Metalurgia da Soldagem_Fundamentos da Transferência de Calor

Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

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

Disciplina: Metalurgia da Soldagem I

TópicoFundamentos da transferência de calor aplicados à so ldagem

Índice (conteúdos abordados)

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

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

operação de soldagem (ligas ferrosas)

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

ApresentaApresentaççãoão

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

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

�Consultas/dúvidas: [email protected]


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

Soldagem Soldagem éé um processo em que materiais, iguais ou um processo em que materiais, iguais ou dissimilares, são aproximados e unidos por meio da dissimilares, são aproximados e unidos por meio da formaformaçção de ligaão de ligaçção quão quíímica (primmica (primáária ou ria ou secundsecundáária) sob aria) sob açção combinada de calor e pressão ão combinada de calor e pressão ((MesslerMessler, 1993), 1993)


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

1) Continuidade (ausência de interrupção física em escala atômica, não implicando em continuidade química e/ou homogeneidade micro estrutural);

Exemplos: (a) Soldagem de duas chapas de aço inoxidável austenítico de mesma composição química ou

(b) Soldagem dissimilar - metal com cerâmica.

2) Não se une, por soldagem, apenas metal (e os polímeros e as cerâmicas? )

3) Soldagem é a ação combinada de calor e pressão (pode ter ação isolada!? )

4) Necessidade ou não de uso de material de adição (geometria x composição )

5) Soldagem é aplicada para produzir um conjunto/est rutura – uma função!

Qual a importância do estudo da metalurgia da solda gem?Qual a importância do estudo da metalurgia da solda gem?

a) Conhecimento complementar para entender como a operaa) Conhecimento complementar para entender como a operaçção de soldagem ão de soldagem influencia a qualidade do depinfluencia a qualidade do depóósito (sito (processo de soldagemprocesso de soldagem , , ff íísica do arcosica do arco e e metalurgia da soldagemmetalurgia da soldagem ););

b) A maioria dos processos de soldagem, utilizados comercialmentb) A maioria dos processos de soldagem, utilizados comercialmente, utilizam o calor e, utilizam o calor (quantidade e intensidade) como fonte de fusão e forma(quantidade e intensidade) como fonte de fusão e formaçção do depão do depóósito;sito;

c) Entender os mecanismos envolvidos na solidificac) Entender os mecanismos envolvidos na solidificaçção, nas transformaão, nas transformaçções de de ões de de fases no estado sfases no estado sóólido (tipo e fralido (tipo e fraçção volumão voluméétrica de trica de microconstituintesmicroconstituintes), na forma), na formaçção ão de defeitos (descontinuidades fde defeitos (descontinuidades fíísicas) e na incidência de tensão residual (distorsicas) e na incidência de tensão residual (distorçção);ão);

Soldagem ao arco elétrico com eletrodo revestido


Efeito do ciclo térmico sobre a mudança de estado/fases e formas de distorções oriundas da

operação de soldagem (Fonte: IIW / Lincoln)

Transformação de fases na ZF (Fonte: Barra, 2003).

d) Propiciar conhecimentos cientd) Propiciar conhecimentos cientííficos que viabilizem o desenvolvimento de teoria e ficos que viabilizem o desenvolvimento de teoria e modelos matemmodelos matemááticos que sirvam de ferramentas para anticos que sirvam de ferramentas para anáálises tlises téérmicas e rmicas e metalmetalúúrgicas (interargicas (interaçção ciência e tecnologia).ão ciência e tecnologia).

Qual a importância do estudo da metalurgia da solda gem?Qual a importância do estudo da metalurgia da solda gem?


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

FgotaFγFγ

Fpa

Fb

Metal de basePoça

Gota

Tocha

Regiãodo Arco

Região deimpacto das gotas

As forças atuantes na poça de fusão (Fonte: Barra, 2003).

Fundamentos de transferência de calor aplicados Fundamentos de transferência de calor aplicados àà soldagemsoldagem

-- Na soldagem por fusão o movimento fNa soldagem por fusão o movimento f íísico da fonte de calor provoca as sico da fonte de calor provoca as seguintes alteraseguintes altera çções:ões:

a)a) MudanMudan çça fa f íísica de estado (S L S);sica de estado (S L S);

b)b) TransformaTransforma çções metalões metal úúrgicas;rgicas;

c)c) Transiente tTransiente t éérmico (stress);rmico (stress);

d)d) MovimentaMovimenta çção metão met áálica.lica.

Como conseqComo conseq üüência, o depência, o dep óósito apresentarsito apresentar áá::

a)a) Descontinuidades fDescontinuidades f íísicas (severidade na velocidade de solidificasicas (severidade na velocidade de solidifica çção);ão);

b)b) Indesejadas fases (inapropriado resfriamento);Indesejadas fases (inapropriado resfriamento);

c)c) ConcentraConcentra çção de tensão e distorão de tensão e distor çções (esforões (esfor çço acima da região elo acima da região el áástica).stica).

Zona fundidaZona fundida

Zona Zona termicamente termicamente

afetadaafetada

Metal de baseMetal de base

Inclusão, Inclusão, ferritaferrita de de contorno de grão, outras contorno de grão, outras

(Fonte: Barra, 2003).(Fonte: Barra, 2003).

