Técnicas Conexas e Soldagem

Prévia do material em texto

TÉCNICAS SOLDAGEM FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM (a): Me. Samuel Slipack Revisor: Jean Carlos Rodrigues Tempo de leitura do conteúdo estimado em 1 hora e 30 minutos.Introdução Caro(a) estudante, iniciaremos agora nossa jornada pelo universo da soldagem. Aprenderemos o que são e para que servem os processos de soldagem, tão presentes no nosso cotidiano. Você consegue imaginar um automóvel fabricado sem esses processos? Ou os diversos aparelhos eletrônicos que possuímos, como celulares, computadores, aparelhos de TV etc.? Sim, a soldagem está presente em vários equipamentos e peças, está mais próximo de nós do que percebemos na maior parte do tempo. Vamos estudar sobre os fundamentos desses processos de união, qual a sua importância para a indústria, quais suas formas de classificação e caracterização, além da história do seu surgimento e desenvolvimento. Preparado(a)? Então vamos nessa! Introdução a SoldagemNeste tópico, vamos definir o que é a soldagem, quais as suas aplicações e a sua importância para a indústria e quais os métodos mais usuais para realizá-la. Também traçaremos um breve histórico do desenvolvimento das técnicas de soldagem e, por fim, veremos algumas características gerais relativas aos processos de soldagem. Definição de Soldagem Você sabe o que são processos de soldagem? São processos usados para unir duas ou mais peças através da aplicação de calor, pressão ou de uma combinação de pressão e calor, por um determinado tempo, para coalescer as partes. Como resultado desse processo, as duas (ou mais) peças passam a ser uma só, chamada de conjunto soldado. Alguns desses processos podem usar um material de adição para auxiliar nessa união (GROOVER, 2016). Apesar dessa definição nos fazer associar, quase que automaticamente, os processos de soldagem à união de peças metálicas através da fusão dos metais, é preciso destacar alguns pontos importantes. Primeiro, os processos de soldagem são aplicados também a peças não metálicas, embora o foco do nosso estudo seja a aplicação da soldagem a metais e ligas metálicas. Segundo, apesar dos processos de soldagem serem classicamente definidos como processos de união, nos últimos anos, algumas técnicas de soldagem têm sido usadas para adicionar material sobre superfícies, seja para recuperação de peças desgastadas, seja como revestimento para proteção contra abrasão ou, até mesmo, para manufatura aditiva ("impressão 3D") de materiais metálicos. Muitos processos de corte de chapas metálicas também se assemelham a processos de soldagem. Em terceiro lugar, diversos processos de soldagem ocorrem sem a fusão dos materiais, como veremos mais adiante (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009). SAIBA MAIS vídeo a seguir exemplifica a aplicação da manufatura aditiva para fabricação de uma peça.Nesse caso, a tecnologia de deposição metálica a laser (LMD) é similar ao processo de soldagem a laser. Assista ao vídeo no link a seguir: ASSISTIR Mesmo com as variações mencionadas, a união entre peças metálicas é a principal utilização dos processos de soldagem. As aplicações dos métodos de soldagem passam por diversos tipos de indústrias, como microeletrônica, fabricação de joias, naval, automotiva, aeroespacial, construção civil, tubulações, dentre outras. Além disso, são usados em elementos do cotidiano, como portões, cadeiras, lixeiras etc. Essa versatilidade traz consigo uma série de vantagens, em comparação a outros métodos de união e fabricação de peças. Porém, os processos de soldagem também apresentam algumas limitações. Veja mais detalhes no infográfico abaixo. Vantagens e Limitações dos Processos de Soldagem Vantagens Limitações A soldagem resulta em uma junta Trabalho manual permanente Alta resistência Alto risco Economia e rapidez Dificuldade de desmontagem Aplicação fora de ambientes Dificuldade para encontrar industriais defeitos Estanqueidade Propagação de