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Centro Universitário do Leste de Minas de Gerais UNILESTEMG Coronel Fabriciano - MG TECNOLOGIA MECÂNICA METALURGIA DA SOLDAGEM SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS

Apostila de Tecnologia Mecânica

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Page 1: Apostila de Tecnologia Mecânica

Centro Universitário do Leste de Minas de GeraisUNILESTEMG

Coronel Fabriciano - MG

TECNOLOGIA MECÂNICA METALURGIA DA SOLDAGEM

SOLDABILIDADE DOS MATERIAIS

ENGENHARIA DE MATERIAISPROF. REGINALDO PINTO BARBOSA

Março de 2007

Page 2: Apostila de Tecnologia Mecânica

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................5

1.1. CONCEITO DE SOLDAGEM...............................................................................................5

1.2. A IMPORTÂNCIA DA SOLDAGEM.....................................................................................6

1.3. EFEITOS DA SOLDAGEM NOS AÇOS.................................................................................6

1.4. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM............................................................7

1.5. O ENGENHEIRO DE SOLDAGEM.......................................................................................9

1.6. SELEÇÃO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM.....................................................................10

1.7. AS PROPRIEDADES DOS AÇOS E A SOLDAGEM..............................................................10

1.8. O ARCO ELÉTRICO........................................................................................................11

1.8.1. Perfil Elétrico......................................................................................................12

1.8.2. Efeitos Magnéticos..............................................................................................14

1.9. TIPOS DE JUNTAS E CHANFROS.....................................................................................15

1.10. EXERCÍCIOS PROPOSTOS..............................................................................................18

2. METALURGIA DA SOLDAGEM...................................................................................19

2.1. MACROESTRUTURA DE UMA JUNTA SOLDADA..............................................................19

2.2. FLUXO TÉRMICO NA SOLDAGEM...................................................................................24

2.3. CICLOS TÉRMICOS DE SOLDAGEM.................................................................................26

2.4. VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO E TEMPERATURAS MÁXIMAS...................................29

2.5. DIAGRAMA DE IRSID....................................................................................................33

2.6. TRATAMENTOS TÉRMICOS.............................................................................................35

2.6. TRATAMENTOS TÉRMICOS.............................................................................................36

2.7. EXERCÍCIOS PROPOSTOS................................................................................................39

3. PROCESSOS DE SOLDAGEM........................................................................................42

3.1. PROCESSO ELETRODO REVESTIDO................................................................................42

3.2. PROCESSO DE SOLDAGEM TIG......................................................................................46

3.3. PROCESSO MIG/MAG...................................................................................................50

3.4. SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA ELÉTRICA......................................................................57

3.5. EXERCÍCIOS PROPOSTOS................................................................................................60

4. SOLDAGEM DOS AÇOS CARBONO E LIGADOS (1)..................................................63

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 2

Page 3: Apostila de Tecnologia Mecânica

4.1. SOLDABILIDADE.............................................................................................................63

4.2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS............................................................................................64

4.3. SOLDAGEM DOS AÇOS CARBONO E DE BAIXA LIGA.....................................................66

4.3.1. Aços de Baixo Carbono e Aços Doces...............................................................67

4.3.2. Aços de Médio Carbono......................................................................................67

4.3.3. Aços de Alto Carbono.........................................................................................68

4.3.4. Aços de Baixo Liga.............................................................................................68

4.3.5. Procedimentos de Soldagem...............................................................................70

4.4. SOLDAGEM DOS AÇOS LIGADOS....................................................................................71

4.5. EXERCÍCIOS PROPOSTOS................................................................................................74

5. SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS......................................................................75

5.1- AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS............................................................................75

5.1.1 – Microestrutura da Região Soldada....................................................................76

5.1.2 – Procedimento de Soldagem...............................................................................77

5.1.3 – Tratamento Térmico Pós Soldagem..................................................................77

5.2. AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS....................................................................................78

5.2.1 - Microestrutura da Região de Solda...................................................................79

5.2.2 - Procedimentos de Soldagem.............................................................................80

5.3 – AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS.............................................................................81

5.3.1 - Microestrutura da Zona Fundida.......................................................................83

5.3.2 - Procedimentos de Soldagem.............................................................................83

5.3.3. Tratamento Térmico após a Soldagem...............................................................84

5.4 – PROBLEMAS NA SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS.................................................85

5.4.1 - Trincas a Frio em Aços Martensíticos (Fragilização por Hidrogênio).............85

5.4.2 – Trincas a Quente em Aços Austeníticos...........................................................86

5.4.3. Formação de Fase Sigma....................................................................................87

5.4.4. Fragilização à 475C...........................................................................................88

5.4.5. Fragilização pelo Crescimento de Grão..............................................................88

5.4.6. Corrosão Intergranular........................................................................................89

5.4.7. Corrosão sob Tensão...........................................................................................91

5.4.8. Outros Tipos de Corrosão..................................................................................92

5.5. ESCOLHA DO METAL DE ADIÇÃO.................................................................................92

5.5.1. Diagrama de Schaeffler.......................................................................................93Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 3

Page 4: Apostila de Tecnologia Mecânica

5.6. EXERCÍCIOS PROPOSTOS..............................................................................................100

6. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS E METAIS NÃO FERROSOS...................102

6.1. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS..............................................................................102

6.2. SOLDAGEM DE METAIS NÃO FERROSOS......................................................................103

6.2.1. Alumínio e suas Ligas.......................................................................................103

6.2.2. Cobre e suas Ligas............................................................................................106

6.3. EXERCÍCIOS PROPOSTOS..............................................................................................108

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................109

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 4

Page 5: Apostila de Tecnologia Mecânica

1. INTRODUÇÃO

1.1. Conceito de Soldagem

Classicamente a soldagem é considerada como um processo de união, porém, na

atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para deposição de

material sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgastadas ou para a

formação de um revestimento com características especiais.

Usualmente costuma-se definir soldagem como "processo de união de metais por

fusão", entretanto deve-se ressaltar que não apenas os metais são soldáveis e que é possível se

soldar sem fusão. Para efeito de nosso estudo, vamos utilizar duas definições de soldagem

propostas na literatura:

- "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na

junta a continuidade das propriedades físicas e químicas". (Dutra & Quites)

- "Processo de união de materiais usados para obter a coalescência localizada

de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura

adequada, com ou sem utilização de pressão e/ou material de adição".

(American Welding Society - AWS)

Durante a soldagem dos diversos materiais, a temperatura do metal adjacente à solda

atinge valores nos quais transformações microestruturais podem ocorrer. A ocorrência destas

mudanças e o seu efeito sobre a junta soldada - em termos de resistência à corrosão e

propriedades mecânicas - depende do teor de elementos de liga, espessura da chapa, metal de

adição usado, configuração da junta, método de soldagem utilizado e habilidade do soldador.

Apesar destas transformações microestruturais, o principal objetivo da soldagem é produzir

uma solda com qualidade igual ou superior àquela do metal de base.

O processo de soldagem teve seu grande impulso durante a II Guerra Mundial, devido

à fabricação de navios e aviões soldados. A evolução dos processos de soldagem ocorreu ao

longo do tempo. Segundo Houldcroft, cada processo de soldagem deve preencher os seguintes

requisitos:

* Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais, similares ou não.

* Remover as contaminações das superfícies a serem unidas.Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 5

Page 6: Apostila de Tecnologia Mecânica

* Evitar que o ar atmosférico contamine a região durante a soldagem.

* Propiciar o controle da transformação de fase, para que a solda alcance as

propriedades desejadas, sejam elas físicas, químicas ou mecânicas.

1.2. A Importância da Soldagem

A soldagem é um dos mais importantes e versáteis meios de fabricação disponíveis na

indústria. A soldagem é usada para unir centenas de diferentes ligas comerciais em muitas

diferentes formas. Aços carbono, ligados e aços inoxidáveis, bem como numerosas ligas não

ferrosas tais como o alumínio, níquel e cobre, e metais como o titânio, nióbio, molibdênio e

zircônio são extensivamente soldados. Muitos metais resistentes às altas temperaturas e

superligados são transformados em componentes úteis pela soldagem. Metais numa larga

faixa de espessura, desde poucos milímetros até materiais espessos são soldados. Realmente,

muitos produtos não podem ser fabricados sem a utilização da soldagem, como por exemplo,

produtos da usina nuclear, vasos de pressão e equipamentos da indústria química, etc..

A soldagem é de grande importância econômica devido ser uma das ferramentas

disponíveis mais importante para o engenheiro em seu esforço para reduzir custos de

produção e fabricação. A maior liberdade de projeto também é possível pelo uso da soldagem;

o que é uma grande vantagem deste processo de fabricação.

1.3. Efeitos da Soldagem nos Aços

A grande maioria dos aços usados na soldagem consistem de aço carbono baixo

carbono (C 0,30%). A fração restante consiste de aços carbono alto carbono e aços ligados.

A experiência prática tem mostrado que estas ligas não podem ser soldadas com o

mesmo grau de dificuldade. Por exemplo, aços carbono com menos de 0,15% de carbono

podem ser facilmente soldados por quase todos os processos resultando soldas de boa

qualidade. Aços com conteúdo de carbono entre 0,15 a 0,30% podem ser totalmente soldados

em espessuras até 12,7 mm. A soldagem de seções mais espessas poderá ou não necessitar de

cuidados especiais. A soldagem de aços de alta resistência requer consideração especial, de

forma que o calor de soldagem não prejudique a sua microestrutura temperada e revenida.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 6

Page 7: Apostila de Tecnologia Mecânica

A razão pela qual todos os aços não podem ser soldados sem o uso de materiais

especiais ou operações suplementares é que os mesmos são mais facilmente alterados pelo

calor de soldagem do que outros. A aplicação do calor produz uma alteração estrutural, efeitos

térmicos e mecânicos no metal a ser soldado ou em qualquer outro que venha a ser parte

integrante da união. È suficiente dizer que os efeitos incluem expansão e contração, mudanças

metalúrgicas (tais como, crescimento de grão) e alterações composicionais. No componente

soldado, estes fatos podem aparecer de duas maneiras:

a) A presença de trincas no metal base e no metal de solda bem como porosidade

ou inclusões no metal de solda.

b) Mudanças nas propriedades do metal base tais como resistência, ductilidade,

tenacidade e resistência à corrosão.

Estes efeitos da soldagem podem ser minimizados ou eliminados através de mudanças

nos métodos e práticas envolvidos na soldagem.

1.4. Classificação dos Processos de Soldagem

Uma peça metálica pode ser considerada como sendo formada por um grande número

de átomos ligados aos seus vizinhos, estabelecendo um arranjo espacial característico. Cada

átomo está distante do outro numa extensão r0 onde a energia do sistema é mínima, não

tendendo a ligar-se a qualquer outro.

Na superfície, o número de vizinhos é menor implicando em energia maior que o

átomo do interior. Uma união é possível se houver uma diminuição desta energia, como por

exemplo, através da aproximação a distâncias bem pequenas (da ordem de r0) de duas peças

metálicas. É o que acontece quando se coloca em contato dois blocos de gelo.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 7

Energia

Distância

r0

Page 8: Apostila de Tecnologia Mecânica

No caso de duas peças metálicas isto não ocorre, exceto em raras situações, devido a:

- As superfícies metálicas apresentam grande rugosidade em escala atômica;

- As superfícies metálicas estão cobertas por camadas de óxidos, umidade, graxa,

poeira, etc., impedindo a ligação metal/metal.

Os dois modos de superar estes obstáculos deram origem aos dois grandes grupos de

processos de soldagem. De acordo com a natureza da união os mesmos podem ser divididos

em dois grandes grupos a saber: soldagem por fusão e soldagem por pressão.

A soldagem por pressão consiste na aplicação de pressões elevadas que deformam a

superfície dos materiais, diminuindo a rugosidade da superfície e, consequentemente, a

distância média entre as mesmas. São processos de aplicação mais ou menos restritas. Dentre

estes podemos citar:

* Resistência Elétrica com junta overlap (sobreposição): por pontos e por costura.

* Resistência Elétrica com junta de topo: por centelhamento e por resistência pura.

* Por Indução

* Por Atrito

Na soldagem por fusão, a energia é aplicada com a intenção de produzir calor capaz de

fundir o material, produzindo a ligação das superfícies na solidificação. Inclui a maioria dos

processos mais utilizados atualmente, podendo ser subclassificado em:

* Soldagem a chama: oxi-acetilênica e ar-acetileno.

* Soldagem a arco encoberto com fio contínuo ou com fita contínua.

* Soldagem a arco descoberto com eletrodo autoprotetor: eletrodo revestido (protetor

externo) ou eletrodo tubular (protetor interno).

* Soldagem a arco descoberto com eletrodo imerso em atmosfera gasosa: com fio contínuo

(MIG/MAG) ou com eletrodo permanente (TIG).

Os processos de soldagem também podem ser classificados de acordo com o tipo de

fonte de energia. As fontes de energia empregadas nos processos de soldagem são mecânica,

química, elétrica e radiante.

a) Fonte mecânica – O calor é gerado por atrito ou por ondas de choque, ou por deformação

plástica do material.

b) Fonte química – O calor é gerado por reações químicas exotérmicas como, por exemplo, a

queima de um combustível (chama) ou a reação de oxidação do alumínio.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 8

Page 9: Apostila de Tecnologia Mecânica

c) Fonte elétrica – O calor é gerado ou pela passagem de corrente elétrica ou com a formação

de um arco elétrico. No primeiro caso, o aquecimento é realizado por efeito joule,

enquanto no segundo é através do potencial de ionização, corrente e outros parâmetros de

soldagem.

d) Fonte radiante – O calor é gerado por radiação eletromagnética (laser) ou por um feixe de

elétrons acelerados através de um potencial.

1.5. O Engenheiro de Soldagem

O engenheiro de soldagem pode ser considerado em quatros campos da engenharia, a saber:

1. O projeto de máquinas, estruturas e equipamentos;

2. As propriedades dos materiais disponíveis;

3. Os processos, procedimentos e equipamentos da indústria de soldagem;

4. Inspeção para manter a qualidade e sanidade das juntas soldadas até um nível

definido e apropriado para o serviço.

Ele é chamado para decidir sobre problemas pertinentes a estes campos. Por exemplo, ele

deve responder perguntas tais como:

- O projeto é adequado para o serviço requerido?

- O material é adequado para o serviço requerido?

- O processo de soldagem, os procedimentos e o equipamento de soldagem são

adequados?

Quando discute estas questões, o engenheiro de soldagem freqüentemente refere-se à

característica do material denominada "soldabilidade". O que significa soldabilidade? Este termo

não tem um significado aceitável universalmente e a sua interpretação varia largamente de

acordo com o ponto de vista de cada um. A AWS define soldabilidade como "a capacidade do

metal ser soldado sob condições de fabricação impostas para uma estrutura específica e adequada

e para satisfazer plenamente o serviço requerido".

Deve ser entendido, primeiramente, que a adequação de uma estrutura soldada para uma

condição específica de serviço depende dos seguintes fatores:

a) o projeto da estrutura, incluindo as juntas soldadas,

b) as características e propriedades do material base,

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 9

Page 10: Apostila de Tecnologia Mecânica

c) as propriedades e características das soldas e do material na região adjacente ao

cordão de solda.

1.6. Seleção dos Processos de Soldagem

As estruturas de aços baixo carbono e não ligados podem ser projetadas com base nas

propriedades do metal base e na composição do metal de solda. Entretanto, quando aços de alta

resistência e aços ligados necessitam de serem soldados deve-se levar em consideração a seleção

dos processos de soldagem e das técnicas de soldagem. Estes parâmetros podem exercer uma

influência significante na qualidade da solda e nas características da zona afetada pelo calor e por

conseqüência, na soldabilidade destes aços.

A indústria da soldagem desenvolveu vários processos que são capazes de produzir

satisfatoriamente uma junção em um aço. Freqüentemente, a seleção para uma aplicação

particular baseia-se em numerosos fatores que podem afetar as propriedades mecânicas desejadas

da junta. Eles incluem a espessura e dimensão das partes; a posição das juntas a soldar; a

quantidade de componentes a serem fabricados; a possibilidade de mecanização do processo; a

aparência da junta acabada; e o custo e limitações estabelecidas para o produto.

1.7. As Propriedades dos Aços e a Soldagem

A extensiva substituição das estruturas rebitadas pelas soldadas iniciou-se durante a II

Guerra Mundial e continua até hoje. Inicialmente esta substituição baseava-se nos ganhos de

custos e produtividade, entretanto, os projetistas perceberam que as propriedades requeridas na

construção de certas estruturas somente podiam ser obtidas através da soldagem. Por

conseguinte, as propriedades do aço e da junta soldada são importantes para o projetista,

metalurgista de soldagem e o engenheiro de soldagem.

Neste caso, deve-se conhecer as propriedades da junta que deve ser considerada no

projeto da estrutura soldada e que influenciam a performance da mesma. As propriedades mais

importantes incluem o limite de resistência à ruptura, ductilidade, tenacidade da fratura,

resistência à fadiga, propriedades a temperatura elevada e resistência à corrosão. As propriedades

dos materiais e aquelas requeridas na junta soldada é que vão ditar os procedimentos de

soldagem a serem adotados. Abaixo citam-se alguns casos práticos:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 10

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a) Soldagem de aços resistentes ao desgaste e de alta temperabilidade necessitam de

tratamentos de pré e pós aquecimento para evitar a formação de estruturas frágeis na

zona afetada pelo calor.

b) Aços de alto coeficiente de expansão térmica devem ser soldados com baixo aporte

de calor ou deve-se utilizar técnicas especiais de soldagem para evitar distorções.

c) Na soldagem de aços inoxidáveis ferríticos, deve-se controlar o aporte de calor para

evitar crescimento de grão ou formação de martensita no seu contorno, o que pode

fragilizar a junta soldada.

d) Materiais susceptíveis à corrosão sob tensão devem ser submetidos a tratamento de

alívio de tensão ou ter aplicação de alguma técnica para as tensões internas de tração.

1.8. O Arco Elétrico

O estudo do arco elétrico é importante na soldagem porque:

a) Nos processos em que ele se aplica, o arco elétrico é a fonte de calor necessária

para se executar a soldagem, sendo responsável pela formação da poça de fusão,

pelo aquecimento do eletrodo e pelos ciclos térmicos de soldagem.

b) Sua alta temperatura e turbulência produzem intensas reações químicas,

principalmente, reação gás-metal e reações escória-metal.

c) O arco elétrico é o responsável pela transferência do metal de adição da ponta do

eletrodo para a poça de fusão.

d) A demanda necessária para manter um arco estável determina as características

que a fonte de energia deve possuir.

Um arco elétrico ou voltaico pode ser definido como "a descarga de corrente elétrica

mantida através de um gás, iniciada por uma quantidade de elétrons emitidos do eletrodo

negativo (cátodo) aquecido". Todavia todo gás é isolante térmico nas condições normais de

temperatura e pressão. Portanto para que ele se torne condutor é necessário ionizá-lo, ou seja,

formar íons ou elétrons livres em sua constituição. Um gás ionizado recebe a denominação de

plasma. Nessa definição existem três conceitos importantes para o conhecimento do arco

elétrico: calor, ionização e emissão.

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 um material

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Page 12: Apostila de Tecnologia Mecânica

refratário como o tungstênio (eletrodo não consumível) ou de metal de menor ponto de fusão

como o aço (eletrodo consumível). Neste último caso, 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.

1.8.1. Perfil Elétrico

Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial

entre as suas extremidades e pela corrente que circula por este. A queda de potencial não é

uniforme ao longo do mesmo, podendo ser divido em três regiões principais:

a) Zona de Queda Catódica: os elétrons são emitidos e acelerados para o ânodo

através de campos elétricos.

b) Coluna de Plasma: constituída de elétrons livres, íons positivos, íons negativos.

Forma o plasma, sendo a parte visível e brilhante do arco.

c) Zona de Queda Anódica: constituída por elétrons. A queda de tensão é igual ao

potencial de ionização do gás circundante.

A coluna de plasma corresponde a quase todo o volume do arco, podendo ter vários

milímetros de comprimento, enquanto que as zonas de queda são pequenas regiões junto aos

eletrodos, com espessuras da ordem de 10-2 a 10-3 mm. A queda de tensão na região anódica

(VA) varia entre 1 e 10V e na catódica (VC), entre 1 e 15V, e são normalmente independente

do comprimento do arco (la).

A queda de tensão na coluna de plasma é aproximadamente proporcional ao

comprimento do arco (VCP E.la). E é o campo elétrico na coluna e depende da composição

do gás de plasma. Em função do exposto, a tensão no arco, para um dado valor de corrente,

pode ser representada pela equação de uma reta em função de la:

V = (VC + VA) + E . la

O calor é devido à movimentação de cargas elétricas no arco de um eletrodo

permanente; a ocorrência de choques entre estas cargas gera o calor. O cátodo precisa emitir

uma grande quantidade de elétrons, pois estes conduzem mais de 90% da carga elétrica

através do arco. No arco, os íons positivos são praticamente imóveis se comparados com a

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 12

Page 13: Apostila de Tecnologia Mecânica

velocidade dos elétrons, sendo estes, portanto, os responsáveis pela geração do calor. No caso

de arco elétrico de eletrodos consumíveis, além do choque entre íons, ocorre também choque

entre estes e átomos gerados na fusão do eletrodo e entre íons e as gotas que atravessam o

arco.

A emissão termoiônica é um processo de liberação de elétrons de uma superfície

aquecida. A mesma ocorre, basicamente, do aquecimento do material a uma temperatura

suficientemente alta para causar a emissão (ou "vaporização") de elétrons em sua superfície

por agitação térmica. A densidade de corrente resultante do efeito termoiônico é estimada pela

equação empírica de Richardson-Dushman, também conhecida por "taxa de emissão

termoiônica (Ie)":

Ie = A.T2.exp(-e/T) (A/m2)

Onde: A = constante que vale 6 a 7 x 105 A/m-2.oK-2

T = temperatura absoluta (oK)

e = carga do elétron (1,6 x 10-19C)

= constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 J/oK)

= função trabalho termiônico do material (eV)

A função trabalho termoiônico representa a energia térmica que deve ser absorvida

pelo elétron para ser emitido como elétron livre.

A ionização ocorre quando um elétron localizado em uma órbita mais externa recebe

uma quantidade de energia, sendo forçado para a órbita de maior energia. Conforme a energia

que o elétron recebe, ele pode ou não sair da influência de campo eletromagnético do átomo e

tornar-se um elétron livre. A energia necessária à produção de um elétron livre é chamada de

potencial de ionização. No caso dos arcos elétricos de soldagem, o interesse está voltado para

a ionização térmica, que é a ionização por colisão entre as partículas bem aquecidas.

Para se obter um arco voltaico para soldagem deve-se aquecer o gás existente entre o

eletrodo e a peça e sujeitá-lo a um bombardeio eletrônico. Isto é conseguido, por exemplo,

quando se toca o eletrodo na peça fazendo com que a tensão caia rapidamente para um valor

próximo de zero e a corrente cresça a um valor elevado. Por efeito Joule, isto provoca um

aquecimento na região de contato até a incandescência, favorecendo a emissão termoiônica. A

quantidade de calor liberada facilita o arrancamento dos elétrons dos átomos do ambiente

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 13

Page 14: Apostila de Tecnologia Mecânica

gasoso, ionizando o gás. Com a ionização térmica, o eletrodo pode ser afastado do metal base

sem que o arco elétrico seja extinto.

1.8.2. Efeitos Magnéticos

O arco de soldagem é um condutor de corrente elétrica e assim sensível às interações

da corrente elétrica por ele transportada com os campos magnéticos por ela gerada. Se um

condutor de comprimento l, percorrido por uma corrente elétrica i, é colocado numa região

onde exista um campo magnético B, então ele experimenta uma força F, conhecida como

"Forca de Lorentz", que é dada por:

F = B . i . l

Um importante efeito magnético que é o responsável pela penetração do cordão de

solda e por garantir a transferência da gota metálica, sempre no sentido eletrodo-peça,

independente da polaridade, é conhecido por "Jato de Plasma".

Sendo o arco de soldagem um condutor elétrico gasoso de forma cônica, quando a

corrente elétrica passa por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico com

seu eixo. Surgem assim forças de Lorentz na região do arco, que têm sempre o sentido de fora

para dentro.

A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância ao eixo

condutor. Como o diâmetro do arco é menor na região próxima ao eletrodo, as forças de

Lorentz tendem a ser maiores nessa região. Assim a pressão interna do arco na região próxima

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 14

P2

P1

d1

d2

Eletrodo

Peça

FsFFs

FiFi

d1 < d2 Fs > Fi

P1 > P2

Page 15: Apostila de Tecnologia Mecânica

do eletrodo é sempre maior que na proximidade da peça. Essa diferença de pressão causa um

fluxo de gás no sentido eletrodo peça, que é o "Jato de Plasma".

Considerando que tanto o campo magnético como as forças de Lorentz são

proporcionais à intensidade da corrente, quanto maior for esta, mais forte será o jato de

plasma e consequentemente, maior a penetração do cordão de solda.

Na extremidade fundida de eletrodos consumíveis, as forças de Lorentz são capazes de

deformá-la, tendendo a estrangular a parte líquida e separá-la do fio sólido, promovendo dessa

forma a transferência da gota metálica.

