Aspectos de Metalurgia da Soldagem do Alumínio e Suas Ligas

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

CENTRO TECNOLÓGICO

EMC 6601 – Estudo Dirigido

Aspectos de Metalurgia da Soldagem do

Alumínio e Suas Ligas

Autor: Sérgio Rodrigues Barra

Professor orientador: Augusto José de A. Buschinelli, Dr. -Ing.

Florianópolis - SC Junho/2003

Estudo do alumínio e suas ligas ____________________________________________

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ÍNDICE

Página 1. Introdução 02

2. Histórico 02

3. Ocorrência 03

4. Aplicações do alumínio e características químicas 05

5. Propriedades 07

6. Impactos à saúde 08

7. Elementos de liga e seus efeitos sobre o alumínio 08

8. Mecanismos de corrosão possíveis no alumínio 11

8.1 Corrosão galvânica 11

8.2 Corrosão por ponto (pite ) 12

8.3 Corrosão intergranular 12

8.4 Corrosão por exfoliação 13

8.5 Corrosão sob tensão 13

9. Trincas de solidificação 14

9.1 Trincas a quente 14

9.2 Trincas de liquação 17

10. Sistema de classificação do alumínio e suas ligas 19

10.1 Ligas trabalháveis 19

10.2 Ligas fundidas 22

11. Características e aplicações das ligas trabalháveis 23

12. Aspectos da soldabilidade do alumínio e suas ligas 36

12.1 Processo de soldagem 36

12.2 Metal de adição 36

12.3 Seleção do metal de adição 38

12.4 Gás de proteção 38

12.5 Aspectos da soldagem do alumínio e suas ligas 39

12.6 Cuidados na soldagem do alumínio 42

12.7 Efeito do calor aportado e do comprimento de arco sobre o

metal de solda 44

12.8 Defeitos e técnicas corretivas 44

13. Bibliografia 47


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1. Introdução

O alumínio, em função da apropriada combinação entre suas propriedades

físicas (relação resistência mecânica x peso) e químicas (passividade), vem se

caracterizando como um potencial substituto do aço e outras ligas metálicas, em

algumas aplicações indústrias. Além disso, devido sua baixa densidade o

alumínio é classificado como um metal leve e freqüentemente tem sua aplicação

onde o peso final do componente mecânico ou da estrutura é um fator importante

no projeto. Este trabalho, portanto, se deterá no estudo das características do

alumínio e suas ligas visando relacionar as propriedades apresentadas por estas

ligas com as características de soldabilidade.

2. Histórico

O alumínio é o mais abundante elemento metálico presente na crosta

terrestre (cerca de 8,13%) e, após o oxigênio e o silício, o mais profuso de todos

os elementos químico nesta região. Devido a sua forte afinidade com o oxigênio,

o alumínio não é encontrado no seu estado elementar, mas apenas na forma

combinada como óxidos ou silicatos.

O nome do metal alumínio (Al ), abreviado inicialmente por alum, deriva do

latim alumen (pedra mineral de natureza salina). Em 1761, L. B. de Morveau

propôs o nome alumina para a base em alumínio, óxido. Lavoisier, em 1787,

identifica este óxido como sendo de um metal ainda não conhecido. Em 1807, Sir

Humphrey Davy propõe finalmente o nome alumínio. A denominação “alumínio”

(aluminium) foi adotada, também, para entrar em conformidade com o sufixo

“ium”, comum na terminação do nome de outros elementos químicos.

Hans Christian Oested, em 1825, foi o primeiro pesquisador a obter o

alumínio metálico. Ele conseguiu isolar o alumínio empregando o aquecimento de

cloreto de alumínio conjuntamente com uma liga de potássio e mercúrio

(amálgama), com a posterior destilação do mercúrio. Frederick Wöhler, entre

1827 e 1845, aperfeiçoou o processo substituindo a amálgama e melhorando o

processo de desidratação do alumínio. Em 1854, próximo a Paris, Henri Saint-

Claire Deville substituindo o potássio pelo sódio e, através da utilização de sódio,

alumínio e cloreto no lugar de cloreto de alumínio, produz a primeira quantidade

de alumínio em escala comercial. Várias plantas utilizando este processo foram


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instaladas, porém devido ao advento do processo eletrolítico em 1866, foram em

pouco tempo desativadas.

O surgimento do processo eletrolítico tem como data inicial a tentativa sem

sucesso de Sir Humphrey Davy, em 1807, de se obter o alumínio por meio de

eletrólise de uma mistura de alumina e potássio. Por último, vem a tentativa de

Robert Wilhelm Von Busen e Saint-Claire Deville, em 1854, de extrair o alumínio

por meio da eletrólise do fundido sódio, alumínio e cloreto, contudo este processo

não teve êxito pela falta de uma fonte econômica de geração de energia elétrica.

Dois eventos ocorridos em 1886 mudaram a história da produção, em

escala industrial, do alumínio. O primeiro fato marcante foi o invento do gerador

de eletricidade por Gramme, que abriu o caminho para o desenvolvimento de

modernos processos de redução do Al por meio de eletrólise. O segundo fato

marcante foi o desenvolvimento e a patente do processo no qual o alumínio é

obtido através da redução da alumina (2 a 8%) dissolvida em um banho contendo

de 80 a 90% de criolita (Na2AlF6), com decomposição através de eletrólise, sob

uma temperatura aproximada de 1000 0C. O curioso é que este processo de

redução foi idealizado e patenteado quase que simultaneamente em países

diferentes por Charles Martin Hall (USA) e Paul L. T. Héroult (França), ambos com

22 anos de idade. Este processo de redução, hoje conhecido como processo Hall-

Héroult, tem o domínio total na produção em escala industrial do alumínio.

3. Ocorrência

A maior parte do alumínio produzido comercialmente é extraída da bauxita.

Outra fonte de matéria prima, em menor escala, para a extração do alumínio é a

nefelina, que é um silicato natural de alumínio, sódio e potássio.

O termo bauxita, que é genérico, deriva do nome de um lugarejo no sul da

França chamado de Les Bauxs, onde o minério foi descoberto em 1821. A bauxita

refere-se a uma mistura de um ou mais minerais ricos em óxidos hidratados e é

formada principalmente por rochas aluminosas como a nefelina, feldspato,

serpentina, argila, etc.

Sob condições climáticas favoráveis, como nas regiões tropicais e

subtropicais, o silicato é decomposto e o produto da decomposição (sílica, soda,

brometo de cal, potassa, etc.) é lixiviado, restando um resíduo enriquecido em

alumina, óxido de ferro, óxido de titânio e alguma sílica. Esta é a explicação dos


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grandes depósitos de bauxita estarem localizados próximos à superfície (crosta),

nas regiões de clima mais intenso.

A bauxita possui uma concentração de 40 a 80% de alumina, na forma de

gibbsita tri-hidratada ou como boemita e diaspório mono-hidratados. A boemita

prevalece na bauxita encontrada no cinturão ao longo do norte do mediterrâneo

(da Espanha até a Grécia) e os maiores depósitos de gibbsita estão localizados

em regiões tropicais como o norte da Austrália, Guiana a Brasil.

Segundo a Associação do Alumínio (The Aluminum Association), a

produção mundial de alumínio primário no ano de 2000 foi de 3.700.000 toneladas

e tendo uma perspectiva de produção para 2015 de 11.500.000 toneladas. Além

disso, atualmente entorno de 55% do alumínio produzido decorre do processo de

reciclagem. Neste caso, a energia necessária neste processo é de 5% do valor

gasto na produção do alumínio primário a partir da bauxita.

No ano de 1991 a produção mundial de alumínio teve como características:

♦ Taxa de crescimento anual → 2%;

♦ Produção → USA (22,8%), Comunidade Européia (12,5%), restante

da Europa (21%), Ásia (11,6%), Canadá (10,1%), América do Sul

(9,9%), Oceania (8,5%) e África (3,4%).

Em termos de Brasil, a produção de alumínio primário concentra-se nas

regiões norte (Albras e Alunorte, no Pará) e nordeste (Alumar, no Maranhão). O

fato dos grandes produtores de alumínio primário estarem localizados nestas

regiões deve-se a problemas técnicos (proximidade com as reservas de bauxita e

disponibilidade de energia elétrica – hidroelétrica de Tucuruí) e políticos (impactos

ambientais).

O total de bauxita utilizada para produção de alumina pela Alunorte chega

a um montante de 11.000.000 toneladas/ano, totalmente composta por gibbsita,

oriundas do rio Trombetas no Pará.

A Albras apresenta uma perspectiva de produção anual de 380.000

toneladas já em 2001 e de 405.000 toneladas para o ano de 2002. Pelo fato do

alumínio se caracterizar como um eletrointensivo, faz-se necessário a

disponibilidade de uma grande quantidade de energia elétrica para suprir o

processo extração do alumínio a partir da alumina, isto é, para se produzir um

quilo de alumínio primário é necessário que se disponibilize 15 kWh-1 de energia


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elétrica. As células de redução da alumina operam sob uma corrente elétrica entre

100000 e 200000 A e tensão na ordem de 5 V. Em termos de números a Albras

consome cerca de 620 MW dos 1500 MW gerados no estado do Pará, o que

equivale a um consumo maior do que uma cidade com 1.600.000 habitantes (na

ordem de 400 MW).

4. Aplicações do alumínio e características química s

Em termos de composição química o alumínio apresenta a máxima

solubilidade ao átomo de hidrogênio quando na forma líquida e uma baixíssima

solubilidade deste elemento no ponto de solidificação. Esta característica faz com

que o hidrogênio dissolvido no metal líquido tenda a escapar durante o processo

de solidificação. Contudo, devido à velocidade de solidificação presente na

soldagem, o hidrogênio tende a ficar aprisionado na forma de porosidade.

O que torna atraente a utilização do alumínio em muitas aplicações é o fato

do metal ser atacado pelo O2, ataque normalmente prejudicial a outros metais

como o ferro e sódio, que provoca a formação quase instantânea de uma película

de óxido (alumina – Al2O3, com ponto de fusão na ordem de 2050 0C). A rapidez

com que esta camada de óxido é formada sobre a superfície do substrato, com

espessura na ordem de 0,050 a 0,100 µm e formada entorno de 15 s, torna este

metal “passivo” e, por tanto, ideal para um leque de aplicações em ambientes

sujeito a ataque químico e oxidação. Algumas características apresentadas pela

camada de óxido são:

♦ Uma vez formada, a camada tende a prevenir futuras oxidações do

substrato (perda de massa). Contudo, a espessura desta camada

deve ser aumentada em ambientes sujeitos a elevada oxidação e

abrasão;

♦ Elevada tenacidade que proporciona uma boa aderência ao metal de

base, diferentemente do óxido de ferro que tende a se desprender

da superfície;

♦ A alumina está entre os materiais com maior dureza conhecida;

♦ O óxido é relativamente estável e quimicamente inerte. Como regra,

o óxido é estável entre um pH de 14,5 a 8,5, porém é dissolvido por

diversos ácidos e alcalinos. Além disso, mesmo a camada sendo


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resistente ao ácido nítrico concentrado (pH1) e ao hidróxido de

amônia (pH13), ocorrerá o ataque da camada por determinados

produtos químicos, mesmo sob um pH neutro;

♦ A camada é transparente e não encobre a aparência do substrato;

♦ A camada, excetuando-se à resistência a corrosão e à oxidação, não

influencia nas demais propriedades da liga;

♦ A camada de óxido, por apresentar uma aparência porosa, pode

servir de ponto de ancoramento para óleo, graxa e/ou outras

sujeiras.