Trinca na ZTA Trinca na ZTA (região grãos (região grãos grosseiros)grosseiros)

Zona Zona termicamente termicamente

afetadaafetada

DistorDistor ççãoão


Fonte: TWI


-- Modelo fModelo f íísico proposto:sico proposto:

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

ConsideraConsidera ççõesões

a)a) Fonte de calor (arco) com movimento Fonte de calor (arco) com movimento constante ao longo de uma trajetconstante ao longo de uma trajet óória ria linear;linear;

b)b) Existência de transiente tExistência de transiente t éérmico rmico (aquecimento antes de atingir o a (aquecimento antes de atingir o a condicondi çção de regime ão de regime –– quasequase --estacionestacion áário);rio);

c)c) DistribuiDistribui çção de temperatura ão de temperatura estacionestacion áária na região de regime;ria na região de regime;

d)d) O centro da fonte de calor O centro da fonte de calor ééconsiderado como ponto de origem.considerado como ponto de origem.

ObservaObserva ççõesões

a)a) O arco provoca fusão localizada;O arco provoca fusão localizada;

b)b) Existência de perda de calor por Existência de perda de calor por convecconvec çção, radiaão, radia çção e conduão e condu çção (impacto ão (impacto sobre o valor do rendimento tsobre o valor do rendimento t éérmico rmico ““ ηηηηηηηη”” ););

c)c) FormaForma çção de três regiões metalão de três regiões metal úúrgicas rgicas distintas (ZF, ZTA e MB).distintas (ZF, ZTA e MB).

EletrodoEletrodo

ArcoArco

PoPoççaa

ZFZF

ZTAZTA

WW

Fonte: ASM Handbook, Vol 6.

O que provoca mudança no valor do rendimento térmic o (ηηηη)?

Causas da perda de energia da fonte de calor para a peça. Como conseqüência, o valor de “ ηηηη” muda para um mesmo processo e para diferentes processos de soldagem ao arco elétrico (Fonte: Messler, 2004) .

Típicos valores de rendimento térmico “ ηηηη” para os processos de soldagem por fusão (Fonte: Messler, 20 04).


Rendimento tRendimento t éérmico do arco elrmico do arco el éétrico (trico ( ηηηηηηηη))

Para um mesmo heatinput , como o valor de “ ηηηη” muda em função do processo de soldagem (Fonte: ISF Aachen, 2005).


-- As caracterAs caracter íísticas apresentadas pela zona fundida (ZF) depender ão das sticas apresentadas pela zona fundida (ZF) depender ão das seguintes condiseguintes condi çções:ões:

a)a) Gradiente tGradiente t éérmico (G) rmico (G) –– °°C/mm;C/mm;

b)b) Taxa de solidificaTaxa de solidifica çção (velocidade da frente de solidificaão (velocidade da frente de solidifica çção ão RsRs) ) –– mm/s;mm/s;

c)c) Taxa de resfriamento (R) Taxa de resfriamento (R) –– °°C/s (G.C/s (G.RsRs););

d)d) Interface sInterface s óólidolido --ll ííquido.quido.ExemplosExemplos

ObservaObserva çção:ão:

O tamanho da poO tamanho da po çça e a direa e a dire çção do ão do fluxo irão determinar o grau de fluxo irão determinar o grau de diluidilui çção e a penetraão e a penetra ççãoão


Possibilidades:

Baixa vs /

Pré-aquecimento / Elavada Is

Possibilidades:

Elevada vs /

Sem pré-aquecimento / Baixa Is

Fonte: Phase Transformations & Complex Properties R esearch Group


-- As caracterAs caracter íísticas apresentadas pela zona termicamente afetada (ZTA) sticas apresentadas pela zona termicamente afetada (ZTA) dependerdepender áá das seguintes condidas seguintes condi çções:ões:

a)a) Temperatura de pico;Temperatura de pico;

b)b) Taxa de resfriamento.Taxa de resfriamento.

Exemplo: (a) Exemplo: (a) ZTA decorrente de CC ZTA decorrente de CC em simples deposiem simples deposi ççãoão

ZTAZTA

ZFZF

MBMB

(b) ZTA decorrente de dupla (b) ZTA decorrente de dupla pulsapulsa çção de correnteão de corrente

E no caso (b) como ficaria?


Diagrama Fe-Fe3C

ZFZF ZTAZTA

MBMB

723 °C

1147 °C

αααα+γγγγ

Fonte: Barra, 2003

Fonte: Easterling, 1992.

-- As caracterAs caracter íísticas apresentadas pela zona termicamente afetada (ZTA) sticas apresentadas pela zona termicamente afetada (ZTA) ––continuacontinua çção.ão.

a)a) Ciclo tCiclo t éérmico (T = f(t));rmico (T = f(t));

b)b) PartiParti çção tão t éérmica (T = f(d)).rmica (T = f(d)).