Um outro efeito das forças de Lorentz é o chamado "Sopro Magnético". Usualmente o

campo magnético induzido pela corrente tende a se distribuir uniformemente em torno do

arco. Quando esta distribuição é perturbada, levando a uma maior concentração do campo

magnético em um dos lados do arco, a força magnética passa a possuir uma componente

transversal que tende a desviar lateralmente o arco. Este efeito, sopro magnético, dificulta a

soldagem e aumenta as chances de formação de descontinuidades no cordão. Suas causas

relacionam-se, principalmente, às mudanças bruscas na direção da corrente elétrica e uma

distribuição assimétrica de material ferromagnético em torno do arco. O sopro magnético

pode ser minimizado por medidas como:

Inclinar o eletrodo para o lado que se dirige o arco,

Reduzir o comprimento do arco,

Balancear a saída de corrente da peça, ligando-a à fonte por mais de um cabo,

Reduzir a corrente de soldagem,

Soldar com corrente alternada.

1.9. Tipos de Juntas e Chanfros

A soldagem visa produzir uma junta entre dois elementos sólidos, conforme definição

já comentada. Esta junta pode configurar-se de diversas maneiras, condicionando

diferentemente o processo de soldagem.

O posicionamento das peças para união determina os vários tipos de juntas. Os

principais tipos de juntas são os seguintes:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 15

Page 16: Apostila de Tecnologia Mecânica

Junta de Topo: são aquelas em que os componentes a soldar encontram-se topo a topo,

de modo que, numa seção transversal, estes componentes apresentam-se num mesmo nível.

Exemplo:

Junta em Ângulo: juntas em que, numa seção transversal, os componentes a soldar

apresentam-se sob a forma de um ângulo. Exemplo:

Juntas Sobrepostas: juntas formadas por dois componentes a soldar, de tal maneira que

suas superfícies se sobrepõem. Exemplo:

Juntas de Aresta: junta formada por dois componentes a soldar, de tal modo que os

bordos dos mesmos formam um ângulo de 180o . Exemplo:

Muitas vezes durante a soldagem, as dimensões das peças, a facilidade de se movê-las

e a necessidade de projeto exigem uma preparação das mesmas na forma de cortes ou

conformação especial da junta. Estas aberturas ou sulcos na superfície da peça ou peças a

serem unidas e que determinam o espaço para conter a solda recebe o nome de chanfro. Os

chanfros podem ser preparados por operações de corte a chama, plasma ou por usinagem.

O tipo de chanfro a ser usado em uma soldagem específica é escolhida em função do

processo de soldagem, espessura das peças, suas dimensões, facilidades de acesso à região da

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 16

Page 17: Apostila de Tecnologia Mecânica

solda, etc.. Alguns dos principais tipos de chanfros mais comumentes usados em soldagem

são mostrados na figura abaixo.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 17

Page 18: Apostila de Tecnologia Mecânica

1.10. Exercícios Propostos

1. Conceitue soldagem e dê três exemplos de situações em que se realiza um processo de

soldagem.

2. Por que é possível se soldarem dois blocos de gelo por aproximação?

3. Quais são os tipos de fonte de energia empregados nos processos de soldagem?

Identifique pelo menos dois processos de soldagem que empregam cada uma delas.

4. Desenhe esquematicamente os quatro tipos de juntas possíveis de serem usadas nos

diversos processos de soldagem e caracterize cada uma delas.

5. Explique como ocorre a soldagem nos processos de soldagem por pressão. Exemplifique.

6. Cite o nome de quatro processos de soldagem por fusão.

7. Considerando que o gás é isolante nas condições normais de temperatura e pressão, o que

é necessário para que ele se torne condutor da corrente elétrica? Explique o fenômeno.

8. Explique como se dá a abertura de um arco voltaico de soldagem.

9. Por que o arco elétrico é a fonte de calor mais usada hoje em dia para a soldagem por

fusão?

10. Explique como a correta definição e escolha do chanfro aplicável a uma junta pode

interferir com a redução dos custos, considerando que esta deve ser uma das mais

importantes preocupações do profissional de soldagem.

11. Se você fosse soldar uma chapa de 25 mm de espessura utilizando o processo de soldagem

por eletrodo revestido e uma junta de topo com acesso somente por um lado, que tipos de

chanfros você poderia usar? Você realizaria a solda em passe único?

12. Por que a preparação das juntas a soldar é de extrema importância num processo de

soldagem?

13. Caracterize as três regiões do arco de soldagem.

14. Explique como as forças de Lorentz influenciam no grau de penetração do cordão de solda

e na transferência da gota metálica.

15. Conceitue sopro magnético e indique medidas para minimizar ou eliminar a sua

ocorrência.

16. Que proporção da corrente elétrica no arco é transportada por elétrons? E por ions

positivos?

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 18

Page 19: Apostila de Tecnologia Mecânica

2. METALURGIA DA SOLDAGEM

A maioria dos processos de soldagem utiliza o calor como principal fonte de energia,

sendo necessário fornecê-lo à poça de fusão em quantidade e intensidade suficientes, de forma a

garantir a execução de uma solda de boa qualidade. O calor é, portanto, elemento essencial à

execução de uniões soldadas mas pode por outro lado, representar fonte potencial de problemas

devido à sua influência direta nas transformações metalúrgicas que ocorrem na junta soldada.

As condições térmicas na solda e nas regiões próximas a ela devem ser estabelecidas

para controlar estes fenômenos metalúrgicos na soldagem. De particular interesse pode-se citar:

- aporte de energia ou de calor à junta soldada;

- rendimento térmico do arco elétrico;

- a distribuição da temperatura máxima (ciclo térmico) na zona afetada pelo calor (ZAC);

- as velocidades de resfriamento em pontos do metal de solda e zona afetada pelo calor;

- a velocidade de solidificação do metal de solda.

A velocidade de resfriamento é um dos aspectos mais importantes do fluxo térmico,

uma vez que, após um ponto de solda ter alcançado sua temperatura máxima, o tempo no qual

ele resfria exerce um efeito significativo sobre a estrutura e as propriedades do metal de base.

A maioria dos processos de soldagem por fusão é caracterizado pela utilização de uma fonte

de calor intensa e localizada. A história térmica de um ponto na soldagem pode ser dividida

de maneira simplificada, em duas etapas básicas: uma etapa de aquecimento e outra de

resfriamento.

2.1. Macroestrutura de uma Junta Soldada

É interessante sabermos que nas soldas existem três zonas de particular interesse, as

quais podem ser identificadas por exame macrográfico. Na figura 1 representa-se a seção

transversal de uma solda identificando as três regiões principais da solda.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 19

Page 20: Apostila de Tecnologia Mecânica

Figura 1 – Macrografia de uma junta soldada

Zona Fundida (ZF) composta pelo metal de base e metal de adição ou somente

pelo metal de base, no caso de soldagem autógena. Nesta região as temperaturas são maiores

que a temperatura de fusão do material, sendo pois, a região da junta soldada onde

efetivamente ocorreu a fusão e subsequente solidificação.

A zona fundida pode ser formada sob as mais diversas condições. Na soldagem a arco

com eletrodo consumível, o metal de adição fundido é transferido para a poça de fusão na

forma de gotas, aquecidas a temperaturas muito elevadas, acima de 2000oC, no caso de aços.

A composição química final da zona fundida depende da diluição, ou seja, da

participação relativa do metal de base e do metal de adição na formação da zona fundida. A

diluição (D) é determinada pela razão entre a massa do metal de base fundida e a massa total

da solda.

Uma das formas de se avaliar a diluição é através de macrografias da seção transversal

da junta soldada. A diluição varia com o processo de soldagem, sendo por exemplo de 10 a

30% para o processo de soldagem por eletrodo revestido, de até 80% na soldagem por arco

submerso e 0% na brasagem.

O controle da diluição é importante na soldagem de metais dissimilares, na deposição

de revestimentos especiais sobre uma superfície metálica, na soldagem de metais de

composição química desconhecida, caso muito comum em soldagem de manutenção e na

soldagem de materiais que tenham altos teores de elementos prejudiciais à zona fundida,

como o carbono e o enxofre.

Vejamos um exemplo prático da importância do controle da diluição envolvendo aços

inoxidáveis. Para tal utilizaremos os diagramas de Schaefler e Bystram situando nos mesmos as

composições químicas do metal base e metal de adição e, como conseqüência poderemos prever

a estrutura da zona fundida e os problemas característicos.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 20

ZF

MBZAC

A

D = (%) onde: A = quantidade de metal base na ZF

B + A B = quantidade de metal de adição na ZF

Page 21: Apostila de Tecnologia Mecânica

Exemplo:

Soldagem de chapas de aço AISI 430 utilizando eletrodo AWS E309-16. Considerar

diluição de 30%, que é o percentual do metal de base no metal de solda.

Composição química do metal depositado com eletrodo E309-16 é a seguinte:

C = 0,09% Mn = 0,70% Cr = 22,1% Ni = 12,5% Si = 0,70%

Composição química do aço AISI 430:

C = 0,03% Mn = 0,90% Cr = 19,3% Si = 0,40%

Utilizando o Diagrama de Schaefler, calcula-se os valores de cromo e níquel equivalentes

para o metal de base e o metal depositado:

a) Creq = %Cr + %Mo + 1,5 %Si + 0,5 %Nb

Metal depositado: Creq = 22,1 + 0,00 + 1,5 . 0,70 = 23,20%

Metal de base: Creq = 19,3 + 0,00 + 1,5 . 0,40 = 19,9%

b) Nieq = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn

Metal depositado: Nieq = 12,5 + 30 . 0,09 + 0,5 . 0,70 = 14,74%

Metal de base: Nieq = 0 + 30 . 0,03 + 0,5 . 0,90 = 1,35%

Localizando no diagrama de Schaefler as composições químicas relativas ao metal de

base e ao eletrodo, encontramos dois pontos equivalentes ao metal depositado e metal de base.

Unindo-os e considerando a diluição de 30% vemos que a zona fundida será formada por

austenita e ferrita, com o teor desta última da ordem de 18%. Nesta região, a liga está livre dos

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 21

Page 22: Apostila de Tecnologia Mecânica

quatro defeitos previstos no diagrama de Bystram, ou seja, a solda poderá ser executada sem

problemas.

Diagrama de Bystram

Zona Afetada pelo Calor (ZAC) correspondente à região do metal de base não

fundida adjacente à zona de fusão, porém, cujas temperaturas são sempre superiores à

temperatura de transformação do material, podendo provocar alterações nas suas propriedades

e microestrutura. Também chamada Zona Termicamente Afetada (ZTA).

As características da ZAC dependem principalmente do tipo de metal de base e do

processo e procedimentos de soldagem, ou seja, do ciclo térmico e da repartição térmica. De

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 22

Page 23: Apostila de Tecnologia Mecânica

acordo com o tipo de metal que está sendo soldado, os efeitos dos ciclos térmicos poderão ser

os mais variados. No caso de metais não transformáveis (o alumínio, por exemplo), a

mudança estrutural mais marcante será o crescimento de grão.

Em metais transformáveis, a ZAC será mais complexa. No caso dos aços carbono e

aços baixa liga, a ZAC apresentará as seguintes regiões características:

a) Região de Crescimento de Grão: compreende a região do metal de base, mais

próxima da solda, que foi submetida a temperaturas próximas da temperatura de fusão. Nesta

situação a estrutura austenítica sofre um grande crescimento de grão. Este crescimento

depende do tipo de aço e da energia de soldagem e, constitui a região mais problemática da

ZAC podendo apresentar menor tenacidade e problemas de fissuração. É caracterizada por

uma estrutura grosseira, com placas de ferrita, podendo apresentar perlita, bainita ou

martensita.

b) Região de Refino de grão: compreende a região da junta aquecida a temperaturas

comumente usadas na normalização dos aços (900 a 1000oC). Após o processo de soldagem,

esta região é caracterizada por uma estrutura fina de ferrita e perlita, não sendo problemática

na maioria dos casos.

c) Região Intercrítica: nesta região, a temperatura de pico varia entre 727oC e a linha

A3, sendo caracterizada pela transformação parcial da estrutura original do metal de base.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 23

Page 24: Apostila de Tecnologia Mecânica

Metal de Base (MB) região mais distante do cordão de solda moderadamente

aquecida ou sem nenhuma influência do calor de soldagem. Não apresentam mudanças

microestruturais perceptíveis. As temperaturas são inferiores às temperaturas críticas para o

material (inferior a 727oC no caso dos aços carbono).

A linha de fusão ou zona de ligação é a região que faz a ligação entre os cristais da

zona de fusão com os cristais da zona termicamente afetada. Em uma micrografia observa-se

que se trata de uma linha de transição estrutural. É a região que durante a soldagem foi

aquecida entre a linha liquidus e a linha solidus.

Quanto à sua geometria, os cordões de solda apresentam os seguintes elementos:

- Reforço: máxima altura alcançada pelo excesso de material de adição, medida a

partir da superfície do material de base.

- Largura: máxima distância entre os pontos extremos alcançados pela fusão, sobre a

superfície do material de base.

- Penetração: máxima profundidade alcançada pela fusão, medida perpendicularmente

à superfície do material de base.

- Raiz da Solda: região do primeiro passe ou demão, junto à parede ou encosto dos

bordos.

2.2. Fluxo Térmico na Soldagem

Para a soldagem a arco, pode-se considerar o arco como a única fonte de calor, definida

pela sua energia de soldagem. Verifica-se que uma parte desta energia disponível é dissipada

para a atmosfera sob a forma de calor irradiante, outra pequena fração perde-se por convecção no

meio gasoso que protege a poça de fusão e, uma terceira parte é realmente usada para a execução

da soldagem. Conclui-se, portanto, que nem toda a energia disponível é integralmente

aproveitada para fundir o metal base e o eletrodo, sendo as perdas computadas através do que se

chama rendimento térmico do processo, o qual é uma relação entre a quantidade de energia

efetivamente absorvida na soldagem e a energia total fornecida ao arco.

A energia de soldagem é uma medida da quantidade de calor cedido à peça, por

unidade de comprimento, definida por Eab = t .E. A dissipação do calor ocorre principalmente

por condução na peça, das regiões aquecidas para o restante do material.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 24

Page 25: Apostila de Tecnologia Mecânica

Considerando que E = U.I / V, podemos rescrever a equação de Eab como:

Eab = t . U.I / V onde:

Eab = energia absorvida pela peça, em J/mm

t = rendimento térmico do processo

U = tensão do arco, em volts

I = corrente de soldagem, em A

V = velocidade de soldagem, em mm/s

Como não se consegue quantificar com precisão as perdas de energia em cada processo

e, consequentemente, não se sabe a energia entregue à peça, as equações apresentam um certo

erro. Uma das principais fonte de erro reside no fato de se considerar o rendimento térmico (t)

constante para cada processo, independentemente dos parâmetros de soldagem. Geralmente

consideram-se os seguintes valores para o rendimento térmico:

- Eletrodo revestido e MIG/MAG = 85 a 90% - Arco submerso = 95%

- Processo Oxi-acetileno = 35 a 65% - Processo TIG = 40 a 50%

O baixo rendimento térmico no processo TIG é devido ao fato do calor gerado no

eletrodo não ser transferido à peça, uma vez que o mesmo é retirado pela água de refrigeração, e

devido aos gases usados, os quais resfriam a peça.

O rendimento de fusão correlaciona a energia de soldagem absorvida com a energia

efetivamente utilizada na fusão da solda. É definida pela equação:

f = (S.H.V) / (t.q), onde:

f = rendimento de fusão

S = área da seção transversal ao cordão (mm2)

H = energia necessária para aquecer e fundir o material (J/mm3)

q = calor por unidade de tempo (J/s)

Apresentam-se na tabela 1 alguns valores típicos para f e H.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 25

Page 26: Apostila de Tecnologia Mecânica

Tabela 1 - Valores típicos de rendimento e energia de fusão

PROCESSO f (%) MATERIAL H (J/mm3)

Oxiacetelênico < 5 Aço Baixa Liga 10

TIG 20 Aço Inoxidável 10

ER 30 Níquel 10

MIG / MAG 40 Cobre 06

AS 50 Alumínio 03

ET 80

Plasma 90

Laser 100

Como E = q/V e Eab = t .E pode-se rescrever a equação de f como:

f = (S.H) / ( t E) ou f = (S.H) / Eab

2.3. Ciclos Térmicos de Soldagem

O processo de aquecimento e resfriamento da junta é denominado ciclo térmico de

soldagem. Na figura 2 representa-se esquematicamente um ciclo térmico de soldagem, o qual

consiste basicamente de três fases: a etapa de aquecimento do material num início do processo, o

ponto em que a temperatura máxima é atingida e finalmente, a etapa de resfriamento gradual até

que a temperatura retorne ao valor inicial.

T (o C)

1200

1000

800

600

400

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 t (s)

Figura 2 – Ciclo Térmico de Soldagem

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 26

Page 27: Apostila de Tecnologia Mecânica

Durante a soldagem, cada ponto de material processado passa por um ciclo térmico

cuja intensidade será função de sua localização em relação à fonte de energia, no caso, o

eletrodo. Esse ciclo térmico representa as temperaturas que o ponto em estudo atinge em cada

instante do processo. É possível, portanto, obter para qualquer ponto do sólido em estudo o

valor instantâneo da temperatura.

Dessa forma, se desejarmos conhecer o ciclo térmico a que será submetido um

determinado ponto da zona afetada pelo calor de uma junta soldada, ou se desejarmos

interpretar as transformações metalúrgicas em um ponto do metal de base próximo à região da

solda, bastará utilizarmos a equação abaixo:

1 / (Tm - To) = (4,13..C.e.y) / (Eab) + 1 / (Tf - To), onde

Tm = temperatura máxima (oC) a uma distância y (mm) da linha de fusão da solda.

To = temperatura de pré aquecimento (oC)

Tf = temperatura de fusão (oC )

Eab= energia absorvida pela chapa (J/mm)

= densidade do material (g/mm3)

C = calor específico do metal sólido ( J/g. oC )

e = espessura da chapa (mm)

A equação da temperatura máxima acima pode ser usada para várias finalidades, entre

as quais:

1. determinação da temperatura máxima em um ponto específico da ZAC;

2. para estimar a largura da ZAC;

3. mostrar o efeito da temperatura de pré aquecimento sobre a largura da ZAC.

Apesar da utilidade da equação de temperatura máxima, é importante recordar certas

restrições ao seu uso. A mais importante destas é que a equação é derivada para a condição de

"placas finas" na qual o calor é conduzido em direções paralelas ao plano da chapa. Quando o

fluxo de calor for essencialmente planar, o volume do metal afetado pelo calor (ZAC) por

unidade de comprimento de solda é 2.e.y. Este valor aplica-se às "placas espessas".

Para uma dada temperatura de pré aquecimento, os tempos de permanência de um

ponto considerado à temperatura máxima aumentam com o aumento do aporte de energia e

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 27

Page 28: Apostila de Tecnologia Mecânica

causam um decréscimo na velocidade de resfriamento. Para um dado valor de energia absorvida,

aumentando-se a temperatura de pré aquecimento diminui-se a velocidade de resfriamento..

À medida que nos distanciamos da fonte de energia, os ciclos térmicos assumem

características importantes. A figura 3 representa curvas típicas de uma família de ciclos

térmicos correspondentes à soldagem por arco de uma chapa de aço onde a curva superior

representa o ciclo térmico correspondente a uma temperatura máxima de 1400oC a qual foi

encontrada em um ponto localizado a 10 mm do centro do cordão de solda e a curva inferior

corresponde ao ciclo térmico de um ponto que alcança 515oC de temperatura máxima e que se

encontra a 25 mm do centro da solda, podemos fazer as seguintes observações:

Figura 3 – Ciclos Térmicos de Soldagem

* a temperatura máxima alcançada decresce rapidamente com o aumento da distância do ponto

considerado ao centro da solda.

* o tempo requerido para se chegar à temperatura máxima cresce à medida que se aumenta a

distância ao centro do cordão.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 28

Page 29: Apostila de Tecnologia Mecânica

* as velocidades de aquecimento e resfriamento decrescem à medida que aumenta sua distância

ao centro do cordão.

Por outro lado, a determinação dos ciclos térmicos permite a obtenção das linhas

isotérmicas, ou seja, o efeito que o aporte de calor concentrado na poça de fusão de um cordão de

solda produz sobre a superfície da chapa mostrando a distribuição das linhas que alcançam igual

temperatura (isotermas) a distintas distâncias do centro do arco.

Supõe-se que a solda avança segundo uma linha horizontal na chapa; as linhas internas

encerram regiões que se encontram em temperaturas mais elevadas.

Quando se aumenta a temperatura de pré aquecimento as isotermas crescem, uma vez

que a entrega de energia adicional desloca a isoterma para pontos mais distantes do centro do

arco. Isto proporciona um aumento no tempo de aquecimento e eleva a temperatura máxima,

porém, diminui a velocidade de resfriamento.

Efeito contrário tem a condutividade térmica do material, ou seja, quanto maior for a

condutividade térmica da chapa as isotermas se contraem equivalendo dizer que o tempo de

aquecimento e a temperatura máxima diminuem e a velocidade de resfriamento aumenta.

2.4. Velocidade de Resfriamento e Temperaturas Máximas

Costuma-se caracterizar a etapa de resfriamento pelo valor da velocidade de

resfriamento a uma determinada temperatura T, ou pelo tempo t necessário para o ponto resfriar

de uma temperatura T1 a outra T2. Diversas variáveis podem influenciar a velocidade de

resfriamento de um material, dentre as quais citam-se:

a) Tipo de Metal de Base: quanto maior a condutividade térmica do material, maior é a

velocidade de resfriamento;

b) Geometria da Junta: considerando todos os outros parâmetros idênticos, uma junta em T

possui três direções para o fluxo de calor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas,

como mostra a figura abaixo. Logo, juntas em T tendem a esfriar mais rapidamente.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 29

Page 30: Apostila de Tecnologia Mecânica

Junta de Topo Junta em “T”

c) Espessura da Junta: até uma espessura limite, a velocidade de resfriamento aumenta com a

espessura da peça. Acima deste limite, a velocidade de resfriamento independe da espessura.

d) Energia de Soldagem e Temperatura Inicial da Peça: a velocidade de resfriamento diminui

com o aumento destes dois parâmetros e a repartição térmica torna-se mais larga.

Visando verificar a relação da velocidade de resfriamento com o comprimento do cordão,

foi feito um experimento utilizando uma junta de topo (bitérmica) e uma junta em T (tritérmica)

sendo que em cada uma foi acoplado um termopar na região central do comprimento do cordão e

na cratera do mesmo. Os parâmetros de soldagem utilizados foram: corrente de 170 A, tensão de

28 V e velocidade de soldagem de 15 cm/min.

Pode-se fazer as seguintes observações:

1. A velocidade de resfriamento no início do cordão é maior do que ao longo do mesmo. O

mesmo ocorre com cordões pequenos. Isto é devido ao fato da peça estar inicialmente fria o

que favorece a troca de calor, além de que o calor pode fluir em várias direções ao passo que

ao longo do cordão, estas direções são apenas duas.

Esta velocidade de resfriamento alta pode gerar problemas na qualidade da solda de

forma que pode-se adotar alguns artifícios para minimizar o seu efeito, tais como pré aquecer

o local de início da soldagem ou usar almofada (sobremetal para ser cortado).

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 30

Termopar

Junta Bitérmica Termopar

Junta Tritérmica

Page 31: Apostila de Tecnologia Mecânica

2. Quanto mais alta for a temperatura máxima num ponto, maior será a velocidade de

resfriamento.

3. Na cratera, a velocidade de resfriamento também é alta devido ao fato de inexistir arco durante

a solidificação nesta região, bem como, devido ao calor voltar a fluir em várias direções. Na

cratera ocorrem rechupes, cujo interior é irregular devido à formação de dendritas, implicando

em pontos de concentração de tensões e de heterogeneidade química, devido à segregação de

impurezas.

As soluções que podem ser adotadas para evitar o problema são:

. soldar a mais e cortar o excesso,

. retornar o arco antes de apagá-lo e aquecer o final,

. refundir a cratera,

. fazer a “unha” do cordão que consiste em esmerilhar a região da cratera. Ao

recomeçar a operação de soldagem, a “unha” será preenchida com material de

adição, novamente. Este procedimento deve ser aplicado principalmente aos

materiais susceptíveis à fragilização.

A velocidade de resfriamento também é afetada pela espessura da peça. A

velocidade de resfriamento é tanto maior quanto maior for a espessura da placa, porém, a

partir de um certo valor de espessura a mesma torna-se constante. O aumento da velocidade

de resfriamento em função do aumento da espessura pode ser explicado pelo efeito de

contorno, o qual representa a condução de calor na peça a partir da extremidade. Para os

mesmos parâmetros de soldagem, o efeito de contorno deixa de existir ao se atingir uma

determinada espessura, conhecida como espessura limite, tendo em vista que para esta

espessura o gradiente de temperatura torna-se tão pequeno que mesmo aumentando-se a

massa de material, já não se verifica nenhuma influência na velocidade de resfriamento. A

este fenômeno é atribuído o fato da velocidade de resfriamento tornar-se constante a partir de

certo valor de espessura.

A espessura limite depende da energia de soldagem, sendo sua variação diretamente

proporcional à energia de soldagem. Como regra prática para os aços baixa liga pode-se adotar a

espessura limite como aproximadamente igual à energia de soldagem. Espessuras menores que a

espessura limite caracterizam as chapas finas e as maiores, as chapas grossas.

