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Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec Docente: Sérgio R. Barra, Dr. Eng. 2009 Disciplina: Metalurgia da Soldagem I Tópico - Fundamentos do processo de formação e solidificação da Zona Fundida

17001280 Metalurgia Da Soldagem Fundamentos Da Formacao e Solidificacao Da Zona Fundida

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Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

Docente: Sérgio R. Barra, Dr. Eng.2009

Disciplina: Metalurgia da Soldagem I

Tópico- Fundamentos do processo de formação e solidificação da Zona Fundida

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Índice (conteúdos abordados)

• Apresentação da disciplina• Importância do estudo da Metalurgia da Soldagem• Fundamentos da transferência de calor aplicados à

soldagem• Fundamentos da formação da Zona Termicamente Afetada• Fundamentos da formação e solidificação da Zona Fundida• Transformações de fases, no estado sólido, decorrentes da

operação de soldagem (ligas ferrosas)

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ApresentaApresentaççãoão

�� Ementa:Ementa: Importância do estudo da metalurgia da soldagem; Fundamentos deImportância do estudo da metalurgia da soldagem; Fundamentos detransferência de calor; Fundamento da formatransferência de calor; Fundamento da formaçção da Zona Termicamente Afetada; ão da Zona Termicamente Afetada; Fundamentos da formaFundamentos da formaçção da Zona Fundida; Princão da Zona Fundida; Princíípios de transformapios de transformaçção de fase no ão de fase no estado sestado sóólido aplicados lido aplicados àà soldagem. soldagem.

�� Referências:Referências:KOU, KOU, SindoSindo. Welding Metallurgy; . Welding Metallurgy; WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; MESSLER, R.. Principles of Welding: Processes, Physics, ChemistrMESSLER, R.. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; y, and Metallurgy; MACHADO, Ivan. Soldagem e TMACHADO, Ivan. Soldagem e Téécnicas Conexas: Processos;cnicas Conexas: Processos; ASM. ASM Handbook: ASM. ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering; AWS. Welding Handbook: Welding SWelding, Brazing and Soldering; AWS. Welding Handbook: Welding Science and cience and Technology;Technology; OYSTEIN, Grong. Metallurgical OYSTEIN, Grong. Metallurgical ModellingModelling of Welding; MESSLER, R. of Welding; MESSLER, R. Joining of Materials and Structures; BONNET, C. Joining of Materials and Structures; BONNET, C. Le Le SoudageSoudage MMéétallurgietallurgie etet ProduitsProduits; ; ISF ISF AachenAachen. . WeldingWelding MetallurgyMetallurgy; Revista Soldagem & Inspe; Revista Soldagem & Inspeçção; Revista ão; Revista WeldingWeldingJournalJournal..

�Consultas/dúvidas: [email protected]

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ConsideraConsidera çções iniciaisões iniciais

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A estabilidade da existência de uma fase/estado dependerA estabilidade da existência de uma fase/estado dependeráá da combinada combinaçção entre a ão entre a energia livreenergia livre de volume e a de volume e a temperaturatemperatura apresentada na região de interesse.apresentada na região de interesse.

∆∆G = 0G = 0∆∆G > 0G > 0

GGll –– llííquidoquido

GGss -- ssóólidolido

Material puroMaterial puro

T`T`

O incremento na quantidade O incremento na quantidade de subde sub--resfriamento resfriamento ((supercoolingsupercooling), abaixo de ), abaixo de TTff,,provoca a elevaprovoca a elevaçção na ão na drivingdrivingforceforce termodinâmica para termodinâmica para solidificasolidificaçção.ão.

-- Na prNa práática a passagem do estado ltica a passagem do estado lííquido para o estado squido para o estado sóólido não acontece espontaneamente quando a lido não acontece espontaneamente quando a temperatura esttemperatura estáá abaixo de abaixo de TTff. Assim, pequenas quantidades de s. Assim, pequenas quantidades de sóólidos nucleiam e crescem produzindo a lidos nucleiam e crescem produzindo a completa solidificacompleta solidificaçção.ão.

-- A nova superfA nova superfíície cie ““embriãoembrião”” criada pela solidificacriada pela solidificaçção (superfão (superfíície entre scie entre sóólido e llido e lííquido) apresenta uma energia quido) apresenta uma energia

por unidade de por unidade de áárea que rea que éé a tensão superficial (a tensão superficial (γγγγγγγγ). Para haver solidifica). Para haver solidificaçção ão γγγγγγγγ serseráá sempre positiva e sempre positiva e ↓↓↓↓ ∆∆GG. .

∆∆G < 0G < 0

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Como se origina um sComo se origina um s óólido a partir do estado llido a partir do estado l ííquido?quido?