Devido a sua alta condutividade elétrica (65% da condutividade do cobre),

ductilidade e baixa densidade (33% da densidade aço), o alumínio vem sendo

freqüentemente utilizado na substituição do cobre e do aço, como linha de

transmissão elétrica e do aço em algumas aplicações estruturais. Este metal,

também, é utilizado no revestimento de lentes telescópicas, como também na

produção da película que reveste as embalagens de alimentos. Na forma pura o

alumínio apresenta baixa resistência mecânica (≈ 70 MPa), sendo por isso ligado

com alguns metais como o cobre, o manganês, o silício, o magnésio e o zinco,

como forma de elevar esta propriedade. A adição de elemento de liga ao alumínio

permite variar as suas propriedades mecânicas numa grande faixa. As ligas de

alumínio são utilizadas em construção, estrutura de aeronaves e automóveis,

dissipadores de calor, tanques de armazenamento, utensílios de cozinha, etc.


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5. Propriedades

A tabela 1 resume algumas propriedades específicas do alumínio.

Tabela 1 – Propriedades do alumínio.

Propriedade/característica Considerações

Temperatura de fusão O alumínio e suas ligas apresentam uma baixa temperatura de fusão (na ordem de

660 0C) em relação a outros metais e sua ligas (aço – 1530 0C e cobre – 1080 0C).

Calor específico 940 J.kg-1.0C-1, que corresponde quase o dobro do valor do aço (496 J.kg-1.0C-1).

Arranjo cristalino A temperatura ambiente o alumínio apresenta arranjo CFC

Número, raio e peso atômico

O alumínio apresenta o 13 com número atômico, 0,143 nm como raio atômico e

26,98 amu como peso atômico.

Densidade

A baixa densidade do alumínio e de suas ligas (na ordem de 2700 kg/m3) é uma das

explicações para a grande utilização do alumínio em relações a outros metais. A

densidade do alumínio corresponde à cerca de um terço do valor da densidade do

aço e a 30% da densidade do cobre. A ótima relação resistência por densidade torna

as ligas de alumínio ainda mais atraentes.

Condutividade elétrica e térmica

O alumínio é um bom condutor de calor e eletricidade. Apresenta condutividade

elétrica de 65% do padrão internacional do cobre (%IACS) e térmica de 222

W/(m.0C), que corresponde a 56% da condutividade térmica do cobre. Além disso,

analisando-se a relação massa x condutividade, o Al é melhor condutor que o Cu.

Ductilidade

O alumínio apresenta uma excelente ductilidade (E = 69x103 MPa). Comparado com

o aço (E = 200x103 MPa), sob a mesma carga, o alumínio apresenta deformação

elástica três vezes maior. Contudo, esta propriedade do alumínio puro não é

significativamente melhorada pela adição de elementos de liga. Uma composição

química inadequada poderá reduzir drasticamente o valor desta propriedade.

Resistência mecânica

O desenvolvimento de novas ligas de alumínio vem possibilitando sua utilização, com

vantagens, em aplicações antes dominadas pelo aço. A variação na resistência

mecânica apresentada por uma determinada lida de alumínio dependerá da

combinação entre a composição química (percentagem dos elementos de liga

presentes), do grau de deformação e do tratamento térmico. A menor resistência está

na série 1XXX (70 MPa) e a maior resistência apresentada está na série 2XXX (296

MPa). Em alguns casos podendo chegar a 600 MPa na série 7XXX (próximo da

resistência do aço). A resistência mecânica do alumínio é substancialmente reduzida

quando sua temperatura excede o patamar de 200 0C.

Dureza

A dureza apresentada por uma determinada liga de alumínio dependerá da sua

composição química e/ou do tratamento térmico aplicado. A dureza varia de 19

Brinell (liga 1060-O) a 145 Brinell (liga 7079-T6).

Difusividade térmica ( ααααt) e

condutividade térmica (c t)

ααααt = 8,5 – 10 x10-5 m2.s-1

c t = 222 W.m-1.0C-1 (a 25 0C). Este valor é 4,8 vezes maior que o apresentado pelo

aço.

Refletividade

Normalmente, o alumínio reflete 80% da luz branca e este valor pode ser melhorado

pela preparação adequada da superfície (acabamento).

Utilização

O alumínio na sua forma pura (acima de 99% Al) é utilizado na fabricação de

condutores, equipamentos químicos e chapas. As ligas de alumínio, por sua vez, são

mais largamente utilizadas e tem aplicação especialmente onde a resistência

mecânica é o principal fator.


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6. Impactos à saúde

O alumínio é inerte ao organismo humano. Alguns estudos, contudo,

relatam que problemas pulmonares e fibrose foram observados em cobaias

expostas a prolongada inalação de elevada concentração de partículas de

alumínio. Em contraste com o cobre e outros metais, o alumínio não acelera a

perda de vitaminas nos alimentos. A quantidade de alumínio absorvido pelo

alimento preparado em utensílio de alumínio é insignificante.

O fato de que composto de alumínio vem sendo utilizado a um bom tempo

no tratamento de úlceras e acidez gástrica, sem algum efeito adverso aparente,

mostra que a intoxicação oral do alumínio é desprezível.

7. Elementos de liga e seus efeitos sobre o alumíni o

O alumínio pode ser ligado com diversos elementos de liga, subdivididos

em elementos primários ou secundários, visando o melhoramento da resistência

mecânica, da resistência à corrosão e/ou da soldabilidade. Os elementos de liga

primários adicionados ao alumínio são o cobre, o silício, o manganês, o magnésio

e o zinco. Por sua vez, os elementos secundários como o cromo, zircônio,

vanádio, ferro, bismuto, níquel e titânio, adicionados em pequenas quantidades à

liga, terão a função de refinamento de grão ou de desenvolvimento de uma

propriedade especial.

A tabela 2 ilustra a máxima solubilidade dos principais elementos

adicionados ao alumínio e as suas respectivas temperaturas. Estes valores são

para sistemas binários, e a presença de outros elementos à liga irá normalmente

afetar estes valores. Adições maiores que a máxima solubilidade são

normalmente executadas, principalmente no caso do silício, o que resulta na

presença de precipitação de partículas na solução sólida.

A presença de segunda fase dependerá dos teores de cada um dos

elementos químicos adicionados à liga, melhor dizendo, caso o teor de um

determinado elemento ultrapasse o seu limite de solubilidade na matriz irá ocorrer

a precipitação de segunda fase. Esta segunda fase e composta por constituintes

microestruturais que consistem basicamente de puro elemento químico ou da

formação de uma fase intermetálica.


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Tabela 2 – Máxima solubilidade no estado sólido dos principais elementos de liga adicionados ao alumínio.

Máxima solubilidade

Elemento % em peso % em átomos Temperatura (0C)

Cu 5,65 2,40 548

Mg 17,40 18,50 450

Mn 1,82 0,90 658

Si 1,60 1,60 577

Zn 82,80 66,40 382

Fe 0,05 0,025 655

Cr 0,77 0,40 661

Li 4,20 16,30 600

Mg2Si 1,80 1,90 595

MgZn2 16,90 9,60 475

Nota: (1) A solubilidade, em peso, no estado sólido (20 0C) é estimada para ser de 2% para o Mg e o Zn, 0,1 a 0,2% para o Ge, Li e Ag e abaixo de 0,1% para todos os outros elementos. (2) A máxima solubilidade para todos elementos ocorre na

temperatura eutética. Contudo, Cr, Ti, V, Zn e Zr, apresentam máxima solubilidade na temperatura peritética.

Sob condições de equilíbrio, muito dos elementos irão precipitar e ficar

dispersos na matriz de alumínio (microestrutura) o que irá aumentar a resistência

mecânica pelo efeito de endurecimento por deformação. Contudo, nem todas as

ligas formadas pela adição destes elementos à matriz responderão a um

tratamento térmico e, desta forma, será necessária a conformação da liga

(deformação adicional) para se elevar a resistência mecânica a um desejado

patamar.

Levando em consideração que as ligas sejam binárias, as pequenas

adições de outros elementos de liga, tais como o níquel, o cromo, o ferro, etc.,

terão a função de desenvolver propriedades especiais às ligas.

Abaixo é apresentado um resumo dos efeitos dos principais elementos de

liga adicionados ao alumínio, como:

♦ Manganês → apresenta limitada solubilidade na matriz de alumínio e,

sob concentração na ordem de 1% em peso, forma a série 3XXX das

ligas trabalháveis e não-tratáveis termicamente. Este elemento é

também largamente empregado como elemento suplementar tanto nas

ligas tratáveis quanto nas ligas não-tratáveis termicamente, como forma

de melhorar substancialmente a resistência mecânica e aliar a


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excelente ductilidade e resistência à corrosão. Em função da sua baixa

solubilidade na matriz o Mn forma predominantemente segunda fase;

♦ Cobre → é o mais importante elemento de liga do alumínio. Sua

apreciável solubilidade na matriz, com substancial efeito no aumento da

resistência mecânica, através da característica de endurecimento por

envelhecimento, é ímpar para o alumínio. Algumas ligas apresentam o

cobre como principal elemento de liga (séries 2XXX e 2XX.X) ou

constituindo-se como um dos principais elementos, em concentrações

que variam de 1 a 10% em peso;

♦ Silício → possui a característica de baixar o ponto de fusão e aumentar

a fluidez da liga. Um moderado aumento da resistência mecânica é

obtido com a adição deste elemento. Seu excesso na matriz tende a

formar segunda fase;

♦ Magnésio → produz substancial aumento na resistência mecânica e

melhora a característica de endurecimento por deformação do alumínio.

