Fundamentos da transferência de calor aplicados à soldagem

Docente: Sérgio R. Barra, Dr. Eng. 2013.2

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

Tópico:

Fundamentos da transferência de

calor aplicados à soldagem

Sysweld

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Fundamentos da transferência de calor

Índice (conteúdos abordados):

Apresentação geral do conteúdo;

Importância do estudo da Metalurgia da Soldagem;

Fundamentos da transferência de calor aplicados à soldagem;

Previsão do tempo para a solidificação da Zona Fundida e da sua possível forma;

Fundamentos da formação da Zona Termicamente Afetada;

Princípios da transformações de fases, no estado sólido, decorrentes da operação de soldagem (ligas ferrosas).

Referências básicas:

KOU, Sindo. Welding Metallurgy; WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; MESSLER,

R.. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; MACHADO, Ivan.

Soldagem e Técnicas Conexas: Processos; ASM. ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering;

AWS. Welding Handbook: Welding Science and Technology; OYSTEIN, Grong. Metallurgical

Modelling of Welding; BLONDEAU, Régis. Metallurgy and Mechanics of Welding; MESSLER, R..

Joining of Materials and Structures; BONNET, C. Le Soudage Métallurgie et Produits; ISF Aachen.

Welding Metallurgy; Revista Soldagem & Inspeção; Revista Welding Journal.

Consultas/dúvidas: [email protected]

mailto:[email protected]



O que é soldagem e quais os pontos chaves a serem considerados?

“Soldagem é um processo em que materiais, iguais ou dissimilares, são

aproximados e unidos por meio da formação de ligação química (primária ou

secundária) sob ação combinada de calor e pressão” (Messler, 1993)

“É um processo de fabricação, do grupo dos processos de união, que visa o

revestimento, a manutenção e/ou a união de materiais, em escala atômica, com

ou sem o emprego de pressão e/ou com ou sem a aplicação de calor. Nesse

caso, sempre que a ideia se refira a operação (preparação, execução e/ou

avaliação), o termo correto a ser utilizado é soldagem” (Site da Soldagem)

Pontos chaves a serem considerados na conceituação/ou estudo da soldagem:

1) Continuidade Exemplos: (a) Soldagem de duas chapas de aço inoxidável austenítico de mesma composição química ou (b) Soldagem dissimilar - metal com cerâmica, aço carbono com alumínio, outros.

2) Não se une, por soldagem, apenas metal

3) Soldagem é a ação combinada de calor e pressão

4) Necessidade ou não de uso de material de adição

5) Soldagem é aplicada para produzir/reparar um conjunto/estrutura

(ausência de interrupção física em escala atômica, não implicando em continuidade química e/ou homogeneidade na microestrutura?!)

(e os materiais poliméricos e cerâmicos?)

(pode ter ação isolada!?)

(geometria x composição)

(uma função!)


Fundamentos de transferência de calor

a) Conhecimento complementar para entender como a operação de soldagem influencia na qualidade do depósito (processo de soldagem, física do arco e metalurgia da soldagem);

b) A maioria dos processos de soldagem, utilizados comercialmente, emprega o calor (quantidade e intensidade) como fonte de fusão e formação do depósito;

c) Entender os mecanismos envolvidos na solidificação, nas transformações de fases no estado sólido (tipo e fração volumétrica de fases e microconstituintes), na formação de defeitos (descontinuidades físicas) e na incidência de tensão residual (distorção);

Qual a importância do estudo da metalurgia da soldagem?

Efeito do ciclo térmico sobre

a mudança de estado/fases,

incidência de defeitos e/ou

formas de distorções

oriundas da operação de

soldagem (Fonte: IIW /

Lincoln)

Transformação de

fases na ZF

(Fonte: Barra,

2003).

Imagem: Kou (2002)



e) Propiciar conhecimentos científicos que viabilizem o desenvolvimento de teoria e modelos

matemáticos que sirvam de ferramentas para análises térmicas e metalúrgicas (interação ciência e

tecnologia).

d) Entender os diferentes processos físicos ocorrendo devido a interação da fonte de calor com o

metal de base (diferentemente da fundição). Adicionalmente, a excursão térmica experimentada

pelo material varia de região para região (por exemplo, na ZF “fusão e solidificação”, na ZTA

“aquecimento acima da temperatura crítica” e MB “não afetado”);

O processo (EPS)

A formação e os efeitos na Zona Fundida

O depósito após a operação de

soldagem (ZF, ZTA,

transformação de fases, outros)

Fem Fem

Fpa

FgotaFF

Fpa

Fb

Metal de basePoça

Gota

Tocha

Regiãodo Arco

Região deimpacto das gotas

As forças

atuantes na

poça de fusão

(Fonte: Barra,

2003).