Quais os fatores que afetam o ciclo tQuais os fatores que afetam o ciclo t éérmico?rmico?

a)a) O calor aportado;O calor aportado;

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

c)c) A espessura do metal de base;A espessura do metal de base;

d)d) A temperatura de prA temperatura de préé--aquecimento;aquecimento;

e)e) A temperatura de A temperatura de interpasseinterpasse;;

f)f) O tipo de material (propriedades O tipo de material (propriedades termoftermofíísicassicas).).

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

da do efeito da distancia sobre o a temperatura de

pico (Tp)

Fonte: Murry

CaracterCaracter íísticas de avaliasticas de avalia çção do ciclo tão do ciclo t éérmicormico


Efeito da espessura e do tipo de junta (conjunto x espessura) sobre os perfis das isotermas.

CaracterCaracter íísticas de avaliasticas de avalia çção do ciclo tão do ciclo t éérmicormico

Efeito da tipo de processo de soldagem sobre o perfil

do ciclo térmico.

Fonte: Murry


Observação: O tamanho da zona alterada termicamente (ZTA ou Zona Regenerada ZR) dependerá da partição térmica apresentada (temperatura x distância) e, por sua vez, as modificações da estrutura, 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 multipassecom processo convencional de soldagem (efeito da partição térmica).

Regiões brancas representam as Zonas Regeneradas.


Fonte: Barra, 2003

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


-- Estados tEstados t éérmicos apresentados pelos processos de soldagem:rmicos apresentados pelos processos de soldagem:

a)a) Transiente (inTransiente (in íício e fim da soldagem, sendo a cio e fim da soldagem, sendo a úúltima região de principal ltima região de principal interesse metalinteresse metal úúrgico rgico –– hot hot crackingcracking ) ) –– cratera e reparo rcratera e reparo r áápido;pido;

b)b) QuaseQuase --estacionestacion áário (expansão e contrario (expansão e contra çção tão t éérmica rmica –– concentraconcentra çção de ão de tensão e deformatensão e deforma çção apão ap óós ciclo ts ciclo t éérmico).rmico).

ObservaObserva çção: A determinaão: A determina çção do tempo e da distância necessão do tempo e da distância necess áários para se atingir o rios para se atingir o regime quaseregime quase --estacionestacion áário, a partir da abertura do arco, pode ser estimad o por: rio, a partir da abertura do arco, pode ser estimad o por:

16 = x16 = x22/k.t, sendo x = v/k.t, sendo x = v ss.t Logo: .t Logo: t = 16.k/vt = 16.k/v ss2 2 (equa(equa çção 1)ão 1)

OOnde: x nde: x –– distância necessdistância necess áária para ser atingido o regime; t ria para ser atingido o regime; t –– tempo e k tempo e k –– difusividade tdifusividade t éérmica do materialrmica do material

Diferença na distância necessária para atingir o regime estacionário em função do tipo de material (difusividade)

AAçço carbonoo carbonoAlAl --MgMg


Quais as informações práticas possíveis de extrair da equação 1 (atividade em grupo)?

Fonte: Barra, 2003.


a)a) No procedimento de soldagem deve ser considerado o aporte de calNo procedimento de soldagem deve ser considerado o aporte de cal or (or ( heatheatinputinput –– ηηηηηηηη..IIss.U.Uss//vvss) que garanta o controle sobre as taxas de solidifi ca) que garanta o controle sobre as taxas de solidifi caçção e ão e resfriamento;resfriamento;

b)b) Em alguns casos Em alguns casos éé necessnecess áário o uso de prrio o uso de pr éé e pe póóss--aquecimento;aquecimento;

c)c) O procedimento de soldagem pode atuar no controle/d istribuiO procedimento de soldagem pode atuar no controle/d istribui çção de ão de segregasegrega çção (ão ( fase eutfase eut éética x trinca a quentetica x trinca a quente ) e libera) e libera çção de gases diluão de gases dilu íídos na dos na ZF.ZF.

Conclusões 1Conclusões 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)


-- Modelos utilizados na simulaModelos utilizados na simula çção/anão/an áálise de problemas tlise de problemas t éérmicos em rmicos em soldagem (adotandosoldagem (adotando --se adequadas condise adequadas condi çções de simplificaões de simplifica çção e contorno)ão e contorno)

a)a) Modelo analModelo anal íítico (problemas com respostas lineares e utilizando valores tico (problemas com respostas lineares e utilizando valores experimentais como ponto de calibraexperimentais como ponto de calibra çção ão –– determinadetermina çção da largura da ão da largura da ZTA);ZTA);

b)b) Modelo numModelo num éérico (rico ( variavariaçção contão contíínua de seus valores numnua de seus valores numééricos em funricos em funçção de ão de sua posisua posiçção ão –– solidificasolidificaçção da ZFão da ZF). Sobre condi). Sobre condi çções severas o estudo da ZTA ões severas o estudo da ZTA lanlan çça mão de modelos numa mão de modelos num éérico rico –– soldagem subaqusoldagem subaqu áática.tica.

ObservaObserva ççãoão

�� Os problemas tOs problemas t éérmicos em soldagem rmicos em soldagem podem ser categorizados em: I) taxa de podem ser categorizados em: I) taxa de resfriamento na ZTA e vizinhanresfriamento na ZTA e vizinhan çça; II) taxa a; II) taxa de solidificade solidifica çção da ZF e III) deformaão da ZF e III) deforma çções ões ttéérmicas.rmicas.

