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    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA SOLDAGEM II

    METALURGIA DA SOLDAGEM 1- Introduo A soldagem geralmente realizada com a aplicao de calor e/ou deformao plstica. como resultado, alteraes das propriedades do material, nem sempre desejveis ou aceitveis, podem ocorrer na regio da junta. a maioria das alteraes depende das reaes ocorridas durante a solidificao e resfriamento do cordo de solda e de sua microestrutura final. 2- Metalurgia fsica dos Aos a)Relao estrutura-propriedades Uma caracterstica fundamental dos slidos, e em particular dos metais, a grande influencia de sua estrutura na determinao de varias de suas propriedades. Por sua vez, a estrutura determinada pelos processamentos sofridos pelo material durante sua fabricao.

    A soldagem sob certos aspectos um tratamento trmico e mecnico muito violento, que pode causar alteraes localizadas na estrutura da junta soldada e, portanto, capaz de afetar localmente as propriedades do material. Muitas destas alteraes podem comprometer o desempenho em servio do material e, assim devem ser minimizadas pela adequao do processo de soldagem ao material a ser soldado ou pela escolha de um material pouco sensvel a alteraes estruturais pelo processo de soldagem.

  • 2 b) Nveis Estruturais O termo pode compreender desde detalhes grosseiros (macroestrutura) ate detalhes da organizao interna dos tomos (estrutura eletrnica). A metalurgia fsica interessa-se pelo arranjo dos tomos que compem as diversas fases de um metal (estrutura cristalina) e pelo arranjo destas fases (microestrutura). a maioria das propriedades mecnicas e algumas das propriedades fsicas e qumicas dos metais pode ser estudada, a nvel dessas estruturas. c) Fases presentes nos Aos Os aos so ligas de ferro e carbono (ate um teor Maximo de 2% de carbono, em peso) contendo ainda outros elementos, resultantes do processo de fabricao (impurezas) ou adicionados intencionalmente (elementos de liga) para lhes conferir propriedades especiais. De acordo com os elementos de liga os aos podem ser divididos em baixa-liga (teor de liga inferior a 5%), aos de media-liga (teor de liga entre 5 e 10%) e aos de alta-liga (teor de liga superior a 10%). Para os estudo dos efeitos da soldagem no ao necessrio um conhecimento prvio de sua microestrutura e de como esta pode se alterada pelos tratamentos trmicos e variaes de composio qumica. c.1) Fases presentes no ao resfriado lentamente A figura 2 abaixo mostra um diagrama de equilbrio ferro-carbono. este pode ser usado para uma primeira analise dos constituintes de um ao, no equilbrio, em funo da temperatura e da composio qumica (teor de carbono). Em temperaturas nas quais o ao esta no campo gama, este apresenta uma estrutura austenistica (soluo slida de carbono e outros elementos de liga no ferro, com estrutura cristalina cbica de face centrada). Durante o resfriamento, a austenita (para aos com menos de 0,8%C) comea a se transforma em ferrita (soluo slida de C no Fe, com estrutura cbica de corpo centrado) e finalmente, quando atinge 7270C, a austenita remanescente transforma-se em perlita, um constituinte tpico dos aos, formada por uma mistura de ferrita e cementita (carboneto de ferro).

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    A ferrita um constituinte macio, dctil e, em geral tenaz. Contudo, sua tenacidade depende da temperatura, tornando-se completamente frgil a baixas temperaturas. a faixa de temperaturas onde ocorre esta mudana de comportamento depende da composio qumica da ferrita e de sua morfologia, particularmente do seu tamanho de gro. A perlita um constituinte mais duro e de menor tenacidade, a sua quantidade aumenta com o teor de carbono no ao, um ao com 0,8% C, resfriado lentamente, completamente perlitico. c.2) Fases metaestveis e diagramas de transformao Quando a velocidade de resfriamento aumenta, a temperatura na qual a austenita comea a se transformar torna-se menor. Menores temperaturas de transformao implicam menor mobilidade atmica e, portanto, maior dificuldade para separao em ferrita e carboneto de ferro, isto , para formao de perlita. Assim em funo da velocidade de resfriamento e da composio qumica do ao, diferentes agregados de ferrita e carboneto (bainita) podem ser formados a partir da decomposio da austenita.