defeitosVersatilidade de materiais #PraCegoVer: o infográfico interativo, intitulado "Vantagens e Limitações dos Processos de Soldagem", possui duas colunas, intituladas, respectivamente, "Vantagens", com seis botões interativos, e "limitações", com cinco botões interativos. Na coluna "Vantagens", o primeiro botão interativo, intitulado "A soldagem resulta em uma junta permanente", ao ser clicado, apresenta o texto "os componentes soldados se tornam uma unidade, sem descontinuidades e com propriedades similares no metal base e na junta soldada". segundo botão interativo, intitulado "Alta resistência", ao ser clicado, apresenta o texto "caso as técnicas de soldagem sejam bem executadas, e o material de adição tenha propriedades de resistência superiores às dos materiais que estão sendo soldados, as juntas soldadas podem ser tão resistentes quanto o metal base". terceiro botão interativo, intitulado "Economia e rapidez", ao ser clicado, apresenta o texto "as juntas soldadas são, em geral, mais econômicas e mais rápidas para serem executadas, se comparadas às uniões parafusadas, por exemplo. Além disso, uniões parafusadas são mais pesadas que seus correspondentes soldados" quarto botão interativo, intitulado "Aplicação fora de ambientes industriais", ao ser clicado, apresenta o texto "os processos de soldagem podem ser aplicados tanto em ambientes controlados, dentro das indústrias, quanto em campo, como é o caso de construções de pontes, estruturas metálicas, ferrovias e, até mesmo, embaixo da água". quinto botão interativo, intitulado "Estanqueidade", ao ser clicado, apresenta o texto "quando executadas corretamente, as juntas soldadas são, por si só, estanques, não necessitando de outros artifícios (como juntas de vedação) para evitar vazamentos em tanques e tubulações". sexto botãointerativo, intitulado "Versatilidade de materiais", ao ser clicado, apresenta o texto "devido ao grande número de processos, a maioria das ligas metálicas, comumente usadas, pode ser soldada, incluindo materiais dissimilares entre si. Também, é possível executar soldas em materiais com diversas espessuras, desde peças com menos de 1 mm até grandes peças, como cascos de navios". Na coluna "Limitações", o primeiro botão interativo, intitulado "Trabalho manual", ao ser clicado, apresenta o texto "a maioria das operações de soldagem é executada manualmente e exige mão de obra treinada. Alguns processos mais especializados exigem mão de obra mais qualificada, o que aumenta os custos produtivos". segundo botão interativo, intitulado "Alto risco", ao ser clicado, apresenta o texto "as operações de soldagem são, inerentemente, perigosas, pois envolvem grandes quantidades de energia. Há riscos de choques elétricos e queimaduras, por exemplo. Além disso, os níveis de temperatura e, em alguns casos, o esforço mecânico podem gerar tensões residuais, distorções e mudanças de microestrutura indesejadas no material. Isso, por sua vez, pode resultar em propriedades mecânicas ou químicas desfavoráveis ao uso do material". terceiro botão interativo, intitulado "Dificuldade de desmontagem", ao ser clicado, apresenta o texto "juntas soldadas são permanentes e não permitem desmontagem fácil. Desse modo, seu uso fica restrito a locais onde a desmontagem não é necessária para manutenção ou limpeza". quarto botão interativo, intitulado "Dificuldade para encontrar defeitos", ao ser clicado, apresenta o texto "uma junta bem executada apresenta alta resistência mecânica. Porém defeitos como porosidade ou trincas nem sempre são visíveis e diminuem a resistência e a vida útil da junta. Muitas vezes, são empregadas técnicas de inspeção e ensaios não destrutivos, como ultrassom e raios X para detectar, analisar a integridade e a conformidade da solda, o que encarece o processo também". quinto botão interativo, intitulado "Propagação de defeitos", ao ser clicado, apresenta o texto "em juntas parafusadas, por exemplo, se ocorre uma trinca, ela fica restrita à