Fem provoca movimentação

do fluxo da superfície da

poça para a raiz do cordão;

Fb e F induzem fluxo do

centro para a borda da

poça.

Qual a importância do estudo da metalurgia da soldagem?



a) Mudança física de estado (S L S);

b) Transformações metalúrgicas (fases, inclusões, intermetálicos,outras);

c) Transiente térmico (stress);

d) Movimentação metálica.

Como consequência, o depósito apresentará:

a) Descontinuidades físicas (severidade na velocidade de solidificação);

b) Indesejadas fases ( C/s podendo induzir fases/precipitados deletérios);

c) Concentração de tensão e distorções (esforço “contração” acima do LE) e mudança da

propriedade (física, mecânica, outras).

Zona fundida

Zona

termicamente

afetada

Metal de base

Zona reaquecida (ZR)

Inclusão, ferrita de

contorno de grão, outras

(Fonte: Barra, 2003).

Trinca na ZTA

(região grãos

grosseiros –

vizinhança da linha

de fusão)

Zona

termicamente

afetada

Distorção

Imagem: TWI

Vídeo sobre a liberação de H na

soldagem do AWS E6010

Quais as possíveis alterações geradas pela movimentação física da

fonte de calor durante a confecção do cordão?:



O que provoca mudança no valor do rendimento térmico ( )?

Causas da perda de energia da

fonte de calor para a peça/meio.

Como consequência, o valor de “ ”

muda para um mesmo processo e

para diferentes processos de

soldagem ao arco elétrico (Fonte:

Messler, 2004) .

Típicos valores de rendimento térmico “ ” para os processos de

soldagem por fusão (Fonte: Messler, 2004).

Rendimento térmico do arco elétrico ( )

Para um mesmo heat

input, como o valor de “ ”

muda em função do

processo de soldagem

(Fonte: ISF Aachen, 2005).

Calor aportado = Is.Us. /vs



i ) As características apresentadas pela Zona Fundida (ZF) dependerão das seguintes condições:

a) Gradiente térmico (G) – C/mm (avaliar a partição térmica);

b) Taxa de solidificação (velocidade da frente de solidificação Rs) – mm/s;

c) Taxa de resfriamento (R) – C/s (G.Rs) (avaliar o ciclo térmico);

d) Interface sólido-líquido (frente de solidificação).

Quais os processos físicos atuantes na soldagem a arco

Exemplos:

Observação:

O tamanho da poça e a direção do fluxo irão determinar o grau

de diluição e a penetração

(a) Solidificação lenta

Possibilidades:

Baixa vs

Uso de pré-aquecimento

Elavada Is

(b) Solidificação rápida

Possibilidades:

Elevada vs

Sem aplicação de pré-

aquecimento

Baixa Is

Fonte: Phase Transformations & Complex Properties Research Group



(a) ZTA decorrente de CC

(b) ZTA decorrente de dupla pulsação de corrente (MIG Térmico)

E no caso (b) como ficaria a ZTA?

Diagrama

Fe-Fe3C

ZF

ZTA

•MB

723 C

1147 C

+

Fonte: Barra, 2003

Fonte: Easterling, 1992.

ZTA

ZF

MB

550 C

ii) As características apresentadas pela Zona Termicamente Afetada (ZTA) dependerão das

seguintes condições: (a) Temperatura de pico, (b) partição e (c) ciclo térmico

Escamas

Dpt

Detalhe A

Detalhe A

Zona fundida (ZF)Seção transversal

Região de análise (micrografias)

Seção longitudinal

ZTA

Zona fundida

A

C

B

D

F

E

ZTA

Metal de base

Pontos de análise metalográfica


911 C

A1

A3

1392 C

1536 C



ii) As características apresentadas pela Zona Termicamente Afetada (ZTA) – continuação

a) Ciclo térmico (T = f(t)) – informações sobre mudança de fases, forma do grão, outras

b) Partição térmica (T = f(d)) – Informações sobre tamanho de regiões afetadas termicamente

c) Temperatura de pico – Informação sobre qual a região do diagrama atingida pelo ponto

Quais os fatores que afetam o ciclo térmico?

a) O calor aportado;

b) A geometria da junta (tipo – topo, filete,

sobreposta, outras);

c) A espessura do metal de base;

d) A temperatura de pré-aquecimento;

e) A temperatura de interpasse;

f) O tipo de material (propriedades

termofísicas);

g) Outros.