Fonte: Miller Welds



a)a) CondiCondi çções de contornoões de contornoi) As coordenadas (x, y e z) movem a mesma velocida de da fonte di) As coordenadas (x, y e z) movem a mesma velocida de da fonte d e calor e calor –– νννννννν ou ou vvss (arco como uma (arco como uma

fonte pontual fonte pontual –– centro do arco);centro do arco);

ii) Consideraii) Considera --se, na condise, na condi çção quaseão quase --estacionestacion áária, distribuiria, distribui çção de temperatura constante em relaão de temperatura constante em rela çção a ão a fonte pontual e inexistência de fontes ou sorvedour os de energiafonte pontual e inexistência de fontes ou sorvedour os de energia no interior do material;no interior do material;

iii) Distribuiiii) Distribui çção de calor Gaussiana (distribuião de calor Gaussiana (distribui çção temperatura e geometria da poão temperatura e geometria da po çça não se alteram no a não se alteram no decorrer de t) e sem perdas na superfdecorrer de t) e sem perdas na superf íície da pecie da pe çça.a.

ObservaObservaçção: Equaão: Equaçção geral do balanão geral do balançço de energia (possibilidade de aplicao de energia (possibilidade de aplicaçção no estudo do fluxo de calor na soldagem)ão no estudo do fluxo de calor na soldagem)

Onde:Onde:

Θ Θ Θ Θ Θ Θ Θ Θ –– temperatura; temperatura; ρρρρρρρρ –– densidade; densidade; CCpp –– calor especcalor espec íífico; t fico; t –– tempo; Q tempo; Q –– taxa de gerataxa de gera çção volumão volum éétrica trica de calor; de calor; ∇∇∇∇∇∇∇∇ –– operador diferencial vetorial (gradiente); operador diferencial vetorial (gradiente); νννννννν –– velocidade da fonte (soldagem); velocidade da fonte (soldagem); λλλλλλλλ ––condutividade tcondutividade t éérmica. rmica.

Propriedades fPropriedades f íísicas do materialsicas do material

Procedimento de soldagemProcedimento de soldagemComportamento da Comportamento da

temperatura em funtemperatura em fun çção t ão t e diree dire çção) ão)

Quais as informaQuais as informa çções ões de interesse da de interesse da

soldagem que podem soldagem que podem ser extraser extra íídas da das da

equaequa çção?ão?

Possibilidade de correlacionar propriedades Possibilidade de correlacionar propriedades do material (metalurgia) com o procedimento do material (metalurgia) com o procedimento

de soldagem (processo). Fonte: ASM de soldagem (processo). Fonte: ASM HndbbokHndbbok , , VolVol 6.6.

FormulaFormula çção matemão matem áática (fundamento cienttica (fundamento cient íífico)fico)


�� Na prNa pr áática a significante fonte de calor (arco) pode ser considerada rtica a significante fonte de calor (arco) pode ser considerada r estrita a um estrita a um ccíírculo de raio rculo de raio rraa, onde de 0 a r a uma queda do fluxo de calor , onde de 0 a r a uma queda do fluxo de calor qqoo, do centro para a , do centro para a borda, na ordem de 1/100.borda, na ordem de 1/100.

�� Existe uma distância a partir da qual o aumento de temperatura nExiste uma distância a partir da qual o aumento de temperatura n ão ão éé significante significante metalurgicamente (para o ametalurgicamente (para o a çço esta distância fica na ordem de 150 mm)o esta distância fica na ordem de 150 mm)

�� A perda de calor na superfA perda de calor na superf íície, por conveccie, por convec çção, ão, éé predominante para temperaturas predominante para temperaturas inferiores a 550 inferiores a 550 °°C. Acima deste valor prevalece a perda por radiaC. Acima deste valor prevalece a perda por radia çção. ão.

CC –– constante de forma do arco (funconstante de forma do arco (funçção da ão da diâmetro da coluna do plasma e da reladiâmetro da coluna do plasma e da relaçção ão entre o calor concentrado e calor realmente entre o calor concentrado e calor realmente utilizado) utilizado)

FormulaFormula çção matemão matem áática (fundamento cienttica (fundamento cient íífico)fico)

.


Rosenthal foi o primeiro a utilizar o conceito de Rosenthal foi o primeiro a utilizar o conceito de estado de equilestado de equil ííbriobrio para para simplificar o tratamento matemsimplificar o tratamento matem áático do fluxo de calor durante a soldagem (fonte tico do fluxo de calor durante a soldagem (fonte pontual, sem fusão pontual, sem fusão -- singularidade, não variasingularidade, não varia çção das propriedades tão das propriedades t éérmicas, sem rmicas, sem perda de calor pela superfperda de calor pela superf íície, pecie, pe çça infinita, ZTA homogênea e linearidade).a infinita, ZTA homogênea e linearidade).

SoluSolu çção analão anal íítica proposta por Rosenthal (1935/1941/1946)tica proposta por Rosenthal (1935/1941/1946)

Fonte: ASM Handbook, Vol. 6.