peça trincada. Já nas juntas soldadas, por se tratar de uma só unidade, as trincas podem se propagar por todo o conjunto". Logo abaixo, há uma ilustração de uma pessoa com máscara de soldador e um maçarico nas mãos. É importante ressaltar que a união das partes, no processo de soldagem, ocorre ao longo de uma interface de contato, ou superfície de atrito (KIMINAMI; CASTRO; OLIVEIRA, 2013; GROOVER, 2016). A extensão e formato dessa interface muda segundo o tipo de junta e com o processo aplicado. No entanto, em uma junta soldada, para que a coalescência aconteça, deve haver uma combinação de proximidade e atividade (aplicação de calor e pressão) suficiente para criar ligações metálicas em comum entre as peças (KHAN, 2007).A maneira como se aplica a energia necessária para a soldagem também varia, e essa variação, assim como as suas consequências, permite-nos classificar os processos de soldagem em diferentes categorias ou grupos. É isso que veremos a seguir. Classificação A Sociedade Americana de Soldagem (American Welding Society - AWS) descreve aproximadamente 50 processos de soldagem diferentes. De forma geral, podemos dividi-los em dois grupos de processos (GROOVER, 2016): soldagem por fusão: nesse grupo estão os processos nos quais ocorre a fusão do metal base, ou seja, o calor é aplicado de forma que a temperatura atinja valores suficientes para proporcionar a fusão localizada do metal base e, quando usado, do metal de adição. soldagem no estado sólido: nesses processos não ocorre a fusão das partes. A união das peças acontece unicamente pela deformação mecânica das peças na interface de contato. Quando o calor é aplicado, a temperatura fica bem abaixo do ponto de fusão dos materiais base. Não é utilizado metal de adição. Há ainda os processos de brasagem e soldabrasagem (também conhecido como solda fraca, brasagem fraca ou solda branda), que alguns autores, como Wainer, Brandi e Mello (1992), classificam como processos de soldagem a gás oxicombustível, dentro do grupo de soldagem por fusão. Porém, outros autores, como Groover (2016); Kiminami, Castro e Oliveira (2013), colocam esses processos em categorias separadas de processos. De fato, eles se parecem com a soldagem a gás, pois também podem ser realizados com o uso de maçaricos, como veremos mais adiante. Mas, apesar disso, neles não ocorre a fusão do metal base, apenas do metal de adição. A figura indicada no "reflita", a seguir, mostra a classificação dos processos de soldagem, de acordo com a AWS. Nessa figura aparecem também processos de corte térmico e processos afins da soldagem, como colagem (ou união adesiva) easpersão térmica. Obviamente, estudaremos apenas os processos mais importantes do ponto de vista comercial. REFLITA Para conhecer os processos de soldagem e opera afins catalogados pela AWS, acesse livro "Solda fundamentos e tecnologia", de Marques, Moden Bracarense, disponível na Minha Biblioteca, e V Figura 1.6 na página 7. Processos de Aspersão Térmica (Thermal Spraying THSP), que aparecem na figura apresentada no "reflita" acima como processos relacionados à soldagem, são processos em que ocorre a deposição de materiais metálicos ou não metálicos, na forma fundida ou semifundida, para criar uma camada de revestimento térmico sobre um substrato. Nesses processos, o material de revestimento é fundido e impulsionado, na forma de gotículas, por um jato de gás e projetado contra a superfície a ser revestida. Com o impacto, as gotículas são achatadas em formato lamelar (como pequenas panquecas), aderindo à superfície e solidificando umas sobre as outras. A espessura total do revestimento é atingida através de múltiplos passes (JENNEY; O'BRIEN, 2001; COTELL; SPRAGUE; SMIDT JUNIOR, 1994). Histórico Do ponto de vista histórico, há evidências do uso de soldagem por forjamento e brasagem desde a antiguidade. Por volta de 4000 a.C., pingentes de ouro eram fabricados com processos de brasagem na Pérsia. Já por volta de 1500 a.C., naÍndia, grandes