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Basicamente, existem três maneiras que o sBasicamente, existem três maneiras que o sóólido poderlido poderáá ser formado:ser formado:

a)a) NucleaNucleaçção homogênea (ausência de corpo estranho ão homogênea (ausência de corpo estranho –– partpartíículas, parede, etc.);culas, parede, etc.);

b) Nucleab) Nucleaçção heterogênea (presenão heterogênea (presençça de corpo estranho a de corpo estranho ““impurezasimpurezas”” e e subresfriamentosubresfriamentoentre 5 e 20 entre 5 e 20 °°C);C);

c) Crescimento epitaxial** (a partir e na mesma direc) Crescimento epitaxial** (a partir e na mesma direçção dos grãos do substrato).ão dos grãos do substrato).**Um caso especial da nuclea**Um caso especial da nucleaçção heterogênea, ondeão heterogênea, onde não estnão estáá sendo formada uma nova superfsendo formada uma nova superfíície, mas sim os cie, mas sim os áátomos estão apenas sendo adicionados ao substrato (ltomos estão apenas sendo adicionados ao substrato (lííquido e substrato do mesmo material ou com composiquido e substrato do mesmo material ou com composiçções e ões e estruturas similares estruturas similares –– por exemplo, soldagem autpor exemplo, soldagem autóógena). gena).

r* r* -- raio crraio crííticotico

∆∆∆∆∆∆∆∆G mG mááximoximo

-- A adiA adiçção de qualquer ão de qualquer áátomo ao r* irtomo ao r* iráá reduzir a energia e reduzir a energia e propiciar o crescimento. Ao contrario, a redupropiciar o crescimento. Ao contrario, a reduçção de r* irão de r* irááinduzir o desaparecimento do ninduzir o desaparecimento do núúcleo.cleo.

-- Para r* ficar estPara r* ficar estáável vel éé necessnecessáário que a energia associada rio que a energia associada com a com a γγγγγγγγ seja elevada e a energia de volume seja elevada e a energia de volume ∆∆∆∆∆∆∆∆GGvv seja seja reduzida. reduzida.

-- Quanto maior o Quanto maior o supercoolingsupercooling menor sermenor seráá o valor necesso valor necessáário rio de r* para tornar a solidificade r* para tornar a solidificaçção estão estáável.vel.

-- Quanto maior o Quanto maior o supercoolingsupercooling mais negativa sermais negativa seráá a energia a energia livre (menos positivo livre (menos positivo ∆∆∆∆∆∆∆∆G*G*) e, consequ) e, consequëëntemente, maior serntemente, maior serááa taxa de nucleaa taxa de nucleaçção do são do sóólido.lido.

Energia de ativaEnergia de ativa ççãoão

CondiCondi çção para a existência e ão para a existência e crescimento de um ncrescimento de um n úúcleocleo

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NucleaNuclea çção e crescimento a partir do substratoão e crescimento a partir do substrato

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Energias superficiais do sistema:γγγγML – energia superficial do metal de base-líquido; γγγγSM –Energia superficial do metal solda sólido-metal de base sólido; γγγγSL – energia superficial do metal de solda sólido-líquido.

Nucleação do embrião a partir do substrato “metal de base”. Forma esférica para minimizar energia interfacial.

r > r*

Fonte: Vedia, 2004.

Ângulo de molhamento

Para crescimento epitaxial (igualdade de composição química

entre metal de base metal de solda) o ângulo de molhamento é zero.

Mudança no perfil da energia livre ( ∆∆∆∆G) em função do tipo de

nucleação.

Crescimento dos grãos com a mesma direção dos grãos da ZTA

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Em relaEm rela çção ao processo de fusão e solidificaão ao processo de fusão e solidifica çção, qual a ão, qual a diferendiferen çça entre a soldagem e a fundia entre a soldagem e a fundi çção?ão?

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CritCrit éérios de compararios de compara çção entre a solidificaão entre a solidifica çção em um molde (fundião em um molde (fundi çção) ão) e na poe na po çça e fusão (soldagem) a e fusão (soldagem) –– diferentes condidiferentes condi çções de contorno:ões de contorno:

a) Diferentemente da zona fundida, o molde a) Diferentemente da zona fundida, o molde éé preparado para não haver aderência entre preparado para não haver aderência entre o metal lo metal l ííquido e a parede (pobre transferência de calor);quido e a parede (pobre transferência de calor);

b) Na soldam, o calor b) Na soldam, o calor éé continuamente adicionado continuamente adicionado àà popo çça durante o deslocamento do a durante o deslocamento do arco (no molde, aparco (no molde, ap óós o vazamento, não hs o vazamento, não h áá nenhum tipo de alimentanenhum tipo de alimenta çção de calor). O ão de calor). O gradiente tgradiente t éérmico apresentado na pormico apresentado na po çça (a (∆∆∆∆∆∆∆∆T T ≈≈ 1000 1000 °°C entre o centro e barda da poC entre o centro e barda da po çça) a) ajuda no o crescimento nãoajuda no o crescimento não --planar;planar;