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, devido a adoção de que a fonte de calor é “pontual”

As equações são aplicáveis para determinar condições metalúrgicas no e na vinhaça do metal de solda

Onde:

to – tempo de soldagem (arco aberto)

t1 – tempo após a soldagem


a) Solua) Solu çção para a determinaão para a determina çção da temperatura de pico num determinado ponto ão da temperatura de pico num determinado ponto do metal de base adjacente ao metal de soldado metal de base adjacente ao metal de solda

Onde:Onde:

TpTp –– temperatura de pico (temperatura de pico ( °°C); C); ρρρρρρρρ –– densidade (g/mmdensidade (g/mm 33); ); CpCp –– calor especcalor espec íífico do metal sfico do metal s óólido (J/g.lido (J/g. °°C); t C); t –– espessura do metal de base (mm); espessura do metal de base (mm); HnetHnet((ηηηηηηηη.I.U/.I.U/vsvs ) ) –– calor aportado (J/s.mm); Tcalor aportado (J/s.mm); T 00 –– temperatura inicial do metal de base (temperatura inicial do metal de base ( °°C); C); TTmm –– temperatura de fusão (temperatura de fusão ( °°C); Y C); Y –– distância da temperatura distância da temperatura de pico em relade pico em rela çção a linha de fusão (mm). ão a linha de fusão (mm).

AplicaAplica çções da equaões da equa çção:ão:

-- LocalizaLocaliza çção da ão da TTpp , e sua , e sua permanência, em uma determinada permanência, em uma determinada região da ZTA;região da ZTA;

-- Largura da ZTA;Largura da ZTA;

-- Efeito do prEfeito do pr éé--aquecimento na largura aquecimento na largura da ZTA.da ZTA.

AplicaAplica çção tecnolão tecnol óógica (solugica (solu çções particulares)ões particulares)

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

a) Avaliação da distribuição de temperatura de pico na ZTA;

b) Avaliação da taxa de resfriamento no metal de sol da e na ZTA;

c) Avaliação da taxa de solidificação da Zona Fundid a.

Equação de Adams para transferência bidimensional na superfície do Metal de Base (Z = 0)


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:Exemplos:

Efeito do tipo de material sobre o perfil das isotermas na ZTA/MB (Fonte: Kou, 2002)

Exercício: Determine a posição da isoterma para a temperatura de pico Tp igual a 650 °C.Considerar: T0 = 25 °C; material aço 1020; H net = η.Is.Us/vs; Is = 200 A; Us = 25 V; vs = 20 cm/min; t = 6 mm; Processos GMAW ou SMAW. Fonte: Kou, 2002.


ExercExerc íício:cio:

a) Determinar a localizaa) Determinar a localiza çção temperatura de pico, em relaão temperatura de pico, em rela çção a linha ão a linha de fusão, na soldagem de uma chapa de ade fusão, na soldagem de uma chapa de a çço baixoo baixo --carbono carbono apresentando a espessura de 5 mm.apresentando a espessura de 5 mm.

�� O ciclo tO ciclo t éérmico rmico éé formado por três regiões, ou seja: I formado por três regiões, ou seja: I –– aquecimento aquecimento vigoroso (a), II vigoroso (a), II –– obtenobten çção da temperatura mão da temperatura m ááxima (xima ( TTpp) (b) e III ) (b) e III ––resfriamento gradual (c).resfriamento gradual (c).

�� O ciclo tO ciclo t éérmico, experimentado por determinado ponto, serrmico, experimentado por determinado ponto, ser áá funfun çção ão da sua distância em relada sua distância em rela çção a fonte de calor.ão a fonte de calor.

�� O conjunto de temperaturas (d) serO conjunto de temperaturas (d) ser áá funfun çção de: intensidade da fonte, ão de: intensidade da fonte, propriedades termodinâmicas, Tpropriedades termodinâmicas, T 00, , vvss e das coordenadas (x, y e z). e das coordenadas (x, y e z).

Comportamento do ciclo térmico experimentado por

um ponto a ZTA (Fonte: ASM Handbook, Vol 6)

Y = 5,9 mm (que representa o valor da largura da ZT A!!!)Y = 5,9 mm (que representa o valor da largura da ZT A!!!)

b) Determinar qual o efeito de Tb) Determinar qual o efeito de T 00 = 150 = 150 °°C na largura C na largura da ZTA.da ZTA.

c) Considerando Tc) Considerando T 00 = 150 = 150 °°C, qual o novo C, qual o novo HHnetnet

necessnecess áário para manter ZTA = 5,9 mm. rio para manter ZTA = 5,9 mm.