Fonte: Bonnet, 2001.

Efeito da variação isolada do heat input

(indiretamente Is) e de To (indiretamente

temperatura de interpasse) sobre o valor de

t8/5.




Cortes da região do

depósito mostrando

os perfis das

isotermas nos

planos XY(a), XZ

(c), e ZY (d)

Representação

esquemática da

forma de

medição do ciclo

térmico e do

efeito da

distancia sobre o

a temperatura de

pico (Tp)

Fonte: Murry

Exemplos do procedimento para mapeamento do ciclo térmico e dos

perfis das isotemas (linhas de iso-temperatura)

Efeito da espessura e do tipo de junta (conjunto x espessura) sobre os

perfis das isotermas e taxa de resfriamento.

Quais as possíveis variações na taxa de resfriamento em decorrência

de características geométricas (tipo de junta e espessura) e do

processo de soldagem adotado? Efeito da tipo de processo de soldagem “densidade de

energia” sobre o perfil do ciclo térmico.

Fonte: Murry





O tamanho da Zona Termicamente Alterada (ZTA ou Zona Regenerada “ZR”) dependerá da

partição térmica apresentada (temperatura x distância) e, por sua vez, as modificações da

estrutura “dinâmica”, em um determinado ponto da zona, serão função do ciclo térmico

(temperatura x tempo). Fonte: Barra, 2007

Soldagem multipasse com processo convencional

de soldagem (representação didática dos efeitos

da partição e do ciclo térmico )

Diferentes condições de

soldagem multipasse com

processo convencional de

soldagem (efeito da partição

térmica).

Regiões brancas

representam as ZTAs / ZRs

(“reustenitização”).

Fonte: Barra (2003)

Fonte: Phase Transformations &

Complex Properties Research Group

(University of Cambridge)

Considerações



Estados térmicos apresentados pelos processos de soldagem:

a) Transiente (início e fim da soldagem, sendo a última região a de principal

interesse metalúrgico – hot cracking) – cratera e reparo rápido;

b) Quase-estacionário (expansão e contração térmica – concentração de tensão

e deformação após ciclo térmico).

Observação: Constante de tempo - a determinação do tempo e da distância necessários

para se atingir o regime quase-estacionário, a partir da abertura do arco, pode ser estimado

por (Wainer, 2004):

Considerando 16 = x2/k.t e sendo x = vs.t, tem-se t = 16.k/vs2 (equação 1)

Onde: x – distância até onde o calor se propaga no instante t; t – tempo e k – difusividade térmica do material

Diferença na distância

necessária para atingir o regime

estacionário em função do tipo

de material (difusividade).

Fonte: Barra (2003).

Qual o processo físico atuante na soldagem a arco?

Calcular “x” para:

k = 0,1 cm2/s

vs = 0,25 cm/s

Aço carbono Al-Mg

Quais as

informações

práticas

possíveis de

extrair da

equação 1

(atividade em

grupo)?



a) No procedimento de soldagem deve ser considerado o aporte de calor (heat input = .Is.Us/vs)

que garanta o controle sobre as taxas de solidificação e resfriamento;

b) Em alguns casos é necessário o uso de pré e pós-aquecimento (nem sempre possível);

c) O procedimento de soldagem pode atuar no controle/distribuição de segregação (fase eutética

x trinca a quente) e liberação de gases diluídos/dissolvidos na ZF (minimização da ocorrência de

trinca induzida por H “trinca a frio”).

Conclusões 1

Efeito do pré-aquecimento no perfil da curva

de temperatura (Fonte: Wainer, 2000)

(a) Representação esquemática da formação da trinca

de solidificação, (b) trinca localizada no centro do

cordão e (c) porosidade interdendrítica (Fonte: Barra,

1999 / Kou, 2002).

(b)

Filme líquido

Tensões devido

à contração

Direção de

solidificação

(a)

(c)



Considerações para a modelação:

a) Fonte de calor (arco) com movimento

constante ao longo de uma trajetória linear;

b) Existência de transiente térmico (aquecimento

antes de atingir o a condição de regime –

quase-estacionário);

c) Distribuição de temperatura estacionária na

região de regime;

d) O centro da fonte de calor é considerado

como ponto de origem.

Observações:

a) O arco elétrico provoca fusão localizada;

b) Na região do arco há existência de perda de calor por convecção, radiação e condução (impacto sobre o valor do rendimento térmico “ ”);

c) O processo de aquecimento e resfriamento induz a formação de três regiões metalúrgicas distintas (ZF, ZTA e MB).