A espessura limite pode ser determinada através da seguinte equação:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 31

Page 32: Apostila de Tecnologia Mecânica

El = e . [ . C . (Tc - To) / (Eab)]½

Onde: El = espessura limite (adimensional)

= densidade do material (g/mm3)

C = calor específico do metal sólido ( J/g. oC )

To = temperatura inicial da chapa (oC)

Tc = temperatura a partir da qual se deseja calcular a velocidade de resfriamento (oC)

E ab = energia absorvida pela chapa (J/mm)

Conforme o valor encontrado para a espessura limite, classifica-se a chapa como fina

ou espessa permitindo-se definir qual a equação para cálculo da velocidade de resfriamento

deverá ser utilizada.

El ≥ 0,9 → placa espessa

0,9 > El > 0,6 → placa espessa

El ≤ 0,6 → placa fina

Para temperaturas máximas maiores, a velocidade de resfriamento assume valores mais

altos. A temperatura de pré-aquecimento também tem efeito sobre a velocidade de resfriamento.

Com temperaturas de pré-aquecimento mais altas, o gradiente de temperatura é menor e,

portanto, menor será a velocidade de resfriamento.

Para se calcular a velocidade de resfriamento da linha de centro de uma união de topo

entre duas chapas grossas de mesma espessura, quando se deposita um grande número de passes,

usa-se frequentemente a expressão:

R = [2. . K . (Tc - To)2 ]/ E ab ,

Onde: R = velocidade de resfriamento (oC /s)

K = condutividade térmica do metal (J/mm . s . oC)

Para chapas finas emprega-se a seguinte expressão:

R = 2 . . k . . C. (e / Eab)2. (Tc - To)3

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 32

Page 33: Apostila de Tecnologia Mecânica

Onde: = densidade do material (g / mm3)

C = calor específico do material (J/g . oC)

e = espessura da chapa (mm)

2.5. Diagrama de IRSID

O diagrama francês ou IRSID é um ábaco para determinação do tempo de

resfriamento nas temperaturas entre 800 e 500oC. É muito usado pois considera a energia

equivalente absorvida pela peça em função da eficiência do processo e geometria da junta.

A seguir descreve-se as etapas para a sua utilização.

a) A partir dos parâmetros de soldagem (corrente, tensão e velocidade de soldagem)

calcula-se a energia total entregue à peça.

E = (60.U.I) / (1000.V) [kJ/cm]

b) Em função da geometria da junta ou do ângulo formado na junta em "X" ou "V"

após o primeiro passe, efetua-se a correção da energia de soldagem, agora denominada

energia corrigida (Ecorr).

Para se obter o valor de Ecorr deve-se traçar uma linha perpendicular ao eixo da

energia total, anteriormente calculada, até atingir uma das três linhas que indicam a condição

da junta, a saber: = 270o ou a = s; = 240o ou a = s/2 e = 180o ou a = 0.

A partir do ponto onde encontrou uma das linhas que indicam a condição da junta,

traça-se uma perpendicular à escala da energia corrigida, determinando-se o valor de Ecorr.

c) A próxima etapa consiste na determinação da energia equivalente absorvida pela

peça, a qual é determinada de modo análogo à energia corrigida, porém, a perpendicular deve

encontrar a linha de eficiência do processo (TIG, MIG/MAG ou SMAW/SAW).

d) O diagrama IRSID tem como abcissa a energia equivalente transferida e como

ordenada, a espessura da placa. Uma vez conhecidos estes valores basta marcar o ponto de

interseção no diagrama e ler o valor do tempo de resfriamento. No caso de haver pré

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 33

Page 34: Apostila de Tecnologia Mecânica

aquecimento da placa, deve-se fazer a correção dos valores de espessura e da energia

equivalente transferida em função da temperatura de pré aquecimento.

Uma outra utilização para o diagrama IRSID está na determinação dos parâmetros de

soldagem. Os mesmos podem ser obtidos a partir do tempo de resfriamento, o qual pode ser

calculado pelos diagramas CRC em função do teor de martensita admitida ou pela dureza e da

espessura da placa, bastando para isto um procedimento inverso ao anteriormente comentado.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 34

Page 35: Apostila de Tecnologia Mecânica

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 35

Page 36: Apostila de Tecnologia Mecânica

2.6. Tratamentos Térmicos

Conforme já estudamos, para se obter o controle metalúrgico de uma junta soldada e,

por conseqüência, o controle das propriedades mecânicas, é necessário que se conheça os ciclos

térmicos a que a junta soldada é submetida. Os tratamentos térmicos têm o objetivo de alterar ou

conferir características determinadas à junta soldada.

Os tratamentos térmicos mais comumente empregados para melhorar as propriedades

das juntas soldadas são:

a) antes da soldagem: pré aquecimento

b) após a soldagem: recozimento para alívio de tensões, recozimento pleno e

normalização.

a) Pré aquecimento

O pré aquecimento consiste em aquecer o metal base acima da temperatura ambiente

antes da soldagem. Tem como objetivo, em princípio, a prevenção de nucleação de trincas na

zona de fusão e na zona afetada pelo calor.

Os principais efeitos do pré aquecimento são:

- menor tendência à formação da martensita devido à diminuição do tempo de resfriamento;

- redução da dureza obtida na zona afetada pelo calor;

- diminuição das tensões e distorções residuais;

- permitir que o hidrogênio tenha possibilidade de se difundir, reduzindo a tendência à

fissuração a frio.

A temperatura de pré aquecimento não deve ser excessiva, devendo ser apenas a

necessária para evitar o obtenção da estrutura martensítica. O mesmo pode ser realizado em um

forno com controle de temperatura ou através de maçarico. As temperaturas de pré aquecimento

são recomendadas em função do teor de carbono ou do carbono equivalente e da espessura da

liga a ser soldada. Para aços carbono, soldados por eletrodo revestido pode-se usar a equação

seguinte para determinação da temperatura de pré aquecimento:

T (oF) = 1000 x ( C - 0,11) + 18 x t onde: C = teor de carbono da liga

t = espessura da junta (mm)

T = temperatura de pré aquecimento (oF)

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 36

Page 37: Apostila de Tecnologia Mecânica

b) Tratamento Térmico de Alívio de Tensões

O tratamento térmico de alívio de tensões consiste, basicamente, em aquecer

uniformemente a peça, de maneira a que o limite de escoamento do material fique reduzido a

valores inferiores às tensões residuais. Nesta condição, as tensões residuais provocam

deformações plásticas locais diminuindo de intensidade.

As tensões residuais em juntas soldadas são causadas pela contração da junta quando

esta é resfriada após a soldagem. Tensões de tração são geradas na região da solda e de

compressão, nas vizinhanças da mesma, no metal base, para equilibrá-las.

Este tratamento é executado através do aquecimento da peça à temperatura apropriada e

pela manutenção nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um resfriamento

uniforme de modo a impedir a introdução de novas tensões. Para impedir mudanças na

microestrutura ou dimensões da peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica.

Para os aços carbono, somente os tratamentos realizados em temperaturas superiores a

500oC são realmente eficazes. Para cada tipo de aço temperaturas específicas são recomendadas.

c) Normalização

A normalização consiste no aquecimento da peça a uma temperatura acima da zona

crítica (temperatura A3), seguida de resfriamento ao ar. É necessário que a estrutura toda se

austenitize antes do resfriamento.

O objetivo da normalização é a obtenção de uma microestrutura mais fina e uniforme.

Os constituintes que se obtém da normalização do aço carbono são ferrita e perlita fina ou

cementita e perlita fina. Dependendo do tipo de aço pode-se, eventualmente, obter-se bainita.

Via de regra, é recomendável a realização de um revenimento na junta soldada após o

tratamento, para remover tensões residuais e diminuir a dureza.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 37

Page 38: Apostila de Tecnologia Mecânica

Temperatura (oC)

Curva de Resfriamento

Tempo

d) Recozimento Pleno

O recozimento consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica (A3) durante o

tempo necessário para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento

muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento. A micro estrutura obtida nos

aços carbono é a perlita grossa e ferrita.

Para os aços, a temperatura de recozimento corresponde a 50oC acima da temperatura

de austenitização, ou seja, cerca de 900 a 950oC para aços de baixo teor de carbono.

Temperatura (oC)

Curva de resfriamento

Tempo

Materiais de aços baixa liga ou endurecíveis ao ar sofrem uma redução considerável de

propriedades mecânicas com o recozimento pleno, não sendo, portanto, recomendado este

tratamento para juntas soldadas destes tipos de aços.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 38

A

3

M

IM

f

A

3

M

IM

f

Page 39: Apostila de Tecnologia Mecânica

e) Têmpera e Revenimento

A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de

resfriamento rápido. O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica resultando, por

este motivo, o aumento da dureza e a redução da tenacidade da peça.

O revenimento é o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera, pois

atenua os inconvenientes produzidos por esta. O revenimento consiste em aquecer o material a

temperaturas bastante inferiores à temperatura crítica, permitindo uma certa acomodação do

sistema cristalino e, como conseqüência, a diminuição da dureza e o aumento da tenacidade da

peça. A estrutura resultante chama-se de martensita revenida.

Temperatura (oC) Curva de resfriamento

Revenimento

Tempo

2.7. Exercícios Propostos

1. Como você pode delimitar o tamanho da zona afetada pelo calor de uma solda por fusão?

2. Defina reforço e largura do cordão de solda. Como estes parâmetros variam com a

corrente e velocidade de soldagem numa solda por eletrodo revestido?

3. Que variáveis podem influenciar a velocidade de resfriamento num processo de

soldagem? Explique como as mesmas se relacionam com a velocidade de resfriamento.

4. Conceitue energia de soldagem e mostre sua relação com os parâmetros elétricos e

geométricos numa solda a arco voltaico.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 39

A

3

M

IM

f

Page 40: Apostila de Tecnologia Mecânica

5. Um vaso de pressão de aço inoxidável AISI 304L foi soldado pelo processo eletrodo

revestido utilizando um eletrodo AWS E308LSi. Calcule qual será a composição química

aproximada do metal depositado considerando uma diluição de 25%.

Dados: Metal Base: C = 0,03%, Mn = 1,00%, Si = 0,90%, Cr = 19,00% e Ni = 9,50%

Metal de Adição: C = 0,02%, Si = 0,88%, Mn = 1,71%, Cr = 20,35% e Ni = 9,64%

6. Defina rendimento térmico e rendimento de fusão. Por que é importante conhecer o

rendimento térmico dos diversos processos de soldagem?

7. Desenhe esquematicamente as três regiões de uma solda a arco metálico e explique cada

uma delas.

8. Com relação à soldagem por fusão, qual das três regiões deve ser considerada a mais

crítica: ZF, ZAC ou MB? Justifique sua resposta com um exemplo prático.

9. Que alternativas podem ser utilizadas para diminuir a diluição numa junta soldada?

10. Por que a velocidade de resfriamento é maior no início e final do cordão do solda?

11. O que você entende por temperatura máxima numa junta soldada? Por que é importante

conhecermos esta variável?

12. Que artifícios podem ser utilizados para minimizar os efeitos da velocidade de

resfriamento na cratera do cordão de solda?

13. Por que a energia de soldagem e o pré-aquecimento são as variáveis mais importantes que

afetam o ciclo térmico, do ponto de vista do engenheiro de soldagem?

14. Uma solda foi realizada utilizando uma temperatura de pré aquecimento de 100oC e uma

outra foi realizada sem pré aquecimento. A primeira apresentou um menor valor para a

velocidade de resfriamento. Explique o por que deste fato.

15. Por que a velocidade de resfriamento é maior nas chapas mais espessas do que naquelas

mais finas, considerando os mesmos parâmetros de soldagem?

16. Por que a soldagem é capaz de induzir fissuras num material?

17. Como varia a temperatura máxima e o tempo requerido para se atingir esta temperatura

numa junta soldada por processo a arco voltaico?

18. A equação da temperatura máxima pode ser utilizada para várias finalidades. Quais são

elas?

19. Considere um processo de soldagem por arco metálico por proteção gasosa (MAG),

quando se solda um perfil de aço carbono SAE 1030, de espessura 6 mm. Calcule o que

se pede (utilize o diagrama Fe-C, se necessário):

Dados:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 40

Page 41: Apostila de Tecnologia Mecânica

Densidade do aço carbono = 0,00785 g/mm3 Corrente de Soldagem = 140 A

Calor específico = 0,515 J/g.oC, Tensão = 23 V

Condutividade Térmica = 0,048 J/s.mm.oC Veloc.de soldagem = 19 cm/min

a) Determine qual é a distância máxima do cordão de solda que a ZAC apresenta uma

granulação grosseira.

b) Determine a largura da ZAC.

c) Determine a velocidade de resfriamento da ZAC, após ter-se atingido a temperatura

de 850oC. Considere que o soldador realizou um pré aquecimento de 200oC na

junta.

20. Calcule quanto tempo uma solda realizada pelo processo MIG, junta em ângulo, chapa de

espessura 15 mm demoraria para resfriar de 800 a 500oC? Considere a energia de

soldagem calculada no exercício anterior. Utilizar o diagrama de IRSID.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 41

Page 42: Apostila de Tecnologia Mecânica

3. PROCESSOS DE SOLDAGEM

3.1. Processo Eletrodo Revestido

A soldagem com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding – SMAW) é

definida como um processo de soldagem a arco, onde a união dos metais é produzida pelo

aquecimento oriundo de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo revestido e o metal

de base, na junta a ser soldada.

O metal fundido do eletrodo é transferido através do arco até a poça de função do

metal de base, formando assim o metal de solda depositado. Uma escória, que é formada do

revestimento do eletrodo e das impurezas do metal de base, flutua para a superfície e cobre o

depósito, protegendo-o da contaminação atmosférica e também controlando a taxa de

resfriamento. O metal de adição vem da alma metálica do eletrodo (arame) e do revestimento,

quando constituído de pó de ferro e elementos de liga. Apresenta-se na figura 4 um desenho

esquemático do processo de soldagem por eletrodo revestido.

Figura 4 – Soldagem com Eletrodo Revestido

Esse processo teve início no princípio do século, com a utilização de arames nus para

cercas, ligados a rede elétrica. O resultado dessa prática era realmente pobre, com sérios

problemas de instabilidade de arco e depósito de solda contaminados. Observou-se que

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 42

Page 43: Apostila de Tecnologia Mecânica

arames enferrujados, ou cobertos de cal, proporcionavam melhor estabilidade de arco, tendo-

se adotado o eletrodo com revestimento ácido ainda no começo da primeira década.

Observou-se também que, revestindo o arame com asbestos, o depósito era protegido da

contaminação enquanto o algodão aumentava a penetração do arco. Esses fatos marcaram, em

meados daquela década, o advento do revestimento celulósico. Desde esses estágios iniciais, o

desenvolvimento tem sido contínuo, podendo-se mencionar o advento dos eletrodos rutílicos,

em meados da década de 30; do revestimento básico, no início da década seguinte; e da adição

de pó de ferro, em meados da década de 50.

O processo de soldagem com eletrodo revestido é usualmente operado manualmente.

O equipamento básico consiste de uma fonte de energia, alicate para fixação dos eletrodos,

cabos de ligação, grampo (conector de terra), e o eletrodo. Representa-se na figura 5 os

principais componentes do equipamento de soldagem com eletrodo revestido.

Figura 5 – Equipamento para Soldagem com Eletrodo Revestido

As principais vantagens e limitações associadas a este processo são listadas a seguir:

Equipamento simples, portátil e barato.

Não necessita de fluxos ou gases externos.

Pouco sensível a correntes de ar.

Processo muito versátil, quanto ao tipo de materiais soláveis.

Facilidade para atingir áreas restritas.

Produtividade relativamente baixa

Exige limpeza após cada passe

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 43

Page 44: Apostila de Tecnologia Mecânica

Um eletrodo revestido é constituído por uma vareta de metálica, recoberta por uma

camada de fluxo. São obtidos através de extrusão, sob pressão de um revestimento sobre a

alma, usualmente um arame endireitado e cortado na dimensão. A partir daí, uma seqüência

de operações de secagem precede o empacotamento final. A composição do revestimento

determina as característica operacionais dos eletrodos e influencia a composição química e

propriedades mecânicas de solda.

Os revestimentos são constituídos de produtos complexos que, de uma maneira geral,

podem ser reunidos em três grandes grupos: revestimentos a base mineral, revestimentos a base

de matéria orgânica e revestimentos básicos, a base de carbonato de cálcio.

Os primeiros, a base de mineral, possibilitam a proteção do metal de solda, contra os

efeitos nocivos do oxigênio e do nitrogênio do ar, fundamentalmente por meio de uma escória

líquida. Os orgânicos protegem, principalmente, por meio de uma cortina gasosa, que é

produzida pela combustão do material orgânico do revestimento. Os tipos básicos protegem a

solda por ambos os princípios, sendo que esses geram escória de reação básica. Nos outros tipos,

a reação é ácida ou neutra.

Os revestimentos são constituído de produtos complexos que exercem, durante a

soldagem inúmeras funções.

1) Isolamento Elétrico - O revestimento é mau condutor de eletricidade; ele isola o eletrodo

evitando aberturas laterais do arco.

2) Isolamento Térmico - O eletrodo é percorrido por correntes altas e devido ao seu

comprimento há intensa geração de calor; em parte o revestimento abriga este calor e evita

sua perda.

3) Direcionamento do Arco – Em certos casos, o revestimento funde-se com atraso em relação

à alma e em consequência, forma-se na extremidade do mesmo, uma cratera que guia o metal

fundido para a poça de fusão, estabilizando o arco e protegendo o metal fundido. A este

efeito chamamos "Efeito Canhão" ou "Efeito Pinch".

4) Função Metalúrgica – O revestimento pode conter elementos de liga que, quando de sua

fusão, ficam inseridos na junta. Muitos possuem pó de ferro, que proporcionam uma maior

produção de material de adição e um bom acabamento da solda. O silício atua como agente

desoxidante. Também da queima do revestimento, surgem gases redutores (CO e H2) e, desse

modo, o conjunto resultante, composto por esses gases, escória fundida e poça metálica, se

assemelha a forno de redução. Após a solidificação da poça metálica, a escória solidificada

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 44

Page 45: Apostila de Tecnologia Mecânica

acima do metal, trata termicamente a solda evitando um resfriamento demasiadamente

rápido.

5) Proteção do Metal Fundido – O revestimento funde formando uma película de escória que

recobre cada gota do metal em fusão e também a poça líquida, evitando o contato com o ar.

Quando há geração de grande quantidade de gases, a proteção da poça líquida se processa

mais pela ação gasosa do que pela escória formada.

6) Função Ionizante – Os gases emanados do revestimento, quando da sua queima, são muito

mais facilmente ionizáveis do que o ar, por isto, propiciam uma abertura e manutenção mais

fácil do arco.

Os eletrodos revestidos são classificados tendo como base as propriedades mecânicas do

metal de solda na condição “como soldado”, tipo de revestimento, posição de soldagem do

eletrodo e tipo de corrente.

A classificação estabelecida pela AWS (American Welding Society) identifica os

eletrodos para aço agrupando-os em três categorias: para aços de baixo carbono, para aços de

baixa liga e para os aços de alta liga.

A classificação de um eletrodo genérico para aços de baixo carbono (AWS A5.1) e baixa

liga (AWS A5.5) tem a seguinte forma:

Os eletrodos para soldagem dos aços inoxidáveis são classificados segundo a norma

A5.4. A identificação consiste na letra E seguida por um conjunto de dígitos correspondendo a

classificação AISI da liga e de um sufixo designando o tipo de revestimento. Somente dois tipos

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 45

Page 46: Apostila de Tecnologia Mecânica

de revestimentos são previstos: básico (sufixo 15) e rutílico (sufixo 16). O revestimento básico é

usado para a soldagem com corrente contínua e polaridade inversa sendo que o rutílico pode

operar também com corrente alternada.

Os eletrodos para a soldagem de alumínio e suas ligas são classificados pela norma A5.3.

São raramente utilizados, sendo classificados em três grupos distintos: E1100, E3003 e E4013,

correspondendo respectivamente a ligas Al, Al-Mn e Al-Si. A razão para o pequeno uso destes

materiais é que, nas aplicações de responsabilidades, é dada preferência aos processos de

soldagem ao arco sob proteção gasosa.

3.2. Processo de Soldagem TIG

A soldagem a arco com eletrodo não consumível de tungstênio e proteção gasosa (Gas

Tungsten Arc Welding – GTAW) é um processo na qual a união de metais é produzida pelo

aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo de tungstênio não

consumível e a peça.

A proteção durante a soldagem é conseguida com um gás inerte ou mistura de gases

inertes, que também tem a função de transmitir a corrente elétrica quando ionizados durante o

processo. A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição. Quando é feito com metal

de adição, ele não é transferido através do arco, mas é fundido pelo arco. O eletrodo que

conduz a corrente é um arame de tungstênio puro ou liga deste material.

A área do arco é protegida da contaminação atmosférica pelo gás protetor, que flui do

bico da pistola. O gás remove o ar, eliminando nitrogênio, oxigênio e hidrogênio do contato

com o metal fundido e com o eletrodo de tungstênio aquecido. Como não existem reações

metal-gás e metal-escória, não há grande geração de fumos e gases, o que permite ótima

visibilidade para o soldador (controle e inspeção da poça e da solda).

O custo dos equipamentos necessários e dos consumíveis usados é relativamente alto e

a produtividade ou rendimento do processo é relativamente baixa, o que limita a sua aplicação

a situações em que a qualidade da solda produzida seja um dos fatores mais importantes.

Neste processo há intensa emissão de radiação ultravioleta. O arco elétrico na soldagem TIG é

bastante suave, produzindo soldas com boa aparência e acabamento, exigindo pouca ou

nenhuma limpeza após a operação. Permite soldar em várias posições. A figura 6 mostra

esquematicamente este processo

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 46

Page 47: Apostila de Tecnologia Mecânica

Figura 6 – Soldagem TIG

.

Este processo é aplicável à maioria dos metais e sua ligas, numa ampla faixa de

espessura. Entretanto, em virtude de seu custo relativamente elevado, é usado principalmente

na soldagem de metais não ferrosos e aos aços inoxidáveis, na soldagem de peças de pequena

espessura (da ordem de milímetros) e no passe de raíz na soldagem de tubulações.

O equipamento básico usado na soldagem TIG consiste de uma fonte de energia

elétrica, uma tocha de soldagem apropriada, uma fonte de gás protetor, um dispositivo para a

abertura do arco, cabos e mangueiras. A soldagem TIG é usualmente um processo manual

mas pode ser mecanizado e até mesmo automatizado para permitir melhor controle do

processo, maior produtividade, facilidade de operação.

A fonte de corrente elétrica é do tipo corrente constante, ajustável, podendo ser

contínua, alternada ou pulsada. A tocha de soldagem tem função suportar o eletrodo de

tungstênio, conduzir a corrente elétrica e fornecer de forma apropriada o gás de proteção. Em

processos automatizados utiliza-se tocha retas e na soldagem de materiais de espessuras finas

ou peças de pequena dimensão são normalmente utilizadas microtochas.

As tochas TIG possuem internamente uma pinça, que serve para segurar o eletrodo de

tungstênio e fazer o contato elétrico. Além disso, as tochas possuem ainda bocais para

direcionamento do fluxo de gás, que podem ser cerâmicos ou metálicos. Estes bocais são

fornecidos em diversos diâmetros, que devem ser escolhidos em função da espessura da peça

a ser soldada ou da corrente de soldagem a ser usada.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 47

Page 48: Apostila de Tecnologia Mecânica

A fonte de gás protetor consiste de um cilindro ou cilindros de gás inerte e reguladores

de pressão e vazão de gases. No caso de misturas, pode ainda ser usado um misturador. A

quantidade de gás é proporcional ao diâmetro do eletrodo de tungstênio e do bocal de gás.

Na soldagem com eletrodos consumíveis, geralmente se faz a abertura do arco tocando

o eletrodo na peça e estabelecendo um “curto circuito” momentâneo. Na soldagem TIG isto

não é recomendável pois pode favorecer a transferência de tungstênio para a peça, além de

danificar o eletrodo, que geralmente é apontado antes do início da operação.

Vários dispositivos podem ser usados para permitir o início do arco sem tocar a peça,

como um arco piloto, contudo o mais usado atualmente é o chamado “ignitor de alta

frequência”. A alta frequência evita a queda de tensão nos pontos neutros (passagem de um

período para o outro).

Os consumíveis principais na soldagem TIG são os gases de proteção e as varetas e

arames de metal de adição. Os eletrodos de tungstênio, apesar de serem ditos não

consumíveis, se desgastam durante o processo, devendo ser recondicionados e substituídos

com certa frequência. Os gases de proteção mais comumente usados na soldagem TIG são o

argônio, hélio ou mistura destes gases. A seleção do gás de proteção é feita principalmente em

função do tipo de metal que se quer soldar, da posição de soldagem e da espessura das peças a

unir. O argônio é muitas vezes preferido em relação ao hélio porque apresenta várias

vantagens:

* Ação do arco mais suave e sem turbulências. Mais fácil a iniciação do

arco.

* Menor tensão no arco para uma dada corrente e comprimento de arco.

*Maior ação de limpeza na soldagem de materiais como alumínio e magnésio, em

corrente alternada.

* Menor custo e maior disponibilidade.

* Menor vazão de gás para uma boa proteção.

* Melhor resistência a corrente de ar transversal.

Na soldagem TIG manual, o metal de adição é fornecido na forma de varetas de

comprimento em torno de 1 m, enquanto que na soldagem automatizada, o mesmo é fornecido

na forma de um fio enrolado em bobinas. O diâmetro do fio e varetas é padronizado e varia de

0,5 a 5,0 mm. Os metais de adição são encontrados numa ampla faixa de materiais e ligas,

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 48

Page 49: Apostila de Tecnologia Mecânica

sendo classificados de acordo com sua composição química e com as propriedades mecânicas

do metal depositado.