Este elemento apresenta uma relativa solubilidade na matriz de

alumínio, porém as ligas Al-Mg contendo menos de 7% em peso de Mg

não apresentam apreciável característica ao tratamento térmico. O

magnésio também é adicionado em combinação com outros elementos

de liga, principalmente com o cobre e o zinco, para elevar

sensivelmente a resistência mecânica, mantendo-se uma boa

resistência à corrosão;

♦ Zinco → é utilizado em ligas fundidas e, em combinação com o

magnésio, nas ligas trabalháveis, é empregado para produzir ligas

tratáveis termicamente, com a mais elevada resistência mecânica entre

as ligas de alumínio;

♦ Cobre e silício → combinação utilizada normalmente na série 3XX.X das

ligas fundidas. Boas características e propriedades são obtidas tanto

nas ligas tratáveis como nas ligas não-tratáveis termicamente;

♦ Magnésio e silício → são adicionados em proporções equivalentes para

forma Mg-Si, que se constitui como uma das bases para o processo de

endurecimento por envelhecimento nas ligas trabalháveis e nas ligas

fundidas;


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♦ Estanho → melhora as características antifricção do alumínio e das

ligas Al-Sn utilizadas em mancais de deslizamento;

♦ Cromo → sua presença em combinação com o Mg forma

predominantemente segunda fase (Al12Mg2Cr).

8. Mecanismos de corrosão possíveis no alumínio e s uas ligas

8.1 Corrosão galvânica

O alumínio quando em contato com um metal dissimilar e, na presença de

um eletrólito, tende a ser corroído mais rapidamente do que se estivesse exposto

isoladamente no mesmo ambiente. A tendência de um metal causar corrosão

galvânica em outro é expressa por uma “série galvânica”, que dependerá das

condições do ambiente. Nesta série, para condições marinhas, o metal anódico é

usualmente atacado pelo contato com um metal mais catódico. Alguns exemplos

do efeito do contato de alguns metais com o alumínio são representados na

tabela 3.

Tabela 3 – Efeito galvânico de alguns elementos sobre o alumínio. Potencial em relação ao

alumínio Elemento Efeito

Magnésio

Zinco

Protegem o alumínio.

Alumínio

Cádmio

Cromo

Neutros em relação ao alumínio.

Ferro e aço Efeito reduzido sobre o alumínio exceto em ambiente marinho.

Chumbo Seguro exceto para ambiente marinho e atmosfera industrial.

Cobre

Níquel

Tendem a corroer o alumínio.

Mais anódico

Mais catódico Aço inoxidável Seguro em muitas atmosferas e água doce. Tende a

corroer o alumínio em ambiente marinho severo.

Desde que a corrosão galvânica é similar ao funcionamento de uma pilha

e, por tanto, depende do fluxo de corrente elétrica na interface da união, vários

fatores determinarão a severidade do ataque. Os fatores determinantes são:

♦ Condutividade eletrolítica → um aumento na condutividade elétrica

provocará uma elevação no efeito corrosivo;


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♦ Polarização → algumas junções apresentando elevada polarização

reduzem apreciavelmente o fluxo de corrente. Por exemplo, o aço

inoxidável é mais catódico que o Al, porém devido a polarização esta

junção pode ser empregada em diversos ambientes;

♦ Relação de área entre o ânodo e o cátodo (ânodo/cátodo) → uma alta

relação minimiza o ataque galvânico e, em contra partida, uma baixa

relação de área tornará o ataque mais severo.

8.2 Corrosão por ponto ( pite)

Pite é o principal mecanismo de ataque corrosivo ao alumínio. Os pontos

de corrosão formam-se em descontinuidades localizadas na película de óxido

exposta à atmosfera, água do mar e/ou outros eletrólitos neutros. Desde que, em

fortes ácidos ou soluções alcalinas, o filme óxido é geralmente instável, a

corrosão por pite ocorrerá quando o pH estiver na faixa de 14,5 a 9,0. Os pontos

de corrosão podem ser pequenos e concentrados ou podem variar no tamanho e

na sua dispersão sobre a superfície, dependendo da composição da liga,

qualidade do filme de óxido e do ambiente corrosivo.

A resistência do alumínio ao mecanismo de corrosão por pite dependerá

significativamente das impurezas presentes. A presença de outros elementos de

liga ao alumínio (como o cobre e o ferro, por exemplo), excetuando-se o Mn, o Mg

e o Zn, aumenta sua susceptibilidade a esta forma de corrosão.

8.3 Corrosão intergranular

Esta forma de corrosão caracteriza-se por um ataque seletivo ao longo dos

contornos de grão do alumínio, sem um apreciável ataque aos grãos

propriamente ditos. O mecanismo atuante é eletro-mecânico e depende da

presença local de sítios preferenciais nos contornos dos grãos, geralmente

precipitação de segunda fase. As ligas de alumínio que não apresentam este tipo

de precipitação, ou onde esta precipitação tem potencial equivalente ao da matriz,

não são susceptível a esta forma de corrosão.

As ligas 1100, 3003, 3004 e as ligas da série 5XXX com até 3% de Mg são

especialmente resistentes à corrosão intergranular. As ligas desta última série

com mais de 3% de Mg, fabricadas sob condições especiais e utilizadas em alta

temperatura, também apresentam boa resistência ao fenômeno. A


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susceptibilidade das ligas da série 5XXX e aumenta com a elevação do teor de

Mg, com a elevação da temperatura de serviço, com o grau de deformação à frio

e com o tempo de fabricação.

As ligas 6061 e 6063 normalmente apresentam um grau reduzido de

corrosão intergranular quando submetidas a ambientes corrosivos.

Sob condições desfavoráveis de operação a liga 7075 apresenta

susceptibilidade a esta forma de corrosão e seu grau dependerá do tipo de

têmpera utilizada.

A série Al-Cu é a que apresenta a maior susceptibilidade de todas as ligas

de alumínio. Contudo, quando propriamente tratadas termicamente as ligas 2014,

2017 e 2024 apresentam susceptibilidade apenas em ambientes severos, como

atmosfera industrial e ambiente marinho.

8.4 Corrosão por exfoliação

A exfoliação é uma forma de corrosão lamelar produzida ao longo dos

contornos de grãos ou estriamento nos grãos, paralelo a superfície do metal. A

geração deste tipo de corrosão provoca o descolamento de camada através da

expansão da camada de óxido produzida. Exfoliação em materiais susceptíveis

ao fenômeno ocorrerá em diversos ambientes, desenvolvendo-se com maior

velocidade em meio salino.

Estruturas propensas à exfoliação são caracterizadas pela presença de

grão alongados e precipitação nos contornos de grãos.

As ligas Al-Cu, Al-Zn-Mg-Cu e Al-Mg, apresentando um alto teor de Mg,

são as mais susceptíveis à ocorrência de corrosão por exfoliação. Por sua vez, o

grau de susceptibilidade destas ligas ao fenômeno pode ser controlado através de

tratamento metalúrgico especial (têmpera).

8.5 Corrosão sob tensão

A presença de corrosão sob tensão produz uma rápida falha estrutural,

conhecida como trinca gerada por corrosão sob tensão, em algumas ligas

metálicas. Para que o fenômeno ocorra é necessária a presença conjunta de três

fatores, isto é, a susceptibilidade metalúrgica da estrutura (precipitação nos

contornos de grãos), tensão atuante e ambiente corrosivo. Se um destes fatores

for eliminado não haverá a ocorrência de corrosão sob tensão.


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No alumínio, as trincas originadas por corrosão sob tensão apresentam

propagação intergranular. Contudo, nem todas as ligas de alumínio que sofrem

corrosão intergranular são susceptíveis a corrosão sob tensão. A trinca gerada a

partir da corrosão sob tensão é observada nas ligas com alta resistência

mecânica como Al-CU, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Si-Mg (com alto Si) e Al-Mg (<

3% Mg). Puro alumínio e Al-Mn, Al-Si, Al-Mg (> 3% Mg) e Al-Mg-Si (exceto sob

condições anormais de tratamento térmico) não são susceptíveis à ocorrência

deste tipo de trinca.

9. Trincas de solidificação

A tabela 4 apresenta a classificação geral das possíveis trincas geradas em

materiais metálicos.

Tabela 4 – Classificação de trincas propostas pela norma DIN 8524. Tipos de trinca

Trinca a quente (associada com a presença de um filme líquido) - Trinca de solidificação (cratera) - Trinca de liquação Trinca à frio (ocorre com o material totalmente no estado sólido) - Trinca devido à queda de ductilidade - Trinca devido à contração de solidificação - Trinca induzida por hidrogênio - Trinca lamelar

O alumínio e suas ligas se caracterizam pela possibilidade da ocorrência

das trincas de solidificação a quente e/ou de liqüação, em virtude da elevada

expansão térmica do alumínio, grande quantidade de elemento de liga e sua larga

faixa de solidificação (zona pastosa).

9.1 Trincas a quente

9.1.1 Localização

♦ Interna ou externamente ao metal solidificado.

9.1.2 Forma

♦ Irregular (macrotrinca – na ordem de algumas dezenas de mm e

microtrinca – na ordem de alguns décimos de mm);

♦ Bidimensional;


15

♦ Propagação preferencial intergranular perpendicularmente à direção de

contração do metal solidificado.

9.1.3 Mecanismo de formação

As trincas a quente originam-se no estágio final de solidificação, quando a

tensão atingida através dos grãos adjacentes formados excede a resistência do

metal quase solidificado (presença de fase eutética segregada para a região final

de solidificação).

As teorias mostram que o aparecimento desta forma de descontinuidade

deve-se a separação de uma rede sólida (dendrítas) por um contínuo e fino filme

microsegregado (fase pré-fusível formada a partir da presença de S, P, Nb, Mg, Si

e C). A severidade deste tipo de trinca apresenta uma relação direta com a

quantidade de impurezas e a geometria do cordão em solidificação. Para o caso

de trinca na região de rechupe (cratera no cordão de solda) a ocorrência deve-se,

principalmente, ao alto nível de contração devido à alta velocidade de

solidificação.

Para o caso do alumínio e suas ligas a ocorrência de fissuração a quente

dependerá do teor Cu (série 2XXX), Si (série 4XXX), Mg (série 5XXX) e do

composto Mg2Si (série 6XXX), como apresentado na figura 1. As ligas tratáveis

termicamente, pela sua complexidade metalúrgica, são mais propensas ao

surgimento deste tipo de defeito do que as ligas não-tratáveis. A sensibilidade

relativa de cada uma destas séries em função de sua composição química é

resumida na figura 2. Por sua vez, o teor apresentado de um determinado

elemento químico será função da combinação entre o metal de base, metal de

adição e o nível de diluição. A sensibilidade à ocorrência de trincas a quente é

influenciada pela combinação dos fatores metalúrgicos, térmicos e mecânicos.