730 °CTp (AC1)

25 °CPré-aquecimento (T 0)

0,90Eficiência do processo ( ηηηη)

720 J/mmHnet

5 mm/svs

20 VUs

200 AIs

Exemplos:Exemplos:

(a)

(b)

(c)

(d)

+


�� Efeito da espessura da chapa no perfil de distribuiEfeito da espessura da chapa no perfil de distribui çção da temperatura (forma ão da temperatura (forma e localizae localiza çção das isotermas)ão das isotermas)

ConsideraConsidera çções:ões:

O incremento da densidade de corrente (J) aumenta a faixa das isO incremento da densidade de corrente (J) aumenta a faixa das is otermas, mas não afeta sua forma;otermas, mas não afeta sua forma;

O incremento nos valores da condutividade e difusiv idade tO incremento nos valores da condutividade e difusiv idade t éérmica irrmica ir áá alterar tanto a forma quanto a faixa alterar tanto a forma quanto a faixa das isotermas (dependência do tipo de material); das isotermas (dependência do tipo de material);

A fonte de calor pode ser dividida em: instantâneas , contA fonte de calor pode ser dividida em: instantâneas , cont íínuas e perinuas e peri óódicas.dicas.

FinaFina EspessaEspessa

IsotermasIsotermas

Mudança no formato das isotermas em função do tipo de material

(Fonte: Kou, 2002)


b) Solub) Solu çção para a determinaão para a determina çção da taxa de resfriamento (R) na região do ão da taxa de resfriamento (R) na região do depdep óósitosito

Onde:Onde:

TTcc –– temperatura de interesse (temperatura de interesse ( °°C); C); ρρρρρρρρ –– densidade (g/mmdensidade (g/mm 33); ); -- condutividade tcondutividade t éérmica (J/mm.s.rmica (J/mm.s. °°C); C); CCpp –– calor especcalor espec íífico fico do metal sdo metal s óólido (J/g.lido (J/g. °°C); C); HHnetnet ((ηηηηηηηη.I.U/.I.U/vvss) ) –– calor aportado (J/s.mm); Tcalor aportado (J/s.mm); T 00 –– temperatura inicial do metal de base (temperatura inicial do metal de base ( °°C). C).

AplicaAplica çção:ão:

Determinar R crDeterminar R cr íítica, no centro do tica, no centro do cordão, para um determinado acordão, para um determinado a çço, o, quando este passa por a uma quando este passa por a uma determinada temperatura crdeterminada temperatura cr íítica (tica ( TTcc) ) ––predizer a microestrutura predizer a microestrutura (especialmente nos a(especialmente nos a çços tratos trat ááveis veis termicamente).termicamente).

(b) Tridimensional (b) Tridimensional (chapa espessa)(chapa espessa)

(a) Bidimensional (a) Bidimensional (chapa fina)(chapa fina)

(varia(varia çção da T desprazão da T despraz íível ao vel ao longo da espessura)longo da espessura)

Usando o valor da espessura relativa da Usando o valor da espessura relativa da placa (placa ( ττττττττ) como referência, ou seja:) como referência, ou seja:

Fina Fina –– ττττττττ < 0,75 (bidimensional)< 0,75 (bidimensional)

Espessa Espessa –– ττττττττ > 0,75 (tridimensional)> 0,75 (tridimensional)

E como definir se a chapa E como definir se a chapa éé fina ou espessa?fina ou espessa?


Fonte: Kou, 1987


ObsObs : Para o a: Para o a çço carbono, o co carbono, o c áálculo de R deve levar em consideralculo de R deve levar em considera çção ão TcTc = 550 = 550 °°C (cotovelo da perlita C (cotovelo da perlita ––passagem direta por Ms).passagem direta por Ms).

ConsideraConsidera çções: ões:

O valor de R (O valor de R ( °°C/s) C/s) éé reduzido com a elevareduzido com a eleva çção de Tão de T 00

(efeito equivalente pode ser obtido com a temperatu ra (efeito equivalente pode ser obtido com a temperatu ra de de interpasseinterpasse ););

O valor de R (O valor de R ( °°C/s) C/s) éé reduzido com o incremento do reduzido com o incremento do aporte de calor por unidade de comprimento (R1 aporte de calor por unidade de comprimento (R1 >> R2R2););

Para um mesmo Para um mesmo HnetHnet , o valor de R aumenta a medida , o valor de R aumenta a medida que a espessura da chapa que a espessura da chapa éé incrementada;incrementada;

O conhecimento de O conhecimento de ∆∆∆∆∆∆∆∆tt8/58/5 éé importante por ser uma faixa importante por ser uma faixa de temperatura crde temperatura cr íítica tica àà transformatransforma çções na ZTA.ões na ZTA.


Efeito do calor aportado sobre o perfil da taxa de resfriamento (Fonte: Kou, 2002).

0,8 kJ/mm/0,8 kJ/mm/ (b)

1,3 kJ/mm1,3 kJ/mm (a)

R1

R2

Diagrama de transformação sob

resfriamento continuo (CCT) mostrando o feito de diferentes R sobre a

mudança de fases no estado sólido.

Diagrama de transformação

isotérmica – tempo temperatura

transformação (TTT) –mostrando o feito de diferentes T sobre a

mudança de fases no estado sólido.

T1

T2

Fonte: MATTER, 2008 (University of Liverpool)


Quais informaQuais informa çções podem extraões podem extra íídas da figura abaixo e como usdas da figura abaixo e como us áá--las na prlas na pr áática?tica?

ExercExerc ííciocio

Fonte: Wainer, 2000.

Onde:

T = R.