O eletrodo normalmente usado na soldagem TIG é um eletrodo de tungstênio puro ou

ligado com tória (óxido de tório) ou zircônia (óxido de zircônio). A seleção sobre qual o mais

adequado para determinada aplicação é feita em função do material de base, da espessura da

peça e do tipo e valor da corrente de soldagem.

* Eletrodo de Tungstênio Puro:

Vantagens: Mais barato. Quando utilizado em corrente alternada, propicia pequeno

efeito de retificação da corrente. Boa estabilidade do arco elétrico.

Desvantagens: Não é bom emissor de elétrons. Fácil desgaste. Não suporta altas

correntes.

Usado na soldagem do alumínio e suas ligas, com ângulo de afiação de 90º.

* Eletrodo de Tungstênio Toriado:

Vantagens: Difícil desgaste (não se verifica o arredondamento da ponta). Suporta

altas correntes. Bom emissor de elétrons.

Desvantagens: Mais caro. Quando utilizado em corrente alternada, propicia o efeito

de retificação da corrente. Reduzida estabilidade

Cor de identificação: amarelo (0,9 a 1,2% de tória), lilás (2,8 a 3,2% de tória) e

laranja (3,8 a 4,2% de tória).

Normalmente utilizado com corrente contínua e na soldagem dos aços carbono e

baixa liga. Ângulo de afiação de 30 a 50º.

* Eletrodo de Tungstênio Zirconiado:

Cor de identificação: marrom (0,3 a 0,5% de zircônia) e branco (0,7 a 0,9% de

zircônia).

Normalmente utilizado com corrente alternada.

Os eletrodos são geralmente apontados antes de se iniciar a operação de soldagem,

sendo esta variável bastante importante para se garantir uma boa repetitividade de resultados.

Na soldagem com corrente contínua (eletrodo negativo), o ângulo de afiação do eletrodo é

ordem de 30 a 45º, sendo realizado por meio de esmerilhamento. Os riscos do esmerilhamento

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 49

Page 50: Apostila de Tecnologia Mecânica

devem ter a direção pararela ao eixo do eletrodo. Na soldagem com corrente alternada,

eletrodos com diâmetros inferiores a 1,6 mm não são afiados e com diâmetros maiores ou

iguais a 1,6 mm são afiados com ângulo aproximado de 90º.

Se a extremidade do eletrodo for contaminada pelo contato com a poça de fusão ou

com a vareta, então essa parte deve ser eliminada.

3.3. Processo MIG/MAG

A soldagem MIG/MAG usa o calor de um arco elétrico entre um eletrodo nu

alimentado de maneira contínua e o metal de base. O calor funde o final do eletrodo e a

superfície do metal de base para formar a solda. A proteção do arco e da poça de solda

fundida vem inteiramente de um gás alimentado externamente, o qual pode ser inerte, ativo ou

mistura destes. Portanto dependendo do gás poderemos ter os seguintes processos:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 50

Comprimento ~ 2 D

D

30o

Soldagem com corrente contínua

(eletrodo negativo)

90o

Soldagem com corrente alternada

D

D 1,6 mm

D

D < 1,6 mm

Page 51: Apostila de Tecnologia Mecânica

- Processo MIG (Metal Inert Gas): injeção de gás inerte. O gás pode ser argônio, hélio, argônio

+ 1 a 3% de O2.

- Processo MAG (Metal Active Gas): injeção de gás ativo ou mistura de gases que perdem a

característica de inertes, quando parte do metal de solda é oxidado. Os gases utilizados são

CO2 , CO2 + 5 a 10% O2, argônio + 15 a 30% CO2 , argônio + 5 a 15% O2, argônio + 25 a

30% N2.

A figura 7 mostra esquematicamente o processo de soldagem MIG/MAG. Este processo

também é conhecido por GMAW (Gas Metal Arc Welding).

Figura 7 – Processo de Soldagem MIG/MAG

Escórias formadas nos processos de soldagem com eletrodo revestido e a arco submerso,

não formam no processo de soldagem MIG/ MAG, porque neste processo não se usa fluxo. No

entanto, um filme vítreo (que tem o aspecto de vidro) de sílica se forma de eletrodos de alto

silício, o qual deve ser tratado como escória.

A soldagem MIG/ MAG é um processo normalmente semi-automático, em que a

alimentação do arame eletrodo é feita mecanicamente, através de um alimentador motorizado, e

o soldador é responsável pela iniciação e interrupção da soldagem, além de mover a tocha ao

longo da junta. A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua de arame eletrodo e

o comprimento do arco é, em princípio, mantido aproximadamente constante pelo próprio

sistema, independentemente dos movimentos do soldador, dentro de certos limites.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 51

Page 52: Apostila de Tecnologia Mecânica

O calor gerado pelo arco é usado para fundir as peças a serem unidas e o arame eletrodo,

que é transferido para a junta e constitui o metal de adição.

A soldagem GMAW pode ser usada em materiais numa ampla faixa de espessuras, como

mostra a tabela 2, tanto em ferrosos como em não ferrosos. O diâmetro dos eletrodos usados

varia entre 0,8 a 3,2 mm. O processo MAG é utilizado apenas na soldagem de materiais ferrosos,

enquanto a soldagem MIG pode ser usada tanto na soldagem de ferrosos quanto não ferrosos,

como alumínio, cobre, magnésio, níquel e suas ligas.

Tabela 2 – Forma de preparação para diversas espessuras a soldar pelo processo MIG/ MAG

Espessura (mm) 0,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10,0 12,7....

Procedimento

Passe único sem preparação

Passe único com preparação

Passes múltiplos

A soldagem MIG/ MAG é usada em fabricação e manutenção de equipamentos e

peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no recobrimento de superfícies

metálicas com materiais especiais. A soldagem GMAW tem sido uma das que apresentaram

um maior crescimento em termos de utilização, nos últimos anos, em escala mundial. Este

crescimento ocorre principalmente devido à tendência à substituição, sempre que possível, da

soldagem manual por processos semi-automáticos, mecanizados e automáticos, para a

obtenção de maior produtividade em soldagem. A mesma tem se mostrado uma das mais

adequadas, dentre os processos de soldagem a arco, à soldagem automática e com a utilização

de robôs.

A soldagem MIG/ MAG é um processo bastante versátil. As maiores vantagens são:

- Alta taxa de deposição em relação a soldagem com eletrodo revestido.

- Menos gás e fumaça na soldagem.

- Alto fator de trabalho do soldador (tempo de arco aberto sobre tempo total de soldagem).

- Alta versatilidade quanto ao tipo de material e espessuras aplicáveis.

- Não existência de fluxos de soldagem e, consequentemente, ausência de operações de

remoção de escória.

- Larga capacidade de aplicação.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 52

Page 53: Apostila de Tecnologia Mecânica

- Exigência de menor habilidade do soldador, quando comparada com a soldagem por eletrodo

revestido.

- A soldagem pode ser executada em todas as posições.

A principal limitação da soldagem MIG/ MAG é a sua maior sensibilidade à variação dos

parâmetros elétricos de operação do arco de soldagem, que influenciam diretamente na qualidade

do cordão de solda depositado. Além da necessidade de um ajuste rigoroso de parâmetros para se

obter um determinado conjunto de características para a solda, a determinação destes parâmetros

para se obter uma solda adequada é dificultada pela forte interdependência destes e por sua

influência no resultado final da solda produzida. Outras limitações do processo são:

- Maior custo de equipamento.

- Maior necessidade de manutenção dos equipamentos.

- Menor variedade de consumíveis.

- Maior velocidade de resfriamento por não haver escória, o que aumenta a ocorrência de

trincas, principalmente no caso de aços temperáveis.

Na soldagem com eletrodos consumíveis, o metal fundido na ponta do eletrodo tem que

se transferir para a poça de fusão. O modo de ocorrência desta transferência é muito importante

na soldagem GMAW, pois afeta muitas características do processo, como por exemplo: a

quantidade de gases (principalmente hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) absorvidos pelo metal

fundido, a estabilidade do arco, a aplicabilidade do processo em determinadas posições de

soldagem e o nível de respingos gerados. De um modo geral pode-se considerar que existem

quatro formas básicas de transferência de metal de adição do eletrodo para a peça: transferência

por curto-circuito, transferência globular, transferência por spray ou por pulverização axial e

transferência por arco pulsante.

Transferência por Curto-Circuito

Este modo de transferência ocorre para baixos valores de tensão e corrente de soldagem,

sendo por isto um processo de energia relativamente baixa, o que restringe seu uso para

espessuras maiores. Este processo permite a soldagem em todas as posições. A fusão inicia-se

globularmente com a formação de uma gota de metal na ponta do eletrodo e esta vai aumentando

de tamanho até tocar a poça de fusão produzindo um curto circuito (aumento relativo da corrente

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 53

Page 54: Apostila de Tecnologia Mecânica

de soldagem e abaixamento momentâneo da tensão) e extinguindo o arco. Sob ação da força de

tensão superficial, a gota é transferida para a peça.

Este modo de transferência caracteriza-se por uma grande instabilidade do arco, podendo

apresentar a formação intensa de respingos. A quantidade de respingos pode ser limitada pela

seleção adequada de parâmetros de soldagem e ajuste da fonte de energia.

Transferência Globular

Este tipo ocorre para valores intermediários de tensão e corrente de soldagem e resulta

em arco mais estável que no caso anterior. Sua ocorrência é, também, bastante comum quando se

usa o CO2 e hélio como gases de proteção. O metal se transfere para a poça como glóbulos, cujo

diâmetro médio varia com a corrente, tendendo a diminuir com o aumento desta, podendo ser

maior ou menor que o diâmetro do eletrodo. Os glóbulos se transferem para a poça sem muita

direção e o aparecimento de respingos é relativamente elevado. Como as gotas de metal fundido

se transferem principalmente por ação da gravidade, sua utilização é limitada à posição plana.

Transferência por Spray ou por Pulverização Axial

À medida que se aumenta a corrente de soldagem, o diâmetro médio das gotas de metal

líquido que se transferem para a peça diminui, até que, acima de certa faixa, há uma mudança

brusca no modo de transferência, que passa de globular para “spray”. Neste modo, as gotas de

metal são extremamente pequenas e seu número bastante elevado. A corrente (faixa) na qual

ocorre esta mudança no modo de transferência é conhecida como “corrente de transição”.

A transferência por spray só ocorre para elevadas densidades de corrente e quando se usa argônio

ou misturas ricas em argônio como gás de proteção.

Com a transferência por spray a taxa de deposição pode chegar a 10 kg/h. Entretanto,

essa taxa de deposição restringe o método à posição plana devido ao tamanho elevado da poça de

fusão, de difícil controle. Como esta transferência só é possível em correntes elevadas, ela não

pode ser usada na soldagem de chapas finas, e ainda pode dar origem a outro problema que é a

possibilidade de ocorrência de falta de fusão, devido ao jato metálico ser dirigido para regiões

que não tenham sido suficientemente aquecidas.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 54

Page 55: Apostila de Tecnologia Mecânica

Transferência por Arco Pulsante

A transferência pulsada é um tipo de transferência globular mais estável e uniforme,

conseguido pela pulsação da corrente de soldagem em dois patamares, um inferior à corrente de

transição (conhecido como corrente de base), e outro superior a esta (corrente de pico), de modo

que durante o período de tempo em a corrente é baixa, uma gota se forma e cresce na ponta do

eletrodo e é transferida quando o valor da corrente é elevado. Esta característica de corrente de

soldagem faz com que a energia de soldagem seja menor, o que torna possível a soldagem na

posição vertical pelo uso de arames de diâmetros grandes.

O equipamento de soldagem MIG/ MAG consiste de uma pistola (tocha) de soldagem,

uma fonte de energia, um suprimento de gás de proteção e um sistema de acionamento de arame.

Para que um processo de soldagem com eletrodo consumível seja estável, é necessário

que a velocidade de consumo (de fusão) do eletrodo seja, em média, igual à velocidade de

alimentação deste, de modo que o comprimento do arco permaneça relativamente constante.

Na soldagem GMAW, existem duas formas de se conseguir este objetivo: permitir que o

equipamento controle a velocidade de alimentação de modo a igualá-la à velocidade de fusão,

ou manter a primeira constante e permitir variações nos parâmetros de soldagem de modo a

manter a velocidade de consumo, aproximadamente constante e, em média, igual à velocidade

de alimentação.

A maioria das aplicações da soldagem MIG/ MAG requer energia com corrente contínua

e polaridade inversa (eletrodo positivo). Nesta situação tem-se um arco mais estável,

transferência estável, menor quantidade de respingos, e cordão de solda com boas características.

Corrente contínua com polaridade direta (eletrodo negativo) não é normalmente usada e, corrente

alternada não é nunca utilizada para este processo.

A pistola (tocha) de soldagem contém um tubo de contato para transmitir a corrente de

soldagem para o eletrodo e um bocal de gás para direcionar o gás protetor. O bico de contato é

um tubo à base de cobre, cujo diâmetro interno é ligeiramente superior ao diâmetro do arame

eletrodo. O bocal é feito de cobre ou material cerâmico e deve ter um diâmetro compatível com a

corrente de soldagem e o fluxo de gás a serem usados numa dada aplicação. As tochas para

soldagem MIG/ MAG podem ser refrigeradas a água ou pelo próprio gás de proteção,

dependendo de sua capacidade e do fator de trabalho.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 55

Page 56: Apostila de Tecnologia Mecânica

O alimentador de arame é acionado por um motor de corrente contínua e fornece arame a

uma velocidade constante, ajustável numa ampla faixa. Não existe qualquer ligação entre o

alimentador e a fonte de energia, entretanto, ajustando-se a velocidade de alimentação do arame,

ajusta-se a corrente de soldagem fornecida pela máquina, devido às características da fonte e do

processo. O arame é passado por um conjunto de roletes, que podem estar próximos ou longe da

tocha de soldagem.

O escoamento do gás protetor é regulado pelo fluxímetro e regulador-redutor de pressão.

Estes possibilitam fornecimento constante de gás para o bico da pistola.

Os arames para soldagem são constituídos de metais ou ligas metálicas que possuem

composição química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas. Arames de

má qualidade em termos destas propriedades podem produzir falhas na alimentação,

instabilidade do arco e descontinuidades no cordão de solda. Arames de aço carbono geralmente

recebem uma camada superficial de cobre com o objetivo de melhorar seu acabamento

superficial e seu contato elétrico com o bico de cobre. Os arames de aço usados na soldagem

MAG contêm maiores teores de silício e manganês em sua composição devido à sua ação

desoxidante. A seleção do arame a ser usado numa dada operação é feita em termos da

composição química e propriedades mecânicas desejadas para a solda.

A classificação de arames para soldagem de aços carbono tem a seguinte classificação:

ER XXY – ZZ, onde:

* ER indica que se trata de eletrodos (E) ou varetas (R) para soldagem a arco.

* Os dígitos representados por X (em número de dois ou três), mos

tram a resistência à tração mínima do metal depositado, em 103 psi.

* O dígito Y pode ser um “S” para arame sólido para soldagem, um “C” para

arames indicados para revestimento duro ou um “T” para arames tubulares.

* Os dígitos representados por Z, indicam a classe de composição química do

arame e outras características.

A finalidade principal do gás protetor em soldagem MIG/ MAG é proteger a solda da

contaminação atmosférica. O gás protetor também influi no tipo de transferência, na

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 56

Page 57: Apostila de Tecnologia Mecânica

profundidade de penetração, no formato do cordão, velocidade máxima de soldagem, tendência

ao aparecimento de mordeduras e custo da soldagem.

Os gases inertes puros são usados principalmente na soldagem de metais não ferrosos,

particularmente os mais reativos, como o alumínio e o magnésio. Na soldagem de ferrosos, a

adição de pequenas quantidades de gases ativos melhora sensivelmente a estabilidade do arco e a

transferência de metal. Nitrogênio e misturas com nitrogênio são usados na soldagem de cobre e

algumas de sua ligas.

A abertura do arco se dá por toque do eletrodo na peça. Como a alimentação é

mecanizada, o início da soldagem é feito aproximando-se a tocha da peça e acionando-se o

gatilho. Neste instante é iniciado o fluxo de gás protetor, a alimentação de arame e a energização

do circuito de soldagem. Depois da formação da poça de fusão, a tocha é deslocada ao longo da

junta, com uma velocidade uniforme. Movimento de tecimento do cordão pode ser executado

quando necessário.

Ao final da operação, simplesmente se solta o gatilho da tocha e são interrompidos a

corrente de soldagem, a alimentação de arame e o fluxo de gás, extinguindo-se o arco.

3.4. Soldagem por Resistência Elétrica

A soldagem por resistência pertence ao grupo dos processos de soldagem por pressão,

e neste aos processos nos quais é utilizado o calor produzido pela passagem da corrente por

um condutor metálico.

Neste processo não se utilizam metais de adição, sendo que, em casos excepcionais,

pode-se usar retalhos de chapas colocados na junta ou entre as peças a soldar. As peças em

contato ou que se sobrepõe são aquecidas localmente devido à passagem da corrente e do

conseqüente aquecimento por efeito joule, onde a transformação energética depende das

resistências específicas das parte em contato, da soma das resistências de transição bem como

da intensidade da corrente segundo a Lei de Joule:

Q = I2 x R x t onde: Q = energia

I = intensidade da corrente

t = tempo da passagem da corrente

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 57

Page 58: Apostila de Tecnologia Mecânica

R = resistência

O aquecimento é normalmente controlado para se obter uma temperatura próxima ao

ponto de fusão do metal a ser soldado (temperatura liquidus). Ao mesmo tempo, uma força é

aplicada na solda, causando uma deformação plástica das áreas de contato e pressionando-as

conjuntamente. Já que as resistências do contato eletrodo/peça, peça/peça dependem além do

estado da superfície, de forma significativa da pressão do eletrodo, esta pressão do aperto é

um dos mais importantes parâmetros do processo que muito influencia o resultado da

soldagem.

Os tempos de soldagem aplicados são muito curtos (em torno de 0,1 a 1 segundo para

soldagem por pontos), o que limita sobremaneira a zona afetada pelo calor. Na soldagem por

centelhamento, os tempos são maiores e podem, para grandes áreas de fusão, alcançar alguns

minutos.

Como as resistências elétricas na solda são muito pequenas, na ordem de 50 a 500 ,

são necessárias altas correntes para gerar suficiente aquecimento (heat input). Dependendo

das dimensões, geometria e propriedades físicas das peças, correntes na faixa de 1 a 100 kA

são aplicadas. A tensão de soldagem é normalmente inferior a 15 V (entre 2 a 12 V), na faixa

sem perigo para o operador.

Na soldagem por resistência, as propriedades físicas dos materiais exercem uma

influência decisiva na soldabilidade em relação aos outros processos de soldagem. Isto deve-

se parcialmente ao fato de que a condutividade elétrica do metal determina a geração de

energia e, também devido ao fato de que sua condutividade térmica afeta a distribuição de

temperatura na interface soldada. Soma-se a isto, o intenso aquecimento localizado

combinado com rápido resfriamento causa mudanças nas propriedades da solda e da zona

afetada pelo calor.

Metais com elevada resistividade, baixa condutividade térmica e ponto de fusão

relativamente baixo, como ligas não ferrosas, são facilmente soldáveis. Para aços carbono

com teor de carbono acima de 0,15% e para aços baixa liga, um tratamento térmico

subsequente à solda é necessário, desde que se verifique um aumento considerável de dureza

na zona de solda.

Certos metais com menor resistividade elétrica e maior condutividade térmica, como o

Al, o Mg e suas ligas, são mais difíceis de soldar. Metais preciosos e o Cu, devido à sua

elevada condutividade térmica e elétrica, são problemáticos para soldagem por resistência.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 58

Page 59: Apostila de Tecnologia Mecânica

Finalmente os materiais refratários, devido ao seu elevado ponto de fusão, são também

difíceis de soldar pelos processos de soldagem por resistência.

O efeito destas propriedades pode ser combinado em uma fórmula, proposta por Cary,

que indica a soldabilidade relativa (W) de diferentes materiais com relação à soldagem por

resistência, em particular a soldagem por pontos.

R é a resistividade do material, em .cm, T é a temperatura de fusão, em oC e K é a

condutividade térmica relativa ao cobre, que vale 1.

Se W for inferior a 0,25 o material é considerado de baixa soldabilidade e se acima de

2,0 a soldabilidade é considerada excelente. De acordo com esta fórmula, o aço tem uma

soldabilidade relativa superior a 10.

A condição da superfície do metal a ser soldado deve ser tal que a resistência de

contato entre os eletrodos e a peça de trabalho não represente uma predominante parte da

resistência total. As superfícies metálicas devem ser livres de carepas, óxidos, contaminantes,

etc., implicando dizer que elas devem ser completamente limpas antes de se efetuar a

soldagem. A limpeza pode ser feita por processos mecânicos (jateamento ou lixamento) ou

por processos químicos (decapagem).

A 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 da resistência à passagem de uma corrente elétrica e pela aplicação

de pressão.

Existem diversos processos de soldagem por resistência, como:

- Soldagem por pontos

- Soldagem por costura

- Soldagem por projeção

- Soldagem de topo por resistência

- Soldagem de topo por centelhamento

- Soldagem por resistência a alta frequência

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 59

W = R

T . Kx 100 , onde

Page 60: Apostila de Tecnologia Mecânica

Na soldagem por pontos, a solda é obtida na região das peças colocadas entre um par

de eletrodos e várias soldas podem ser obtidas simultaneamente pela utilização de vários pares

de eletrodos.

Na soldagem por projeção, o processo é similar ao anterior, sendo que a soldagem

ocorre em um local determinado por uma projeção ou saliência em uma das peças. Duas ou

mais soldas podem ser obtidas com um único par de eletrodos. Este processo é usado

principalmente para unirem pequenas peças estampadas, forjadas ou usinadas. Parafusos e

pinos podem ser facilmente soldados em uma chapa fina por este processo. A faixa de

espessuras na qual é utilizada a soldagem por projeção é de 0,5 a 3 mm.

Na soldagem por costura, uma série de pontos de solda consecutivos é feita, de modo a

produzir uma solda contínua, por sobreposição parcial dos diversos pontos. Normalmente, um

ou ambos os eletrodos são discos ou rodas, que giram enquanto as peças a serem soldadas

passam entre eles.

Na soldagem de topo por resistência, a corrente elétrica passa através das faces das

peças que são pressionadas frente a frente. A soldagem de topo por resistência é usada para

unir arames, tubos, anéis e tiras de mesma seção transversal.

Na soldagem por centelhamento, as peças são energizadas antes de entrarem em

contato e suas faces são aproximadas até que o contato ocorra em pontos discretos da

superfície da junta, gerando centelhamento. Tanto neste processo quanto no anterior, existe

um estágio final, quando as faces suficientemente aquecidas são fortemente pressionadas uma

contra a outra, sofrendo uma considerável deformação plástica, que consolida a união.

Na soldagem por alta frequência, a solda é obtida pelo calor gerado pela resistência à

passagem de uma corrente elétrica de alta frequência (10 a 500 kHz) e pela aplicação rápida

de pressão. É utilizada principalmente para a realização de costuras em tubos e outros perfis.

3.5. Exercícios Propostos

1. Como ocorre a união de chapas no processo de soldagem por eletrodo revestido?

2. Quais são as funções do revestimento no eletrodo? Comente cada uma delas.

3. Como podem ser classificados os revestimentos dos eletrodos?

4. Que inconvenientes podem ocorrer com a utilização de correntes de soldagem elevadas

nas soldas realizadas pelo processo eletrodo revestido?

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 60

Page 61: Apostila de Tecnologia Mecânica

5. Porque não se deve utilizar correntes mais elevadas que aquelas sugeridas nas embalagens

dos eletrodos revestidos?

6. Como as variáveis de soldagem se relacionam com a produtividade na soldagem por

eletrodo revestido?

7. Cite três vantagens e três desvantagens do processo eletrodo revestido.

8. Por que é importante a existência de um meio de proteção do arco e da zona fundida

contra a atmosfera durante a soldagem?

9. Que fatores estão envolvidos na escolha de um eletrodo para uma dada tarefa?

10. Por que a utilização relativa do processo de soldagem por eletrodos revestidos vem

diminuindo a cada ano?

11. Descreva de forma sucinta o processo de soldagem TIG e diga por que o tungstênio foi

escolhido para ser usado como eletrodo neste processo.

12. Qual é a função da tocha de soldagem no processo TIG? Em que situações são utilizadas

as microtochas e as tochas retas?

13. Na soldagem TIG, para quais tipos e polaridade de corrente são adequadas as fontes do

tipo transformador e do tipo retificador?

14. Por que na soldagem TIG não é recomendável tocar o eletrodo na peça para abrir o arco

de soldagem?

15. Explique o funcionamento do ignitor de alta freqüência na abertura de arco no processo

TIG. Qual é a função do gerador de alta freqüência?

16. Cite 3 vantagens e desvantagens do processo de soldagem TIG.

17. Por que não se usa gás CO2 na soldagem TIG?

18. Por que não é recomendável a utilização de corrente contínua com polaridade inversa no

processo de soldagem TIG?

19. Considerando que os materiais que formam óxidos refratários são difíceis de serem

soldados, que alternativas podem ser usadas para a sua soldagem pelo processo TIG?