16

10

0

0

0

02

Série 4XXX Al-Si

Série 2XXX Al-Cu

Série 5XXX Al-Mg

Série 6XXX Al-Mg Si2

Adição de elemento de liga ao Al (%)

Sen

sibi

lidad

e a

trin

ca r

elat

iva

3 5 6 8

Figura 1 – Relação entre o teor de elemento de liga e a susceptibilidade à

fissuração a quente.

Como exemplo, a figura 2 traz a representação esquemática do

mecanismo de formação desta trinca na região central do cordão de solda.

Filme líquido

Tensões devido à contração

Direção de solidificação

Figura 2 – Mecanismo de formação da trinca de solidificação.

9.1.4 Fatores influentes na formação

♦ Metalúrgicos

� Faixa de temperatura entre a linha liquidus e a linha solidus (freezing

ranger ) e presença de fases eutéticas;

� Fase primária de solidificação;

� Tensão superficial no contorno de grão líquido;

� Granulometria da zona fundida.

♦ Mecânicos

� Tensão devido à contração;


17

� Grau de restrição.

♦ Térmico

� Calor aportado.

9.1.5 Influência sobre outras descontinuidades

As trincas de solidificação podem ter efeito de promover (facilitar a

nucleação) de outras descontinuidades como o processo de fadiga, aceleração da

corrosão sob tensão, mecanismo de fratura frágil, etc.

9.1.6 Meios de controle

Existem diversos meios de controle que vão desde a seleção do metal de

solda e o de base (controle metalúrgico) até o uso de condições favoráveis de

soldagem (controle do processo). Na prática já existem disponíveis ábacos e

fórmulas matemáticas empíricas que possibilitam avaliar a tendência que

determinada condição de operação terá ao aparecimento de fissuração a quente.

No âmbito da soldagem, como regra geral, existem seis condições para o

controle do surgimento deste tipo de trinca.

Condições:

♦ Soldas planas como forma de reduzir a deformação térmica;

♦ Controle adequado do aporte de calor objetivando obter relação

penetração/largura na ordem de 1:1;

♦ Evitar utilizar metal de base com alto nível de impurezas que gerem

fases eutéticas;

♦ Promover uma limpeza adequada da região a ser soldada;

♦ Utilizar projeto otimizado das juntas;

♦ Controlar o nível de diluição.

9.2 Trincas de liqüação

9.2.1 Localização

♦ Interna ou externamente próxima a linha de fusão.


18

9.2.2 Forma

♦ Irregular (macrotrinca e microtrinca);

♦ Bidimensional;

♦ Propagação preferencial intergranular perpendicularmente à direção de

contração.

9.2.3 Mecanismo de formação

As trincas de liqüação originam-se na fronteira da linha de fusão devido a

redistribuição de fases de baixo ponto de fusão através dos contornos de grão

parcialmente fundidos. O mecanismo de formação de tensões é similar àquele

presente na trinca a quente. Um ponto importante a ser observado é a diferença

na origem da segregação, no caso da trinca a quente a origem vem da diferença

de solubilidade entre sólido/líquido, e, para o caso da liqüação, deve-se ao

enriquecimento no estado sólido dos contornos de grão. Este tipo de trinca ocorre

principalmente nas ligas de alumínio endurecidas por precipitação, devido a

elevada quantidade de elementos de ligas propiciando a formação de fases

eutéticas.

9.2.4 Fatores influentes na formação da trinca de l iqüação

♦ Metalúrgicos

� Presença de fases eutéticas (composição química);

� Fase primária de solidificação;

� Tensão superficial no contorno de grão líquido;

� Granulometria na zona parcialmente fundida.

♦ Mecânicos

� Tensão devido à contração;

� Grau de restrição.

♦ Térmico

� Aporte de calor.


19

9.2.5 Influência sobre outras descontinuidades

As trincas de liqüação, assim como as trincas a quente, podem ter o efeito

de promover (facilitar a nucleação) outras descontinuidades como o processo de

fadiga, aceleração da corrosão sob tensão, mecanismo de fratura frágil, etc.

9.2.6 Meios de controle

Os meios de controle para o problema das trincas de liqüação podem ser

agrupados em três diferentes categorias:

♦ Controle do calor aportado;

♦ Controle do grau de restrição da região solidificada;

♦ Controle da composição do metal.

10. Sistema de classificação do alumínio e suas lig as

A classificação do alumínio, bem como suas ligas, é baseada no sistema

proposto pela Aluminum Association, Inc. (AA) . Este sistema, denominado de

“The Aluminum Association Alloy and Temper Designation System”, também é

aditado pela ABNT como referência no Brasil, através da norma NBR 6834.

Os principais elementos de liga adicionados ao alumínio são o cobre, o

silício, o magnésio e o zinco. Outros elementos que venham a ser adicionados em

pequenas quantidades à liga terão a função de refinamento de grão ou

desenvolvimento de uma especial propriedade.

A classificação proposta pela AA é subdividida nos grupos das ligas

fundidas e das ligas trabalháveis.

10.1 Ligas trabalháveis

As ligas trabalháveis são aquelas na qual a forma final do produto é obtida

pela transformação de um semi-manufaturado (chapa, vergalhão, perfil, etc.) ou

pela transformação mecânica à frio ou a quente do metal líquido solidificado

(tarugo ou placa).

A classificação das ligas trabalháveis emprega um sistema de quatro

dígitos YX1X2X3. O primeiro dígito “Y” representa o elemento de liga principal e o

grupo da liga. O segundo dígito “X1” representa as variações em relação aos

limites de impurezas ou modificações na liga. O terceiro e o quarto dígito, “X2” e

“X3”, indicam as diferentes liga do grupo ou o teor de pureza para o alumínio.


20

Exemplo de classificação de uma liga trabalhável:

♦ 1080

1 (Y) – Alumínio não ligado;

0 (X1) – Impureza no limite natural ou sem controle especial nos elementos

de ligas presentes;

80 (X2 e X3) – teor de alumínio igual ou superior a 99,80%.

♦ 5183

5 (Y) – Liga de Al-Mg;

1 (X1) – Modificação da liga original;

83 (X2 e X3) – identificação da liga do grupo.

As ligas trabalháveis ainda apresentam uma subdivisão quanto ao

mecanismo de resistência da liga, ou seja, elas subdividem-se em ligas tratáveis

termicamente ou em ligas não-tratáveis termicamente.

As ligas tratáveis termicamente se caracterizam pela variação da

resistência mecânica ser controlada através de tratamento térmico e, em

soldagem, podendo ter suas propriedades regeneradas por tratamento térmico

posterior.

Para o caso das ligas não-tratáveis termicamente o mecanismo de variação

de resistência mecânica é baseado no endurecimento por solução sólida ou

dispersão e melhorada através de endurecimento por deformação à frio

(encruamento).

O estado que o material adquire após ação de trabalho à frio, a quente e/ou

por tratamento térmico, é denominado de “condição metalúrgica” ou “têmpera”. A

nomenclatura utilizada na identificação da “têmpera” emprega letras, que

representam o tipo de têmpera, e números, quando requerido, que indicam as

operações principais que o produto deve sofrer (grau de deformação para as

têmperas do tipo H e tratamento térmico para as têmperas do tipo T). A

especificação básica da têmpera, válida para ligas fundidas e trabalháveis, é

descrita pela seguinte designação LN1N2. Onde: L representa o tipo de tempera e

N1 e N2 representam as operações que o produto deve sofrer.

Exemplo:

♦ 5252-H27


21

H (L) – Encruado;

2 (N1) – Encruado e recozido parcialmente;

7 (N2) – Grau de encruamento.

♦ 6061-T3

T (L) – Tratado termicamente;

3 (N1) – Solubilizado, deformado à frio e envelhecido naturalmente até uma

condição estável.

A tabela 5 apresenta um resumo da classificação utilizada nas ligas

trabalháveis e as tabela 6 e 7 apresentam as subdivisões possíveis nas têmperas

do tipo T e H.

Tabela 5 – Classificação das ligas de alumínio trabalháveis segundo a AA. Designação da AA

(YX1X2X3)

Liga Mecanismo de resistência Têmpera

1XXX

Puro Al (99% ou Mais)

Não-tratáveis termicamente (*)

2XXX

Al-Cu

Tratáveis termicamente (**)

3XXX

Al-Mn


4XXX

Al-Si


5XXX

Al-Mg


6XXX

Al-Mg-Si


7XXX

Al-Zn


8XXX

Al + outros elementos

-

9XXX

Série não utilizada

-

♦ F (como fabricado) Sem controle especial sobre o mecanismo de resistência. ♦ O (recozido) Menor valor de resistência mecânica. ♦ H (encruado) Aumento da resistência mecânica por deformação plástica. ♦ W (solubilizado) Envelhecimento natural em temperatura ambiente após solubilização. ♦ T (tratado termicamente) Possibilidade da variação da resistência mecânica com ou sem encruamento complementar.

(*) Variação de resistência através de encruamento; (**) Variação de resistência através de tratamento térmico.


22

Tabela 6 – Subdivisão da têmpera do tipo T. Subdivisão da têmpera T: Tratáveis termicamente

Primeiro dígito após a letra (N1) indicará

a seqüência específica do tratamento

Segundo dígito após a letra (N2) Dígitos adicionais (N3 e N4)

T1 – Envelhecida naturalmente após resfriamento de uma elevada temperatura, oriunda do processo de fabricação; T2 – Trabalhada à frio após resfriamento e envelhecida naturalmente; T3 – Solubilizada, trabalhada à frio e envelhecida naturalmente; T4 – Solubilizada e envelhecida naturalmente; T5 – Artificialmente envelhecida após resfriamento de uma elevada temperatura; T6 – Solubilizada e envelhecida artificialmente; T7 – Solubilizada e estabilizada (superenvelhecimento); T8 – Solubilizada, trabalhada à frio e envelhecida artificialmente; T9 – Solubilizada, envelhecida artificialmente e trabalhada à frio; T10 – Trabalhada à frio após resfriamento de uma elevada temperatura e envelhecida artificialmente.

Indica variação no tratamento básico

que irá alterar significativamente as

características da liga.

Ex:

T42 ou T62

Quando utilizados indicarão alivio de

tensão.

Ex:

TN151 ou TN1N251 – Alivio de tensão

por estiramento;

TN152 ou TN1N252 – Alívio de tensão

por compressão.

Tabela 7 – Subdivisão da têmpera do tipo H. Subdivisão da têmpera H: Endurecimento por deformação

Primeiro dígito após a letra (N1) Segundo dígito após a letra (N2) Terceiro dígito após a letra (N3)

H1 – Endurecido por deformação

apenas;

H2 – Endurecido por deformação e

parcialmente recozido;

H3 – Endurecido por deformação e

estabilizado.

HN12 – 25% endurecida;

HN14 – 50% endurecida;

HN18 – Totalmente endurecida (75% de

redução/deformação);

HN19 – Extra endurecida.