c) Na soldagem a solidificac) Na soldagem a solidifica çção inicialmente ão inicialmente éé epitaxial (epitaxial ( undercoolingundercooling ≈≈ 1 1 °°C) e no molde C) e no molde éé heterogênea (alguns graus);heterogênea (alguns graus);

d) Na soldagem a forma da pod) Na soldagem a forma da po çça a éé mantida constante com a mantida constante com a vvss (no molde o volume de (no molde o volume de ll ííquido remanescente decresce e, assim, a forma da poquido remanescente decresce e, assim, a forma da po çça e alterada continuamente);a e alterada continuamente);

e) Pela diferene) Pela diferen çça de volume de metal la de volume de metal l ííquido, a taxa de solidificaquido, a taxa de solidifica çção ão éé mais baixa no mais baixa no fundido do que na zona fundida;fundido do que na zona fundida;

f) Na soldagem, a pof) Na soldagem, a po çça de fusão a de fusão éé mais agitada do que no molde (pressão do arco, mais agitada do que no molde (pressão do arco, impacto das gotas, campo magnimpacto das gotas, campo magn éético, diferentico, diferen çça de temperatura no metal la de temperatura no metal l ííquido).quido).

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SuperSuper --resfriamento constitucional e modos bresfriamento constitucional e modos b áásicos de solidificasicos de solidifica ççãoão

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O mecanismo de solidificaO mecanismo de solidifica çção de uma liga ão de uma liga éé muito mais complexo do que em um muito mais complexo do que em um material puro.material puro.

Existência de apenas Existência de apenas ll ííquidoquido

Existência de apenas Existência de apenas ssóólidolido

Temperatura de Temperatura de fusão do elemento Bfusão do elemento B

Temperatura de Temperatura de fusão do elemento Afusão do elemento A

VariaVariaçção da T em ão da T em funfunçção da Cão da C

TTLL = = TTmAmA + M+ MLL.C.CLL

TTSS = = TTmAmA + M+ MSS.C.CSS

K = CK = CSS/C/CL L

Onde: Onde: CC –– concentraconcentraçção do soluto; ão do soluto; KK --coeficiente de distribuicoeficiente de distribuiçção e ão e MM ––coeficiente angular da reta de coeficiente angular da reta de temperatura.temperatura.

Metal de solda

Bico de contato

Bocal

DCP

Projeção doarame (stickout)

Gás de proteção

Metal de base

Diagrama binDiagrama bináário Ario A--BB

Fração de sólido variando com a temperatura (transformação reversível)

%

S LS Lsolutosoluto

Rs = Rs = vvss.cos.cosθθ

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O processo fO processo f íísico atuante na soldagem a arcosico atuante na soldagem a arco

Metal de solda

Bico de contato

Bocal

DCP

Projeção doarame (stickout)

Gás de proteção

Metal de baseS LS L

Rs = Rs = vvss

solutosoluto

CondiCondiçções observadas na soldagem: Alta taxa ões observadas na soldagem: Alta taxa de resfriamento e agitade resfriamento e agitaçção da poão da poçça (mistura a (mistura do metal ldo metal lííquido).quido).

ConsideraConsideraçções:ões:

SolidificaSolidificaçção unidirecional e extraão unidirecional e extraçção de calor ão de calor paralela a direparalela a direçção de Rs.ão de Rs.

Em TEm T33 a frente solidificada tem composia frente solidificada tem composiçção Cão Coo e o e o novo snovo sóólido a ser formado terlido a ser formado teráá composicomposiçção Cão CL3.L3.

XXLL éé a distância onde C = Ca distância onde C = Coo

DDLL éé a taxa de difusão do soluto no la taxa de difusão do soluto no lííquido.quido.

XXLL = 5D= 5DLL/Rs/Rs

Expulsão de soluto Expulsão de soluto para a frente de para a frente de

solidificasolidificaçção.ão.

Esta condiEsta condiçção não permite a redistribuião não permite a redistribuiçção do soluto e, como conseqão do soluto e, como conseqüüência, haverência, haveráá um gradiente um gradiente de concentrade concentraçção na vizinhanão na vizinhançça da frente de solidificaa da frente de solidificaçção.ão.

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SuperSuper --resfriamento Constitucionalresfriamento Constitucional

Em (a) Diagrama de fase; (b) Perfil de composição “soluto” no líquido e (c) perfil e temperatura na linha liquidus (Fonte: Kou, 2002; Vedia, 2004).

O que causa instabilidade na interface sólido-líquido planar (super-resframentoconstitucional)?

- Baixo gradiente térmico G;

- Elevada velocidade de solidificação R s;

- Inclinação da linha liquidus (M L);

- Concentração de elemento de liga (em soldagem, subresfriamento a percentuais maiores 0,2%);

- Diferença de contração de soluto entre as fases sólidas e líquidas.Onde: R = vscosθ

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SuperSuper --resfriamento constitucionalresfriamento constitucional

ConsideraConsideraçções:ões:

Em (a) Em (a) éé apresentada a relaapresentada a relaçção entre o perfil de temperatura ão entre o perfil de temperatura e o valor de e o valor de CC..