Eletrodo

Arco

Poça

ZF

ZTA

W

Fonte: ASM Handbook, Vol 6.

Como modelar o arco elétrico?

G:/Pasta em uso 2011/Filmes/TIG/TIG alimentado.wmv

a) Modelo analítico (problemas com respostas lineares e utilizando valores experimentais como

ponto de calibração – determinação da largura da ZTA);

b) Modelo numérico (variação contínua de seus valores numéricos em função de sua posição –

solidificação da ZF). Sobre condições severas o estudo da ZTA lança mão de modelos

numérico – soldagem subaquática.

Observação:

Os problemas térmicos em soldagem podem ser

categorizados em: I) taxa de resfriamento na ZTA /

e vizinhança (transformações de fases); II) taxa

de solidificação da ZF (tamanho e forma do grão /

segregação) e III) deformações térmicas

(contração x tensões residuais).

Imagem: Miller Welds

O processo físico atuante na soldagem a arco – considerações

Modelos utilizados na simulação/análise de problemas térmicos em soldagem (adotando-se

adequadas condições de simplificação e contorno):



Condições de contorno adotadas:

i) As coordenadas (x, y e z) movem-se a mesma velocidade da fonte de calor – ou vs (arco como

uma fonte pontual – centro da poça de fusão);

ii) Considera-se, na condição quase-estacionária, distribuição de temperatura constante em relação

a fonte pontual e inexistência de fontes ou sorvedouros de energia no interior do material;

iii) Distribuição de calor gaussiana (distribuição temperatura e geometria da poça não se alteram no

decorrer de t) e sem perdas na superfície da peça.

Onde:

– temperatura; – densidade; Cp – calor específico; t – tempo; Q – taxa de geração volumétrica de calor; – operador diferencial

vetorial (gradiente); – velocidade da fonte (soldagem); – condutividade térmica.

Formulação matemática (fundamento científico)

Observação: Equação geral do balanço de energia (possibilidade de aplicação no estudo do fluxo de calor na soldagem)

Propriedades físicas do material

Procedimento de soldagem

Comportamento da temperatura

em função t e direção)

Quais as informações de

interesse da soldagem que

podem ser extraídas da

equação?

Possibilidade de correlacionar propriedades

do material (metalurgia) com o

procedimento de soldagem (processo).

Imagem: ASM Hndbbok, Vol 6.



Na prática, a significante fonte de calor (arco) pode ser considerada restrita a um círculo de

raio ra, onde de 0 a r há uma queda do fluxo de calor qo, do centro para a borda, na ordem de

1/100.

Existe uma distância a partir da qual o aumento de temperatura não é significante

metalurgicamente (para o aço esta distância fica na ordem de 150 mm).

A perda de calor na superfície, por convecção, é predominante para temperaturas inferiores a

550 C. Acima deste valor prevalece a perda por radiação.

Onde:

C – constante de forma do arco (função da

diâmetro da coluna do plasma e da relação

entre o calor concentrado e calor realmente

utilizado). Fonte: ASM Handbook Vol 6.

Formulação matemática (fundamento científico)



Rosenthal foi o primeiro a utilizar o conceito de estado de equilíbrio para simplificar o tratamento

matemático do fluxo de calor durante a soldagem (fonte pontual, sem fusão - singularidade, não

variação das propriedades térmicas, sem perda de calor pela superfície, peça infinita, ZTA

homogênea e linearidade).

Solução analítica proposta por Rosenthal (1935/1941/1946)

Sistema de coordenadas adotados para a simulação da condução de calor na

soldagem

Observação:

As soluções não são aplicáveis a

pontos vizinhos a fonte de calor (interior

da poça), devido a adoção de que a fonte

de calor é “pontual” – problema de

singularidade matemática;

As equações são aplicáveis para

determinar condições metalúrgicas e na

vinhaça do metal de solda.

Onde:

to – tempo de soldagem (arco

aberto)

t1 – tempo após a soldagem



Imagem: ASM Handbook, Vol. 6.

a) Solução para a determinação da temperatura de pico Tp (local de uma isoterma),

considerando um determinado ponto do metal de base adjacente ao metal de solda

Onde:

Tp – temperatura de pico ( C); – densidade (g/mm3); Cp – calor específico do metal sólido (J/g. C); t – espessura do metal de base

(mm); Hnet ( .I.U/vs) – calor aportado (J/s.mm); T0 – temperatura inicial do metal de base ( C); Tm – temperatura de fusão (°C); Y –

distância da temperatura de pico em relação a linha de fusão (mm).