20. Por que na soldagem TIG com corrente alternada recomenda-se manter o ignitor de alta

freqüência ligado durante todo o processo?

21. Por que é importante realizar a limpeza das peças a soldar antes de iniciar o processo de

soldagem TIG? Que processos de limpeza podem ser utilizados?

22. Explique como se realiza a soldagem no processo MIG / MAG.

23. Qual é a diferença básica entre os processos de soldagem MIG e MAG? Enumere os

gases de proteção utilizados em cada um deles.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 61

Page 62: Apostila de Tecnologia Mecânica

24. Por que a soldagem MAG não se aplica aos materiais não ferrosos?

25. Cite as vantagens e desvantagens do processo de soldagem MIG / MAG.

26. Explique como ocorre a transferência da gota metálica nos modos de transferência por

curto circuito e por spray.

27. Defina corrente de transição e mostre a relação entre o volume e número de gotas

transferidas para a poça de fusão com a corrente de soldagem.

28. Por que a transferência por spray não é indicada para a soldagem de chapas finas e se

restringe à posição plana?

29. Qual é a função do bico de contato na soldagem a arco metálico por proteção gasosa?

30. Cite três formas de se controlar ou evitar a ocorrência dos defeitos falta de fusão, falta de

penetração e porosidades nas soldas realizadas pelo processo MIG / MAG.

31. Por que o processo MIG/MAG apresenta maior fator de trabalho em relação ao processo

de soldagem por eletrodo revestido e TIG?

32. A soldagem por resistência pode ser considerada um processo de soldagem por fusão?

Justifique.

33. Os processos de soldagem por resistência podem produzir uma zona afetada pelo calor na

junta soldada? Explique.

34. Explique por que na soldagem por resistência de chapas de aço carbono muito oxidadas,

os valores da corrente de soldagem são normalmente superiores àqueles utilizados na

soldagem de chapas não oxidadas.

35. Por que as ligas de alumínio e de magnésio são mais difíceis de serem soldadas pelo

processo de resistência elétrica?

36. Relacione as ligas seguintes segundo o grau de dificuldade para serem soldadas pelo

processo de resistência elétrica: ouro, zinco, aço carbono, alumínio, aço inoxidável

austenítico, cobre e ferro puro.

37. Cite alguns segmentos da indústria que fazem uso da soldagem por resistência,

enumerando os produtos da soldagem e respectivo processo utilizado.

38. Você realizaria uma união de duas chapas pelo processo de resistência elétrica utilizando

uma junta de topo? Justifique.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 62

Page 63: Apostila de Tecnologia Mecânica

4. Soldagem dos Aços Carbono e Ligados (1)

4.1. Soldabilidade

A American Welding Society (AWS) define soldabilidade como “a capacidade de um

material ser soldado nas condições de fabricação impostas por uma estrutura específica

projetada de forma adequada e de se comportar adequadamente em serviço”. Esta definição

coloca pontos importantes como: “o projeto é adequado.”, “e as condições e o procedimento

de soldagem.” Uma definição alternativa, mais prática, seria: “a facilidade relativa com que

uma solda satisfatória, que resulte em uma junta similar ao metal sendo soldado, pode ser

produzida”.

A maioria das ligas metálicas é soldável, mas, certamente, algumas são muito mais

difíceis de serem soldadas por um dado processo que outras. Por outro lado, o desempenho

esperado para uma junta soldada depende fundamentalmente da aplicação a que esta se

destina. Assim, para determinar a soldabilidade de um material, é fundamental considerar o

processo e procedimento de soldagem e a sua aplicação. Assim, é importante conhecer bem o

material sendo soldado, o projeto da solda e da estrutura e os requerimentos de serviço

(cargas, ambiente, etc).

Com base nessas definições, para melhor determinar a soldabilidade, é interessante

fazer algumas suposições:

1. O metal base é adequado para a aplicação desejada, isto é, ele possui as propriedades

adequadas e necessárias para resistir aos requerimentos da aplicação.

2. O projeto da estrutura soldada e de suas soldas é adequado para o uso pretendido.

Baseado nestas suposições é necessário, então, avaliar a própria junta soldada.

Idealmente, uma junta deveria apresentar resistência mecânica, ductilidade, tenacidade,

resistências à fadiga e à corrosão uniformes ao longo da solda e similares às propriedades do

material adjacente.

Na maioria dos casos, a produção de uma solda envolve o uso de calor e/ou

deformação plástica, resultando em uma estrutura metalúrgica diferente da do metal base.

Soldas podem, também, apresentar descontinuidades como vazios, trincas, material incluso,

etc. Três tipos de problemas inter-relacionados devem ser considerados:

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 63

Page 64: Apostila de Tecnologia Mecânica

1. Problemas na zona fundida ou na zona termicamente afetada que ocorrem durante ou

imediatamente após a operação de soldagem, como poros, trincas de solidificação,

trincas induzidas pelo hidrogênio, perda de resistência mecânica, etc.

2. Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem nas etapas de um processo

de fabricação posteriores à soldagem. Incluem, por exemplo, a quebra de componentes

na região da solda durante processos de conformação mecânica.

3. Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem em um certo momento

durante o serviço da estrutura soldada. Estes podem reduzir a eficiência da junta nas

condições de serviço e incluem, por exemplo, o aparecimento e a propagação de

trincas por diversos fatores, problemas de corrosão, fluência, etc.

Para se evitar estes problemas, é importante conhecer as possíveis complicações que

os materiais podem apresentar ao serem soldados, os fatores do material, do projeto e do

procedimento de soldagem que as afetam e a sua influência no comportamento em serviço da

estrutura soldada.

4.2. Classificação dos Aços

Existem muitos tipos de aços e inúmeras formas de classificá-los: aços estruturais,

aços fundidos, aços ferramenta, aços inoxidáveis, aços laminados a quente, aços microligados,

aços baixo carbono, aços ao níquel, aços cromo-molibdênio, aço C-1020, aço A36, aço

temperado e revenido, aço efervescente, etc.

Um sistema muito usado para a classificação de aços é a Designação Numérica de

Aços Carbono e Aços Ligados do American Iron and Steel Institute. Este é conhecido como o

sistema de classificação AISI ou como sistema SAE, uma vez que foi desenvolvido

originalmente pela Society of Automotive Engineers. O sistema utiliza uma série de quatro ou

cinco números para designar aços carbono e ligados de acordo com as classes e tipos

mostrados na tabela 3. Os dois (ou três) últimos dígitos deste sistema indicam o valor médio

aproximado da faixa de carbono do aço; por exemplo, 21 indica uma faixa de 0,18 a 0,23%C.

Em alguns poucos casos, esta regra não é seguida para se informar as faixas de manganês,

enxofre, fósforo, cromo e outros elementos. Os primeiros dois dígitos indicam os principais

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 64

Page 65: Apostila de Tecnologia Mecânica

elementos de liga do aço. Assim, este sistema informa os principais elementos de liga do aço

e o seu teor aproximado de carbono.

Tabela 3 - Designação numérica AISI-SAE para aços

10xx Aço carbono nãoressulfurado

11xx Aço carbono ressulfurado

13xx Manganês 1,75%

23xx Níquel 3,5%

25xx Níquel 5%

31xx Níquel 1,25% - Cromo 0,65 ou 0,80%

33xx Níquel 3,5% - Cromo 1,55%

40xx Molibdênio 0,25%

41xx Cromo 0,50-0,95% - Molibdênio 0,12 ou 0,20%

43xx Níquel 1,80% - Cromo 0,50 ou 0,80% - Molibdênio 0,25%

46xx Níquel 1,55 ou 1,80% - Molibdênio 0,20 ou 0,25%

47xx Níquel 1,05% - Cromo 0,45% - Molibdênio 0,25%

48xx Níquel 3,50% - Molibdênio 0,25%

50xx Cromo 0,28 ou 0,40%

51xx Cromo 0,80, 0,90, 0,95, 1,00 ou 1,05%

5xxxx Carbono 1,00% - Cromo 0,50, 1,00 ou 1,45%

61xx Cromo 0,80 ou 0,95% - Vanádio 0,10 ou 0,15%

86xx Níquel 0,55% - Cromo 0,50 ou 0,65% - Molibdênio 0,20%

87xx Níquel 0,55% - Cromo 0,50% - Molibdênio 0,25%

92xx Manganês 1,00% - Silício 2,00%

93xx Níquel 3,25% - Cromo 1,20% - Molibdênio 0,12%

94xx Manganês 1,00% - Níquel 0,45% - Cromo 0,40% - Molibdênio 0,12%

97xx Níquel 0,55% - Cromo 0,17% - Molibdênio 0,20%

98xx Níquel 1,00% - Cromo 0,80% - Molibdênio 0,25%

Outro sistema comumente utilizado para a classificação de aços e outras ligas

metálicas é feito pela American Society for Testing and Materials (ASTM). Este sistema é

publicado anualmente em um livro de normas ASTM que consiste de, pelo menos, 33 partes.

Sete destas partes especificam metais:

Part 1: Steel piping, tubings and fittings.

Part 2: Ferrous castings-ferro-alloys.

Part 3: Steel sheet, strip, bar, rod, wire, etc.

Part 4: Structural steel, steel plate, steel rails, wheels, etc.

Part 5: Cooper and cooper alloys.

Part 6: Die-cast metals, light metals and alloys.

Part 7: Nonferrous metals and alloys.Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 65

Page 66: Apostila de Tecnologia Mecânica

Outras partes cobrem materiais diversos como concreto, produtos químicos, materiais

isolantes, papel, produtos de petróleo, combustíveis, borracha, etc. Três partes são

relacionadas com testes:

Part 30: General Test Methods.

Part 31: Metals-Physical and Mechanical Non-destructive Tests.

Part 32: Analytical Methods of Analysis.

As especificações ASTM para metais são identificadas por uma letra, A para ligas

ferrosas e B para ligas não ferrosas. Após esta letra, um grupo de um, dois ou três dígitos

indicam o número da especificação, seguido por dois dígitos que indicam o ano de sua adoção

formal. As especificações ASTM apresentam uma posição comum de fabricantes, usuários e

outros grupos interessados em um dado tipo de produto ou material. Elas especificam as

propriedades mecânicas do material e, em muitos casos, a sua composição química.

Outras organizações que especificam aços, cujos sistemas de especificação são usados

algumas vezes em nosso país, incluem a American Society of Mechanical Engineers (ASME),

o American Petroleum Institute (API) e o American Bureau of Shipping (ABS), além de

diversas organizações normalizadoras nacionais como a British Standard (BS) e a DIN.

4.3. Soldagem dos Aços Carbono e de Baixa Liga

Aços carbono são ligas de ferro e carbono (até 2%C) contendo ainda, como residuais

(de materiais primas ou do processo de fabricação), outros elementos como Mn, Si, S e P.

Aços de baixo carbono têm um teor de carbono inferior a 0,15%. Aços doces contém de 0,15

a 0,3%C. Aços de baixa liga têm uma quantidade total de elementos de liga inferior a 2%.

Estes grupos de aços serão considerados neste item.

O maior problema de soldabilidade destes aços é a formação de trincas induzidas pelo

hidrogênio, principalmente na zona termicamente afetada (ZTA). Outros problemas mais

específicos incluem a perda de tenacidade na ZTA, ou na zona fundida (associada com a

formação de estruturas de granulação grosseira, durante a soldagem com elevado aporte

térmico, ou com a formação de martensita na soldagem com baixo aporte térmico) e a

formação de trincas de solidificação (em peças contaminadas ou na soldagem com aporte

térmico elevado). Ainda, em função de uma seleção inadequada de consumíveis ou de um

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 66

Page 67: Apostila de Tecnologia Mecânica

projeto ou execução incorretos, podem ocorrer problemas de porosidade, mordeduras, falta de

fusão, corrosão, etc.

4.3.1. Aços de Baixo Carbono e Aços Doces

Aços de baixo carbono incluem as séries AISI C-1008 e C-1025. O teor de carbono

varia entre 0,10 e 0,25%, o de manganês entre 0,25 e 1,5%, o teor de fósforo máximo é de

0,4% e o de enxofre é de 0,5% (hoje, na prática, os teores de P e S dificilmente chegam

próximo destes limites). Estes são os aços mais comumente usados em fabricação e

construção. São materiais facilmente soldáveis por qualquer processo a arco, gás ou

resistência.

Para a soldagem com eletrodos revestidos (SMAW), eletrodos da classe AWS E60XX

e E70XX fornecem resistência mecânica suficiente para a soldagem destes aços. Eletrodos da

classe E60XX devem ser usados para aços com limite de escoamento inferior a 350 MPa e

eletrodos E70XX devem ser usados com aços com limite de escoamento de até 420 MPa. Para

a seleção do tipo de eletrodo, as características operacionais desejadas devem ser

consideradas.

4.3.2. Aços de Médio Carbono

Estes aços incluem as séries AISI entre C-1030 e C-1050. A composição é similar a

dos aços de baixo carbono, exceto pelo teor de carbono entre 0,3 e 0,5% e o teor de manganês

entre 0,6 e 1,65%. Em função do maior teor de carbono e de manganês, eletrodos de baixo

hidrogênio são recomendados, particularmente para peças de maior espessura. Um pré-

aquecimento entre 150 e 260ºC pode ser necessário. Pós-aquecimento é recomendado

algumas vezes para aliviar tensões residuais e reduzir a dureza que pode ser causada por um

resfriamento rápido após soldagem. Aços de médio carbono podem ser facilmente soldados

pelos mesmos processos usados para os aços de baixo carbono desde que os cuidados

colocados acima sejam observados.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 67

Page 68: Apostila de Tecnologia Mecânica

4.3.3. Aços de Alto Carbono

Estes aços incluem as séries AISI entre C-1050 e C-1095. A composição é similar aos

aços anteriores, exceto pelo teor de carbono entre 0,5 e 1,03% e o teor de Mn entre 0,3 e

1,0%. A soldagem destes aços necessita de cuidados especiais. Eletrodos/processos de baixo

hidrogênio precisam ser usados com um pré-aquecimento entre 200 e 320ºC, especialmente,

para peças mais pesadas. Um tratamento térmico após soldagem (alívio de tensões ou mesmo

recozimento) é usualmente especificado. Os mesmos processos de soldagem podem ser

usados para estes aços.

4.3.4. Aços de Baixo Liga

Estes aços são soldados, no processo SMAW, com eletrodos das classes E80XX,

E90XX e E100XX da norma AWS A5.5. Para a seleção do metal de adição para estes aços,

além das propriedades mecânicas, é muitas vezes necessário considerar detalhes de sua

composição química, o que é indicado, no caso da soldagem SMAW, por um sufixo de letras

e dígitos.

a) Aços de Baixa Liga ao Níquel

Incluem os aços das séries AISI 2315, 2515 e 2517. Teores de carbono variam entre

0,12 e 0,3%, de manganês entre 0,4 e 0,6%, de silício entre 0,2 e 0,45% e de níquel entre 3,25

e 5,25%. Pré-aquecimento não é necessário para %C < 0,15, exceto para juntas de grande

espessura. Para maiores teores de carbono, um pré-aquecimento de até 260ºC deve ser usado,

embora para juntas de menos de cerca de 7 mm, este possa ser dispensado. Alívio de tensões

após soldagem é recomendável. Na soldagem SMAW, eletrodos de baixo hidrogênio com

sufixo C1 ou C2 devem ser usados dependendo do teor de níquel do metal base.

b) Aços de Baixa Liga ao Manganês

Este grupo inclui os tipos AISI 1320, 1330, 1335, 1340 e 1345. Nestes aços, o teor de

carbono varia de 0,18 a 0,48%, de manganês entre 1,6 e 1,9% e de silício entre 0,2 e 0,35%.

Pré-aquecimento não é necessário para os menores teores de C e Mn. Para C > 0,25%, um

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 68

Page 69: Apostila de Tecnologia Mecânica

pré-aquecimento entre 120 e 150ºC é necessário. Para maiores teores de C e Mn e para juntas

de grande espessura, a temperatura de pré-aquecimento pode atingir 300ºC, sendo

recomendado o uso de alívio de tensões. Eletrodos E80XX e E90XX com sufixo A1, D1 e D2

devem ser usados.

c) Aços de Baixa Liga ao Cromo

Este grupo inclui os aços dos tipos AISI 5015, 5160, 50100, 51100 e 52100. Nestes

aços, o teor de carbono varia entre 0,12 e 1,1%, o manganês varia entre 0,3 e 1,0%, o silício

entre 0,2 e 0,3% e o cromo entre 0,2 e 1,6%. Aços com teor de C próximo de seu limite

inferior podem ser soldados sem nenhum cuidado especial. Para maiores teores de carbono (e

de cromo), a temperabilidade aumenta de forma pronunciada e pré-aquecimentos de até 400ºC

podem ser necessários, particularmente para juntas de maior espessura. Eletrodos revestidos

com sufixo B devem ser usados.

Os exemplos anteriores ilustram a importância de, na seleção de um consumível para

aços de baixa liga, ajustar a resistência mecânica e a composição química do deposito de

solda de acordo com as características do metal base. Contudo, nem sempre existe disponível

um consumível capaz de depositar material com composição igual ao metal base, sendo

preciso selecionar consumível o mais similar o possível e avaliar possíveis efeitos das

diferenças de composição no comportamento da solda.

d) Aços Resistentes ao Tempo

Aços resistentes ao tempo (aços patináveis) são aços de baixa liga que podem ser

expostos ao ambiente sem serem pintados, sendo protegidos por uma densa camada de óxido

que se forma naturalmente. Devido a esta camada, a sua resistência a corrosão é quatro a seis

vezes a resistência de aços estruturais ao carbono. Aços resistentes ao tempo são cobertos pela

especificação ASTM A242. Nesta, limites mínimos de escoamento e de resistência de 350

MPa e de 420 MPa (70 ksi), respectivamente, são especificados.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 69

Page 70: Apostila de Tecnologia Mecânica

4.3.5. Procedimentos de Soldagem

Fórmulas de carbono equivalente (CE) são comumente usadas para estimar a

necessidade de cuidados especiais na soldagem de um aço. Uma expressão de CE muito

difundida é:

CE = %C + % Mn/6 + %Mo/4 + %Cr/5 + %Ni/15 + %Cu/15 + %P/3

Preferencialmente, o CE deve ser calculado para a composição real do aço. Quando

esta não é conhecida, os teores máximos na faixa da especificação do aço devem ser

consideradas por segurança. Um metal base é considerado facilmente soldável com o processo

SMAW quando CE < 0,40. Acima deste nível, cuidados especiais são necessários. Processos

de soldagem de baixo hidrogênio devem ser usados e pode ser necessário pré-aquecer a junta.

Quando CE > 0,60, deve-se usar pré-aquecimento para juntas com espessura acima de 20mm.

Quando CE > 0,90, um pré-aquecimento a uma temperatura elevada é absolutamente

necessário para todos casos, exceto para juntas de muito pequena espessura. A tabela 4 mostra

valores típicos de temperatura de pré-aquecimento para diferentes tipos de aços e, também,

para ferro fundido. Como a temperatura de pré-aquecimento depende de diversos fatores, os

valores mostrados nesta tabela devem ser tomados apenas como uma referência inicial.

Tabela 4 – Temperaturas típicas de pré-aquecimento para diferentes tipos de aço e para ferro

fundido

Tipo de aço Temperatura (oC)

Baixo carbono (%C < 0,30) 90-150

Médio carbono (0,30 < %C < 0,55) 150-260

Alto carbono (0,50 < %C < 0,83) 260-430

Aços C-Mo (0,10 < %C < 0,30) 150-320

Aços C-Mo (0,30 < %C < 0,35) 260-430

Aços Ni (< 3,5%Ni) 90-370

Aços Cr 150-260

Aços Cr-Ni 90-590

Ferro Fundido 370-480

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 70

Page 71: Apostila de Tecnologia Mecânica

Na soldagem com arco submerso (SAW), a composição do depósito de solda deve,

também, ser similar a do metal base. Um fluxo não ativo (que não coloca nem retira

elementos de liga da poça de fusão) deve ser usado preferencialmente com aços de baixa liga.

Em geral, a necessidade de pré-aquecimento é reduzida na soldagem SAW devido aos

maiores aportes térmicos utilizados. Para garantir um baixo nível de hidrogênio, é importante

utilizar um fluxo corretamente seco e limpar adequadamente o metal base na região da solda.

Na soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa (GMAW) de aços de baixa

liga, a composição do eletrodo deve ser adequada para o metal base e o gás de proteção deve

ser selecionado de forma a minimizar a queima (oxidação) do metal de solda. O nível de pré-

aquecimento é similar ao usado com o processo SMAW.

Na soldagem de aços com níveis diferentes de resistência mecânica, o metal de adição

deve ser selecionado de forma a fornecer um depósito de resistência compatível com o aço de

menor resistência. O procedimento de soldagem (pré-aquecimento, aporte térmico, etc),

contudo, deve ser especificado de acordo com o aço de maior resistência.

Em princípio, aços resistentes ao tempo podem ser soldados por todos os processos a

arco, por soldagem a gás e por resistência. Contudo, cuidados especiais devem ser tomados

em função de suas características. Na soldagem SMAW, eletrodos E7018 podem ser usados

para a deposição dos passes de raiz e de enchimento. O acabamento (isto é, a última camada

da solda, expopsta ao tempo) deve, contudo, ser feito com um eletrodo E7018-C1 uma vez

que o maior teor de níquel do depósito dará à solda características de resistência à corrosão

similares ao metal base.

4.4. Soldagem dos Aços Ligados

a) Aços Estruturais Temperados e Revenidos

Estes aços foram desenvolvidos na década de 50 a partir de aços para aplicação militar

(blindagem). Estes aços são usados após tratamento térmico de têmpera e revenido e

apresentam elevada resistência mecânica, com limite de escoamento da ordem de 700 MPa,

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 71

Page 72: Apostila de Tecnologia Mecânica

associado com uma boa soldabilidade. Eles ainda apresentam boa ductilidade, boa tenacidade

e boa resistência à fadiga. Procedimentos de soldagem relativamente simples podem ser

usados na sua soldagem, sem pré-aquecimento ou com pré-aquecimentos a temperaturas

baixas. Aços temperados e revenidos são cobertos pelas especificações ASTM A514, A517 e

outras, por especificações da marinha americana (aços HY) e por documentos de diferentes

produtores de aço. Aços temperados e revenidos são muito utilizados na fabricação de

estruturas soldadas nas quais uma elevada razão peso/resistência é importante.

Para a soldagem de aços temperados e revenidos da classe ASTM A514/A517, um

baixo aporte térmico é utilizado para se conseguir uma resistência mecânica adequada na

junta. Três fatores devem ser considerados: (1) o uso de um metal de adição adequado, (2) o

uso do correto aporte térmico e (3) a estrita obediência ao procedimento de soldagem

recomendado.

Processos comumente utilizados na soldagem destes aços são SMAW, GMAW, SAW

e FCAW (arame tubular), dependendo da disponibilidade de consumíveis. O processo TIG

(GTAW) também é utilizado mas é restrito a juntas de menor espessura. Processos de alto

aporte térmico, como a soldagem com eletro-escória, não são recomendados devido a perda

de resistência mecânica que a junta pode sofrer em função da microestrutura formada.

Qualquer que seja o processo de soldagem, é essencial garantir que o nível de hidrogênio na

solda seja mínimo devido ao risco de formação de trincas. Isto significa a utilização de

consumíveis de baixo hidrogênio, uma secagem adequada destes e a preparação de uma junta

limpa.

Na soldagem SMAW, eletrodos de baixo hidrogênio da classe E11018 ou E12018

devem ser utilizados para garantir uma resistência mecânica adequada da solda. Para o

processo GMAW, uma mistura de proteção Ar-2%O2 é comumente usada. Arames de

composição química especial (não cobertos usualmente por especificações da AWS) devem

ser usados. A composição química do arame deve ser similar ao do metal base. Na soldagem

SAW, um fluxo não ativo deve ser usado com um arame de composição similar ao metal

base.

O aporte térmico depende da espessura da junta e das temperaturas de pré-

aquecimento e entre-passes. Juntas de pequena espessura (25 mm) podem ser soldadas a

temperaturas próximas da ambiente. Maiores espessuras precisam de um pré-aquecimento em

torno de 100ºC e temperaturas maiores podem ser utilizadas para juntas com pequena

liberdade de movimento (alta restrição) devido às elevadas tensões residuais que podem se

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 72

Page 73: Apostila de Tecnologia Mecânica

desenvolver nestas condições. A tabela 5 mostra limites superiores de aporte térmico,

sugeridos para aços da classe ASTM A514/A517. Na prática, estes limites podem variar para

cada aço e uma boa prática é a consulta às recomendações do próprio fabricante do aço.

Quando a soldagem é feita com um aporte térmico superior ao adequado, a junta soldada

tende a apresentar menor resistência mecânica do que o metal base.

Durante a soldagem destes aços, o procedimento de soldagem deve ser

cuidadosamente seguido e técnicas operatórias que resultem em uma velocidade de

resfriamento inadequadamente baixa devem ser evitadas. Assim, não se deve usar o tecimento

dos cordões. Quando este não puder ser evitado, como na soldagem vertical ascendente, ele

deve ser o menor possível, por exemplo inferior a dois diâmetros do eletrodo. Pelo mesmo

motivo, cuidado extremo deve ser tomado para evitar que a temperatura entre passes

ultrapasse o máximo especificado.

Tabela 5 - Limites superiores sugeridos para o aporte térmico (kJ/mm).