Quando utilizado indicará variação na

tempera obtida com dois dígitos.

10.2 Ligas fundidas

A designação básica utilizada para as ligas fundidas também utiliza quatro

dígitos de identificação. A diferença está na presença de um ponto (indicação que

o produto está sob a forma de peça ou lingote) separando o terceiro e o quarto

dígito. Este último dígito, após o ponto, indicará a forma do produto. O primeiro

dígito identifica o grupo da liga. Os dois dígitos seguintes caracterizam a liga ou a

pureza do alumínio ou somente as diferentes ligas de um grupo. A tabela 8

apresenta um resumo da classificação das ligas fundidas.


23

Tabela 8 – Classificação das ligas de alumínio fundidas segundo a AA. Designação da AA

(YX1X2.X3)

Liga Identificação do quarto

dígito (X3)

Variações na liga

(A, B ou C)

1XX.X Puro Al (99% ou Mais)

2XX.X Al-Cu

3XX.X Al-Si + Cu e/ou Mg

4XX.X Al-Si

5XX.X Al-Mg

6XX.X Série não utilizada

7XX.X Al-Zn

8XX.X Al-Sn

9XX.X Al + outros elementos

0 - Peça fundida

1 ou 2 – Lingote

Modificações das ligas

originais.

11. Características e aplicações das ligas trabalhá veis

11.1 1XXX – Puro Al

Características:

♦ Endurecida por deformação (não-tratável termicamente);

♦ Fe e Si como principais impurezas;

♦ Alta resistência à corrosão e condutividade elétrica, fácil conformação e

excelente acabamento superficial e soldabilidade;

♦ Utilização na indústria alimentícia, elétrica e química;

♦ Fácil soldabilidade (arco elétrico) e brasabilidade. Contudo,

apresentando dificuldade na soldagem por ponto. Os consumíveis

aconselháveis são: ER1100 e ER 4043;

♦ Faixa de temperatura de fusão → 642 – 656 0C;

♦ Principais representantes → 1100, 1060 e 1350;

♦ Faixa típica de resistência mecânica → 10 a 27 kpsi.

A série 1xxx representa o puro alumínio comercial, com variação de pureza

mínima de 99% de Al para a liga 1100, 99,50% para as ligas 1050 e 1350 e

99,75% para a liga 1175, por exemplo. As impurezas presentes nesta liga

reduzem sua condutividade elétrica.

Esta série apresenta sua resistência baseada no endurecimento por

deformação, não sendo indicada para o uso onde a resistência mecânica é a

primeira consideração. Seu uso é recomendado para condições onde a


24

resistência à corrosão, a facilidade de conformação e/ou a condutividade elétrica

são os fatores principais. Alguns exemplos de aplicações desta liga são a

utilização na confecção de embalagens de medicamentos (figura 2a) e alimentos

(figura 2b), tanques, condutores elétricos, etc.

(a) Liga 1100

(b) Liga 1100 ou 1060

Figura 3 – Exemplos de aplicação para a série 1XXX.

11.2 2XXX – Liga Al-Cu

Características:

♦ Tratável termicamente;

♦ Alta resistência à temperatura ambiente e em elevada temperatura;

♦ Aplicação em condições de alta temperatura, aviação e transporte;

♦ Facilidade na soldagem por pontos. Contudo, apresentando dificuldade

na brasagem e na soldagem ao arco elétrico devido susceptibilidade à

fissuração a quente. Os eletrodos recomendados são: ER4043 e

ER4145;


♦ Principais representantes → 2014, 2017, 2024, 2219 e 2115;


Esta série de liga é tratável termicamente e possui boa combinação de

elevada resistência mecânica (especialmente em elevada temperatura),

tenacidade e soldabilidade. As aplicações típicas desta série estão na indústria

aeronáutica, de transporte (confecção de chassis) e na confecção de parafusos e

rebites. Ligas específicas desta série como a 2219 e a 2048, pela facilidade de


25

soldagem, são utilizadas em aplicações aeroespacial, onde este método de união

é preferido.

A liga 2195 (Al-Li), desenvolvida para utilização espacial, possui alto

módulo de elasticidade acompanhado de elevada resistência mecânica e boa

soldabilidade. Esta e outras ligas da série com elevadas tenacidades (2124, 2324

e 2419), também desenvolvidas para a indústria aeroespacial, necessitam de um

rígido controle de impurezas para evitar a redução da resistência à fratura. A

figura 3 ilustra a aplicação da série 2XXX na indústria de transporte e

aeroespacial.

A adição de Mg na série 2XXX melhora a soldabilidade e propicia uma

elevação na resistência mecânica, porém aumentando a possibilidade do

surgimento de trincas a quente.

Esta série apresenta uma baixa resistência à corrosão e, em função disso,

requer a utilização de proteção superficial (pintura ou revestimento), das áreas

expostas, em ambientes corrosivos. Normalmente aplica-se uma camada

protetora de alumínio puro que torna a liga mais resistente à corrosão marinha e

atmosférica.

(a) Liga 2014

(b) Liga 2219/2195

(c) Liga 2219/2191

Figura 4 – Aplicações típicas da série 2XXX.

11.3 3XXX – Liga Al-Mn

Características:

♦ Endurecida por deformação;

♦ Fácil conformação, resistente à corrosão e média resistência mecânica;


26

♦ Boa soldabilidade ao arco elétrico, por ponto e brasabilidade. Eletrodos

recomendados: ER4043 e ER 5356;


♦ Aplicação em trocadores de calor, embalagens de bebidas e cobertura;


♦ Faixa típica de resistência mecânica → 16 a 41 kpsi

As ligas da série 3XXX apresentam sua resistência mecânica baseada no

mecanismo de endurecimento por deformação e pela fina dispersão de (Mn,

Fe)Al6 ancoradas nos contornos dos grãos e sub-grãos. Esta série possui boa

resistência ao processo corrosivo e fácil união através de soldagem e brasagem.

A liga 3003 é amplamente utilizada em utensílios de cozinha e equipamentos para

a indústria química, por não apresentar reações químicas com produto

armazenado. A liga 3005 tem aplicação na confecção de telhas e revestimentos

laterais. Variações desta série são utilizadas na confecção de tubos e aletas para

trocadores de calor. A liga 3004 e sua modificação (3104) são as mais utilizadas

industrialmente das ligas de alumínio devido sua aplicação na confecção de

recipientes para embalagem de bebidas (latas).

Em face da boa resistência à corrosão característica desta série, esta

apresenta um melhor desempenho ao fenômeno do que a liga 1100 em

aplicações marinha e alimentícia, devido ao reduzido efeito do ferro nesta série.

A figura 5 apresenta algumas aplicações típicas da série 3XXX.

(a) Liga 3002

(b) Liga 3003

(c) Liga 3004/3104

Figura 5 – Aplicações da série 3XXX na confecção de trocadores de calor (a) e (b) e embalagens para bebidas (c).


27

11.4 4XXX – Liga Al-Si

Características:

♦ Não-tratável termicamente;

♦ Reduzido ponto de fusão, boa fluidez (molhabilidade) e média

resistência mecânica;

♦ Aplicação na confecção de pistões, fabricação de eletrodos e no

forjamento de formas complexas;

♦ Principais representantes → 4047, 4032 e metal de adição ER4043;


As ligas mais utilizadas desta série são a 4032 e a 4043. A primeira se

caracteriza por apresentar média resistência mecânica e tem seu uso voltado

principalmente na confecção de forjados tais como pistões para a indústria

aeronáutica. A liga 4043 é utilizada em aplicações estruturais e automotivas e,

principalmente, na confecção de metal de adição para a soldagem da série 6XXX,

na soldagem ao arco elétrico (processos MIG e TIG).

A boa característica de boa fluidez apresentada por esta série, em função

do elevado nível de silício, permita no processo de conformação o preenchimento

adequado de moldes complexos e, para o caso da soldagem, um completo

enchimento e penetração da junta. Pela mesma razão, outras variações da série

4XXX são utilizadas na brasagem de uniões de folhas metálicas onde o processo

de capilaridade é dominante na união.

(a) Liga 4032

(b) Liga 4043

Figura 6 – Aplicações típicas da série 4XXX na brasagem de trocadores de calor (a) e confecção de metal de adição (b).


28

Quando livre de cobre, esta série apresentará boa resistência à corrosão.

A figura 5 apresenta algumas aplicações típicas da série 4XXX na indústria

de refrigeração (brasagem de trocadores de calor) e na soldagem (confecção de

metal de adição).

11.5 5XXX – Liga Al-Mg

Características:

♦ Endurecida por deformação;

♦ Boa tenacidade, excelente resistência à corrosão, moderada resistência

mecânica e boa soldabilidade;

♦ Aplicação nas indústrias naval, automobilística e de construção;

♦ Fácil soldabilidade (arco elétrico) e brasabilidade. Principais

consumíveis: ER5183, ER5356 e ER4043 (que provoca perda de

ductilidade – formação de Mg2Si);



♦ Faixa típica de resistência mecânica → 18 a 51 kpsi

As características das ligas desta série podem ser baseadas tanto no teor

de Mg quanto no teor de Mg-Mn.

As ligas da série 5XXX apresentam seu mecanismo de resistência

mecânica baseado no endurecimento por deformação e possuem moderada

resistência mecânica, excelente resistência à corrosão em ambientes salinos

(água do mar) e alta tenacidade em temperaturas criogênicas próximas ao zero

absoluto. Elas são facilmente soldáveis por diferentes processos e técnicas,

mesmo em espessuras acima de 20 cm. Como resultado, as ligas da série 5XXX

encontram grande aplicação na construção pontes, criogenia (até -270 0C),

embarcações, tanques de armazenagem e vasos de pressão.

As ligas 5052, 5086 e 5083 são referências do ponto de vista estrutural

pela excelente resistência mecânica está associada com o teor de magnésio da

liga. Alguns exemplos da versatilidade proporcionada pelas ligas da série 5XXX

podem ser representados por:


29

♦ Liga 5182 → sua utilização permite a construção de tanques para o

armazenamento de bebida, com maior capacidade em comparação a

ligas de outras séries;

♦ 5754 → uso na confecção de painéis e chassis automotivos.

Cuidado deve ser tomado quando da utilização de ligas da série 5XXX,

contendo mais de 3% de Mg, em aplicações onde estas estarão continuamente

expostas a temperaturas acima de 100 0C. Esta condição de operação poderá

ocasionar sensitização e, desta forma, tornando-se susceptível ao surgimento de

trincas pela ação combinada de tensão e corrosão. Por esta razão, ligas como a

5454 e 5754 são indicadas em ambientes expostos a elevadas temperaturas.

