Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof Dr

Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR lenberti@gmail. com 1

Aula 22 26/11/2020 Metalurgia da soldagem Parte 1/2

Presença Cobrança da presença Processamento e Manufatura de Metais 1 3

§ Ementa Revisão da aula § Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 4

§ Processos de Soldagem Arco submerso § A Soldagem ao Arco Submerso (Submerged Arc Welding) é um processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo e a peça. Processamento e Manufatura de Metais 1 5

§ Processos de Soldagem Arco submerso § O arco é protegido por uma camada de material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo, na forma de arame, é alimentado continuamente. Processamento e Manufatura de Metais 1 6

§ Processos de Soldagem Arco submerso § O fluxo na região próxima ao arco é fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada sólida de escória sobre o cordão. Este material pode também ajudar a estabilizar o arco e desempenhar uma função purificadora sobre o metal fundido. Processamento e Manufatura de Metais 1 7

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Trabalha frequentemente com correntes de soldagem elevadas, que podem ser superiores a 1000 A Processamento e Manufatura de Metais 1 8

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 9

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo. Processamento e Manufatura de Metais 1 10

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 11

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 12

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 13

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 14

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 15

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 16

§ Processos de Soldagem Arco submerso Processamento e Manufatura de Metais 1 17

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Parâmetros de solda: ▫ ▫ ▫ Tipo e diâmetro de eletrodo; Tipo, granulometria de fluxo; Tensão, corrente, velocidade de soldagem; Extensão do eletrodo; Largura e altura do fluxo. Processamento e Manufatura de Metais 1 18

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Aplicações de soldagem horizontal, que pode ser facilmente automatizada. § Frequentemente usado na fabricação de aço de perfis estruturais, um exemplo a ser soldado vigas I e máquinas pesadas [1, 5]. § Costuras longitudinais e circunferências para tubos de grande diâmetro, tanques e vasos de pressão. § Aços de baixo carbono, de baixa liga e aços inoxidáveis são facilmente soldada por este processo, § Aços alto carbono, ferramenta e metais não-ferrosos não podem ser soldados. § Ele pode ser usado com as ligas à base de níquel. Processamento e Manufatura de Metais 1 19

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Benefícios § Aumenta a segurança, cobertura de fluxo reduz respingos. § Resfriamento relativamente lento, devido à cobertura de escória. § taxas de deposição muito altas pode ser alcançado 45 kg/h para este processo contra os 4, 5 kg/h para soldagem vara. Isto ocorre pelo fato de vários eletrodos de fio podem ser utilizado ao mesmo tempo. Processamento e Manufatura de Metais 1 20

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Benefícios § Taxas de deposição rápidas também significa que menos energia é transferida para o metal base, o que ajuda a evitar a distorção da peça. § Finas folhas de aços podem ser soldados em taxas muito elevadas (5 m/min). § Requer pouca preparação da junta. § Penetração da solda profunda é alcançada, o que permite que as pequenas cordões de solda. Processamento e Manufatura de Metais 1 21

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Benefícios § § Produz soldas uniformes e de bom acabamento superficial. Ausência de respingos e fumos. Dispensa proteção contra radiação devido ao arco não visível. § Facilmente mecanizado. § Elevada produtividade. §. Processamento e Manufatura de Metais 1 22

§ Processos de Soldagem Arco submerso § Desvantagens § Escória devem ser tirados após a solda. § As peças devem ser orientadas horizontalmente e uma placa de suporte é muitas vezes necessária. Processamento e Manufatura de Metais 1 23

§ Ementa Sumário da aula § Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 24

§ Processos de Soldagem Resumo dos processos Processamento e Manufatura de Metais 1 25

§ Processos de Soldagem Resumo dos processos Processamento e Manufatura de Metais 1 26