Possíveis aplicações para a solução particular

“equação”: - Localização da Tp e sua permanência em uma

determinada região da ZTA;

- Determinar a largura da ZTA;

- Avaliar o efeito do pré-aquecimento e do Hinput sobre a

largura da ZTA (posicionamento de uma isoterma);

- Avaliar a influência do material;

- Avaliar a largura de uma determinada sub-região da ZTA.

Aplicações tecnológica das soluções particulares

Qual o interesse nas soluções particulares da equação da conservação de energia?

a) Avaliação da distribuição e localização da temperatura de pico (Tp) na ZTA;

b) Avaliação da taxa de resfriamento (R) no metal de solda e na ZTA;

c) Avaliação da taxa de solidificação da Zona Fundida (tempo para que a poça

solidifique – St).






Problema de

singularidade (Tp )

na região da poça –

consideração de fonte

pontual e constância nas

propriedades físicas do

material na formulação

de Rosenthal (Fonte:

Kou, 2002).

Exemplos: Fonte: Kou (2002).

Como base nos valores da tabela, qual a relação esperada

para To x ?

Exercício:

a) Determinar a localização temperatura de pico (Tp), em relação a linha de fusão, na soldagem de uma chapa de

aço baixo-carbono apresentando a espessura de 5 mm.

Tp (AC1) 730 C

Is 200 A

Us 20 V

vs 5 mm/s

Pré-aquecimento (T0) 25 C

Eficiência do processo ( ) 0,90

Hnet 720 J/mm

+

Y = 5,9 mm (que representa o valor da largura da ZTA!?)

b) Determinar qual o efeito de T0 = 150 C na largura da ZTA. c) Considerando T0 = 150 C, qual o novo Hnet necessário para manter ZTA = 5,9 mm.

Comportamento do ciclo térmico

experimentado por um ponto a ZTA

(Fonte: ASM Handbook, Vol 6)

Considerações e Exemplos

(a)

(b)

(c)

(d)



Ponto A

Ponto B

Ponto C

T TA

TB

TC

TA

tA tB tC

Observa-se que o ciclo térmico é formado por três regiões, ou seja: I –

aquecimento vigoroso (a), II – obtenção da temperatura máxima (Tp) (b) e III

– resfriamento gradual (c).

O ciclo térmico, experimentado por determinado ponto, será função da

sua distância em relação a fonte de calor.

O conjunto de temperaturas (d) será função de: intensidade da fonte,

propriedades termodinâmicas, To, vs e das coordenadas (x, y e z).

A

B C

t Exercício de fixação:

Para uma aço ABNT1040, determine largura da região, na ZTA, correspondente as linhas AC1 e AC3. Considerar: To = 25 C; material aço 1020/Al; Hnet = .Is.Us/vs; Is = 200 A; Us = 25 V; vs = 20 cm/min; t = 6 mm; Cp = 0,0044 J/mm3 C, Processos GMAW ou

SMAW.

Vs

800 C

500 C

t85

Considerações sobre os perfis esperados das isotermas:

Observações:

O incremento da densidade de corrente (J – A/mm2) aumenta a faixa das isotermas, mas não afeta sua forma;

O incremento nos valores da condutividade e difusividade térmica irá alterar tanto a forma quanto a faixa das isotermas

(dependência do tipo de material);

A fonte de calor pode ser dividida em: instantâneas (descarga capacitiva), contínuas (CC-) e periódicas (pulsação térmica).

Fina Espessa

Variação de provocando mudança no formato

das isotermas “função do tipo de material“ (Fonte:

Kou, 2002)

Incremento da espessura

provocando “fechamento /

contração” no formato das

isotermas (Fonte: Kou,

2002)



a) Efeito da espessura da chapa sobre o perfil e a distribuição da temperatura (forma e

localização das isotermas);

b) Efeito do tipo de material (condutividade térmica) sobre o perfil e a distribuição da

temperatura.

Como se

comporta o

G?

b) Solução para a determinação da taxa de resfriamento (R – C/s) na

região do depósito

Onde:

Tc – temperatura de interesse ( C); – densidade (g/mm3); - condutividade térmica (J/mm.s. C); Cp – calor específico do metal sólido (J/g. C); Hnet

( .I.U/vs) – calor aportado (J/mm); T0 – temperatura inicial do metal de base ( C).

Aplicação:

Determinar R crítica, no centro do

cordão, para uma liga “tratável

termicamente”, quando esta passa por a

uma determinada temperatura crítica (Tc)

e/ou por t8/5 – predizer a microestrutura

(especialmente nos aços tratáveis

termicamente e nos FoFo).