Quanto maior o gradiente de concentraQuanto maior o gradiente de concentraçção (diferenão (diferençça de a de temperatura entre a interface temperatura entre a interface SS--LL e o restante da poe o restante da poçça), a), maior sermaior seráá susceptibilidade susceptibilidade àà trinca a quentetrinca a quente..

Em (b) são apresentados diferentes gradientes de Em (b) são apresentados diferentes gradientes de temperatura (temperatura (G G –– tangente da curva tangente da curva T x distânciaT x distância) e as suas ) e as suas posspossííveis influências sobre a frente de solidificaveis influências sobre a frente de solidificaçção (posião (posiçção ão relativa de cada uma das temperaturas representadas pelas relativa de cada uma das temperaturas representadas pelas retas). retas). GG ((°°C/mm).C/mm).

SuperSuper--resfriamento resfriamento –– éé a redua reduçção local da temperatura ão local da temperatura abaixo da abaixo da TTlliquidusiquidus..

Curva de temperatura abaixo da qual Curva de temperatura abaixo da qual poderpoderáá haver nucleahaver nucleaççãoão

Região apresentando superRegião apresentando super--resfriamento constitucional resfriamento constitucional (solidifica(solidificaçção nãoão não--planar)planar)

ββ G = G = tangtang ββββββββCondiCondi çção para haver superão para haver super --resfriamento resfriamento constitucional:constitucional:

G < MG < MLL.Rs.C.Rs.Coo(K(K--1)/D1)/DLL.K.KComo MComo MLL.C.Coo(1(1--1/K) 1/K) éé igual a igual a ∆∆T = TT = TLL –– TTSS

(faixa de equil(faixa de equilííbrio no resfriamento)brio no resfriamento)

G < Rs.G < Rs.∆∆∆∆∆∆∆∆T/DT/DL L ((°°C/mm)C/mm)

ss

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Formas de crescimentoFormas de crescimento

Exemplo prExemplo prááticotico

a) a) Para um liga liga AlPara um liga liga Al--4%Cu, encontra4%Cu, encontra--se: Tse: TLL = 650 = 650 °°C, TC, TSS = 580 = 580 °°C, DC, DLL = 3.10= 3.10--55 cmcm22/s, Rs = 0,003 /s, Rs = 0,003 cm/s. Calcule o valor mcm/s. Calcule o valor míínimo de nimo de GG para garantir para garantir um crescimento nãoum crescimento não--planar.planar.

b)b) Calcule a distância Calcule a distância XXLL (distância onde (distância onde CC cai para cai para CCoo).).

XXLL = 5.D= 5.DLL/Rs = 0,05 cm/Rs = 0,05 cm

G < Rs.G < Rs.∆∆∆∆∆∆∆∆T/DLT/DLG < 0,003.(650 G < 0,003.(650 –– 580)/3.10580)/3.10--55

G < 7000 G < 7000 °°C/cmC/cm Efeit0 do super-resfriamento constitucional sobre o modo de solidificação da zona fundida

(incremento de “a” para “d”). Fonte: Kou, 2002.

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Outras formas de crescimento em funOutras formas de crescimento em funçção do superão do super--resfriamento resfriamento constitucionalconstitucional

Quais as variQuais as variááveis operacionais que podem alterar veis operacionais que podem alterar o valor de o valor de G (G (°°C/mm)C/mm) ??

↑↑↑↑↑↑↑↑ IIss –– ↓↓↓↓↓↓↓↓ GG

↑↑↑↑↑↑↑↑ UUss –– ↓↓↓↓↓↓↓↓ GG

↑↑↑↑↑↑↑↑ vvss –– ↑↑↑↑↑↑↑↑ G G

↑↑↑↑↑↑↑↑ TToo –– ↓↓↓↓↓↓↓↓ GG

Fonte: Kou, 2002.

a b

d e

Modos de solidificações básicos. Em (a) Solidificaç ão Planar de tetra brometo do carbono, (b) Solidificação Celular do te tra brometo de carbono com baixa quantidade de impureza, (d) Solid ificação celular dendrítica do tetra brometo de carbono com elevada q uantidade de impureza e (e) Solidificação equiaxial dendrítica do ciclo-hexanol com presença de impureza.

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DistribuiDistribui çção de soluto (concentraão de soluto (concentra çção)ão)

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DistribuiDistribuiçção de soluto no interior e nos contornos das cão de soluto no interior e nos contornos das céélulas e/ou lulas e/ou dendrdendríítastas(enriquecimento)(enriquecimento)

ConsideraConsideraçções:ões:

Para o crescimento celular (a), ocorre uma Para o crescimento celular (a), ocorre uma pequena variapequena variaçção do perfil da concentraão do perfil da concentraçção.ão.