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem § A metalurgia de soldagem visa estudar o efeito da operação de soldagem sobre a estrutura e propriedades dos materiais para ▫ Obter informações que auxiliem no desenvolvimento de novos materiais menos sensíveis à soldagem. ▫ Determinar os parâmetros operacionais de soldagem de maior influência nas alterações da estrutura e propriedades do material. Alternativamente, o desenvolvimento de operações complementares, seja para minimizar a degradação de propriedades, seja para reverter esta degradação, pode ser procurado. Processamento e Manufatura de Metais 1 27

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 28

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 29

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – técnicas usuais Processamento e Manufatura de Metais 1 30

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 31

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 32

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 33

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 34

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem § Aço acalmado (figura 2 a): nele não se forma nenhuma quantidade de gás. Sua superfície superior é levemente côncava e, diretamente abaixo do topo, existe uma cavidade de rechupe interrompida intermitentemente. § Em geral, estes aços são vazados em lingoteiras com cabeça quente de tipo refratário, para confinar a cavidade de rechupe ao massalote, que posteriormente é cortado. Processamento e Manufatura de Metais 1 35

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem § Aço semi-acalmado (figura 2 b): nele evolui uma quantidade reduzida de gases, mas suficiente para compensar totalmente a contração de volume devida à solidificação. § A pressão ferrostática exercida pelo aço líquido impediu a formação de bolhas na parte inferior do lingote. Processamento e Manufatura de Metais 1 36

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem § Aço capeado (figura 2 c): a evolução de gás no início da solidificação foi muito intensa, mas a sua intensidade foi reduzida tapando-se a lingoteira e aumentando-se assim a pressão ferrostática. Processamento e Manufatura de Metais 1 37

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem § Aço efervescente (figura 2 d): a reação de efervescência ocorreu intensa e livremente e a sua contração de volume devida à solidificação foi compensada pela formação de bolhas. § Superficialmente o lingote apresenta uma camada muito pura, entretanto o seu centro é caracterizado pela segregação mais intensa de elementos como o carbono, fósforo e enxofre. Processamento e Manufatura de Metais 1 38

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 39

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 40

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 41

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Processamento e Manufatura de Metais 1 42

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Dist. elementos Processamento e Manufatura de Metais 1 43

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Processamento e Manufatura de Metais 1 44

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. § Classe 1 - Campo γ aberto (figura 2. 17 a): Os principais elementos deste grupo são níquel e manganês, mas também fazem parte cobalto, ródio, ósmio, etc. Quando em altas concentrações, estes elementos tendem a estabilizar a austenita mesmo à temperatura ambiente. Estes elementos provocam um abaixamento das temperaturas de transformação A 3 e A 1. Processamento e Manufatura de Metais 1 45

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. § Classe 2 - Campo γ expandido (figura 2. 17 b): Carbono e nitrogênio são os elementos mais importantes deste grupo. O campo austenítico é expandido, mas sua faixa de existência é interrompida pela formação de compostos. Ouro, zinco e cobre também fazem parte deste grupo. Processamento e Manufatura de Metais 1 46

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. § Classe 3 - Campo γ fechado (figura 2. 17 c): Silício, alumínio, berílio fósforo e alguns elementos formadores de carboneto como Ti, V, Mo e Cr fazem parte deste grupo. Estes elementos aumentam a estabilidade da ferrita (CCC), tendendo a tornar os campos a e d contínuos. Processamento e Manufatura de Metais 1 47

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. § Classe 4 - Campo γ contraído (figura 2. 17 d): Fazem parte deste grupo elementos como B, Ta, Nb e Zr. A contração do campo austenítico é acompanhada pela formação de compostos. Processamento e Manufatura de Metais 1 48

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Processamento e Manufatura de Metais 1 49

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Processamento e Manufatura de Metais 1 50

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Processamento e Manufatura de Metais 1 51

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Processamento e Manufatura de Metais 1 52

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Processamento e Manufatura de Metais 1 53

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Processamento e Manufatura de Metais 1 54

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Processamento e Manufatura de Metais 1 55

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos § Tratamentos térmicos ▫ ▫ Revenimento; Recozimento; Normalização; Alívio de tensões. Processamento e Manufatura de Metais 1 56