(b) Tridimensional

(chapa espessa)

(a) Bidimensional

(chapa fina)

(variação da T desprazível ao

longo da espessura)

Usando o valor da espessura relativa da

placa ( ) como referência, ou seja:

Fina – < 0,75 (bidimensional)

Espessa – > 0,75 (tridimensional)

E como definir se a chapa é fina ou espessa?

Fonte: Kou, 1987.



R1

R2

R2 < R1

Observação: Para o aço carbono, o cálculo de R, por exemplo, deve levar em consideração

Tc = 550 °C (cotovelo da curva de transformação – possibilidade da passagem direta por Ms).

Considerações:

O valor de R ( C/s) é reduzido com a elevação de T0

(efeito equivalente pode ser obtido com o uso da

temperatura de interpasses);

O valor de R ( C/s) é reduzido com o incremento do aporte

de calor por unidade de comprimento (R1 > R2);

Para um mesmo Hnet, o valor de R aumenta a medida que

a espessura da chapa é incrementada;

O conhecimento de t8/5 é importante por ser uma faixa de

temperatura crítica à transformações na ZTA.

Efeito do calor aportado

sobre o perfil da taxa de

resfriamento (Fonte:

Kou, 2002).

0,8 kJ/mm (b)

1,3 kJ/mm (a)

Diagrama TTT para a

condição de

transformação sob

resfriamento continuo

(CCT) mostrando o feito

de diferentes R sobre a

mudança de fases no

estado sólido. Diagrama TTT para a

condição de

transformação

isotérmica (ITT) –

mostrando o feito de

diferentes T sobre a

mudança de fases no

estado sólido.

T1

T2

Fonte: MATTER, 2008 (University of Liverpool) / Costa e Silva, 2011.

T2 < T1





Efeito do teor de carbono sobre a posição da curva

TTT e o inicio de transformação martensítica (aços 0,5

e 0,8% de C).

Efeito do teor de elemento de liga sobre a posição da

curva TTT (aço 0,8% de C).

Posição das TTT x capacidade de transformação martensítica

Diagrama

Fe-Fe3C

ZF

ZTA

•MB

723 C

1147 C

+

Fonte: Easterling, 1992.

Exceto o Co

Tamanho do

grão

austenítico



Taxa de resfriamento x transformação de fases?

CCT x R x mudança de fases (aço

hipoeutetóide). Fonte: Babu (2004)

Nucleação de ferritas

idiomórfica e alotriomorfica

no grão austenítico

primário.

Fonte: Bhadeshia

• Fonte: Wainer

(2000)

Figua 1

Consideração:

O incremento do número de locais “sítios”

para nucleação intragranular terá efeito

positivo sobre o incremento da quantidade

de ferrita idiomórfica. Em contrapartida,

ocorrerá uma redução na fração volumétrica

da ferrita alotriomórfica (Capdevila et al.,

2005).

Onde:

T = R (oC/s)

Qual a melhor

condição “controle

sobre R”?

Inclusão como

sítio para a

formação de FA

(Kou, 2002)



Tm 1510 C

T0 25 C

(condutividade

térmica)

0,028 J/mm.s. C

(11,7 W/m.K)

.Cp (calor volumétrico

específico)

0,0044 J/mm3. C

I 300 A

U 25 V

vs 6, 7, 8, 9 mm/s

Pré-aquecimento (T0) 25 C

Eficiência do processo ( ) 0,90

Exercício para resolução em sala:

Mantidas as demais condições, qual seria o valor de T0 para: (a) uma velocidade de soldagem de 10 mm/s e (b) t

= 12 mm para manter R igual a 5,7 C/s?

Considerando as tabelas abaixo, determinar a taxa de resfriamento no centro do cordão para

Tc = 550 C, na soldagem de uma chapa de aço carbono (1045) apresentando a espessura de

6 mm (evitar a formação de martensita na ZTA – risco de trinca na presença de H e da tensão

atuante “carregamento”).

Passo I – Determinar a dureza para cada vs (limite 8 mm/s, com Hnet = 843,75 J/mm)

= 0,31 < 0,75 (fina)

= 5,7 C/s

Exercício de fixação

Passo II – Determinar se a chapa é “fina” ou “grossa” ( ) e calcular o valor máximo de R



Uso de nomogramas para definir R

Fonte: Easterling, 1983

Determinação de t8/5

em função da forma de

deposição, calor

aportado e espessura.