Para o crescimento Para o crescimento dendrdendrííticotico (b), (b), éé nníítida a tida a diferendiferençça de concentraa de concentraçção de soluto entre o ão de soluto entre o centro e a borda.centro e a borda.

As regiões enriquecidas com As regiões enriquecidas com CoCo apresentam apresentam uma reduuma reduçção na ão na freezingfreezing rangerranger (presen(presençça de a de filmes lfilmes lííquidos entre o metal jquidos entre o metal jáá solidificado).solidificado).

Menor concentraMenor concentraçção ão de soluto no centrode soluto no centro

↓↓↓↓↓↓↓↓ G/RsG/Rs1/21/2 ou ou ↑↑↑↑↑↑↑↑ CoCo

↑↑↑↑↑↑↑↑ G/RsG/Rs1/21/2 ou ou ↓↓↓↓↓↓↓↓ CoCo

E como minimizar a tendência E como minimizar a tendência àà trinca a quente?trinca a quente?

Reduzindo Reduzindo CCo,o, elevando elevando G/RsG/Rs1/2 1/2 ou baixando o ou baixando o HHnetnet (I(Iss, U, Uss ou ou vvss))

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Efeito de Efeito de vvss sobre solidificasobre solidifica çção da poão da po çça de fusãoa de fusão

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng. SSéérgio Barra, Dr. Eng.rgio Barra, Dr. Eng.

Efeito da velocidade de soldagem (indiretamente Efeito da velocidade de soldagem (indiretamente RRss) sobre a forma e microestrutura ) sobre a forma e microestrutura da poda poçça de fusãoa de fusão

a)a) A velocidade de soldagem não apenas afeta a taxa e solidificaA velocidade de soldagem não apenas afeta a taxa e solidificaçção, como tambão, como tambéém influi sobre m influi sobre a geometria da poa geometria da poçça e sensibilidade ao surgimento de trincas no centro do cordão a e sensibilidade ao surgimento de trincas no centro do cordão (desequil(desequilííbrio entre a taxa de solidificabrio entre a taxa de solidificaçção e taxa de fusão)ão e taxa de fusão)

b)b) A solidificaA solidificaçção ocorre sempre normal a interface ão ocorre sempre normal a interface SS--LL (dire(direçção de maio extraão de maio extraçção de calor);ão de calor);

c)c) Como Como RsRs varia ao redor da povaria ao redor da poçça a microestrutura tamba a microestrutura tambéém varia em cada ponto;m varia em cada ponto;

RRss = = vvss.cos.cosφφ

RipplesRipples /escamas/escamas superficiais superficiais (forma(formaçção de ão de bandas de solutobandas de soluto

–– variavariaçção no ão no HHnetnet ) )

↓↓↓↓↓↓↓↓ HHnetnet

↑↑↑↑↑↑↑↑ RsRs

↑↑↑↑↑↑↑↑ CoCo

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d) d) Esta caracterEsta caracteríística induz um crescimento planar em stica induz um crescimento planar em Rs Rs →→→→→→→→ 00 ((↓↓ RsRs e e ↑↑ GG) e não) e não--planar a planar a medida que direciona para a parte de traz da pomedida que direciona para a parte de traz da poçça (a (↑↑ RsRs e e ↓↓ GG););

d) d) Um aspecto mais grosseiro da Um aspecto mais grosseiro da estrutura nãoestrutura não--planar planar éé esperado a esperado a medida que se eleva medida que se eleva RsRs ;;

↑↑↑↑↑↑↑↑ RRss22 –– ↓↓↓↓↓↓↓↓ EspaEspa ççamento amento interdendrinterdendr ííticotico

↑↑↑↑↑↑↑↑ RRss –– ↓↓↓↓↓↓↓↓ raio da ponta da raio da ponta da dendritadendrita

Lembrar que: R (Lembrar que: R (°°C/s) tem a mesma C/s) tem a mesma dimensão de G.Rdimensão de G.Rss ((°°C/s)C/s)

vvss

Planar

Estrutura refinada

Celular

G

(Rs.G)’

(Rs.G)

Rs

Colunardendrítico

Equiaxialdendrítico

(Rs.G)’ > (Rs.G)

Efeito de Efeito de vvss sobre solidificasobre solidifica çção da poão da po çça de fusãoa de fusão

TIG

Laser

Fonte: Govender, 2007.

Alumínio

SDAS = 10,97 µµµµm

Alumínio

SDAS = 4,05 µµµµmdprimário = a1(G2Rs)

-1/2

dsecundário = a2(GRs)-n

Fonte: Messler, 2004.

Fonte: Barra, 2003.

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Efeito da taxa de resfriamento “G.R s” (°C/s) ou tempo de

solidificação sobre o espaçamento dendrítico

“SDAS” (Fonte: Kou, 2002; Brooks/Cole, 2003.)