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Processamento e Manufatura de Metais 1 57

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Variações de temperatura causam, além da fusão e solidificação do cordão de solda, variações dimensionais e alterações microestruturais localizadas que podem resultar em efeitos indesejáveis, tais como: a) Tensões residuais e distorção; b) Deterioração de propriedades mecânicas (dutilidade, tenacidade, resistência mecânica, etc); c) Formação de trincas devido a (a) e (b); d) Deterioração de propriedades físicas, químicas, etc. Processamento e Manufatura de Metais 1 58

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Energia de Soldagem, ou Aporte Térmico (H) Processamento e Manufatura de Metais 1 59

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Energia Líquida de Soldagem (HL) como: ▫ HL=ηH Processamento e Manufatura de Metais 1 60

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Processamento e Manufatura de Metais 1 61

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Balanço térmico § Correndo o risco de simplificar demasiadamente o problema, pode-se considerar que os seguintes processos são os mais relevantes para a análise do escoamento de calor em soldagem: ▫ Entradas de calor: Fonte de calor utilizada (chama, arco, resistência de contato, etc); Reações metalúrgicas exotérmicas. Saídas de calor: ▫ Condução através da peça; Condução através do eletrodo; Perdas por radiação e convecção e Reações endotérmicas. Processamento e Manufatura de Metais 1 62

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Processamento e Manufatura de Metais 1 63

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Em princípio, as variações de temperatura associadas com a operação de soldagem podem ser modeladas a partir de soluções adequadas da equação de balanço de energia: § onde ρ é a massa específica do material, c é o calor específico, T é a temperatura, t é o tempo, v é a velocidade, k é a condutividade térmica e s é o calor gerado. Processamento e Manufatura de Metais 1 64

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § A solução é válida para um estado quasi-estacionário. § Neste, supõe-se que a distribuição de temperaturas se mantém inalterada para um sistema de coordenadas que se move junto com a fonte de calor, como mostrado na figura 3. 2. § Com esta simplificação, o problema torna-se independente do tempo. § Em várias situações reais, condições em que o este estado pode ser uma suposição razoável são obtidas para soldas relativamente curtas. § Em particular, esta suposição é razoável para soldas realizadas a uma velocidade aproximadamente constante, sem movimento de tecimento, em peças relativamente grandes e de baixa difusidade térmica desde que o instante inicial (quando as temperaturas em torno do eletrodo aumentam) e final (após a extinção do arco) da soldagem sejam desprezados. Processamento e Manufatura de Metais 1 65

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Processamento e Manufatura de Metais 1 66

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § A forma da fonte de calor é simplificada para um ponto na superfície da chapa ou uma linha que atravessa a chapa de um lado a outro (figura 3. 3). § A primeira suposição é aplicável na deposição de um cordão de solda na superfície de uma chapa relativamente espessa e § A segunda na soldagem de uma chapa fina com penetração total. Processamento e Manufatura de Metais 1 67

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Processamento e Manufatura de Metais 1 68

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Devido a simplificações que são adotadas, as soluções obtidas fornecem somente uma representação aproximada da distribuição de temperatura em uma solda. ▫ Estas soluções permitem, entretanto, obter uma ideia geral das características do fluxo de calor em soldagem para muitos casos de interesse. Processamento e Manufatura de Metais 1 69

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § Para a soldagem com uma fonte de (figura 3. 3 a) a distribuição de considerando-se um sistema de retangulares, com o eixo x paralelo soldagem (figura 3. 2), é dada por Processamento e Manufatura de Metais 1 calor pontual temperatura, coordenadas à direção de 70

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor § A figura 3. 4 mostra um exemplo de uma distribuição de temperatura baseada neste modelo. Processamento e Manufatura de Metais 1 71

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § A variação de temperatura durante a soldagem em um ponto da peça é descrita pelo seu Ciclo Térmico de Soldagem. Cada ponto é submetido a um ciclo térmico particular que depende, entre outros fatores, da localização deste ponto em relação à solda Processamento e Manufatura de Metais 1 72