Diagram of supercooled austenite transformations of

elaborated steel containing 0,24%C (CCT-diagram). Fonte: Grajcar, 2008.

Determinação do efeito do tipo de junta, da espessura e do Hnet sobre o valor de R a partir

do nomograma (proteção CO2/O2).

Fonte: Murry,

•Parâmetros de

soldagem - entrada

Tipo de junta e

geometria do

chanfro Processo de

soldagem

•Pré-

aquecimento

Determinação do

t8/5 ou 7/3 em

função de:

parâmetros de

soldagem,

geometria do

chanfro, espessura

da chapa, pré-

aquecimento e

processo de

soldagem.

Uso de nomogramas para definir R



Exercício de fixação – nomogramas x R

a) Considerando que ao realizar a soldagem de um aço

médio carbono (ASTM 1050) você tenha que emitir um

parecer, usando o nomograma do IRSID1, sobre qual o

pacote operacional (EPS) que, se aplicado, não tenderia a

formar estrutura martensítica ao resfriar (considerar

critérios custo x tempo como item de avaliação).

Condições:

Máximo valor de R para não formar microestrutura

martensítica = 30 oC/s

Condições de soldagem: Processos MIG ou ER; Is = 100 e 250 A;

Us = 25 V; Vs = 10 e 40 cm/min; Junta em “T”; s = a = 10 e 40 mm;

To = 25 e 200 oC.

Faixa de t8/5 para os processos: (MIG/MAG = 4 a 30 s e

ER = 2 a 15 s) – Fonte: Blondeau, 2008.

b) Caso as condições apresentadas acima não permitam

o controle da microestrutura, qual a sua recomendação?

(1) INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDÉRURGIE FRANÇAISE - IRSID





c) Solução para a determinação do tempo de solidificação da poça de

fusão (St)

Onde:

L – calor de fusão (J/mm3).

Aplicação:

Importância na determinação da estrutura metalúrgica presente na zona fundida após solidificação (resposta a

tratamentos térmicos, propriedades e defeitos “porosidade / trinca”).

Exemplo:

Determinar o tempo de solidificação num passe de solda, quando

um calor aportado de 800 J/mm é utilizado sobre uma chapa de aço

baixo-carbono.

Tm 1510 C

T0 25 C

.Cp (calor

volumétrico

específico)

0,0044 J/mm3. C

L 2 J/mm3

Exercício de fixação:

Discutir o efeito do Hnet e T0 sobre o tempo de solidificação, ou seja, possíveis implicações.

Fonte: Phase Transformations & Complex Prorperties Research Group (University of Cambridge)



a) Efeito da propriedade do material e da vs sobre a distribuição de temperatura

vs = 1 mm/s vs = 5 mm/s vs = 8 mm/s

O que se observa?

– poça (largura cordão)

– alongamento isotermas

vs – poça (largura cordão)

vs – alongamento isotermas

Conclusões

+

-

vs + - Fonte: ASM Handbook, Vol 6.

Item Aço baixo-carbono 304 Alumínio

vs 1, 5 e 8 mm/s

Difusividade

térmica (k)

7,56 mm2/s 4,6 mm2/s 80 mm2/s

Condutividade

térmica ( )

50 W/m.K 26 W/m.K 347 W/m.K

Hnet 4,2 kJ/mm

Conclusões – continuação

b) Efeito do calor aportado (heat input) sobre a temperatura de pico ( ) Condições:

Material – aço baixo-carbono com grande espessura

Processo de soldagem GMAW

Observações:

Is – Tp aumenta linearmente (a)

vs – Tp diminui exponencialmente (b)

Aumento proporcional de Is em relação a vs (Is/vs = cte - manter constante o Hnet por unidade de comprimento) – Tp aumenta

exponencialmente (este efeito e desprazível para pontos longe da poça de fusão), vide (c).

A 6,4 mm do centro

A 13 mm do centro

Is/vs = cte

Efeito da eficiência térmica

(a)

(b)

(c)


Fonte: Kou, 2002.





Conclusões - Continuação

Efeito da densidade de potência sobre a

geometria da poça (Fonte: Kou, 2002).

Soldagem com

feixe de elétrons

(um passe)

Soldagem ao arco elétrico

sem a constrição do arco

(dois passes)

•Fonte: ISF Aachen, 2005

Fonte: Kou, 2002

c) Distribuição do calor aportado (constrição do arco elétrico)

Consequências:

A concentração do calor aportado (constrição do arco) produz, para a

mesma potência, cordões mais profundos e, em alguns casos, mais largos

inicialmente, com estreitamento a medida que o calor e mais concentrado) ;

Quanto maior o valor do comprimento do arco, maior será a perda de

calor para a vizinhança e, como resultado, menor será o rendimento térmico.