Efeito do gradiente de temperatura (G) e da taxa de solidificação (R s) sobre a morfologia e tamanho de estrutura de solificação (Fonte: Kou, 2002)

Densidade de potência “constrição do arco” sobre a geometria da Zona Fundida.

Exercícios de fixação

1) Para a liga Al–Mg AA 5052 (97,5% Al e 2,5% Mg), considerando 40 °C a diferença de temperatura entre as linhas solidus e liquidus, velocidade de soldagem de 6 mm/s , coeficiente de difusão no líquido “DL” igual a 3 x 10-5cm2/s, determinar o mínimo gradiente de temperatura para que o crescimento seja planar. Qual a largura da região de expulsão de soluto, gradiente de concentração difusional, “X”? Qual a correspondente taxa de resfriamento?

G < Rs.G < Rs.∆∆∆∆∆∆∆∆T/DT/DLL

XXLL = 5.D= 5.DLL//RRss

2) Considerando a figura ao lado, discuta o efeito do pré-aquecimento e da densidade de potência, sobre o espaçamento dendrítico.

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Material: Stellite; Processo: Laser (Fonte: Hevitt, 1995)

(Fonte: Brooks/Cole, 2003)

(Fonte: Jarfors, 2002)

Espaçamento dendrítico

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Comportamento do espaçamento dendrítico em

função do tipo de material, taxa de

resfriamento e calor aportado.

Material: aço carbono, contendo de 0,1 a 0,9% de C

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Interface entre crescimento colunar – equiaxial (transição )

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Estrutura da zona fundida em função do heat input e da velocidade de soldagem. Material aço carbono 0,038% C, 1,5 mm

espessura. Fonte: Lancaster.

Influência do processo de soldagem

- Valor do gradiente térmico (G)

- Valor da velocidade da frente de solidificação (Rs)

Influência da liga (metal de adição e metal de base)

- Tamanho da zona pastosa (∆Tc)

- Densidade dos sítios de nucleação (N0)

Baixo Rs

Alto G

Gn/Rs > a.(N01/3.T0)n > K

Condição para crescimento colunar

Gn/Rs > K

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Geometria da poGeometria da po çça de fusão x direa de fusão x dire çção de crescimento dos ão de crescimento dos grãosgrãos

MudanMudan çça continua a continua na direna dire çção de ão de crescimento dos crescimento dos grãos (Fonte: Barra, grãos (Fonte: Barra, 2003).2003).

Efeito da mudanEfeito da mudançça na direa na direçção e forma de crescimento dos grãos na zona fundidaão e forma de crescimento dos grãos na zona fundida

O crescimento competitivo faz os grãos se alinharem sempre na diO crescimento competitivo faz os grãos se alinharem sempre na direreçção ão de maior extrade maior extraçção de calor (mudanão de calor (mudançça na direa na direçção de crescimento).ão de crescimento).

↓↓↓↓↓↓↓↓ vvss

MudanMudan çça na forma da a na forma da granulometriagranulometria da zona da zona fundidafundida

↑↑↑↑↑↑↑↑ vvss

↑↑↑↑↑↑↑↑ vvss

Heterogênea Heterogênea nucleanuclea çção (Al)ão (Al)

ÁÁrea com concentrarea com concentra çção de ão de soluto rejeitadosoluto rejeitado

Deslocamento Deslocamento da poda po ççaa

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Resumo das caracterResumo das caracter íísticas do processo de solidificasticas do processo de solidifica çção da poão da po ççaa

G/RsG/Rs governa o modo de solidificagoverna o modo de solidificaçção, ão, assim:assim:

↓↓ G/RsG/Rs –– ↑↑ largura da região de superlargura da região de super--resfriamento constitucional (resfriamento constitucional (XXLL).).

A manipulaA manipulaçção do valor de ão do valor de G/RsG/Rs1/21/2

controla a possibilidade do surgimento controla a possibilidade do surgimento de trinca a quente.de trinca a quente.

G.RsG.Rs (que (que éé equivalente a taxa de equivalente a taxa de resfriamento resfriamento RR) governa a escala de ) governa a escala de solidificasolidificaçção da estrutura, assim:ão da estrutura, assim:↑↑ G.RsG.Rs –– ↑↑ refino da subestrutura refino da subestrutura (espa(espaççamento amento dendrdendrííticotico).).