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Temperatura de Pico (Tp): é a temperatura máxima atingida em um dado ponto. A temperatura de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais neste ponto. Depende das condições de soldagem, da geometria e propriedades térmicas da peça, sua temperatura inicial e da distância do ponto considerado à fonte de calor. Processamento e Manufatura de Metais 1 73

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Tempo de Permanência (tc) acima de uma Temperatura Crítica (Tc): Este parâmetro pode ser de interesse para materiais em que a dissolução de precipitados e/ou crescimento de grãos pode ocorrer. Processamento e Manufatura de Metais 1 74

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Velocidade de Resfriamento (φ): Este parâmetro é importante na determinação da microestrutura em materiais como os aços estruturais comuns, que podem sofrer transformações de fase durante o resfriamento. Em uma dada temperatura, a velocidade de resfriamento é dada pela inclinação da curva de ciclo térmico nesta temperatura. Processamento e Manufatura de Metais 1 75

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § A velocidade de resfriamento ao longo do eixo da solda (para y e z nulos) para uma fonte de calor pontual na superfície de uma chapa grossa é dada por: Processamento e Manufatura de Metais 1 76

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Processamento e Manufatura de Metais 1 77

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Para chapas finas com penetração total e fluxo de calor bidimensional, tem-se: Processamento e Manufatura de Metais 1 78

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Como já discutido, os termos chapa grossa e chapa fina aqui usados não têm um significado absoluto, dependendo das condições de soldagem. Assim, nem sempre é muito claro quando as equações são aplicáveis. Para isto, pode-se definir a “espessura relativa” (τ) da junta como: Processamento e Manufatura de Metais 1 79

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Para a primeira equação τ > 0, 9; § A segunda equação τ < 0, 6; § A divisão arbitrária entre chapa grossa e fina em τ = 0, 75 não leva a erros superiores a 15% Processamento e Manufatura de Metais 1 80

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Um parâmetro alternativo é o tempo de resfriamento entre duas temperaturas determinadas (Δt. T 1/T 2, figura 3. 13), comumente entre 800 e 500ºC ou 700 e 300ºC (Δt 8/5 ou Δt 7/3). § Δt éinversamente proporcional à velocidade de resfriamento, isto é, Δt cresce para menores velocidades de resfriamento. Processamento e Manufatura de Metais 1 81

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Influência dos parâmetros operacionais: ▫ Condutividade Térmica da Peça: Processamento e Manufatura de Metais 1 82

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico § Influência dos parâmetros operacionais: ▫ Espessura da Junta: quanto mais espessa mais rápido irá resfriar Processamento e Manufatura de Metais 1 83

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Processamento e Manufatura de Metais 1 84

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Processamento e Manufatura de Metais 1 85

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Processamento e Manufatura de Metais 1 86

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Processamento e Manufatura de Metais 1 87

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Medidas experim. Processamento e Manufatura de Metais 1 88

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura § Macroestrutura de Soldas por Fusão ▫ Zona Fundida (ZF): região onde o material foi fundido durante a soldagem e caracterizado por temperaturas de pico superiores à sua temperatura de fusão. ▫ Zona Termicamente Afetada (ZTA): região não fundida do metal base, mas cuja microestrutura e/ou propriedades foram alteradas pelo ciclo térmico de soldagem. As temperaturas de pico são superiores a uma temperatura crítica (Tc) característica do metal base. ▫ Metal Base (MB): Regiões mais afastadas da solda que não foram alteradas pelo ciclo térmico. Suas temperaturas de pico são inferiores a Tc. Processamento e Manufatura de Metais 1 89

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura Processamento e Manufatura de Metais 1 90

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura Processamento e Manufatura de Metais 1 91

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura Processamento e Manufatura de Metais 1 92

§ Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura Processamento e Manufatura de Metais 1 93