Espessura da Junta (mm)

Pré-aquecimento (oC)

Ambiente 95 150 205

5,0 0,7 0,6 0,5 0,4

6,4 0,9 0,8 0,6 0,5

12,7 1,9 1,5 1,3 1,0

19,0 3,5 2,8 2,2 1,6

25,4 - 4,3 3,4 2,6

31,8 - 6,1 4,7 3,7

b) Aços Cromo-Molibdênio

Estes aços foram desenvolvidos para aplicações a temperatura elevada, sendo muito

usados em tubulações que operam a alta pressão e temperaturas entre cerca de 370 e 600ºC.

Nesta faixa de temperatura, os aços Cr-Mo mantém uma resistência mecânica adequada, além

de não sofrerem problema de fluência nem de fragilização após longos períodos de uso. São

comumente usados na condição normalizada ou temperada e revenida com a resistência

mecânica à temperatura ambiente variando de 590 a 940 MPa. As composições comuns destes

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 73

Page 74: Apostila de Tecnologia Mecânica

aços incluem: 1%Cr-1/2%Mo, 1-1/4%Cr-1/2%Mo, 2%Cr-1/2%Mo, 2-1/4%Cr-1%Mo e

5%Cr-1/2%Mo.

Os processos mais comumente usados para a soldagem de aços Cr-Mo são SMAW,

GTAW e GMAW, embora arco submerso e arame tubular também possam ser usados. Para

qualquer processo, é importante selecionar um metal de adição de composição similar ao

metal base.

No processo SMAW, eletrodos com sufixo B são utilizados (tabela 3) variando de B1

para aços 1/2%Cr-1/2%Mo até B4 para o aço 2-1/2%Cr-1/2%Mo. Para maiores teores de liga

são necessários eletrodos especiais, não cobertos pela especificação da AWS. Eletrodos

devem ser sempre de baixo hidrogênio os quais podem ter características operatórias que

dificultam a realização do passe de raiz em tubulações.

Boa parte da soldagem destes aços é feita em tubulações para as quais o passe de raiz é

comumente feito pelo processo GTAW e os outros passes por um outro processo.

O procedimento de soldagem deve incluir pré-aquecimento e, muitas vezes, pós-

aquecimento em função da temperabilidade destes aços. Temperaturas de pré-aquecimento de

até 370ºC podem ser usadas. Para um teor de carbono inferior a 0,2% e espessura menor que

9,5mm, a soldagem pode ser feita com um pré-aquecimento mínimo (40ºC). Maiores teores

de carbono e maiores espessuras exigem pré-aquecimento a maiores temperaturas.

Tratamento térmico após soldagem deve ser feito para teores de carbono acima de

0,2% e espessuras superiores a 13 mm. Temperaturas de tratamento térmico variam de 620 a

705ºC, as menores temperaturas sendo usadas para as menores espessuras. No caso de

interrupção da soldagem antes de seu término, a junta deve ser resfriada lentamente e tratada

termicamente antes do reinício da soldagem.

Quando diferentes tipos de aços Cr-Mo são soldados, as condições de pré-aquecimento

e de tratamento térmico são determinadas pelo aço de maior teor de liga, mas o metal de

adição pode ser selecionado com base no metal base menos ligado.

4.5. Exercícios Propostos

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 74

Page 75: Apostila de Tecnologia Mecânica

5. SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS

Quando se diz que um material apresenta uma soldabilidade ruim, ou que é difícil de

ser soldado, o que está sendo dito é que a soldagem deste material envolve uma série de

cuidados. Em poucos casos significa que o material não é soldável. Os aços inoxidáveis são

materiais que apresentam uma boa soldabilidade, que exigem alguns poucos cuidados durante

a sua soldagem.

A soldabilidade dos aços inoxidáveis é função do tipo de aço inoxidável. Cada um dos

grupos apresenta características próprias com relação a soldabilidade. Além dos problemas de

soldabilidade, que são geralmente de ordem metalúrgica, os aços inoxidáveis também são

susceptíveis a outros tipos de descontinuidades introduzidas no cordão de solda, que afetam o

desempenho da junta soldada.

5.1- Aços Inoxidáveis Martensíticos

O comportamento metalúrgico dos aços inoxidáveis martensíticos é, em uma primeira

aproximação, similar ao dos aços carbono temperáveis. Como estes, eles podem ser

austenitizados quando aquecidos a uma temperatura suficientemente alta e, ao serem resfriados, a

austenita se transforma. Os produtos desta transformação dependem da velocidade de

resfriamento. Para baixas velocidades, eles serão ferrita e carbonetos e, para velocidades altas, a

austenita se transforma em martensita. Em função destas transformações, são considerados os

mais difíceis entre os aços inox para se soldar.

Devido ao seu elevado teor de cromo, os aços inoxidáveis têm elevada temperabilidade e

podem ser temperados por um resfriamento ao ar desde temperaturas superiores a 820C, exceto

para peças de grande espessura. Para um aço com 0,12 % de C e 12% de Cr, as temperaturas Ms

e Mf situam-se, respectivamente, entre 300-350C e 150-180C. Estas temperaturas diminuem

quando o teor de cromo ou outros elementos é aumentado.

Os aços inoxidáveis martensíticos são normalmente utilizados na condição temperada e

revenida ou na condição recozida. No primeiro caso, a têmpera induz uma estrutura dura e frágil,

que pode ser minimizada pelo revenimento, que causa a precipitação de uma fina dispersão de

carbonetos. A escolha das temperaturas de têmpera e, particularmente, de revenido, permite a

obtenção de diferentes combinações de propriedades mecânicas. Na condição recozida, obtida Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 75

Page 76: Apostila de Tecnologia Mecânica

geralmente por resfriamento em forno, o aço apresenta uma estrutura de ferrita e carbonetos

macia e com menor resistência à corrosão.

5.1.1 – Microestrutura da Região Soldada

A poça de fusão se solidifica na forma de ferrita delta, que posteriormente se transforma

em austenita. A transformação completa da ferrita delta ocorre somente se os teores de Cr, C e

outros elementos de liga estiverem corretamente ajustados. Si, Mo e Al estabilizam a ferrita

delta. Uma vez, que formam carbonetos muito estáveis, Nb e V têm efeito comparáveis a uma

redução no teor de carbono e sua presença exige uma redução no teor de cromo para garantir a

formação de uma estrutura totalmente austenítica durante o resfriamento.

Contudo, mesmo que a liga tenha uma composição correta segundo o ponto de vista

termodinâmico, a transformação da ferrita delta em austenita pode ser incompleta, devido à

velocidade de resfriamento elevada, como ocorre comumente na soldagem. A segregação pode

causar a estabilização da ferrita tanto no centro das dendritas (devido à rejeição de carbono pelo

sólido), como nas regiões inter-dendríticas (pela concentração de elementos estabilizadores da

ferrita no último líquido a se solidificar).

Devido à sua elevada temperabilidade, tanto a zona fundida quanto a região da ZAC

austenitizada pelos ciclos térmicos de soldagem se transformam em martensita no resfriamento e

a dureza destas regiões dependerá primeiramente da composição química, particularmente, do

teor de carbono. O procedimento de soldagem e o tratamento térmico inicial da peça terão pouca

influência nesta dureza. Dependendo de suas temperaturas Ms e Mf e da presença de segregação,

a microestrutura destas regiões poderá ser formada por martensita, por martensita e ferrita delta

ou por martensita (ou martensita com ferrita delta) e austenita retida.

Aços inoxidáveis austeníticos como os tipos AISI 308, 309 ou 310 podem ser utilizados

como metal de adição na soldagem dos aços martensíticos ou destes com outro tipo de aço

inoxidável. Nestas condições a zona fundida não é endurecível, possuindo boa tenacidade e

dutilidade na condição soldada. Peças soldadas com este tipo de metal de adição são geralmente

colocadas em serviço sem tratamento térmico pós-soldagem. Entretanto, para a sua utilização,

devem-se considerar cuidadosamente as possíveis consequências devidas a diferenças de

propriedades mecânicas, físicas e químicas entre a zona fundida e o metal de base.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 76

Page 77: Apostila de Tecnologia Mecânica

5.1.2 – Procedimento de Soldagem

Sendo estes aços de estrutura quase sempre martensítica, apresentam basicamente os

problemas referentes à martensita. Na família dos aços com 12 a 13% Cr e 0,10 a 0,30% C, a

estrutura será martensítica, quase qualquer que seja o resfriamento, a menos que haja um pré-

aquecimento da ordem do Mi (350 - 400C), e que seja mantido até o tratamento térmico final,

que pode ser um recozimento, seguido de um resfriamento lento (25C/h), dando uma estrutura

ferrítico-perlítica. O tratamento mais comum, entretanto, é após pré-aquecimento mais baixo (da

ordem de 200C), um revenimento para aliviar tensões oriundas da solda e revenir a martensita

formada.

Um problema que pode aparecer é a fissuração a frio, pelo hidrogênio. Fazendo-se um

pré-aquecimento de 200 a 250C possibilita que o hidrogênio absorvido na soldagem seja

liberado pouco tempo após, equivalendo e substituindo um tratamento de pós aquecimento. Uma

energia de soldagem elevada também é recomendada. Da mesma forma, costuma-se recomendar

a aplicação de tratamento térmico após a soldagem, evitando a queda da temperatura até à

ambiente.

O fator principal, entretanto, para determinar a necessidade e os parâmetros dos

tratamentos térmicos de pré e pós aquecimento é o teor de carbono. Abaixo de 0,1% C pode-se

soldar com baixa temperatura de pré aquecimento ou mesmo nenhum.

Temperaturas de pré aquecimento, energia de soldagem e TTAS para aços martensíticos

Teor de Carbono (%)

Temperatura Pré-aquecimento (C)

Energia de Soldagem

Tratamento Térmico Pós Soldagem

< 0,10 15 (mínima) normal opcional

0,10 a 0,20 205 - 260 normal resfriar lentamente

0,21 a 0,50 260 - 315 normal tratamento necessário

> 0,50 260 - 315 elevada tratamento necessário

5.1.3 – Tratamento Térmico Pós Soldagem

As funções do tratamento térmico pós soldagem são: (a) revenir ou recozer a zona

fundida e ZAC para diminuir a dureza ou melhorar a tenacidade, (b) diminuir as tensões

residuais associadas com a soldagem e (c) permitir a difusão do hidrogênio.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 77

Page 78: Apostila de Tecnologia Mecânica

O tratamento de revenimento é geralmente feito entre 600 e 850C, por algumas horas,

para se obter na região de solda propriedades mecânicas semelhantes às do metal de base.

Se a operação de soldagem é terminada com a junta a uma temperatura próxima de Ms e

esta é colocada imediatamente em um forno para revenimento, as suas propriedades mecânicas

poderão não ser melhoradas, mesmo que este procedimento se mostre efetivo para evitar a

formação de trincas. As melhores propriedades podem ser obtidas submetendo-se a peça a um

tratamento completo de têmpera e revenimento, o que geralmente não é possível, ou permitindo-

se que a junta resfrie até completar a transformação martensítica e, só então, submetendo-a ao

revenimento. Este último procedimento permite a obtenção de soldas com propriedades

mecânicas semelhantes àquelas do metal de base no estado temperado e revenido. Ele exige,

entretanto, o conhecimento do valor de Ms do aço sendo soldado e, para estruturas pesadas,

implica na necessidade de um controle rigoroso da temperatura da peça pois, à medida que esta

temperatura diminui, o risco de fissuração aumenta.

O recozimento completo da solda causa a formação de um estrutura completamente

ferrítica com carbonetos relativamente grosseiros. Esse tratamento deve ser feito somente quando

uma baixa dureza é requerida, pois esta estrutura apresenta menor resistência à corrosão e

necessita de um elevado tempo de austenitização para redissolver os carbonetos. Para a

eliminação do hidrogênio, um tratamento térmico a uma temperatura mais baixa do que as

utilizadas para revenimento, por exemplo em torno de 300 C, pode ser utilizado.

5.2. Aços Inoxidáveis Ferríticos

Em uma primeira aproximação, os aços inoxidáveis ferríticos são estruturalmente

simples. À temperatura ambiente, eles consistem de uma solução sólida de cromo em ferro, com

estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (). Como esta solução pode conter muito pouco

carbono e nitrogênio (elementos intersticiais) dissolvidos, estes elementos estão presentes

principalmente na forma de precipitados de carbonetos e nitretos de cromo.

O cromo é o elemento fundamental destes aços, sendo que por ser um elemento

alfagêneo, estabiliza a ferrita e tende a reduzir ou suprimir o campo de existência da austenita.

Devido a esta propriedade, a faixa de existência da austenita diminui rapidamente para teores

superiores a 7%Cr e, para teores acima de 13%, a austenita não mais se forma. Para teores entre

12 e 13%, o material pode sofrer somente uma transformação parcial, permanecendo bifásico

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 78

Page 79: Apostila de Tecnologia Mecânica

(ferrita e austenita) entre as temperaturas de 900 a 1200C. Estas considerações são válidas para

ligas binárias Fe-Cr puras, que não é o caso dos aços inoxidáveis, que possuem outros elementos

em menor quantidade.

Elementos gamagêneos, particularmente carbono e nitrogênio, causam a expansão do

campo de existência da austenita para maiores teores de cromo. Assim, dependendo do balanço

entre as quantidades de elementos alfagêneos e gamagêneos, aços inoxidáveis ferríticos com

teores de cromo muito superiores a 13% poderão sofrer uma transformação parcial a alta

temperatura (tipicamente 900 a 1200C) e apresentar nesta faixa de temperaturas uma estrutura

de ferrita e austenita. Esta austenita apresenta alta temperabilidade e pode ser facilmente

transformada em martensita durante o resfriamento.

Em aços estabilizados, isto é, que contêm adições de Nb ou Ti, os carbonetos ou nitretos

de cromo são parcial ou completamente substituídos por carbonitretos de nióbio ou de titânio.

Estes precipitados são mais estáveis que os de cromo e só se solubilizam a temperaturas mais

elevadas. Entretanto, em ambos os casos, para temperaturas superiores a cerca de 1200C, os

aços tendem a ter uma estrutura completamente ferrítica, sem a presença de austenita ou de

precipitados. Esta estrutura pode sofrer um crescimento de grão extremamente rápido. Devido à

sua estrutura CCC, a granulação grosseira causa um aumento da temperatura de transição ao

impacto, isto é, diminui a tenacidade do material.

5.2.1 - Microestrutura da Região de Solda

Em ligas parcialmente transformáveis, a solda terá as seguintes regiões:

- Região Bifásica: corresponde à porção da ZAC que foi aquecida até o campo de

coexistência da austenita e da ferrita. A austenita se forma preferencialmente nos contornos de

grão da ferrita e, após resfriamento nas condições encontradas na soldagem, se transforma em

martensita.

- Região de Crescimento de Grão: corresponde à região da ZAC aquecida acima do

campo de coexistência da austenita e da ferrita. É caracterizada por um intenso crescimento de

grãos e pela dissolução e posterior reprecipitação dos carbonetos e nitretos presentes. Durante o

resfriamento, pelo afastamento da poça de fusão, esta região atravessa o campo bifásico, de

modo que a austenita é formada preferencialmente nos contornos de grão, em geral com estrutura

de placas do tipo Widmanstätten. A temperaturas mais baixas esta austenita pode se transformar

em martensita.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 79

Page 80: Apostila de Tecnologia Mecânica

- Zona Fundida: caso a composição química seja igual à do metal de base, esta

apresentará uma estrutura semelhante à da região anterior, tendo entretanto grãos colunares.

A solda é caracterizada por uma estrutura de granulação grosseira, apresentando uma

rede de martensita junto aos contornos de grão e finos carbonetos e nitretos nos contornos e no

interior dos grãos. Como consequência, a solda tende a ser frágil, não aceitando solicitações

mecânicas acentuadas.

Aços inoxidáveis ferríticos com teor mais elevado de cromo, com menor teor de

elementos intersticiais e/ou adições de elementos estabilizantes podem ter um balanço entre

elementos alfagêneos e gamagêneos tal que a austenita não se forme em nenhuma temperatura.

Nestas condições, a sua ZTA será formada essencialmente por uma região de crescimento de

grão e a zona fundida apresentará uma estrutura grosseira e colunar, com precipitados finos intra

e intergranulares. Em aços estabilizados com Nb ou Ti, o crescimento de grão pode ser reduzido

apenas parcialmente, pela maior estabilidade dos carbonitretos destes elementos em relação aos

de cromo. Em aços com menores teores de intersticiais, o problema de crescimento de grão é

mais intenso, já que a quantidade de precipitados é menor.

5.2.2 - Procedimentos de Soldagem

Esses aços apresentam como inconvenientes mais graves a falta de transformação

estrutural, o que provoca o crescimento de grão e a perda de tenacidade e a formação parcial de

martensita. Isto não impede o seu uso, mas o restringe. Alguns cuidados portanto devem ser

tomados com relação à sua soldagem:

a) Baixa energia de soldagem, pelo uso de eletrodos de menor diâmetro e/ou baixa corrente de

soldagem, propicia um resfriamento mais rápido e, consequentemente, menor probabilidade

de problemas de fragilização (fase sigma, dos 475C e do crescimento do grão). De uma

forma geral, a escolha de processos/ procedimentos que levem em conta tal situação reduzem

a fragilização na zona fundida e na ZAC.

b) Pré aquecimento de até 200C, principalmente em peças mais espessas. Embora pareça

paradoxal, tem pequeno efeito no tempo de permanência nas temperaturas de crescimento de

grão, mas serve para manter a temperatura da junta acima da temperatura de transição,

garantindo dutilidade suficiente para resistir às tensões residuais durante a soldagem.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 80

Page 81: Apostila de Tecnologia Mecânica

c) Tratamento térmico de 650 - 780C serve para aliviar as tensões, e melhorar as propriedades

mecânicas da junta. Nessa faixa de temperatura a difusão é ainda baixa para que o

crescimento do grão (que já é grande na ZF e ZAC) preocupe ainda mais.

a) Se é desejada maior ductilidade (o que é comum), deve-se fazer a soldagem heterogênea, ou

seja, com eletrodo austenítico ou liga de níquel. No caso de se utilizar metal de adição

ferrítico, o mesmo pode conter Al, Ti ou Nb, para refinar o grão da ZF.

e) Quando soldando aços com baixos teores de intersticiais, recomenda-se processos com

proteção gasosa de gases inertes, uma vez que podem aumentar a tendência de formação de

martensita no metal de solda.

f) A contaminação por hidrogênio e oxigênio também fragilizam as soldas de inox ferrítico.

Devem ser eliminados os procedimentos e fontes destes elementos, tais como umidade, óleos,

graxas, contaminação atmosférica devido deficiência do sistema de proteção gasosa, etc.

5.3 – Aços Inoxidáveis Austeníticos

Os aços inoxidáveis austeníticos são o maior grupo de aços inoxidáveis em uso,

representando cerca de 65 a 70% do total produzido no mundo. Esta classe de materiais é

caracterizada pelas seguintes propriedades:

* tenacidade e ductilidade superiores à da maioria dos outros aços. Estas propriedades são

mantidas até temperaturas muito baixas.

* boas resistência mecânica e à corrosão a temperaturas elevadas, o que permite a sua utilização

em temperaturas superiores à máxima de serviço de aços baixa liga ou inoxidáveis

martensíticos e ferríticos.

* elevada capacidade de endurecimento por deformação plástica (em geral). Esta

endurecibilidade não é acompanhada por uma elevada perda de ductilidade.

* soldabilidade relativamente boa. A ausência de transformação martensítica e sua boa

tenacidade implicam na sua insensibilidade à fissuração pelo hidrogênio. A sensibilidade à

formação de porosidades também é baixa e a zona fundida tem propriedades que se

assemelham à do metal de base.

Existe um grande número de tipos de aços inoxidáveis austeníticos, mas as ligas mais

utilizadas são aquelas contendo cerca de 18% Cr e 8% Ni (aço 304). Por isto, a discussão sobre a

estrutura destas ligas pode se iniciar pelo diagrama pseudo-binário Fe-18%Cr-Ni (figura 8).

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 81

Page 82: Apostila de Tecnologia Mecânica

Segundo este diagrama, para teores de níquel inferiores a 1 - 1,5%, o material se

comportaria como um aço completamente ferrítico durante o resfriamento a partir de altas

temperaturas. Acima deste teor, existe uma faixa de temperaturas em que a liga é bifásica

(austenita + ferrita delta), que se amplia com o aumento do teor de níquel. Finalmente, acima de

cerca 3,5% de níquel, existe um intervalo de temperaturas em que a liga é completamente

austenítica, e que se amplia com maiores teores de níquel.

Figura 8 - Seção vertical do diagrama ternário Fe-18%Cr-Ni

Com o aumento na quantidade deste elemento, a temperatura Ms é diminuída, mas até

cerca de 7 a 8% de níquel esta temperatura permanece acima da ambiente e o aço é portanto do

tipo martensítico. Assim, os aços inoxidáveis austeníticos são, em geral, ligas contendo 18% Cr e

teores de Ni superiores a 8%.

O efeito do carbono sobre a estrutura dos aços inoxidáveis austeníticos acima de cerca de

900C é similar ao do níquel, isto é, ele tende a ampliar a faixa de existência da austenita e

consequentemente reduz a quantidade de ferrita delta presente a altas temperaturas. Entretanto a

solubilidade do carbono na austenita diminui com a queda da temperatura. Durante um

resfriamento lento ou durante uma breve permanência entre cerca de 450 e 850C, os aços

austeníticos com teores de carbono superiores a 0,03% estão sujeitos à precipitação de um

carboneto de cromo M23C6 que pode prejudicar certas propriedades do material, particularmente

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 82

Page 83: Apostila de Tecnologia Mecânica

sua resistência à corrosão e sua ductilidade a baixas temperaturas. Os aços inoxidáveis

austeníticos também podem ter a adição de outros elementos de liga para a obtenção de

propriedades especiais.

5.3.1 - Microestrutura da Zona Fundida

A microestrutura da solda dos aços austeníticos difere em alguma extensão da

microestrutura do metal de base. Esta é, em geral, constituída inteiramente de austenita, enquanto

que soldas podem reter quantidades variáveis de ferrita à temperatura ambiente. As soldas

austeníticas podem solidificar inteiramente como austenita ou inicialmente como austenita e

posteriormente como ferrita ou inicialmente como ferrita e depois como austenita ou ainda

inteiramente como ferrita, à medida que a relação (Cr/Ni)eq aumenta. Posteriormente, durante o

resfriamento parte da ferrita formada durante a solidificação pode se transformar em austenita.

A transformação da ferrita delta em austenita é completa somente se o aço permanecer

por um tempo suficientemente longo na faixa de temperaturas na qual a cinética é mais rápida.

Este não é geralmente o caso das soldas, onde o resfriamento rápido causa a retenção de alguma

ferrita até a temperatura ambiente. A morfologia e quantidade de ferrita irá depender da

composição química e da velocidade de resfriamento. Quanto maior for esta velocidade, menor

deve ser a extensão desta transformação.

Algumas características das soldas dos aços inoxidáveis resultam desta estrutura. Ela é

predominantemente austenítica, possui excelente ductilidade, comparável à do metal de base, e

não é sensível à fissuração pelo hidrogênio. Devido a isto não é necessária a utilização de pré

aquecimento nem tratamentos térmicos pós soldagem. A ferrita delta e considerada, em geral,

um constituinte desejável na zona fundida devido ao seu efeito favorável na resistência à

fissuração na solidificação. Por outro lado, a sua quantidade deve ser controlada em aplicações

em que a junta deva apresentar uma resistência à corrosão ótima, em que seja necessária uma alta

tenacidade da solda a baixas temperaturas e, finalmente, em que a peça deva ser completamente

não magnética.

5.3.2 - Procedimentos de Soldagem

São os mais importantes dentre os inoxidáveis, e em geral os mais nobres e mais fáceis

de serem soldados. Basicamente deve-se tomar cuidado com relação à fissuração e trincas a

quente, e sensitização; e em menor escala, em circunstâncias especiais, também a fase sigma.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 83

Page 84: Apostila de Tecnologia Mecânica

Lista-se, a seguir, algumas regras sobre a soldagem destes aços:

a) Soldar com menor energia possível. Esses aços não são susceptíveis de se endurecerem por

tratamento térmico. Neste caso, o arco deve ser o mais curto possível.

b) Em peças pequenas não se faz pré-aquecimento. Em peças de grande espessuras pode-se fazê-

lo, à temperaturas não muito altas, para evitar tensões devido aquecimento diferencial.

c) É aconselhável o martelamento de passes intermediários, a fim de diminuir as tensões

residuais finais, exceto em peças finas.

d) Não se deve deixar a temperatura interpasse passar de 200C para evitar ampliar o tempo de

permanência na faixa de sensitização (450 - 850C).

e) Alívio de tensões deve ser feito quando a espessura for grande ou quando houver acúmulo de

cordões de solda em peças complexas.

f) Caso haja risco de sensitização, deve-se usar o metal de base e o eletrodo com baixo carbono

ou estabilizado.

g) Usar sempre que possível, metal de adição que propicie haver ferrita delta na estrutura

segundo valor apropriado.

h) Em perigo de trinca a quente usar eletrodo com baixo teor de fósforo, enxofre e silício.

5.3.3. Tratamento Térmico após a Soldagem

A necessidade de tratamento térmico após soldagem depende bastante das condições de

uso da peça. Em alguns casos, o tratamento é usado para atingir o maior grau de resistência à

corrosão possível, e em outros casos apenas para alívio de tensões.