LPlanar

Celular

Colunardendrítico

Equiaxialdendrítico

L

L

L

S

S

S

P

P

P

S

Tinterface

Tlíquido

RsG

a um

e nta

aum

e nta

do

su

per

-re s

fria

me n

to c

onst

itu

cio

nal

dim

inu

i

G/Rs

Planar

Estrutura refinada

Celular

G

(Rs.G)’

(Rs.G)

Rs

Colunardendrítico

Equiaxialdendrítico

(Rs.G)’ > (Rs.G)

Planar

Celular

C0

G/ Rs

Colunardendrítico

Equiaxialdendrítico

S - sólidoL - líquidoP - pastosoC - concentração do soluto0

XXLL = 5D= 5DLL/Rs/Rs

C = CC = C00

Região Região pastospastos

aa

T = T = ƒƒƒƒƒƒƒƒ(C)(C)Fonte: Barra, 2003

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Efeitos de G e Efeitos de G e RRss

Exemplo prExemplo práático: Efeitos de tico: Efeitos de G.RsG.Rs e e G/RsG/Rs sobre a morfologia da zona fundida.sobre a morfologia da zona fundida.↓↓↓↓↓↓↓↓ G.RsG.Rs↑↑↑↑↑↑↑↑ G/RsG/Rs

↑↑↑↑↑↑↑↑ G.RsG.Rs↓↓↓↓↓↓↓↓ G/RsG/Rs

Processo: MIG/MAG TProcesso: MIG/MAG T éérmicormico

Material: Material:

Metal de base Metal de base -- AlMgAlMg (AA 5052(AA 5052 --H34)H34)

ConsumConsum íível vel -- AWS ER 5356AWS ER 5356

Fonte: Barra, 2003.

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Forma de crescimentoForma de crescimento

Exemplo prExemplo práático: Solidificatico: Solidificaçção epitaxialão epitaxial

Processo: MIGProcesso: MIG

Material: Material:

AAçço inoxido inoxid áávelvel

ZTAZTA

Zona Zona fundidafundida

CrescimenCrescimento epitaxialto epitaxial

Linha de Linha de fusãofusão

Processo: Feixe de elProcesso: Feixe de el éétronstrons

Material: AlumMaterial: Alum íínionio

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Efeitos dos parâmetros de soldagem na nucleação heterogênea

Soldagem TIG do, AA 6061. Em (a) 70 A, 11 V, 5.1 mm/s; ( b) 120 A, 11V, 12.7 mm/s. Fonte (Kou,

2003)

Soldagem do AA 1100. Em ( a) elevada Is e vs; ( b) Baixa Is e

vs. Fonte (Kou, 2003)

Em (a) baixo super-resfriamento constitucional, Is

e vs; ( b) baixo super-resfriamento constitucional, Is

e vs. Fonte (Kou, 2003)

Em cada um dos casos acima, Como se comporta os valores de G e Rs?

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Técnica de refino Mecanismo atuante (*)

Métodos térmicos - Controle das taxas de aquecimento e resfriamento (calor

aportado, interpasse e pré-aquecimento) - Nucleação superficial estimulada (jato de gás frio)

a b c

a b

Métodos mecânicos - Vibração (mecânica e ultrasônica) - Agitação eletromagnética, gasosa ou mecânica (campo

magnético, oscilação da tocha, borbulhamento, pulsação do arco e impacto das gotas)

c

a c

Métodos químicos - Adição de elementos de liga - Adição de inoculantes no metal líquido

a b a c

Técnicas de refino aplicáveis no processo de solidificação da poça de fusão.

Fonte: Barra, 2003

(*) a – introdução de pontos nucleantes na poça (nucleação heterogênea); b – evitar refusão dos núcleos existentes e c – multiplicação de grãos.

Refino da Zona Fundida

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Controle da estrutura dos grãos

a) Inoculantesb) Agitação pela pulsação de corrente

Fonte: Cunha, 2008

AA 6061. Nucleação heterogênea decorrente da combinação de

pulsação da corrente (elavada vs) e adição de 0.04% Ti. Fonte: Kou,

2003

Processo de soldagem TIG; Material AA2090 (Al–Li–Cu). Em (a) vareta 2319 (Al–Cu) e (b)

vareta 2319 (Al–Cu) com 0.38% T. Fonte: Kou, 2003

Exemplos das técnicas de refino aplicáveis na zona fundida

A agitaA agitaçção da poão da poçça a éé uma das tuma das téécnicas utilizadas na cnicas utilizadas na supressão do crescimento supressão do crescimento colunarcolunar (em geral (em geral recomendarecomenda--se maior amplitude e menor freqse maior amplitude e menor freqüüência de ência de oscilaoscilaçção ão –– fatores como fatores como HnetHnet, , lolo e e espessuraespessura tambtambéém m devem ser considerados). Tambdevem ser considerados). Tambéém, influencia no m, influencia no espaespaççamento amento dendrdendrííticotico (taxa de resfriamento).(taxa de resfriamento).

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Ti. (a) Corrente contínua e (b)

pulsação alternada (CA).

Fonte: Sundaresan,

1999

A A granulometriagranulometria da poda poçça pode ser refinada atrava pode ser refinada atravéés da adis da adiçção de ão de partpartíículas de culas de inoculantesinoculantes (nuclea(nucleaçção heterogênea ão heterogênea –– ferroferro--ninióóbio, bio, carbetocarbeto de titânio, ferrode titânio, ferro--titânio para o atitânio para o açço e zircônio e titânio para o o e zircônio e titânio para o Al).Al).