peças de ferro eram obtidas através da união de partes menores por forjamento (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009). Mais tarde, já na Idade Média, armas e ferramentas eram produzidas unindo aço e ferro, também por meio de forjamento. Isso dava maior durabilidade para esses itens e criava uma vantagem militar sobre os povos vizinhos (SANTOS, 2015). Somente após o século XIX, os métodos modernos de soldagem foram desenvolvidos a partir de novas descobertas científicas. Veja, abaixo, uma linha do tempo com os principais desenvolvimentos nos processos de soldagem. Panorama histórico dos processos de soldagemAntiguidade Diversos povos usavam brasagem e forjamento para confecção de joias, utensílios e armas. Também foi descoberto o método de redução direta para utilização do ferro. Fonte: Pharos / Wikimedia Commons.1909 1913 Patentes foram registradas por Adolph F. Rietzel (1909) e Elihu Thomsom (1913) referentes aos processos de "soldagem elétrica" (por pontos) de chapas metálicas. Fonte: tum2282 / > Para complementar as informações apresentadas acima, em 1977, houve o desenvolvimento de equipamentos para soldagem híbrida laser-arco. Mais recentemente, com o desenvolvimento dos sistemas eletrônicos e da tecnologia da informação (T.I.), novas tecnologias de baixa energia vêm sendo desenvolvidas, principalmente, relacionadas à automação e robotização da soldagem, como a soldagem CMT (cold metal transfer - transferência de metal a frio) e STT (surface tension transfer - transferência por tensão superficial) (WEGLOWSKI, 2018). Introdução aos Processos de Soldagens Convencionais e Não ConvencionaisComo vimos até aqui, os processos de soldagem são de extrema importância para a indústria. A soldagem está presente em todos os produtos, seja de forma direta ou indireta, nas máquinas e nos equipamentos usados para produzi-los. Além disso, a grande variedade de processos permite que a soldagem aconteça em praticamente todas as ligas metálicas. Essa variedade torna a escolha do processo mais adequado e com um menor custo para cada operação. Esse é um assunto complexo. Por isso, é importante que o engenheiro conheça bem as características de cada processo para tomar a melhor decisão. Segundo Khan (2007), uma solda satisfatória deve considerar os aspectos apresentados a seguir. 1. Fonte de energia Para unir as partes é necessário haver uma fonte de energia, seja por pressão ou por calor. 2. Remoção de contaminantes Os contaminantes das superfícies afetadas pelo processo de soldagem, como detritos, oleosidade e camada de óxidos, devem ser removidos para evitar possíveis defeitos. 3. Proteção atmosférica Elementos presentes na atmosfera, como oxigênio e umidade, podem ocasionar problemas na solda, como a formação de óxidos e bolhas. 4. Controle metalúrgico Principalmente em processos em que ocorre a fusão, o aporte de calor pode alterar, localmente, características de microestrutura do material. Isso deve ser controlado para evitar o aparecimento de tensões residuais. Além disso, o autor ainda define alguns critérios para a escolha adequada do processo de soldagem, são eles:1. tipo de metal a ser soldado e suas características metalúrgicas; 2. tipo de junta, sua localização e posição de soldagem; 3. finalidade da junta; 4. custo do processo; 5. tamanho da junta (tanto em termos de volume como em relação à massa); 6. resistência esperada; 7. experiência e habilidades necessárias à execução; 8. facilidade de acesso à junta; 9. projeto da junta (espessura do material, abertura raiz etc.); 10. precisão necessária na montagem da junta; 11. equipamento de soldagem disponível; 12. sequência das operações; 13. habilidades do soldador. Muitas vezes, pode haver vários processos que atendam a esses critérios em uma aplicação específica. Dessa forma, a escolha deve ser pelo processo que melhor atenda aos requisitos técnicos e econômicos do projeto. Esses requisitos, por sua vez, podem ser contraditórios entre si, o