosa tipo eletrodo revestido MIG MAG TIG arame tubular e arco submerso Eletrodo Revestido O processo de soldagem por eletrodo revestido é um dos mais conhecidos e empregados como processo de fabricação eou manutenção O eletrodo nada mais é que um arame de metal adequado coberto com um revestimento composto de materiais orgânicos e inorgânicos que durante o processo ao se consumirem fornecem uma atmosfera protetora estabilizam o arco elétrico e podem adicionar elementos de liga se necessário Existem vários tipos de revestimento como celulósico rutílico básico ácido ilmenítico entre outrosA figura 6 ilustra o processo Figura 6 Ilustração do processo de eletrodo revestido fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Metal Gás Inerte MIG O processo MIG é um processo a arco elétrico com eletrodo consumível alimentado continuamente e atmosfera inerte a base de hélio argônio ou uma mistura destes figura 7 É um processo que apresenta um arco estável com mínimo de respingos e de operação suave e fácil Apresenta corrente de soldagem de alta densidade com velocidade de deposição bastante elevada É considerado um processo muito eficiente muito empregado em fabricação podendo ser usado em manutenção Devido a atmosfera empregada não há praticamente formação de escória Apresenta solda com boas propriedades mecânicas e custo operacional alto devido ao tipo de atmosfera empregada Figura 7 Ilustração do processo MIG fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Metal Gás Ativo MAG O processo MAG apresenta como diferença do MIG a composição dos gases que formam a atmosfera É basicamente uma composição de somente CO2 ou CO2 O2 ou Ar CO2 ou Ar O2 ou Ar N2 Esse gás ativo é de certa forma oxidante com o benefício de estabilizar o arco e melhorar a transferência do metal Apresenta custo operacional inferior ao MIG Utiliza o mesmo equipamento do processo MIG com diferença unicamente na atmosfera Ambos esses processos apresentam taxa de deposição superior aos eletrodos revestidos A figura 8 apresenta um perfil de penetração em função dos diferentes gases empregados Figura 8 perfil do cordão em função dos diferentes gases fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Tungstênio Gás Inerte O processo TIG emprega argônio como atmosfera protetora podendo ter uma mistura com hélio ou hidrogênio A grande diferença é que o eletrodo é considerado não consumível por ser feito de tungstênio conforme figura 9 É um processo bastante útil na soldagem de peças de pequena espessura e de juntas complexas Apresenta um controle bastante rigoroso no calor cedido à peça Pode ser empregado com ou sem metal de adição sendo empregado para quase todos os metais no entanto possui baixa taxa de deposição Figura 9 Ilustração do processo TIG fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Arame Tubular O processo de soldagem elétrica arame tubular é um processo de deposição contínua de metal O eletrodo é um tubo contendo em seu interior o fluxo podendo conter metais de adição que promove a atmosfera protetora esta também pode ser externa por CO2 ou mistura com argônio Esse processo apresenta três bons benefícios como alta produtividade boa metalurgia de soldagem e uma escória protetora Uma das poucas desvantagens é a aplicação unicamente em ligas ferrosas Arco submerso Este processo de arco submerso apresenta um arco elétrico que permanece sob uma camada protetora de um material fundente ou fluxo que tem a função de proteger a poça da solda da atmosfera Este processo apresenta vantagem de grande depósito de alta qualidade O processo pode ser totalmente automatizado com a desvantagem de ser somente operado na posição horizontal e enquanto está ocorrendo a soldagem é impossível observála conforme figura 10 Figura 10 Ilustração do processo arco submerso fonte Kiminami Castro Oliveira 2018 Soldagem a Gás O processo de soldagem a gás ou mais conhecido como soldagem oxiacetilênica devido a combinação dos dois gases Este processo utiliza um gás combustível acetileno propano gás natural e outros e o oxigênio como comburente É um processo de fonte química que pode tanto fundir o metal base ou somente o metal de adição As temperaturas geradas nesse processo são inferiores aos processos de arco elétrico Com isso apresenta velocidade de soldagem baixa no entanto é muito apropriada a soldagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro Também bastante empregada em soldagem de manutenção A figura 11 mostra uma ilustração a b Figura 11 Ilustração da soldagem oxiacetilênica Em a temse o maçarico em b uma representação de conjunto A regulagem da chama pode ter diferentes intensidades como poder ser regulada como redutora neutra ou oxidante Quanto maior o poder calorífico do gás combustível melhor Outros Processos Na literatura indicada ainda é possível ver maiores detalhes dos processos de soldagem por resistência por atrito brasagem solda branda por laser feixe de elétrons entre outros Outra aplicação que pode ser empregada por meio desses processos são os processos de corte tipo oxicorte e plasma Maiores detalhes no livro de Kiminami Castro Oliveira 2018 ou no livro do Chiaverini 1986 3 Referências KIMINAMI Claudio S CASTRO Walman B OLIVEIRA Marcelo F Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos São Paulo Blucher 2018 CHIAVERINI V Tecnologia Mecânica Processos de Fabricação e TratamentoVol II São Paulo McGrawHill 1986 aula AMBIENTE DE APRENDIZAGEM