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c) Agitac) Agitaçção pela imposião pela imposiçção de campo magnão de campo magnééticoticoAgitaAgitaçção da poão da poçça pela imposia pela imposiçção de um campo magnão de um campo magnéético alternante tico alternante

paralelo ao eletrodoparalelo ao eletrodo..

d) Agitação pela oscilação manual do arco (eletrodo/tocha – 1 Hz)MudanMudançça na direa na direçção de crescimento do grão ão de crescimento do grão colunarcolunar. . ÉÉuma das tuma das téécnicas utilizadas na supressão do cnicas utilizadas na supressão do crescimento crescimento colunarcolunar (em geral recomenda(em geral recomenda--se maior se maior amplitude e menor freqamplitude e menor freqüüência de oscilaência de oscilaçção ão –– fatores fatores como como HnetHnet, , lolo e e espessuraespessura tambtambéém devem ser m devem ser considerados). Tambconsiderados). Tambéém, influencia no espam, influencia no espaççamento amento dendrdendrííticotico ((vsvs↑↑).).

Fonte: Kou, 2003.

Soldagem do Al sem a oscilação da tocha

(alinhamento no final da solidificação).

Soldagem do Al com oscilação da tocha.

Aplicação de campo magnético externo durante a soldagem TIG. Fonte: Kou, 2003.

Controle da estrutura dos grãos

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e) Agitae) Agitaçção mecânica controlada (eletrodo/tocha)ão mecânica controlada (eletrodo/tocha)Para uma dada freqPara uma dada freqüüência de oscilaência de oscilaçção do arco, cuidado dever ser ão do arco, cuidado dever ser tomado quanto ao valor adotado para a tomado quanto ao valor adotado para a amplitudeamplitude, uma vez que, por um , uma vez que, por um lado, seu incremento causa o refinamento no tamanho de grão, redlado, seu incremento causa o refinamento no tamanho de grão, reduz uz microsegregamicrosegregaççãoão e, por outro, aumenta o grau de porosidade, engrossa e, por outro, aumenta o grau de porosidade, engrossa os braos braçços os dendrdendrííticosticos secundsecundáários; promove a sensibilidade ao rios; promove a sensibilidade ao surgimento de trinca quente na borda.surgimento de trinca quente na borda.

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Controle da estrutura dos grãos

Efeito da amplitude da vibração na soldagem do Al-Mg (tamanho de grão e subestrutura). Fonte: Kou, 2003.

e) Este) Estíímulo da nucleamulo da nucleaçção na ão na superfsuperfíície da pocie da poççaaPara uma dada freqPara uma dada freqüüência de oscilaência de oscilaçção do arco, ão do arco, cuidado dever ser tomado quanto ao valor adotado cuidado dever ser tomado quanto ao valor adotado para a para a amplitudeamplitude, uma vez que, por um lado, seu , uma vez que, por um lado, seu incremento causa o refinamento no tamanho de grão, incremento causa o refinamento no tamanho de grão, reduz reduz microsegregamicrosegregaççãoão e, por outro, aumenta o grau e, por outro, aumenta o grau de porosidade, engrossa os brade porosidade, engrossa os braçços os dendrdendrííticosticossecundsecundáários; promove a sensibilidade ao surgimento rios; promove a sensibilidade ao surgimento de trinca quente na borda.de trinca quente na borda.

Estímulo da nucleação superficial pelo jato “sopro” de gás inerte

“frio”, produzindo super-resfriamento constitucional (Fonte:

Kou, 1987).

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f) Outras tf) Outras t éécnicas utilizadas no refino da zona fundida são: fr agmentacnicas utilizadas no refino da zona fundida são: fr agmenta çção ão dendrdendr ííticatica e e destacamento de grão. destacamento de grão.

Dendrite fragments

Adaptado de Kou (1987)

Controle da estrutura dos grãos

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Onde buscar informações sobre a área de soldagem?Associação Brasileira de Soldagem - ABS ( www.abs-soldagem.org.br )

American Welding Society - AWS ( www.aws.org/ )

Infosolda ( www.infosolda.com.br/ )

The International Institute of Welding - IIW ( www.iiw-iis.org/ )

University Cambridge ( www.msm.cam.ac.uk/ )

The Welding Institute and Welding & Joining Society - TWI (www.twi.co.uk/ )

PATON Eletric Welding Institute ( www.paton.kiev.ua/eng/inst/inst.html )

ASM (http://asmcommunity.asminternational.org/portal/sit e/asm/)

Edison Welding Institute - EWI ( www.ewi.org/ )

Labsolda UFSC ( www.labsolda.ufsc.br )

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materia is da UFMG ( www.demet.ufmg.br )

Graco – UnB ( www.graco.unb.br/ )

Laprosolda – UFU ( www.mecanica.ufu.br/Laboratorios/laprosolda/index.h tml )

Welding and Joining Institute – Aachen ( www.isf-aachen.de/eng/index_en.html )

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