As ligas desta série apresentando teor de magnésio abaixo de 2,5% são

susceptíveis a ocorrência de fissuração a quente (vide novamente a figura 1).

Neste caso, o controle da ocorrência de fissura, durante a operação de soldagem,

pode ser realizado ou pela seleção de uma liga com teor superior a 2,5% ou pela

utilização de um metal de adição adequado (com teor de Mg acima de 3% o

problema é controlado).

Esta série também é sensível a formação de óxido hidratado (formação de

AlOH), que poderá acarretar o surgimento de porosidade se não houver um

cuidado especial no armazenamento do metal de base e do eletrodo.

5XXX apresenta resistência à corrosão equivalente a série 1XXXX e, muita

das vezes, melhor resistência em ambiente salobre ou em algumas soluções

alcalinas. Em geral as ligas desta série apresentam a melhor combinação de

resistência mecânica e resistência à corrosão entre todas as ligas de alumínio.

A figura 6 exemplifica algumas aplicações características da série 5XXX.

(a) 5083-H113/H321

(b) Liga 5054

(c) Liga 5083

(d) Liga 5754-O

Figura 7 – Aplicações da série 5XXX na construção de navios (a), de pontes (b), de esfera para armazenamento de gás (c) e na indústria automobilística (d).


30

11.6 6XXX – Liga Al-Mg-Si

Características:


♦ Alta resistência à corrosão, excelente capacidade de extrusão,

moderada resistência mecânica e susceptibilidade à fissão a quente;

♦ Aplicação marítima, automotiva, construção de pontes e estruturas de

cobertura (vide figura 8);

♦ Boa soldabilidade ao arco elétrico, por ponto e por brasagem. Eletrodo

recomendado: ER4043;




As ligas desta série têm sua resistência baseada em tratamento térmico.

Elas apresentam uma relativamente alta resistência mecânica acoplada a uma

excelente resistência à corrosão e uma boa soldabilidade. A sua facilidade de ser

extrusada torna esta série como a melhor escolha para confecção de perfis

utilizados em aplicações estruturais, onde a resistência ou a rigidez da estrutura é

fator crítico no projeto.

A liga 6063 é possivelmente a mais utilizada da série 6XXX em função da

sua boa facilidade de extrusão. Seu desenvolvimento possibilitou a construção de

pontes, totalmente em liga de alumínio, e chassis de veículos.

A liga de alta resistência 6061 tem grande utilização em estruturas

soldadas como chassis, treliças e tubulações. Exemplos expressivos de ligas

desta série são a liga 6111, para painéis automotivos com alta resistência ao

impacto, e as ligas 6101 e 6201, para a confecção de trilhos condutores de

eletricidade e condutores elétricos respectivamente.

A série 6XXX apresenta boa resistência à corrosão atmosférica, porém

geralmente mais baixa que a resistência da série 5XXX. Esta série pode ser

utilizada sem proteção adicional em diferentes atmosferas e águas.


31

(a) Liga 6063

(b) Liga 6063

(c) Liga 6063

(d) Liga 6061

Figura 8 - Aplicações da série 6XXX na confecção de treliças (a), na construção de pontes (b), em automóveis (c) e na produção de trilhos condutores (d).

11.7 7XXX – Liga Al-Zn

Características:


♦ Maior resistência mecânica entre as ligas de alumínio e elevada

tenacidade, porém estas características estão sendo suplantadas pelas

ligas de Al-Li;

♦ Aplicação nas indústrias aeroespacial e automobilística;

♦ Soldabilidade dependente da composição química da liga (teor de

cobre), podendo apresentar susceptibilidade à fissão a quente.

Eletrodos recomendados: Pertencentes à série 5XXX;


♦ Principais representantes → 7005, 7075, 7475 e 7150;


As ligas da série 7XXX são tratáveis termicamente e a versão Al-Zn-Mg-Cu

apresenta a maior resistência mecânica obtida entre todas as ligas de alumínio.

Algumas ligas desta série, como a 7150 e a 7475, apresentam a combinação da

resistência mecânica com a tenacidade maximizada por intermédio do controle do

nível de impureza.

A maior faixa de aplicação das ligas da série 7XXX historicamente

concentra-se na indústria aeronáutica, onde conceitos sobre os mecanismos

críticos ao surgimento de fratura têm provido o ímpeto para o desenvolvimento de

ligas com elevada tenacidade. Estas ligas, por sus vez, não são soldáveis pelos

processos de soldagem comerciais e, por isso, são montadas através de rebites.


32

Uma característica importante desta série é a sua tendência ao

envelhecimento natural da ZTA, ou seja, precipitação na temperatura ambiente,

por um período de até 30 dias, após a operação de soldagem.

Esta série não apresenta uma boa resistência à corrosão como as ligas das

séries 5XXX e 6XXX e, por isso, ela normalmente precisa ser revestida. Onde o

problema de trinca induzida por corrosão e tensão é factível de acontecer é

necessária a aplicação de têmpera do tipo T73 no lugar de T6.

Em relação a resistência à corrosão a série 7XXX apresenta os seguintes

subgrupos:

♦ Ligas binárias Al-Zn → são altamente anódicas e normalmente

utilizadas como revestimento de sacrifício para algumas ligas das séries

3XXX, 6XXX e 7XXX. Elas apresentam resistência à corrosão

equivalente a liga 3003;

♦ Ligas Al-Zn-Mg → apresentam boa resistência à corrosão em

atmosferas normais e água doce. Contudo, sua resistência em

ambiente marinho é questionável. Elas apresentam alta resistência para

alcalinos e menos resistência para ácidos do que as outras ligas de

alumínio;

♦ Ligas Al-Zn-Mg-Cu → requerem proteção adicional em ambiente

corrosivo e apresentam resistência equivalente à série 2XXX.

A figura 9 ilustra algumas aplicações típicas desta série.

(a) Liga 7075-T73

(b) Liga 7029

Figura 9 - Aplicações típicas da série 7XXX na confecção de fuselagem de aeronave (a) e na confecção de pára-choques (b).


33

11.8 8XXX – Liga Al + outros elementos

Características:


♦ Alta resistência mecânica, condutividade térmica e elétrica e dureza;

♦ Aplicação na indústria aeroespacial, na confecção de mancais e

fabricação de condutores elétricos;

♦ Com exceção das ligas Al-Li, as demais ligas desta série normalmente

não são soldáveis. Eletrodo recomendado: ER4043;

♦ Principais representantes → 8017, 8176, 8081, 8280 e 8090;


A série 8XXX é empregada na confecção de ligas de alumínio contendo

elementos de ligas pouco utilizados como o Fe, Ni e Li. Cada um destes

elementos de liga é utilizado na confecção de ligas com características

particulares. Fe e Ni, presentes na liga para condutores 8017, melhoram a

resistência mecânica sem ocasionar uma perda expressiva na condutividade

elétrica da liga. Li, presente na liga 8090, melhor excepcionalmente a resistência

mecânica e o módulo de rigidez e, por isso, esta liga é utilizada em aplicações

aeroespacial, onde um aumento combinado na resistência mecânica e na

tenacidade reduz o peso final do componente.

11.9 Ligas de Al-Li

As ligas de Al-Li, como já discutido anteriormente, representam a mais

recente série desenvolvida nas ligas de alumínio trabalháveis. Estas ligas, além

das propriedades inerentes ao alumínio, apresentam uma ótima combinação de

resistência mecânica e resistência à fratura (visando redução de peso) e uma boa

soldabilidade.

Estas ligas são utilizadas na indústria aeroespacial e tendo como as

principais representantes as ligas 8090-T6, 2091-T8, 2090-T8 e a 0142-T6 (vide

figura 10).


34

Figura 10 – Aplicações da liga Al-Li na indústria aeroespacial.

As ligas de Al-Li se dividem em dois grupos, ou seja, o grupo das ligas

ternárias Al-Li-Mg e o grupo das ligas quaternárias Al-Li-Cu-Mg.

As ligas Al-Li-Mg apresentam sua resistência mecânica baseada na fase

primária Al3Li, denominada de fase δδδδ’. Para o caso das ligas quaternárias a fase

que influenciará na resistência mecânica dependerá do teor de cada um dos

elementos presentes na liga. A tabela 9 apresenta um resumo do sistema de

classificação das ligas de Al-Li.

Tabela 9 – Classificação das ligas Al-Li.

Características

Ligas ternárias

Al-Li-Mg

Fase primária δδδδ’ Al3Li

Liga representativa 01420

Baixo Cu; Alto Mg; Alto Li Fase Primária S’

Al2CuMg Liga representativa 8090

Médio Cu; Alto Mg; Médio Li Fase Primária S’

Al2CuMg Liga representativa 2091

Médio Cu; Baixo Mg; Alto Li Fase Primária δδδδ’ e T1

Al3Li e Al2CuLi Liga representativa 2090

Ligas de Al-Li

Ligas quaternárias Al-Li-Cu-Mg

Alto Cu; Baixo Mg; Baixo Li Fase Primária T1

Al2CuLi Liga representativa 2094, 2095 e 2195


35

11.10 Ligas fundidas

Em comparação com as ligas trabalháveis, as ligas fundidas contem uma

grande percentagem de elementos de liga como o Cu e o Si. O resultado é a

presença de grande heterogeneidade na estrutura fundida, isto é, há a presença

de um volume substancial de segunda fase. Esta segunda fase necessita de um

estudo aprofundado, desde que as presenças de constituintes grosseiras, frágeis

ou concentradoras de tensão podem gerar pontos propícios à nucleação de

trincas, quando o componente for colocado sobre carga. As propriedades de

fadiga destas ligas são muito sensíveis a presença de grande heterogeneidade.

Assim, adequados procedimentos metalúrgicos e de fundição podem prevenir a

presença de tais defeitos.

As ligas fundidas por não sofrerem trabalho mecânico são utilizadas na

condição como fundida ou tratada termicamente.

A soldabilidade das ligas fundidas dependerá da composição química e do

tipo de fundição empregada na confecção. Além disso, a maioria das ligas fundida

apresenta dificuldade na união por brasagem.

A resistência mecânica (20 a 50 kpsi) e a elongação (acima de 20%)

características desta série, especialmente sobre condições de fadiga, são

relativamente baixas em comparação as ligas trabalháveis. Esta característica

deve-se ao fato de que as práticas de fundições, normalmente empregadas, ainda

não são totalmente hábeis para prevenir defeitos de fundição.

A figura 11 ilustra algumas aplicações das ligas de alumínio fundidas.

(a) Liga 201.0

(b) Liga 380.0

(c) Liga A356.0

(d) Liga 357.0

Figura 11 – Aplicações típicas das ligas fundidas. Onde: (a) peças para trem de pouso, (b) caixa de engrenagem, (c) aro de rodas e (d) peças automotivas.