0,028 J/mm.s.°C(11,7 W/m.K)

λλλλ (condutividade térmica)

0,0044 J/mm 3.°Cρρρρ.Cp (calor volumétrico específico)

25 °CT0

1510 °CTm

25 °CPré-aquecimento (T 0)

0,90Eficiência do processo ( ηηηη)

6, 7, 8, 9 mm/svs

25 VU

300 AI

ExercExerc íício para resolucio para resolu çção em salaão em sala

Mantidas as demais condiMantidas as demais condi çções, qual seria o valor de Tões, qual seria o valor de T 00 para: (a) uma velocidade de 10 mm/s para: (a) uma velocidade de 10 mm/s e (b) t = 12 mm para manter R igual a 5,7 e (b) t = 12 mm para manter R igual a 5,7 °°C/s?C/s?

Considerando as tabelas abaixo, determinar a a taxa de resfriameConsiderando as tabelas abaixo, determinar a a taxa de resfriame nto no centro do nto no centro do cordão para cordão para TcTc = 550 = 550 °°C, na soldagem de uma chapa de aC, na soldagem de uma chapa de a çço carbono (1045) o carbono (1045) apresentando a espessura de 6 mm (evitar a formaapresentando a espessura de 6 mm (evitar a forma çção de ão de martensitamartensita na ZTA na ZTA –– risco de risco de trinca na presentrinca na presen çça de H e tensão).a de H e tensão).

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

= 0,31 < 0,75 (fina)= 0,31 < 0,75 (fina)

= 5,7 = 5,7 °°C/sC/s

ExercExerc ííciocio

Passo II Passo II –– Determinar se a chapa Determinar se a chapa éé fina ou grossa (fina ou grossa ( ττττττττ) ) e calcular o valor me calcular o valor m ááximo de Rximo de R


DeterminaDetermina çção do efeito do tipo de junta, da espessura e do ão do efeito do tipo de junta, da espessura e do HHnetnet sobre o valor de R a sobre o valor de R a partir do nomograma (protepartir do nomograma (prote çção COão CO22/O/O22).).

Uso de nomogramas para definir R

Determinação de ∆T8/5 em função da forma de deposição, calor aportado e espessura.

Fonte: Easterling, 1983

Fonte: Murry,

Parâmetros de soldagem - entrada

Tipo de junta e geometria do

chanfroProcesso 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.



-- SoluSolu çção para a determinaão para a determina çção do tempo de solidificaão do tempo de solidifica çção da poão da po çça de fusão (a de fusão ( SStt))

Onde:Onde:

LL –– calor de fusão (J/mmcalor de fusão (J/mm 33). ).

AplicaAplica çção:ão:

Importância na determinaImportância na determina çção da estrutura metalão da estrutura metal úúrgica presente na zona fundida aprgica presente na zona fundida ap óós solidificas solidifica çção (resposta a ão (resposta a tratamentos ttratamentos t éérmicos, propriedades e defeitos).rmicos, propriedades e defeitos).

Exemplo:Exemplo:

Determinar o tempo de solidificaDeterminar o tempo de solidifica çção num passe de solda, ão num passe de solda, quando um calor aportado de 800 J/mm quando um calor aportado de 800 J/mm éé utilizado sobre utilizado sobre uma chapa de auma chapa de a çço baixoo baixo --carbono.carbono.

25 °CT0

2 J/mm 3L

0,0044 J/mm 3.°Cρρρρ.Cp (calor volumétrico específico)

1510 °CTm

ExercExerc íício:cio:

Discutir o efeito do Discutir o efeito do HHnetnet e Te T00 sobre o tempo de solidificasobre o tempo de solidifica çção, ou seja, possão, ou seja, poss ííveis implicaveis implica çções.ões.


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


a)a) Efeito da propriedade do material e da Efeito da propriedade do material e da vvss sobre a distribuisobre a distribui çção de temperaturaão de temperaturaCondiCondi çções:ões:

Materiais Materiais –– aaçço baixoo baixo --carbono; acarbono; a çço inoxido inoxid áável vel 304 e alum304 e alum íínio nio

4,2 kJ/sHnet

347 W/m.K26 W/m.K50 W/m.KCondutividade térmica ( λλλλ)

80 mm2/s4,6 mm2/s7,56 mm2/sDifusividade térmica (k)

1, 5 e 8 mm/svs

Alumínio304Aço baixo-carbonoItem

vvss = 1 mm/s= 1 mm/s vvss = 5 mm/s= 5 mm/s vvss = 8 mm/s= 8 mm/s

O que se observa?O que se observa?