Para se evitar corrosão intergranular faz-se uma hipertêmpera a 1050 - 1150C durante

um tempo de 1h/pol e mínimo de meia hora, seguido de um resfriamento rápido, principalmente

pela faixa de 900 - 500C. Para espessuras menores que 3,2 mm, o resfriamento pode ser ao ar.

Para espessuras maiores, resfria-se toda a peça na água, ou com jato de água. A velocidade de

resfriamento depende bastante do teor de carbono, sendo que, quanto maior for este último, mais

drástico deve ser o resfriamento.

Deve-se levar em conta, no entanto, que o resfriamento rápido pode trazer problemas de

distorções e tensionamento, devido ao grande coeficiente de dilatação térmica e à baixa

condutividade térmica dos aços austeníticos. De um modo geral não se faz tratamento térmico

em soldas austeníticas, o que é uma grande vantagem. O código ASME - seção VIII, nos itens

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 84

Page 85: Apostila de Tecnologia Mecânica

UHA-32, UHA-100 e UHA-108 trata do assunto, indicando o tratamento mais adequado para

cada caso.

5.4 – Problemas na Soldagem dos Aços Inoxidáveis

5.4.1 - Trincas a Frio em Aços Martensíticos (Fragilização por Hidrogênio)

Este tipo de fragilização é bastante perigoso, pois nem sempre as trincas ocorrem logo

após a soldagem. Seu aparecimento está sempre ligado aos três fatores abaixo,

concomitantemente:

1) estrutura martensítica

2) tensões

3) presença de hidrogênio

O local preferencial de aparecimento da trinca a frio (abaixo de 400C) é a ZAC, embora

possa ocorrer também na zona fundida de uma junta soldada. As causas da trinca a frio induzida

por hidrogênio podem ser:

* Energia de soldagem baixa, isto é, corrente de soldagem baixa ou velocidade de

soldagem elevada.

* Consumível especificado erroneamente: diâmetro pequeno e, consequentemente, corrente

de soldagem baixa; consumível com teor de hidrogênio elevado.

* Projeto da junta inadequado, ou seja, tipo do chanfro não adequado para a espessura do

material, ângulo do chanfro grande, gerando tensões elevadas na junta.

* Procedimento de soldagem incorreto como ausência ou temperatura de pré-aquecimento

insuficiente; ausência de controle da temperatura interpasses; ausência de pós aquecimento

para aliviar tensões e diminuir o teor de hidrogênio dissolvido no material.

Quanto à prevenção, se faz basicamente nos dois últimos fatores, já que a estrutura para

deixar de ser martensítica requereria muito cuidado, tempo, custo e o aço perderia certas

propriedades desejadas. A estrutura martensítica é desejada em muitos casos. Logo, é inevitável.

Deve-se fazer o possível para se reduzir o nível de tensões atuantes na junta soldada.

O cuidado quanto ao hidrogênio requer que se evite a presença de umidade,

principalmente através do revestimento do eletrodo, ou fluxo, secando, controlando a umidade,

temperatura, etc.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 85

Page 86: Apostila de Tecnologia Mecânica

5.4.2 – Trincas a Quente em Aços Austeníticos

Algumas constatações podem ser feitas inicialmente em todos os casos de trincas desse

tipo em aços inoxidáveis austeníticos e em menor escala nos martensíticos e austeno-

martensíticos.

- as trincas ocorrem a altas temperaturas (acima de 1150C ou de 1250C).

- o tipo de trinca é intergranular.

- normalmente as trincas estão localizadas na zona fundida, embora possam ser encontradas

também na ZAC (trincas ou fissuras de liquação).

- em geral as trincas são superficiais. Pelo fato delas aflorarem, facilitam a sua detecção com

líquidos penetrantes ou partículas magnéticas.

Podemos separar em dois mecanismos básicos, as trincas que aparecem. O primeiro

mecanismo diz que a estrutura (grãos envoltos por um filme líquido) não pode resistir aos

esforços de contração e se trinca no filme líquido.

O outro mecanismo diz que a trinca ocorre no estado sólido, também devido à fase

segregada, mas por causa de sua menor resistência mecânica e/ou maior fragilidade e menor

ductilidade.

Quanto à influência dos elementos, o oxigênio é considerado negativo. O líquido

interdendrítico, existente ainda algum tempo após cessada a proteção da solda, pode oxidar-se,

formando óxidos frágeis.

O controle mais efetivo da tendência à fissuração a quente, é feito através da presença da

ferrita na estrutura. O efeito da ferrita tem sido explicado por várias teorias, entre as quais citam-

se:

1) A mais generalizada diz que grande parte dos elementos nocivos são ferritizantes e, portanto,

a ferrita os dissolve em maior grau que a austenita, isolando esta de seus efeitos nocivos.

Entre eles, citam-se o fósforo, o silício, o enxofre, o nióbio e o oxigênio. Tem-se observado

que quando ocorrem trincas a quente estas sempre iniciam em regiões totalmente austeníticas,

livres de ferrita.

2) Outro efeito da ferrita é gerar novas superfícies de grãos ferrita-austenita, em adição às áreas

austenita-austenita. Dessa maneira, o “filme líquido” se espalhará por uma superfície muito

maior, reduzindo seu efeito.

3) Um terceiro efeito é o refino do grão. Certos pesquisadores acreditam que aços contendo

ferrita têm menor faixa de solidificação que os puramente austeníticos, reduzindo assim a

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 86

Page 87: Apostila de Tecnologia Mecânica

segregação. Com menor segregação e grãos menores, portanto, maiores áreas de contornos de

grãos, o efeito será bem menor.

4) A ferrita tendo um menor coeficiente de dilatação térmica reduz a contração e pode ajudar a

resistir à trinca.

Em função do efeito benéfico da ferrita no material, convencionou-se um teor entre 4 e

10% como ideal para se prevenir contra a trinca a quente.

Contaminações de nitrogênio durante a soldagem podem reduzir o percentual de ferrita

no metal de solda, por ser este elemento fortemente austenitizante. Desta forma, uma proteção

gasosa adequada torna-se essencial, principalmente para materiais mais susceptíveis a trinca a

quente.

Outro fator relacionado a formação de trinca a quente é o formato da poça de fusão.

Formato tipo “lágrima”, com cauda muito afunilada, tende a provocar maior trincamento a

quente. Deve-se objetivar formatos elípticos, o que é conseguido com menores correntes e

velocidades de soldagem. O uso de barras de cobre na parte inferior das juntas a serem soldadas

também auxilia, uma vez que ajuda no resfriamento das mesmas.

5.4.3. Formação de Fase Sigma

A fase sigma é um composto intermetálico de Fe-Cr em que a razão de composição é de

aproximadamente um átomo de cromo para um átomo de ferro. Forma-se a altas temperaturas

(550 - 900C) em aços ferríticos, em regiões ferríticas de ligas austeníticas ou mesmo na

austenita. Apresenta uma dureza de 750 a 1000 Vickers, tem estrutura tetragonal, e seu problema

principal é a fragilidade a frio.

Normalmente esta fase só se forma em teores de cromo acima de 20%, após grande

tempo de exposição, o qual se reduz bastante se o aço é totalmente ferrítico. O trabalho a frio

ajuda na formação desta fase, pelo aumento da difusão e da taxa de nucleação de novos grãos na

recristalização.

Quanto a sua formação nos aços austeníticos, a velocidade é mais lenta e o mecanismo

aceito é o de precipitação e redissolução dos carbonetos. O carbono se difunde mais rapidamente

e o cromo aumenta sua concentração, podendo formar ferrita localmente que, nas circunstâncias

próprias, dará fase sigma. A tendência à formação de fase sigma diminui com o aumento do teor

de carbono e queda do teor de cromo. O níquel aumenta a tendência de obtenção de fase sigma

até 25%. A partir daí, para teores maiores, a reduz rapidamente até impossibilitar a sua formação.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 87

Page 88: Apostila de Tecnologia Mecânica

Quanto à soldagem, mesmo que temperaturas críticas sejam atingidas, em geral não há

motivos para preocupações, devido ao resfriamento rápido. Entretanto o cuidado a ser tomado é

não soldar aços inoxidáveis que tenham fase sigma. Nesses casos quase sempre há formação de

trincas.

A fase sigma pode ser destruída após um tratamento térmico a temperaturas acima de

1000C. Isto, entretanto, não imuniza o material contra novas precipitações de fase sigma e,

portanto, sempre se deve ter cuidado quando se trabalha a temperaturas elevadas por longo

período de exposição.

5.4.4. Fragilização à 475C

O nome deriva do aspecto de que a 475C a fragilização dos aços ferríticos é máxima. E

o fenômeno se reveste de importância, uma vez que um dos usos mais importantes dos aços

ferríticos é justamente em temperaturas elevadas.

A fragilização é consequência de uma série de processos estruturais, como precipitação

de zonas de ferrita ricas em cromo, que causam um efeito de endurecimento por precipitação.

Tem sido observada em todos os aços Fe-Cr, e em maior escala nos de mais alto cromo. A

fragilidade pode ser associada com o aumento da dureza, e outras variações, como diminuição

do volume específico e da resistência elétrica, e aumento da força de coesão dos átomos.

Para um aço com 15% Cr o período de tempo para haver fragilização é de 700 horas.

Com 14% é de 7000 horas e com 13% é de 65000 horas. Se se quer que o material mantenha

ductilidade por 100000 horas é necessário que o teor de cromo seja menor que 12,8%. Apesar de

ser um tipo de fragilização possível de acontecer nos aços inox ferríticos, é um tipo de ocorrência

quase impossível de aparecer apenas devido a processos de soldagem.

5.4.5. Fragilização pelo Crescimento de Grão

Juntamente com a formação de uma rede de martensita ao longo dos contornos de grão

ferríticos (no caso de ligas com maiores teores de intersticiais), o crescimento de grão é o

principal mecanismo de fragilização dos aços ferríticos nos processos de soldagem. A

fragilização dos 475C e da fase sigma podem ocorrer, ou se agravarem também na soldagem,

mas são basicamente problemas de uso.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 88

Page 89: Apostila de Tecnologia Mecânica

Os aços ferríticos não apresentam variação estrutural, desde a temperatura ambiente até a

fusão. Nas altas temperaturas, portanto, que ocorrem na zona afetada pelo calor e na zona

fundida, estão sujeitos ao crescimento irreversível e exagerado dos grãos.

Esse fenômeno de crescimento dos grãos ocorre acima da temperatura de 1100C. O

principal efeito do crescimento de grão é aumentar a temperatura de transição dúctil-frágil,

podendo conduzir a uma junta altamente frágil quando a solda se resfriar até a temperatura

ambiente. Sob o efeito das tensões residuais ou de trabalho, o resultado pode ser o trincamento

na região soldada.

Em termos práticos, o problema pode ser minimizado pelo uso de baixa energia na

soldagem para reduzir a velocidade de crescimento de grão e a extensão da área afetada. Além da

baixa energia de soldagem, é aconselhável que o metal de adição depositado contenha Ti ou Nb

e baixos teores de intersticiais (C e N).

5.4.6. Corrosão Intergranular

Quando os aços inoxidáveis austeníticos ficam submetidos à temperaturas da faixa de

450 - 850C pode ocorrer a precipitação de carbonetos, principalmente de cromo. Esse estado

chama-se sensitização. Os fatores importantes são tempo e temperatura.

O local preferencial de precipitação dos carbonetos são os contornos do grão. O aço

sujeito à precipitação, por um período de tempo que depende da temperatura, se torna sensitizado

e, portanto, sujeito à corrosão intergranular.

Ao se precipitarem, os carbonetos empobrecem a região vizinha em cromo, tornando-a

menos resistente ao ataque de certos ácidos que, agindo sobre o aço, provocarão arrancamento de

grãos e a desintegração total do material. Tais ácidos incluem entre os mais importantes: ácido

sulfúrico, nítricos a quente, e certos ácidos orgânicos a quente. Nem todos os ácidos provocam

este tipo de corrosão.

A sensibilidade à corrosão intergranular depende de vários fatores:

a) teor de carbono

b) teores de cromo e níquel (do teor de ferrita)

c) outros elementos de liga

d) granulação do aço

e) tempo e temperatura de exposição

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 89

Page 90: Apostila de Tecnologia Mecânica

Nas juntas soldadas há sempre uma região da ZAC que está sujeita à faixa de

sensitização e, dependendo da velocidade de resfriamento, o tempo de permanência pode ser

suficiente para provocar a precipitação.

Quando ocorre, a corrosão intergranular se dá como uma faixa paralela e próxima, mas

não adjacente ao cordão de solda. É a região que ficou aquecida por mais tempo na faixa crítica.

Uma das maneiras de evitar a corrosão intergranular é com tratamento térmico de

hipertêmpera, isto é, um aquecimento entre 1050 e 1150C durante um tempo suficiente para

redissolver os carbonetos precipitados, seguido de um resfriamento rápido. Se a peça é fina o

resfriamento pode ser ao ar.

Outra maneira, mais utilizada, é usar-se aços com baixo teor de carbono, para que,

mesmo havendo sensitização, a quantidade de carbonetos precipitados, seja insuficiente para

prejudicar a resistência à corrosão. O comum é limitar o teor de carbono a 0,03%, sendo os aços

classificados como L.

Uma terceira forma de se evitar é utilizando aços estabilizados com Nb ou Ti. Esses

elementos têm avidez maior pelo carbono e, corretamente utilizados, retêm o carbono, evitando

que se formem carbonetos de cromo. A quantidade destes elementos varia com o teor de carbono

que se tem. Em geral usa-se Ti num teor de 5 x (% C + %N) e Nb num teor de 8 x (%C + %N)

como estabilizantes.

Eletrodos e arames para soldagem de aços estabilizados devem ser também estabilizados,

uma vez que, em soldas de vários passes, o metal de solda já depositado pode ser aquecido na

faixa de temperatura de sensitização pelos passes seguintes. Nos processos com eletrodo

consumível, particularmente a soldagem com eletrodos revestidos, o nióbio é geralmente

utilizado como estabilizante do metal de adição. Nos processos TIG e oxiacetilênico, o titânio

também pode ser utilizado. Para a soldagem de aços com baixo teor de carbono, utiliza-se

eletrodo de baixo carbono ou, alternativamente, estabilizado.

Os aços inoxidáveis ferríticos, como o AISI 430 (18% Cr) se tornam sensitizados quando

aquecidos acima de 925C e resfriados rapidamente. É um comportamento inverso ao dos aços

austeníticos, que se sensitizam em menores temperaturas. Entretanto o empobrecimento em

cromo das regiões vizinhas segue o mesmo mecanismo. A diferença nos tratamentos térmicos

que levam à sensitização é devida à diferença de solubilidade dos carbonetos na ferrita e na

austenita.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 90

Page 91: Apostila de Tecnologia Mecânica

5.4.7. Corrosão sob Tensão

Este tipo de corrosão afeta os aços inoxidáveis austeníticos submetidos à tensões de

tração e à presença de certos meios corrosivos, como cloretos e outros halogenetos, em solução

aquosa ou mesmo em vapor.

Esse tipo de corrosão não é específico das juntas soldadas, mas a soldagem pode

contribuir indiretamente, pelas tensões residuais de tração, resultantes dos diferentes ciclos

térmicos de soldagem. Estas tensões são, por si só, suficientes para provocar o fenômeno, uma

vez que podem ser da ordem do limite de escoamento do material.

As principais características da corrosão sob tensão são:

1) As trincas podem ser intergranulares ou transgranulares dependendo do tipo de material. Pode

ainda serem ramificadas ou não.

2) Há um tempo de incubação, em que a trinca se forma, mas não aparece. A seguir, propaga-se

rapidamente.

3) O oxigênio e a temperatura do meio corrosivo aceleram a corrosão sob tensão.

4) A velocidade de corrosão é muito lenta quando o teor de níquel vai a mais de 40% ou desce a

menos de 5%.

5) Uma grande pureza do metal é um elemento favorável à resistência à corrosão sob tensão.

7) A estrutura também contribui. Os aços austeno-ferríticos resistem melhor que os austeníticos.

8) Em casos de dúvida, é sempre aconselhável testar espécimens contendo soldas nos meios

onde o material vai trabalhar, sujeitos às tensões de trabalho.

A fissuração por corrosão sob tensão pode ser reduzida ou prevenida por medidas como:

- diminuição do nível de tensões, por exemplo através de um tratamento térmico de alívio de

tensões. Em aços austeníticos, este tratamento é normalmente feito entre 900 e 1000C.

- eliminação do componente ambiental crítico.

- substituindo a liga, se não for possível atuar no ambiente nem reduzir o nível de tensões. Os

aços inoxidáveis austeníticos podem ser substituídos por ligas mais ricas em níquel ou por aços

inoxidáveis que não contenham (tipo os ferríticos) ou que contenham menor quantidade de

níquel (tipo os duplex).

- aplicando inibidores no ambiente.

- aplicando proteção catódica

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 91

Page 92: Apostila de Tecnologia Mecânica

5.4.8. Outros Tipos de Corrosão

A corrosão galvânica é uma forma de corrosão que ocorre quando dois materiais de

diferentes potenciais eletroquímicos (por exemplo diferentes composições químicas ou

microestruturas) estão imersos em um eletrólito (solução ou meio corrosivo líquido). Nestas

condições, uma célula galvânica pode se formar e resultar no ataque da parte anódica, que é o

metal de menor potencial. A severidade do ataque aumenta com a densidade da corrente anódica,

isto é, com a redução da área superficial da região anódica em relação à catódica. Como a solda

tem sempre uma superfície muito menor que o resto da montagem, é essencial que ela não se

torne anódica. Para isto, o princípio geral a ser seguido é a utilização de um metal de adição com

composição similar ao metal de base ou, de preferência, com um teor de cromo ligeiramente

maior para compensar qualquer possível efeito da diferença de microestrutura. Além disso,

durante o processo de soldagem, parte dos elementos de liga, principalmente o cromo, pode ser

oxidada e eliminada na escória.

A técnica de soldagem e o projeto da junta podem afetar diretamente a vida da solda. A

existência de camadas espessas de óxidos e a presença de descontinuidades como porosidades,

trincas superficiais, mordeduras ou falta de fusão podem causar a acumulação de agentes

agressivos nestes locais. E onde estas se acumulam, o metal por elas coberto fica separado do

meio e pode acarretar diferenças de concentração e de oxigenação. Ambas dão origem a

diferenças de potencial que podem causar corrosão. Por isso, deve-se procurar evitar pontos

descontínuos nas superfícies dos metais.

5.5. Escolha do Metal de Adição

Uma maneira prática de escolher o metal de adição é através da consulta da tabela 6.

Nela estão mostradas as adições usualmente recomendadas para a soldagem de aços inoxidáveis,

dissimilares ou não. Outros consumíveis podem ser utilizados, além dos apresentados na tabela.

Para utilizar a tabela 6 é só escolher os metais de base que serão soldados e encontrar a

intersecção entre a respectiva linha e coluna da tabela. Por exemplo: deseja-se soldar um aço

carbono A36 com um aço inoxidável 316. A intersecção da linha e coluna indicam o eletrodo

ER309 como uma indicação para soldar estes dois materiais. A escolha pela tabela não leva em

conta eventuais riscos de fragilização, que pode ocorrer durante a soldagem.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 92

Page 93: Apostila de Tecnologia Mecânica

Tabela 6 – Seleção de Consumíveis para a Soldagem de Aços Inoxidáveis

Metal Base

301, 302, 304, 308

304L 310 316 316L 317321, 347

405, 410, 420

430 446Aços

Carbono

Aços Baixa Liga

301, 302, 304, 308

E308 E308 E308 E308 E308 E308 E308 E309 E309 E310 E309 E309

304L E308L E308 E308 E308 E308 E309 E309 E309 E310 E309 E309

310 E310 E316 E317 E308 E309 E309 E309 E310 E309 E309

316 E316 E316 E316 E308 E309 E309 E310 E309 E309

316L E316L E316 E316L E309 E309 E310 E309 E309

317 E317 E308 E309 E309 E310 E309 E309

321, 347 E347 E309 E309 E310 E309 E309

405,410, 420

E410 E430 E410 E410 E410

430 E430 E430 E430 E430

446 E446 E430 E430

A escolha do metal de adição para a soldagem de aços inoxidáveis também pode ser

realizada utilizando-se o diagrama de Schaeffler, com pequenas modificações.

5.5.1. Diagrama de Schaeffler

Em soldagem é importante a avaliação da estrutura e o consequente conhecimento das

propriedades de um depósito de solda de aços inoxidáveis ou ligas Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Cr-Ni. Esse

conhecimento influi na escolha do eletrodo adequado para a execução da soldagem, bem como

previsão e prevenção dos problemas que podem ocorrer, determinando também, em

consequência, os tratamentos térmicos necessários, anteriores ou posteriores à soldagem.

O Diagrama de Schaeffler (figura 9) é o principal instrumento para avaliação do depósito

de solda. Ele permite conhecer com antecedência a composição química da estrutura de uma

solda de liga Cr-Ni. Permite também escolher os eletrodos apropriados para cada soldagem,

mesmo heterogênea, de aço liga, aço carbono, aço inox ferrítico, austenítico, etc. Chega-se a

comparar a importância do diagrama de Schaeffler para os aços inoxidáveis à importância do

diagrama Fe-C para os aços carbono.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 93

Page 94: Apostila de Tecnologia Mecânica

Figura 9 - Diagrama de Schaeffler

Schaeffler utilizou para a confecção de seu diagrama eletrodos revestidos de 4,7 mm de

diâmetro e diferentes composições de cromo e níquel, sempre nos mesmos valores de tensão e

corrente, e consequentemente, mesma energia de soldagem. O método foi depositar cordões

simples e sem diluição, determinando a estrutura e a composição desse metal depositado. Ele

encontrou os seguintes constituintes:

AUSTENITA: Estrutura puramente austenítica, CFC, de granulação grosseira, de grande

tenacidade, mas sujeita à trincas e fissuração a quente.

FERRITA: Estrutura ferrítica, frágil e de granulação grosseira. Foi encontrada também uma

estrutura austenoferrítica. A ferrita se forma primeiro e limita o crescimento do grão da

austenita.

MARTENSITA: Estrutura dura e pouco tenaz (de acordo principalmente com o teor de

carbono), sujeita a trincas a frio. Pode ser encontrada pura ou em conjunto com austenita

e/ou ferrita.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 94

Page 95: Apostila de Tecnologia Mecânica

Em um sistema de coordenadas onde os eixos representam o efeito dos elementos

alfagêneos e gamagêneos, colocou os pontos encontrados com as respectivas estruturas à

temperatura ambiente.

Schaeffler descobriu também que outros elementos agiam como o cromo e o níquel, em

maior ou menor intensidade. Seu próximo trabalho foi pesquisar a influência de cada um,

verificando que podiam se encaixar em uma das duas categorias: alfagêneos ou gamagêneos.

O níquel é o gamagêneo principal e a base de referência para os demais. Para o carbono

Schaeffler atribuiu um efeito 30 vezes superior ao do níquel. Dentre os alfagêneos, o cromo é o

principal elemento e o termo de comparação dos demais. O silício entra com uma influência 50%

maior (coeficiente 1,5) que a do cromo, até o teor de 1%. A influência do molibdênio é

aproximadamente a mesma do cromo (fator 1,0).

O níquel equivalente é definido como a soma do teor de níquel e dos elementos

gamagêneos, multiplicados pelo fator que expressa sua influência relativamente ao níquel. Assim

Schaeffler definiu o teor de níquel equivalente como:

Nieq = % Ni + 30 x % C + 0,5 x % Mn

O cromo equivalente é definido como a soma ponderada dos elementos alfagêneos.

Schaeffler o definiu como:

Creq = % Cr + % Mo + 1,5 x % Si + 0,5 x % Nb

A parte mais importante do diagrama é a região austenoferrítica onde se encontram várias

curvas que expressam o teor de ferrita na estrutura. Essas linhas são de grande utilidade.

D. Séférian propôs uma fórmula bem cômoda derivada do diagrama, para calcular a

percentagem de ferrita duma soldagem onde a composição é tal que a estrutura seja austeno-

ferrítica.

% Ferrita = 3 x ( Creq - 0,93 x Nieq - 6,7 )

Deve-se observar que o diagrama de Schaeffler não leva em consideração a velocidade

de resfriamento. Assim, este diagrama fornece apenas o valor estimado da quantidade de ferrita

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 95

Page 96: Apostila de Tecnologia Mecânica

da solda. Entretanto, na soldagem com eletrodos revestidos, as diferenças devidas à velocidades

de resfriamento podem ser ignoradas para a maioria das aplicações.

a) ESCOLHA DA COMPOSIÇÃO ÓTIMA PARA A ZONA FUNDIDA

Foi Bystram que após Schaeffler delimitou no diagrama os campos que mostram as

regiões de problemas característicos. As composições químicas das soldas que caírem dentro

desses campos podem apresentar outros problemas também, mas os principais são os indicados.

Assim, ao se executar a soldagem, deve-se levar em conta primeiramente a prevenção contra o

problema indicado (vide figura 10).

CAMPO 1:

Abrange a região dos aços inoxidáveis ferríticos, ao cromo, com baixo teor de carbono. O

problema é o crescimento irreversível dos grãos quando o aço está aquecido a temperaturas

maiores que 1100 C. Esse crescimento irreversível dos grãos é mais acentuado na zona

termicamente afetada, resultando em fragilização que normalmente não resiste nem mesmo aos

esforços de contração da junta soldada. Por esta razão procura-se evitar a soldagem de aços

inoxidáveis ferríticos.