36

12 Aspectos da soldabilidade do alumínio e suas lig as

12.1 Processo de soldagem

O alumínio e suas ligas podem ser soldados por diferentes processos de

soldagem, como os processos ao arco elétrico com proteção gasosa (MIG, TIG e

plasma), a gás (oxi-acetileno ou oxi-hidrogênio), por resistência, laser e feixe de

elétrons. Este metal apresenta também boa brasabilidade.

Características de aplicação:

♦ TIG → utilizado na soldagem de espessuras no intervalo de 0,25 a 150

mm. Possibilidade de soldagem em todas as posições. A soldagem

pode utilizar ou não metal de adição. Em decorrência da presença da

camada de óxido a soldagem é realizada na polaridade inversa (CC+)

ou em corrente alternada. A não remoção desta comada, em função do

seu alto ponto de fusão, poderá acarretar falta de fusão e a presença de

inclusão de óxido. Neste processo, a operação de soldagem pode ser

executada na condição automatizada ou na condição manual;

♦ Plasma → em virtude da sua sensibilidade às variações no

comprimento do arco, o processo é utilizado na condição automatizada.

A técnica do buraco de fechadura é recomendada. A complexidade na

preparação da soldagem e o custo do equipamento mais elevado, em

relação ao utilizado na soldagem TIG, tornam este processo menos

atrativo;

♦ MIG → é o processo que apresenta a maior taxa de deposição para o

alumínio. Soldagem em espessuras a partir de 3,2 mm. Possibilidade da

soldagem em todas as posições. Possibilidade de soldagem na

polaridade inversa (CC+) e alternada. A operação de soldagem pode

ser executada na condição semi-automática ou na condição

automatizada.

12.2 Metal de adição

A especificação A5.10 da AWS, que trata da nomenclatura do metal de

adição utilizado na soldagem do alumínio e suas ligas, segue a especificação

adotada pela Aluminum Association. A nomenclatura empregada baseia-se na


37

composição química do consumível e é composta pelas letras E e R, seguidas por

quatro dígitos (ERXXXX).

Exemplo: ER-4043

Onde:

E → metal de adição adequado para a confecção de eletrodo;

R → Metal de adição adequado para a confecção de vareta;

4043 → Liga da série 4XXX (Al-Si).

O eletrodo utilizado como consumível na soldagem ao arco elétrico se

caracteriza como um componente crítico, principalmente na soldagem MIG,

devido ao fato deste atuar ao mesmo tempo como ponto anódico e prover as

gotas metálicas que formarão o cordão de solda. As dificuldades associadas com

a soldagem do alumínio devem-se basicamente a combinação dos seguintes

fatores: grande capacidade de dissipar calor, elevada condutividade elétrica,

formação de uma película de óxido (Al2O3) e elevada ductilidade.

A elevada dissipação de calor conjuntamente com a característica de

condutividade elétrica requer a elevação do calor aportado, como forma de se

garantir a adequada fusão do eletrodo e do metal de base. A dificuldade principal

está no processo de abertura do arco elétrico, onde, pela necessidade da

elevação da energia de soldagem, há a tendência do arco abrir no centro da

projeção do arame (stickout ). Esta característica, se não for controlada, poderá

provocar a fusão do bico de contato.

A presença da película de óxido (com ponto de fusão três vezes maior que

o valor da liga) na superfície a ser soldada requer a adição de cuidados especiais

para que se possa retirar esta película durante a operação de soldagem.

Normalmente, esta limpeza é executada pela aplicação de polaridade inversa

(CC+), a qual propicia o arrancamento e a adequada limpeza da região ser

soldada. Este procedimento é necessário para que se possa obter uma adequada

coalescência entre o metal de base e o metal de adição. A presença de uma

camada espessa de óxido, formando um isolante elétrico sobre o eletrodo e o

metal de base, poderá provocar dificuldade no processo de abertura do arco, em

virtude da resistência criada na passagem de corrente elétrica do bico de contato

para o arame e do arame para o metal de base.


38

Para o caso da elevada ductilidade apresentada pelo alumínio e suas ligas

o problema principal está no processo de alimentação do arame em direção ao

bico de contato. Uma combinação inadequada entre o tipo de rolo de tração, a

pressão de tração e o comprimento da tocha poderão acarretar o emperramento

do arame. Recomenda-se o emprego combinado de rolos com rasgo em U e

pressão controlada no sistema de tracionamento do arame.

As dificuldades apresentadas na soldagem do alumínio e suas ligas podem

ser controladas através da correta seleção do procedimento e do equipamento de

soldagem.

12.3 Seleção do metal de adição

O diâmetro do eletrodo (ductilidade) e a combinação metal de base x metal

de adição (composição da solda) são os fatores fundamentais na seleção do

metal de adição.

As propriedades mecânicas como a resistência mecânica e a elongação

são afetadas pela escolha do par metal de base x metal de adição. Para soldas

em juntas a zona termicamente afetada (ZTA) ditará a resistência da união.

A seleção do melhor metal de adição para uma determinada condição de

soldagem deverá levar em consideração os seguintes pontos:

♦ Facilidade de soldagem ou redução na tendência à fissuração a quente;

♦ Resistência requerida na região da solda;

♦ Ductilidade da região soldada;

♦ Temperatura de serviço;

♦ Resistência à corrosão;

♦ Diferença de coloração entre a região soldada e o restante do metal.

12.4 Gás de proteção

A soldagem do alumínio pode utilizar o hélio ou o argônio ou simplesmente

a mistura de argônio com hélio como gás de proteção. O gás de proteção

selecionado, além da proteção do arco e da poça contra contaminação pela

atmosfera vizinha ao arco, irá influenciar no potencial de ionização (calor do arco).

A aplicação de argônio puro é preferível devido às características de boa

molhabilidade, limpeza da solda, excelente estabilidade do arco, redução no nível


39

salpicos e menor preço. O Hélio, por sua vez, gera um arco mais quente e uma

maior penetração.

12.5 Aspectos da soldagem do alumínio e suas ligas

A condição metalúrgica apresentada pela zona termicamente afetada

(ZTA) é complexa e envolve regiões que são parcialmente recozidas, temperadas

e super envelhecidas, dependendo da composição química da liga, velocidade de

soldagem e da espessura e configuração da junta.

Na soldagem das ligas de alumínio não-tratáveis termicamente, a ZTA será

recozida e, por isso, se constituirá no ponto com menor resistência mecânica do

conjunto. As ligas de alumínio tratáveis termicamente, por sua vez, requerem um

período longo de recozimento, combinado a um lento resfriamento, para que a

ZTA seja totalmente recozida e, por este motivo, a resistência mecânica das ligas

tratáveis nesta região será pouco afetada.

Nas ligas não-tratáveis termicamente a ausência de precipitados de

segunda fase torna-se um atributo positivo quando levado em consideração as

características de soldabilidade (formação de fases eutéticas). A eficiência da

junta não será comprometida pela presença de dissolução ou crescimento de

precipitados na “ZTA”. A perda de resistência mecânica na zona afetada

termicamente deve-se a ocorrência de recristalização e crescimento de grãos.

Assim, a perda de resistência na ZTA das ligas não-tratáveis não é tão crítica

quanto no caso das ligas tratáveis.

Nas ligas tratáveis termicamente a degradação das propriedades

mecânicas do metal de base na região da ZTA é causada pela alteração

microestrutural decorrente da elevada temperatura sofrida por esta região. A

distinção desta região é associada com a presença de dissolução ou crescimento

de precipitados. A extensão degenerada do metal é influenciada pela escolha do

processo e dos parâmetros de soldagem. O método normalmente utilizado para

rastrear a largura desta região é através do levantamento do perfil de dureza

(figura 12) ou por análise metalográfica (figura 13).


40

Perfil de dureza

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Medida

Mic

rodu

reza

Vic

kers

H

V10

0

AlSi/AlMg

AlSi/Al(99,5%)

Figura 12 – Perfil de dureza mostrando uma variação de dureza na ZTA.

100 µµµµm

LF

(a) Visualização da linha de fusão (LF)

100 µm

ZTA

ZF

MB

(b) Visualização da zona fundida (ZF), metal de base (MB) e ZTA

Figura 13 – Identificação do cordão de solda através de análise metalográfica.

Uma maneira de melhorara a resistência mecânica da ZTA, nas ligas

tratáveis termicamente, é por meio da aplicação do tratamento térmico pós-

soldagem.

Na soldagem das ligas tratáveis termicamente deve-se levar em

consideração, ainda, os fatores como a presença da película de óxido, a elevada

condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica, o grau de contração

durante a solidificação, a faixa de solidificação e a alta solubilidade do hidrogênio.

Estes fatores se não forem devidamente controlados poderão influenciar na

qualidade final da solda através da presença de porosidade, dificuldade de

coalescência e surgimento de fissuração a quente.

Pontos críticos na operação de soldagem como pré-aquecimento,

temperatura de interpasse e elevado calor aportado (alto calor específico),


41

provocam uma elevação na temperatura de pico e do tempo de permanência

nesta temperatura. Um controle não adequado destes pontos poderá significar

uma perda excessiva de resistência mecânica na ZTA.

Problemas característicos da soldagem do alumínio como porosidade

(figura 14), baixa penetração e/ou penetração variada (elevada condutividade

térmica e/ou variação o comprimento do arco), presença de salpicos (instabilidade

no arco e baixa densidade) e perfuração do metal de base, podem ser

controlados através da combinação correta entre o equipamento de soldagem

(característica estática da fonte de soldagem) e o procedimento a ser adotado. Os

equipamentos devem permitir o controle sobre a forma de onda de corrente ou de

tensão, imposta na operação de soldagem, como forma de se garantir uma suave

transferência metálica, um reduzido aporte de calor e o controle sobre o nível de

penetração e distorção.

50 µm

Figura 14 – Presença de porosidade na zona fundida.

Cuidados especiais devem ser tomados quanto à possibilidade de

desalinhamento da junta (variação na folga de raiz) gerado pela expansão térmica

do alumínio (duas vezes o valor do aço). Por sua vez, as distorções geradas na

soldagem do alumínio estão relacionadas com o fato de que o metal de solda ao

se solidificar sofre uma contração na ordem de 6% em relação ao seu volume no

estado líquido.

O alumínio por não apresentar mudança de coloração durante o

aquecimento torna mais difícil para o soldador o controle sobre o grau de fusão do

metal de base e aumenta a possibilidade da ocorrência de queimaduras.


42

Pelo fato de alumínio apresentar a tendência da formação de porosidade

pelo aprisionamento, durante a solidificação, do hidrogênio dissolvido no metal

líquido, o uso de corrente pulsada, caracterizada pela soldagem com um

comprimento de arco menor, vem se tornando uma boa técnica para minimizar a

captação de hidrogênio da atmosfera vinha ao arco.