Conclusões – Continuação

d) Distribuição de calor devida a agitação da poça de fusão

A agitação da poça e fusão, por diferentes técnicas, aumenta o efeito convectivo do metal

líquido e, como consequência, eleva o valor efetivo da condutividade térmica nesta região. Este

efeito melhora a transferência de calor da poça para o metal de base (queda de temperatura e

ajuda a nucleação – possibilidade de grãos equiaxiais);

A distribuição da densidade de corrente e a pressão do arco, também, influenciam no grau de

agitação da poça.

Fem Fem

Fpa

FgotaFF

Fpa

Fb

Metal de basePoça

Gota

Tocha

Regiãodo Arco

Região deimpacto das gotas

Fonte: Barra, 2003.

Comportamento da poça de fusão em função

das forças atuante.

Diferença de pressão estática do

gerada no arco entre o ânodo e

cátodo (GTAW).

Fonte: Eagar, 1983

Efeito do impacto da gota e da

pressão do arco sobre a agitação

da poça de fusão



../Filmes/Al va variando.avi


e) Consideração sobre a importância da temperatura de pós-aquecimento

Fonte: ISF Aachen, 2005

Trinca de reaquecimento

decorrente de pós-

aquecimento (Fonte: Kou, 2002)

Exemplo do uso de pré e pós-

aquecimento para alívio de tensões

A utilização do pós-aquecimento é muito importante para aliviar tensões internas (residuais), evitar

aprisionamento de hidrogênio, influenciar no comportamento a fadiga e, em alguns casos, recuperar/refinar

produtos decorrentes do resfriamento na região do depósito (revenimento da martensita) ou, negativamente,

gerar trinca de reaquecimento. Efeito da soldagem

multipasse sobre o perfil

de sucessivos

aquecimento de um ponto

do cordão.

Efeito do pós-aquecimento

no conteúdo de hidrogênio

residual no depósito (aço

baixo carbono). Fonte: Kou,

2002.



Exercício: Ao avaliar duas Especificações de Procedimentos de Soldagem (EPS1 e

EPS2), na soldagem de um aço baixa liga (tratável termicamente), você observa que

há diferença entre os valores indicados nos documentos (EPS) para as temperaturas

iniciais da chapa (pré-aquecimento - To), temperaturas de interpasse (Tint) e

temperaturas de pós-aquecimento (Tpós). Com base nestas informações, explicar

qual a importância tecnológica da correta seleção das referidas variáveis.


f) Uso da formação da ZTA para recuperação da ZF

Uma possibilidade de recuperação (melhoria) da estrutura bruta de fusão da ZF é a utilização de

soldagem multipasse e conseqüente maximização da zona regenerada.

Zona regenerada

Maximização do volume

de regiões regeneradas

através da redefinição

do número de passes

(em branco as Zonas

Regeneradas).

Fonte: Phase Transformations & Complex

Properties Research Group

(University of Cambridge)

Fonte: Kou, 2002.



Algumas indicações:

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

Site da Soldagem (www.sitedasoldagem.com.br)

Infosolda (www.infosolda.com.br/)

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

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

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

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

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

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

Labsolda UFSC (www.labsolda.ufsc.br) /

LRSS UFMG (www.demec.ufmg.br/Grupos/Solda/)

Graco – UnB (www.graco.unb.br/)

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

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

Associação Brasileira de Soldagem - ABS (www.abs-soldagem.org.br)

Portal de Periódicos CAPES (www.periodicos.capes.gov.br/)


Onde buscar informações sobre a área de soldagem?

http://www.aws.org/

http://www.sitedasoldagem.com.br/

http://www.infosolda.com.br/

http://www.iiw-iis.org/



http://www.msm.cam.ac.uk/

http://www.twi.co.uk/home.html

http://www.paton.kiev.ua/eng/inst/inst.html

http://asmcommunity.asminternational.org/portal/site/asm/

http://www.ewi.org/

http://www.labsolda.ufsc.br/

http://www.demec.ufmg.br/Grupos/Solda/

http://www.graco.unb.br/

http://www.mecanica.ufu.br/Laboratorios/laprosolda/index.html

http://www.isf-aachen.de/eng/index_en.html



http://www.abs-soldagem.org.br/



http://www.periodicos.capes.gov.br/

Documents

Fundamentos da transferência de calor aplicados à soldagem