CAMPO 2 :

Esse campo abrange as estruturas martensíticas e parte das estruturas mistas martensítica-

austenítica e martensítica-ferrítica. São normalmente os aços temperados ou temperados e

revenidos, com teores mais altos de carbono (ex. 0,3%), que são sujeitos aos problemas desse

campo. A fissuração a frio (abaixo de 400C) é o que ocorre nesses aços, devido à ocorrência

simultânea dos três fatores: martensita, tensões e hidrogênio. A fissuração se dá normalmente na

zona afetada termicamente da junta soldada, mas pode ocorrer também no cordão de solda.

CAMPO 3 :

Este campo engloba todas as composições de ligas que têm possibilidade de dar, após

longo tempo de permanência em temperaturas da faixa de 500 - 900C, aparecimento a uma fase

chamada fase sigma, basicamente Fe-Cr, que tem como principal característica uma grande

fragilidade à temperatura ambiente. A fase sigma, sendo formada basicamente por ferro e cromo,

tem mais facilidade de se formar a partir da ferrita. Entretanto ligas austeníticas também formam

fase sigma.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 96

Page 97: Apostila de Tecnologia Mecânica

Figura 10 - Diagramas de Schaeffler com demarcação das regiões problemáticas

CAMPO 4 :

O campo engloba basicamente as composições austeníticas. O problema que pode

ocorrer nas soldagens de ligas cuja composição esteja neste campo é a fissuração a quente, que

ocorre em temperaturas elevadas. Este fenômeno acontece devido principalmente à formação de

fases segregadas e pré-fusíveis, aliado às tensões de contração oriundas de uma soldagem.

REGIÃO CENTRAL :

Ao centro do diagrama existe uma região que não pertence a nenhum dos quatro campos.

As composições químicas que pertencem a essa região dizem que a liga está livre dos quatro

defeitos anteriormente citados. O objetivo então é tentar fazer com que a composição química da

zona fundida caia dentro dessa região, embora esse procedimento não resolva a situação para a

zona termicamente afetada, cuja composição química é a do metal de base.

b) APLICAÇÃO DO DIAGRAMA DE SCHAEFFLER

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 97

Page 98: Apostila de Tecnologia Mecânica

O diagrama de Schaeffler, dentro de suas limitações não somente é útil para prever a

estrutura da zona fundida de uma solda de aço inoxidável, como prever a estrutura da zona

fundida de soldas heterogêneas, de metais diferentes, ou mesmo de um mesmo metal com

eletrodo diferente. Como todo diagrama de fases, a regra da alavanca é válida e, conhecendo-se

ou mesmo estimando-se a porcentagem da mistura, pode-se estimar a composição resultante e

em consequência sua estrutura e propriedades esperadas.

Vejamos como aplicação os casos práticos envolvendo aços inoxidáveis, situando no

diagrama as composições químicas envolvidas e, como consequência a estrutura esperada e os

problemas característicos.

Exemplo 1:

Soldagem de chapas de aço AISI 304 para vasos de pressão e equipamentos de indústria

química utilizando eletrodo AWS E309-16. Considerar diluição de 20%, que é o percentual do

metal de base no metal de solda.

Composição química do metal depositado com eletrodo E309-16 é a seguinte:

C = 0,06% Mn = 0,84% Cr = 23,1% Ni = 12,5% Si = 0,54% Mo = 0,01%

Composição química do aço AISI 304:

C = 0,06% Mn = 1,46% Cr = 18,2% Ni = 8,37% Si = 0,44% Mo = 0,074%

Calculando os valores de cromo e níquel equivalentes para o metal de base e o metal

depositado temos:

a) Creq = %Cr + %Mo + 1,5 %Si + 0,5 %Nb

Metal depositado: Creq = 23,1 + 0,01 + 1,5 . 0,54 = 23,92%

Metal de base: Creq = 18,2 + 0,074 + 1,5 . 0,44 = 18,93%

b) Nieq = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn

Metal depositado: Nieq = 12,5 + 30 . 0,06 + 0,5 . 0,84 = 14,72%

Metal de base: Nieq = 8,37 + 30 . 0,06 + 0,5 . 1,46 = 10,87%

Localizando no diagrama as composições químicas relativas ao metal de base e ao

eletrodo, encontramos dois pontos equivalentes ao metal depositado e metal de base. Unindo-os

e considerando a diluição de 20% vemos que a zona fundida será formada por austenita e ferrita,

com o teor desta última da ordem de 8%. Nesta região, a liga está livre dos quatro defeitos

citados, ou seja, a solda poderá ser executada sem problemas.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 98

Page 99: Apostila de Tecnologia Mecânica

Exemplo 2:

Soldagem de chapas de aço AISI 430 com aço AISI 304L, utilizando eletrodo AWS

ER308LSi. Considerar diluição de 25%.

Dados:

Material %C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo Creq Nieq

304L 0,03 0,90 1,00 19,00 9,50 0,00 20,35 10,90

430 0,04 0,44 0,25 16,48 0,25 0,02 17,16 1,57

308LSi 0,02 0,88 1,71 20,35 9,64 0,02 21,69 11,09

Plotando os valores de cromo e níquel equivalentes no diagrama verifica-se que a

microestrutura da zona fundida será formada por austenita + ferrita com aproximadamente

14,9% ferrita. Como a composição final do metal fundido caiu na região central do diagrama,

não há problemas de fragilização ou fissuramento devido à soldagem.

c) A FERRITA

Atualmente há uma procura muito grande pelos aços austeníticos com pequeno teor de

ferrita delta. Dessa forma, a ferrita assume um papel de grande importância e o diagrama de

Schaeffler original já não atende às condições desejadas.

A partir da descoberta da importância da ferrita delta na estrutura, surgiram vários

métodos de determinação do seu teor, pretendendo ser mais precisos ou facilmente aplicáveis

que a metalografia. Dentre eles o mais utilizado tem sido o método magnético com calibração.

O método magnético se baseia no fato da ferrita ser ferromagnética e a austenita não.

Com teores intermediários da ferrita, a resposta do ferromagnetismo seria função do teor de

ferrita (ou proporcional). Assim sendo, o aparelho é calibrado em bloco padrão, cujo teor de

ferrita é previamente determinado com bastante precisão. Porém, a resposta do ferromagnetismo

proporcional ao teor de ferrita não se mostrou adequada em todos os teores.

Foi criado então a designação de número de ferrita (FN) para representar a centésima

parte do magnetismo encontrado na ferrita pura. Em pequenos teores (até cerca de 8%) o número

de ferrita equivale à porcentagem de ferrita. Após este valor, não se verifica mais uma boa

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 99

Page 100: Apostila de Tecnologia Mecânica

correlação. Tal fato não é grave, devido ao interesse maior em conhecer o teor de ferrita mais

precisamente nos pequenos teores, onde a metalografia falha e onde se encontra a maioria dos

aços utilizados. Para teores maiores, a metalografia já fornece valores satisfatórios.

5.6. Exercícios Propostos

1. Por que os aços inoxidáveis martensíticos são considerados os mais difíceis para soldar

dentre o grupo dos aços de alta resistência à corrosão?

2. Se você fosse soldar um componente de aço inox martensítico, você realizaria a solda com

o material no estado temperado/revenido ou recozido? Justifique sua resposta.

3. Explique como se apresenta a microestrutura da zona fundida e da zona afetada pelo calor

de uma solda de aço inox martensítico realizada pelo processo MIG.

4. Que procedimentos de soldagem você adotaria para evitar a fissuração a frio pelo

hidrogênio na soldagem de chapas de aço inox martensítico?

5. Quais são os objetivos dos tratamentos térmicos pós soldagem utilizados na soldagem dos

aços martensíticos.

6. Qual é a função dos elementos nióbio e titânio quando adicionados aos aços inoxidáveis

ferríticos e qual é a sua contribuição na soldagem destas ligas?

7. Com relação à sua microestrutura, quais são os principais problemas relacionados à

soldagem dos aços inoxidáveis ferríticos?

8. Por que é recomendável a utilização de eletrodos austeníticos ou austeno-ferríticos na

soldagem dos aços inox martensíticos e ferríticos?

9. Explique como a relação Creq/Nieq influencia na formação da microestrutura da zona

fundida de uma solda de aço inoxidável austenítico.

10. Enumere quatro procedimentos adotados na soldagem dos aços inox austeníticos e

explique o por que de sua utilização.

11. Explique como ocorre o fenômeno da sensitização durante a soldagem dos aços

inoxidáveis austeníticos. Que soluções podem ser adotadas para evitar a sua ocorrência?

12. Comente os mecanismos de formação das trincas a quente (trincas de solidificação) na

soldagem dos aços inox austeníticos. Enumere procedimentos de soldagem que podem ser

adotados para evitar a sua ocorrência.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 100

Page 101: Apostila de Tecnologia Mecânica

13. Explique o mecanismo de fragilização pelo crescimento de grão dos aços inox ferríticos

relacionado à soldagem destes aços.

14. Como a soldagem pode contribuir para a corrosão sob tensão nos aços inoxidáveis

austeníticos?

15. Qual é a aplicação do Diagrama de Schaefler para a soldagem dos aços inoxidáveis?

16. Utilizando o Diagrama de Schaefler, verifique qual das situações abaixo é a mais

adequada para se realizar a soldagem de uma chapa de aço baixa liga com outra de aço

inoxidável austenítico. As composições das ligas e dos eletrodos são informadas a seguir:

Material/ Eletrodo C Si Mn Cr Ni Mo N Creq Nieq

Aço baixa liga 0,20 0,50 0,75 0,50 1,00 1,00 - 2,25 7,37

Aço inoxidável 0,05 0,40 1,30 18,30 8,40 0,01 0,035 18,91 11,60

OK 67.62 0,05 0,80 0,50 24,00 12,50 - - 25,20 14,25

OK 14.31 0,30 0,60 1,80 20,00 13,00 2,50 - 23,40 22,90

a) Soldagem por eletrodo revestido. Eletrodo OK 14.31. Diluição de 25%.

b) Soldagem MIG. Eletrodo OK 67.62. Diluição de 20%.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 101

Page 102: Apostila de Tecnologia Mecânica

6. SOLDAGEM DE FERROS FUNDIDOS E METAIS NÃO FERROSOS

6.1. Soldagem de Ferros Fundidos

Os ferros fundidos apresentam várias características que dificultam a sua soldagem,

destacando-se:

Alto teor de carbono e, em geral, de fósforo e de enxofre.

Tendência à formação de cementita na região da solda devido às velocidades de

resfriamento relativamente elevadas associadas com a soldagem.

Baixa dutilidade do metal base e de sua zona termicamente afetada.

Estrutura porosa dos ferros fundidos cinzento, maleável e nodular favorece a absorção

de graxas e outras sujeiras durante o seu uso.

Ferros fundidos brancos são considerados, em geral, não soldáveis devido à sua

extrema fragilidade. A soldagem é utilizada, em ferros fundidos cinzentos, principalmente

para eliminar defeitos de fundição e para reparar peças trincadas ou mesmo fraturas.

Com base no tipo de metal de adição utilizado, a soldagem de ferros fundidos pode ser

dividida em dois grupos principais:

Procedimentos que fornecem um metal depositado de composição similar ao metal

base (ferro fundido), e

Procedimentos que fornecem um metal depositado de aço ou ligas com um elevado

teor de metais não ferrosos (cobre/níquel).

O primeiro método é usado principalmente para reparar defeitos em peças fundidas e

utiliza um pré-aquecimento de 300 a 700oC e, em geral, um tratamento térmico após a

soldagem. Durante a soldagem, forma-se uma grande poça de fusão, favorecendo a remoção

de gases e inclusões não metálicas as zona fundida. O resfriamento da solda é mantido bem

lento (não mais do que 50-100oC/h) dificultando a formação de ledeburita e de martensita na

ZF e ZTA. Os principais processos de soldagem usados neste tipo de procedimento são OFW,

SMAW e FCAW.

No segundo método, a soldagem é, em geral, feita sem pré-aquecimento ou com um

pré- aquecimento mínimo com a deposição de passes curtos e espaçados e com uma baixa

energia de soldagem de modo a minimizar a extensão das regiões afetadas pela soldagem.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 102

Page 103: Apostila de Tecnologia Mecânica

Martelamento (da solda) pode ser, em alguns casos, usado para reduzir o nível das

tensões residuais. Eletrodos podem ser de metais não ferrosos (ligas de níquel ou de cobre) ou

de aço. No primeiro caso, o material não dissolve o carbono nem forma carbonetos, mantendo

a ZF dútil e macia. Eletrodos de aço podem ser de aço inoxidável austenítico ou de aços

especiais com elevado teor de elementos formadores de carboneto. Neste caso, o depósito

tende a ter uma dureza mais elevada, não sendo, em geral, usinável. O método é usualmente

realizado com o processo SMAW.

6.2. Soldagem de Metais Não Ferrosos

6.2.1. Alumínio e suas Ligas

O alumínio é um metal caracterizado por sua baixa densidade, baixa resistência

mecânica (embora tratamentos térmicos e mecânicos, particularmente para certas ligas de Al,

possam levar a níveis razoavelmente elevados de resistência mecânica), boa resistência à

corrosão e elevada condutividade elétrica. Existe um grande número de ligas de alumínio que

podem apresentar um amplo espectro de propriedades. Estas ligas são classificadas

geralmente por um sistema de quatro dígitos desenvolvido pela Aluminum Association, tabela

7.

Tabela 7 – Designação para grupos de ligas de alumínio

Elementos de liga principais Designação

Alumínio comercialmente puro (> 99% Al) 1XXX

Cobre 2XXX

Manganês 3XXX

Silício 4XXX

Magnésio 5XXX

Magnésio-Silício 6XXX

Zinco 7XXX

Outros elementos 8XXX

Algumas ligas de alumínio (principalmente dos grupos 1XXX, 3XXX, 4XXX e

5XXX) não são tratáveis termicamente enquanto outras (principalmente dos grupos 2XXX,

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 103

Page 104: Apostila de Tecnologia Mecânica

6XXX e 7XXX) podem ser tratadas termicamente. O principal tratamento térmico envolve a

solubilização e envelhecimento do material para causar endurecimento por precipitação,

podendo o tratamento ser combinado ou não com endurecimento por deformação.

A presente discussão não engloba as diferentes características e, em particular, a

soldabilidade das várias ligas de alumínio. O que é aqui apresentado deve ser considerado

apenas como uma série de recomendações gerais válidas principalmente para o alumínio

comercialmente puro. O alumínio apresenta diferenças de propriedades físicas e químicas que

levam a diferenças de sua soldagem em comparação com a dos aços:

1. Elevada afinidade pelo oxigênio.

2. Elevada condutividade térmica.

3. Elevado coeficiente de expansão térmica.

4. Baixo ponto de fusão (660ºC).

O alumínio reage prontamente com o oxigênio do ar formando uma camada superficial

de óxido cujo ponto de fusão (˜2000ºC) é muito superior ao do alumínio e que, durante a

soldagem, pode formar uma barreira física impedindo o contato e mistura do metal base

fundido e do metal de adição e formando inclusões na solda. Adicionalmente, a medida que se

torna mais expressa, a camada de óxido absorve umidade do ar. Na soldagem, esta umidade,

juntamente com outras contaminações superficiais, é uma fonte de hidrogênio capaz de gerar

porosidade na zona fundida de alumínio.

O óxido de alumínio pode ser removido por meios químicos (limpeza por solventes

e/ou decapagem), mecânicos (lixamento, escovamento, etc.), elétricos (ação de limpeza

catódica do arco) ou metalúrgicos (ação escorificante de um fluxo durante a soldagem). Esta

última forma é comum na soldagem SMAW e em processos de brasagem. Como o fluxo para

alumínio é muito reativo, a sua limpeza completa da junta após a soldagem é essencial para se

evitar problemas futuros de corrosão. Usualmente, mais de um método de remoção da camada

de óxido é usado em conjunto. Em função da elevada reatividade do alumínio, a remoção da

camada oxidada pelos dois primeiros métodos deve ser realizada imediatamente ou, no

máximo, 8 horas antes da soldagem.

Como a condutividade térmica do alumínio é 3 a 5 vezes maior que a do aço, o calor

de soldagem é menos eficientemente usado na soldagem desse metal. Assim, o uso de pré-

aquecimento e de um maior aporte térmico é comum na soldagem de juntas de maior

espessura de alumínio para garantir a formação da poça de fusão e evitar problemas de falta

de fusão. O pré-aquecimento, na soldagem do alumínio, não deve ser superior a 205ºC. Na

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 104

Page 105: Apostila de Tecnologia Mecânica

soldagem de ligas de alumínio endurecíveis por precipitação, a temperatura de pré-

aquecimento deve ser ainda menor para minimizar a ocorrência de super-envelhecimento. A

elevada condutividade térmica do alumínio favorece a rápida extração de calor e, assim, a

rápida solidificação da poça de fusão o que facilita a sua soldagem fora da posição plana.

O coeficiente de expansão térmica do alumínio é aproximadamente duas vezes maior

que o do aço. Isto favorece a ocorrência de distorção e o aparecimento de trincas.

Devido ao seu baixo ponto de fusão, este material não apresenta uma mudança de cor

quando se aproxima de sua temperatura de fusão. Isto pode dificultar o controle da

temperatura na brasagem manual com chama e, na soldagem a arco de chapas finas, exige um

cuidado maior do soldador para se evitar que ocorra um excesso de fusão e, assim, a

perfuração da junta.

Os principais problemas metalúrgicos de soldabilidade do alumínio e suas ligas são a

formação de porosidade pelo H2, a formação de trincas de solidificação e a perda de

resistência mecânica (para metal base encruado ou endurecível por precipitação).

Os processos mais usados para a soldagem do alumínio são GMAW e GTAW. Em

ambos os processos, a seleção de consumível é baseada na composição química e em aspectos

metalúrgicos e mecânicos. A especificação de consumíveis para a soldagem de alumínio e

suas ligas para os processos GTAW e GMAW é coberta pelas normas AWS A5.3 e A5.10.

A soldagem GTAW é usada principalmente para juntas de menor espessura. Trabalha,

em geral, com corrente alternada e eletrodo de tungstênio puro para garantir a remoção

superficial de alumina (Al2O3) sem um aquecimento excessivo do eletrodo. O ignitor de alta

frequência é mantido funcionando durante a soldagem para facilitar a reabertura do arco e

aumentar a sua estabilidade. Recentemente, fontes de energia modernas têm permitido a

soldagem com de polaridade variada com onda de formato retangular (em oposição à corrente

alternada comum cuja onda tem um formato senoidal). Nesse caso, como a troca de

polaridade é quase instantânea, o uso de alta frequência para manter o arco pode ser

dispensado. Estas fontes permitem ainda ajustar a relação entre os tempos de cada polaridade

da corrente, permitindo, assim, otimizar a ação de limpeza do arco e minimizar o desgaste do

eletrodo.

Os gases de proteção usuais são argônio, hélio ou misturas de ambos. Maiores teores

de hélio permitem uma melhor fusão do metal base mas causam uma redução da estabilidade

do processo e da remoção de óxido da superfície da junta.

Tecnologia Mecânica: Metalurgia da Soldagem e Soldabilidade dos Materiais 105

Page 106: Apostila de Tecnologia Mecânica

O processo GMAW é mais usado para juntas de maior espessuras, apresentando

velocidade de soldagem muito superior ao processo GTAW. O modo de transferência mais

usado é o spray, sendo a soldagem com curto circuito difícil ou impossível pois a baixa

resistividade elétrica do arame de alumínio tende a tornar o processo difícil de ser controlado.

Em função da baixa resistência mecânica dos arames de alumínio, o correto ajuste do sistema

de alimentação de arame é fundamental para se evitar problemas (dobramento do arame na

entrada do conduíte e consequente interrupção de sua alimentação), particularmente, na

soldagem de arames de menor diâmetro.

Outros processos usados na soldagem do alumínio são a soldagem com eletrodos

revestidos (SMAW), o plasma (PAW), soldagem a gás (OAW) e os processos de soldagem

por resistência. Os processos de soldagem com feixe de elétrons e laser são também

utilizados, mas, ainda, em pequena escala.

6.2.2. Cobre e suas Ligas

Cobre e ligas de cobre são amplamente utilizados na indústria elétrica (devido a sua

baixa resistividade), em aplicações onde a resistência à corrosão de algumas destas ligas é

importante, na fabricação de mancais, etc. Existem algumas centenas de ligas de cobre com

elementos como zinco, níquel, estanho, alumínio, manganês, fósforo, berílio, cromo, ferro e

chumbo. Os principais grupos de ligas de cobre são:

Cobre comercialmente puro (>99,3%Cu);

Cobre ligado (<5% de elementos de liga);

Ligas Cu-Zn (latão);

Ligas Cu-Sn (bronze);

Ligas Cu-Al (bronze aluminoso);

Ligas Cu-Si (bronze silicoso);

Ligas Cu-Ni; e

Ligas Cu-Ni-Zn.

Novamente, a discussão aqui apresentada terá um caráter mais geral, voltada

principalmente para o cobre comercialmente puro, sem entrar em detalhes da soldagem de

ligas específicas.

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As propriedades do cobre que requerem atenção especial para soldagem são:

1. Elevada condutividade térmica.

2. Elevado coeficiente de expansão térmica.

3. Tendência a se tornar frágil a altas temperaturas.

4. Ponto de fusão relativamente baixo.

5. Baixa viscosidade do metal fundido.

6. Elevada condutividade elétrica.

7. Resistência mecânica, para várias ligas, baseada principalmente no encruamento.

Cobre é o metal de uso comercial de condutividade térmica mais elevada necessitando,

para controle da fusão na sua soldagem, de pré-aquecimentos ainda maiores que o alumínio.

Por exemplo, para a soldagem de uma junta de 12 mm de espessura, recomenda-se um pré-

aquecimento de cerca de 400ºC para a soldagem GMAW com argônio.

O coeficiente de expansão térmica do cobre é cerca de 50% maior que o do aço,

podendo ser ainda maior para algumas ligas de cobre, existindo, assim, um grande potencial

para problemas de distorção com o cobre.

O cobre e muitas de suas ligas são basicamente monofásicas, com estrutura cristalina

CFC. Diversas destas ligas podem perder a sua dutilidade a alta temperatura e, ainda, sofrer

problemas de fissuração a quente. Elementos de liga como arsênico, bismuto, estanho, selênio

e chumbo tendem a favorecer esta forma de fissuração. Na soldagem de cobre

comercialmente puro não desoxidado, a absorção de hidrogênio pela poça de fusão pode levar

à reação deste gás com inclusões de óxido de cobre, com a formação de água, a qual leva à

formação de trincas na ZTA destes materiais.

Ligas de cobre e zinco não devem ser soldadas a arco pois a elevada temperatura deste

pode levar à vaporização de parte do zinco na poça de fusão.

Os processos mais usados para a soldagem do cobre e suas ligas são GTAW e

GMAW. Soldagem GTAW é normalmente feita com corrente contínua e eletrodo negativo e

proteção de argônio, hélio ou misturas destes dois gases. Para ligas de cobre e alumínio, pode

ser necessário o uso de corrente alternada para a limpeza superficial. O processo GMAW é

usado para a soldagem de peças de maior espessura.

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Page 108: Apostila de Tecnologia Mecânica

6.3. Exercícios Propostos

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 - FBTS, “Inspetor de Soldagem”, Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem, vol. 1,

fascículo 1, Norma PETROBRÁS N-1737, Rio de Janeiro, 1983.

2 - BRANDI, S. Et alii (Coordenação). “Soldagem - Processos e Metalurgia”, Editora Edgard

Blücher Ltda, São Paulo, 1992, 494 p.

3 – LACERDA, José Carlos & FONSECA, Marcelo Alves. “Apostila Tecnologia de Soldagem”,

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (Campus do Vale do Aço), Cel.

Fabriciano, Vol. 1, 62 p.

4 – CARVALHO, Messias José de, “Manual Prático de Soldagem de Aço Inox”, ACESITA

S.A., São Paulo, 1999, 65 p.

5 – BUSSINGER, E. R. "Soldagem dos Aços Inoxidáveis", Petróleo Brasileiro (PETROBRÁS),

SEPES-DIVEN, Rio de Janeiro, 1978, 105 p.

6 – MODENESI, P. "Apostila sobre Soldagem dos Aços Inoxidáveis", Fundação Christiano

Ottone, UFMG, Belo Horizonte, 1995, 48 p.

7 – MARQUES, P. V. "Tecnologia da Soldagem", ESAB/UFMG, Belo Horizonte, 1991, 352 p.

8 – SENAI/RJ "Curso de Especialização para Engenheiros na Área de Soldagem: Soldagem por

Resistência", 1a fase, Rio de Janeiro, 1992, 18 p. il.

9 – SENAI/RJ "Processos e Equipamentos de Soldagem: Processo de Soldagem por Resistência

Elétrica", 1a fase. Rio de Janeiro, 1990, 8 p. il. (Especialização para Engenheiros na Área

de Soldagem)

10 – SANDVIK AB "Pressure Welding: Resistance Welding", Goteborg/Sweden, 1977. Page

72-87 (Sandvik Welding Handbook)

11 – MODENESI, P. J. "Introdução à Física do Arco Elétrico" (apostila), UFMG, Belo

Horizonte, 2001, 53 p.

12 – MODENESI, P. J. "Soldagem de Ligas Metálicas" (apostila), UFMG, Belo Horizonte,

2001.

13 – MODENESI, P. J. "Soldagem de Aços Transformáveis" (apostila), UFMG, Belo

Horizonte, 2004.

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