λλλλλλλλ ↑↑↑↑↑↑↑↑ –– popo çça (largura cordão) a (largura cordão) ↓↓↓↓↓↓↓↓

λλλλλλλλ ↓↓↓↓↓↓↓↓ –– alongamento isotermasalongamento isotermasvvss ↑↑↑↑↑↑↑↑ –– popo çça (largura cordão) a (largura cordão) ↓↓↓↓↓↓↓↓vvss ↑↑↑↑↑↑↑↑ –– alongamento isotermas alongamento isotermas ↑↑↑↑↑↑↑↑

ConclusõesConclusões

λλλλ

+

-

vs +-Fonte: ASM Handbook, Vol 6.



b) Efeito do calor aportado (b) Efeito do calor aportado ( heatheat input) sobre a temperatura de pico (input) sobre a temperatura de pico ( θθθθθθθθ))CondiCondi çções:ões:

Material Material –– aaçço baixoo baixo --carbono com grande espessuracarbono com grande espessura

Processo de soldagem GMAWProcesso de soldagem GMAW

ObsObs ::

I I ↑↑↑↑↑↑↑↑ –– TTpp aumenta linearmente (a)aumenta linearmente (a)

vvss ↑↑↑↑↑↑↑↑ –– TTpp diminui exponencialmente (b)diminui exponencialmente (b)

Aumento proporcional de I em relaAumento proporcional de I em rela çção a ão a vvss ((I/I/vvss = = ctecte -- manter constante o manter constante o HnetHnet por unidade de comprimento) por unidade de comprimento) –– TTpp

aumenta exponencialmente (este efeito e desprazaumenta exponencialmente (este efeito e despraz íível para maiores distâncias), vide (c).vel para maiores distâncias), vide (c).

A 6,4 mm do centroA 6,4 mm do centro

A 13 mm do centroA 13 mm do centro

Is/vs = cte

Efeito da Efeito da eficienciaeficiencia ttéérmicarmica

(a)

(b)

(c)

Fonte: ASM Handbook, Vol 6.

Fonte: Kou, 2002.



c) Distribuic) Distribui çção do calor aportado (constrião do calor aportado (constri çção do arco elão do arco el éétrico)trico)

ConseqConseq üüência:ência:

-- A concentraA concentra çção do calor aportado (constrião do calor aportado (constri çção do arco) produz, para ão do arco) produz, para a mesma potência, cordões mais profundos e, em algu ns casos, a mesma potência, cordões mais profundos e, em algu ns casos, mais largos inicialmente, com estreitamento a medid a que o calormais largos inicialmente, com estreitamento a medid a que o calor e e mais concentrado) ;mais concentrado) ;

-- Quanto maior o valor do comprimento do arco, maior serQuanto maior o valor do comprimento do arco, maior ser áá a perda a perda de calor para a vizinhande calor para a vizinhan çça e, como conseqa e, como conseq üüência, menor serência, menor ser áá o o rendimento trendimento t éérmico.rmico.

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



d) Distribuid) Distribui çção de calor devida a agitaão de calor devida a agita çção da poão da po çça de fusãoa de fusão-- A agitaA agita çção da poão da po çça e fusão, por diferentes ta e fusão, por diferentes t éécnicas, aumenta o efeito convectivo do metal cnicas, aumenta o efeito convectivo do metal ll ííquido e, como conseqquido e, como conseq üüência, eleva o valor efetivo da condutividade tência, eleva o valor efetivo da condutividade t éérmica nesta região. rmica nesta região. Este efeito melhora a transferência de calor da poEste efeito melhora a transferência de calor da po çça para o metal de base (queda de a para o metal de base (queda de temperatura e ajuda a nucleatemperatura e ajuda a nuclea çção ão –– possibilidade de grãos possibilidade de grãos equiaxiaisequiaxiais ).).

-- A distribuiA distribui çção da densidade de corrente e a pressão do arco tam bão da densidade de corrente e a pressão do arco tam béém influenciam no grau m influenciam no grau de agitade agita çção da poão da po çça.a.

Fem Fem

Fpa

FgotaFγFγ

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



e) Considerae) Considera çção sobre a importância da temperatura de pão sobre a importância da temperatura de p óóss--aquecimentoaquecimento

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 utilizaA utiliza çção do pão do p óóss--aquecimento aquecimento éé muito importante para aliviar tensões internas (res iduais), evimuito importante para aliviar tensões internas (res iduais), evi tar tar aprisionamento de hidrogênio, influenciar o comport amento a fadiaprisionamento de hidrogênio, influenciar o comport amento a fadi ga e, em alguns casos, ga e, em alguns casos, recuperar/refinar produtos decorrentes do resfriame nto na regiãorecuperar/refinar produtos decorrentes do resfriame nto na região do depdo dep óósito ou gerar trinca de sito ou gerar trinca de reaquecimento.reaquecimento.

Efeito do pós-aquecimento no conteúdo de hidrogênio residual no

depósito (aço baixo carbono).

Efeito da soldagem multipasse sobre o perfil

de sucessivos aquecimento de um ponto

do cordão.



f) Uso da formaf) Uso da forma çção da ZTA para recuperaão da ZTA para recupera çção da ZFão da ZF

Uma possibilidade de recuperaUma possibilidade de recupera çção (melhoria) da estrutura bruta de fusão da ZF ão (melhoria) da estrutura bruta de fusão da ZF éé a a utilizautiliza çção de soldagem ão de soldagem multipassemultipasse e conseqe conseq üüente maximizaente maximiza çção da zona regenerada.ão 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 & ComplexProperties Research Group

(University of Cambridge)

Fonte: Kou, 2002.

Documents

Metalurgia da Soldagem_Fundamentos da Transferência de Calor