Como regra geral, o valor do stickout na soldagem do alumínio deverá ser

maior do que o valor empregado para a soldagem do aço, como forma de se

garantir um pré-aquecimento do eletrodo (efeito Joule) e, conseqüentemente, uma

elevação na taxa de fusão. Indiretamente, esta elevação da projeção do arame,

possibilitará ainda um aumento na velocidade de soldagem. Além disso, em

função da necessidade da elevação nos valores do stickout e da corrente de

soldagem, recomenda-se ainda a utilização de bico de contato apresentando um

comprimento maior que aquele normalmente utilizado na soldagem do aço (> 100

mm) e diâmetro do furo com uma bitola de 10 a 15% maior que valor da bitola do

arame (por exemplo: para arame de 1,2 mm o furo deverá ser de 1,3 mm), para

melhorar a transferência de corrente elétrica.

Outro ponto que deve ser levado em consideração é o recuo do bico de

contato em relação face ao bocal. Para valores baixos de corrente e tensão o

recuo deverá ser de 1,6 mm e, para valores elevados destas variáveis, o patamar

implementado deverá ser superior a 5 mm.

O alumínio pela sua característica não-magnética minimiza a ocorrência de

sopro magnético e faz deste um excelente material para a confecção de fixadores

do metal de base na soldagem ao arco elétrico.

12.6 Cuidados na soldagem do alumínio

♦ Limpeza da camada de óxido e hidrocarbonetos → a limpeza das

impurezas na superfície do metal de base deve, primeiramente, ser

feita através da utilização de um desengraxante, que não produza

fumos tóxicos durante a soldagem (o tulueno é o mais

recomendado), e posteriormente a remoção da camada óxida,

através de escova de aço inoxidável. O uso de sabão, álcool e

acetona são desaconselhados por não serem efetivos na remoção

de hidrocarbonetos. Para o caso da secagem do metal de base a


43

utilização de ar comprimido não é aconselhada, por conter partículas

de água e óleo;

♦ Armazenamento → tanto o metal de base quanto o metal de adição

devem ser cuidadosamente armazenados e manuseados.

Recomenda-se, sempre que possível, que ambos sejam

armazenados sob temperatura e umidade controladas (umidade

relativa abaixo de 30%). Para o caso do metal de base é desejável

que este seja colocado na posição vertical e espaçado para

possibilitar a circulação de ar e evitar a condensação nos pontos em

contato. A embalagem do metal de adição só deverá ser aberta no

momento da operação de soldagem e seu armazenamento posterior

deverá seguir as recomendações anteriores. Para evitar a

condensação de umidade tanto o metal de base quanto o metal de

adição, ambos deverão previamente ser colocados no ambiente de

operação, objetivando a equalização com a temperatura ambiente.

♦ Preparação da junta → o corte do metal de base deverá ser feito

através de um processo que minimize o tamanho da zona afetada

termicamente. Recomenda-se a utilização de corte por plasma, serra

ou usinagem por máquina de chanfrar. Nas séries 2XXX, 6XXX e

7XXX, pela susceptibilidade a fissuração, é recomendável levar em

consideração a necessidade de remoção de 3 mm da camada

afetada, antes da operação de soldagem.


44

12.7 Efeitos do calor aportado e comprimento do arc o sobre o metal de

solda

Tabela 10 – Influência do calor aportado e do comprimento do arco sobre o metal depositado.

Comprimento do arco Calor aportado

Parâmetro Curto Longo Alto Baixo Penetração Alta Baixa Alta Baixa

Largura do cordão Estreita Larga Estreita Larga

Reforço Alto Baixo Baixo Alto

Aspecto da poça de fusão Com depressão Plano _ _

Salpico Baixo Alto _ _

Ruído do arco Crepitante Zunido _ _

Nível de porosidade Alto Baixo Baixo Alto

Aspecto superficial _ _ Liso Ondulado

Formação de fuligem _ _ Maior Menor

12.8 Defeitos e técnicas corretivas

12.8.1 Sobre o aspecto e a geometria do cordão

Tabela 11 – Problemas na aparência e na geometria do cordão de solda e medidas corretivas.

Problema e suas influências Medidas corretivas Convexidade excessiva do cordão

Reduz a resistência à fadiga Aumentar o comprimento de arco (*); Aumentar o ângulo de inclinação da tocha.

Garganta ou perna insuficiente Redução nas propriedades mecânicas

Alterar o ângulo da tocha; Mudar posição da tocha (**); Diminuir o comprimento do arco (*); Reduzir a taxa de resfriamento; Aumentar a velocidade de alimentação do arame; Diminuir a velocidade de soldagem.

Mordedura Redução nas propriedades mecânicas

Mudança na posição da tocha visando compensar: - Diferença de seção entre os metais de base; - Condutividade térmica dissimilar entre os metais de base.

Diferença de coloração na união Avaliar a combinação de diferentes ligas e metais de adição (grau de anodização).

Largura excessiva do cordão Reduzir corrente de soldagem e comprimento do arco; Aumentar a velocidade de soldagem.

Deposição insuficiente (overlap) Severa redução na resistência à fadiga.

Aumentar o calor aportado; Reduzir a velocidade de soldagem.

Penetração ou fusão insuficiente Redução na resistência mecânica e/ou

aumento na sensibilidade à fissuração a quente.

Aumentar o calor aportado; Diminuir o comprimento do arco (*); Diminuir a velocidade de soldagem; Diminuir o ângulo de ataque da tocha; Remover sujeiras do metal de base; Rever projeto da junta e Utilizar cobre junta tipo U; Controlar a oscilação da tocha (fontes tipo tensão constante).

Onde: (*) A mudança no comprimento de arco torna necessário um arranjo nos valores de tensão e corrente de soldagem para se manter a energia do arco e (**) Quando houver diferença na condutividade térmica entre os metais de base será necessário aquecer mais o metal com maior condutividade.


45

12.8.2 Presença de defeitos e dificuldade na alimen tação do arame

Tabela 12 – Defeitos no cordão de solda e problemas de alimentação do arame e as possíveis medidas corretivas.

Defeito Causas Medidas corretivas

Turbulência na poça de fusão. Aumentar a corrente de soldagem para estabilizar a transferência metálica.

Hidrogênio oriundo da presença de óxido hidratado ou óleo.

Remoção de óleo e óxido do metal de base antes de iniciar a soldagem; Estocar o eletrodo sob temperatura e umidade controlada.

Porosidade Diminuição na resistência mecânica e na ductilidade devido a redução de área.

Umidade, gás contaminado ou vazão insuficiente; Elevada taxa de resfriamento da poça.

Remoção da umidade, utilizar gás de pureza controlada; Proteger o arco de correntes de ar externas; Utilizar alta corrente ou reduzida velocidade de soldagem e pré-aquecer o metal de base.

Seleção inadequada do metal de adição. Selecionar eletrodo com reduzida região pastosa.

Faixa de composição química crítica. Evitar composição da poça contendo de 0,5 a 2,0% de Si e 1 a 3% de Mg; Evitar a presença do eutético MgSi (soldar a série 5XXX com eletrodos da série 4XXX).

Projeto inadequado da junta ou folga incorreta.

Reduzir a diluição do metal de base através do projeto da junta.

Trinca

Técnica de soldagem incorreta. Utilização de fixadores; Redução da ZTA através da elevação da velocidade de soldagem; Produzir cordões de formato convexo; Minimizar o superaquecimento da poça, como forma de controlar o tamanho de grão; Tamanho adequado do cordão de solda (não muito pequeno e aplicação de pré-aquecimento do metal de base).

Velocidade excessiva de alimentação do arame.

Reduzir a velocidade do arame para melhorar o contato elétrico (flutuação de corrente nas fontes tipo tensão constante).

Alimentação insuficiente do arame. Aumentar a velocidade de alimentação para fontes tipo corrente constante e reduzir a tensão do arco nas fontes tipo tensão constante.

Eletrodo muito dúctil, retorcido ou rolo de tração inadequado.

Verificar especificação do eletrodo e o tipo de rolo de tração utilizado (tipo U).

Conduíte muito flexível ou retorcido. Trocar conduíte.

Desgaste ou sujeira no conduíte. Trocar conduíte.

Acumulo de salpicos na ponta do bico de contato.

Limpar bico de contato.

Desalinhamento nos rolos de tração ou pressão excessiva de tração.

Fazer alinhamento correto entre os rolas de tração e aplicar pressão adequada para o tracionamento do arame.

Fusão do bico de contato ou alimentação

irregular do arame

Abertura do arco no bico de contato. Observar a relação entre diâmetro do arame e o furo do bico de contato (10 a 15% maior).


46

12.8.2 Dificuldade de abertura e manutenção do arco

Tabela 13 – Instabilidade no arco elétrico e medidas corretivas. Problema Causas Correções

Aterramento inadequado. Verificar posicionamento e condição do cabo terra.

Presença de revestimento anódico. Remover revestimento.

Proteção gasosa inexistente. Utilizar pré-fluxo de gás.

Dificuldade na abertura do arco

Polaridade invertida. Corrigir polaridade.

Proteção de gás inadequada. Aumentar a vazão de gás; Proteger o arco de ventilação lateral; Reduzir a distancia bocal-peça; Trocar bocal danificado; Centrar o bico de contato no bocal; Reduzir o ângulo de inclinação da tocha; Verificar penetração de ar na tocha ou a ocorrência de vazamento.

Sujeira no arame. Manter o rolo coberto durante a montagem no cabeçote.

Sujeira no metal de base. Utilizar tulueno para remover hidrocarbonetos da superfície; Passar escova de aço inoxidável.

Sujeira no cordão

Película de óxido espessa ou presença de umidade no metal de base.

Retirar a umidade e escovar a superfície com escova de aço inoxidável.

Conexão elétrica inadequada. Verificar conexão elétrica.

Sujeira na região da solda. Remover hidrocarbonetos, tintas e outras impurezas da superfície.

Arco instável

Sopro magnético Evitar soldagem na presença de forte campo magnético; Mudar o posicionamento do cabo terra.


47

13. Bibliografia

ALCAN. Manual de Soldagem. 1a Edição. São Paulo: ALCAN, 1993.

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ALUMINUM ASSOCIATION, INC. Aluminum and Its Alloys. Technical Report, Washington, 1998.

ASM. ASM Specialty Handbook – Aluminum and Aluminum Alloys. Fourth Edition. USA. ASM International, 1998.

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CALISTER, W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction. Third Edition. New York. John Wiley & Sons, 1994.

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Aspectos de Metalurgia da Soldagem do Alumínio e Suas Ligas