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    Para altas velocidades de resfriamento, uma nova fase, a martensita, passa a se formar, esta fase possui uma estrutura cristalina diferente das anteriores e caracterizada por uma elevada dureza. De um modo geral, pode se afirmar que quanto menor a temperatura de transformao e maior o teor de carbono mais dura e frgil a microestrutura. Na soldagem por fuso, a velocidade de resfriamento varia com a energia cedida durante a soldagem por unidade de comprimento, Este fato muito importante, pois pode limitar a faixa de energia utilizvel na soldagem de uma estrutura do ao em que se necessita alta tenacidade.

    c.3) Elementos de liga A adio balanceada de elementos de liga permite a obteno de uma variedade de tipos de aos com diferentes propriedades mecnicas, qumicas, magnticas, eltricas e trmicas. Estruturalmente, pode-se considerar que os elementos de liga atuam em dois aspectos fundamentais: termodinmico e cintico. No primeiro aspecto, um elemento de liga pode alterar a estabilidade relativa das fases do ao ou mesmo tornar estvel uma outra fase. a maioria dos elementos de liga reduz a velocidade de transformao da austenita ou, em outras palavras, aumenta a sua temperabilidade. Este efeito pode ser diferente para os diversos constituintes e, portanto a adio de elementos de liga pode favorecer a formao de um constituinte, em prejuzo de outro.

  • 5 Ao entrar em soluo slida em uma fase, um elemento de liga pode alterar as propriedades desta fase. em particular, a resistncia mecnica . em geral aumentada e sua ductilidade diminuda. d) Mecanismos de Aumento da Resistncia Mecnica A resistncia mecnica dos aos pode variar enormemente, de cerca de 200 ate 2000 MPa. Como em outros metais, existem para os aos diversos mecanismos de endurecimento, dos quais podemos citar: deformao a frio, formao de soluo slida e refino de gro. Destes o refino de gro particularmente importante por produzir, simultaneamente, uma melhoria de ductilidade e tenacidade. 3- Fluxo de Calor A maioria dos processos de soldagem por fuso caracterizado pela utilizao de uma fonte de calor intensa e localizada. Por exemplo, na soldagem a arco, tem-se uma intensidade da ordem de 5 x 108 W/m2. Esta energia concentrada pode gerar, em pequenas regies, temperaturas elevadas, altos gradientes trmicos (102 a 103 oC/mm), variaes bruscas de temperatura (de ate 103 oC/s) e, conseqentemente, extensas variaes de microestrutura e propriedades, em um pequeno volume de material. O fluxo de calor na soldagem pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas etapas bsicas: fornecimento de calor a junta e dissipao deste calor pela pea. Na primeira etapa, para soldagem a arco, pode-se considerar o arco como uma nica fonte de calor, definido por sua energia de soldagem, isto :

    E = ? . V . I / v ,

    Onde: E = Energia de soldagem, em J/mm; ? = Eficincia eltrica do processo; V = Tenso no arco, em V; I = Corrente de soldagem, em A; v = Velocidade de soldagem, em mm/s A energia de soldagem uma medida da quantidade de calor cedida a pea, por unidade de comprimento da solda.

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    Na segunda etapa, a dissipao do calor ocorre principalmente por conduo na pea, das regies aquecidas para o restante do material. A evoluo de temperatura em diferentes pontos, devido soldagem, pode ser estimada terica ou experimentalmente. Um ponto localizado prximo junta experimentar uma variao de temperatura, devido a passagem da fonte de calor, como mostra a figura abaixo, esta curva chamada de "ciclo trmico de soldagem. So caractersticas importantes do ciclo trmico de soldagem: a) Temperatura de pico (Tp)), temperatura mxima atingida no ponto. Tp diminui com a distancia ao centro da solda, e indica a extenso das regies afetadas pelo calor de soldagem; b) Tempo de permanecia (tp) acima de uma temperatura critica, tempo em que o ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura mnima para ocorrer uma alterao de interesse, chamada temperatura critica (Tc); c) Velocidade de resfriamento, definida pelo valor da velocidade de resfriamento a uma determinada temperatura T, ou pelo tempo necessrio (? t) para o ponto resfriar de uma temperatura (T1) a outra (T2).

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    a) Tipo de metal de base: quanto maior a condutividade trmica do material maior a velocidade de resfriamento; b) Geometria da junta soldada: considerando todos os outros parmetros idnticos, uma junta em T possui trs direes para o fluxo de calor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas, as juntas em T tendem a resfriar mais rapidamente.

    c) Espessura da junta: at uma espessura limite, a velocidade de resfriamento aumenta com a espessura da pea. Acima deste limite, a velocidade de resfriamento independe da espessura. d) Energia de soldagem e temperatura inicial da pea: a velocidade de resfriamento diminui com o aumento destes dois parmetros e a repartio trmica torna-se mais larga.

  • 8 4- Macroestrutura de Soldas por Fuso A figura abaixo mostra que uma solda por fuso apresenta trs regies bsicas: a) Zona Fundida (ZF): regio onde o material fundiu-se e solidificou-se durante a operao de soldagem. As temperaturas de pico nesta regio foram superiores a temperatura de fuso do material (Tf); b) Zona Termicamente Afetada (ZTA) ou Zona Afetada pelo Calor (ZAC): regio no fundida do metal base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alteradas pelo ciclo trmico de soldagem. As temperaturas de pico foram superiores a temperaturas criticas para o material em questo; c) Metal de Base (MB): regio mais afastada do cordo de solda e que no foi afetada pelo process