que exige algum grau de conciliação. REFLITA Os aspectos econômicos da aplicação de processos de soldagem para a união de componentes podem limitar sua utilização. Por exemplo, ligas de alumínio são largamente utilizadas na fabricação de aviões, nos quais são unidas por adesivos e fixadores, dificilmente por soldagem. Você já parou para refletir que esses processos não são economicamente viáveis para substituir totalmente o aço e os processos desoldagem na fabricação de automóveis? Por outro lado, o uso de materiais compósitos na fabricação de aeronaves é limitado pela resistência necessária nas uniões de peças desses materiais. Fonte: Adaptado de Olson et al. (1993). Os processos mais usados comercialmente são conhecidos como processos de soldagem convencionais. Já alguns processos, como a soldagem por feixe de elétrons, devido ao custo dos equipamentos ou às condições específicas para aplicação, como a necessidade de câmaras de vácuo, por exemplo, acabam tendo aplicações bastante restritas, sendo usados apenas em casos especiais. Esses processos são chamados de processos de soldagem não convencionais. Quadro 1.1 relaciona diversos materiais e espessuras aos principais processos de soldagem convencionais e não convencionais.Legenda: F = até 3 mm; = de 3 a 6 mm; M = de 6 a 19 mm; G = acima de 19 mm. Quadro 1.1 - Condições de aplicação de processos de soldagemFonte: Adaptado de Wainer, Brandi e Mello (1992). o quadro relaciona os materiais (nas linhas) com os processos de soldagem que são adequados para cada um (nas colunas). No cabeçalho da primeira coluna, lemos: "Materiais e Espessuras". Ao lado, no cabeçalho das demais colunas, está escrito: "Processos de Soldagem (Designação AWS)". Abaixo deste cabeçalho, temos as designações dos processos: "SMAW" (Eletrodo Revestido), "SAW" (Arco submerso), "GMAW" (Eletrodo metálico com proteção gasosa MIG/MAG), "FCAW" (Arame tubular), "GTAW" (Eletrodo de tungstênio com proteção gasosa TIG), "PAW" (Soldagem a Plasma), "ESW" (Eletroescória), "RW" (Soldagem por resistência), "CGW" (Soldagem a gás combustível), "EBW" (Feixe de elétrons), "LBW" (Laser), "B" (Brasagem forte), "S" (Brasagem fraca), "DFW" (Soldagem por difusão) e "FRW" (Soldagem por fricção). Cada material (com exceção do Ferro Fundido) ocupa 4 linhas, cada uma com uma faixa de espessura: F = até 3 mm, = de 3 a 6 mm, M = de 6 a 19 mm, G = acima de 19 mm. Ferro Fundido tem apenas as espessuras I, M e G. Para cada material e cada espessura, quando processo de soldagem é adequado, há um "X" na coluna correspondente. Para aço-carbono: processos SMAW, SAW, GMAW, CGW, EBW e FRW são adequados a todas as espessuras, processo FCAW é adequado às espessuras M e G, processo GTAW é adequado às espessuras F e processos PAW e DFW não são adequados a nenhuma espessura, processo ESW é adequado à espessura G, processos RW, LBW e B são adequados às espessuras F, | e M, processo S é adequado às espessuras F e Para aços de baixa liga: processos SMAW, SAW, GMAW, EBW, B, DFW e FRW são adequados a todas as espessuras, processo FCAW é adequado às espessuras M e G, processo GTAW é adequado às espessuras processo PAW não é adequado a nenhuma espessura, processo ESW é adequado à espessura G, processos RW e S são adequados às espessuras F processo CGW é adequado à espessuras F. Para aço inoxidável: processos SMAW, SAW, GMAW, EBW, DFW e FRW são adequados a todas as espessuras, processo FCAW é adequado às espessuras M e G, processos GTAW, RW e S são adequados às espessuras F e processos PAW, LBW e B são adequados às espessuras F, e M, processo ESW é adequado à espessura G, processo CGW é adequado à espessuras F. Para ferro fundido: processos SMAW e CGW são adequados a todas as espessuras, processos SAW, GMAW, e FCAW são adequados às espessuras M e G, processos GTAW, PAW, ESW, RW, EBW, LBW, S,e nao sau a espessura, processo D e às espessuras | e G. Para níquel e suas ligas: processos SMAW, GMAW, EBW, e FRW são adequados a todas as espessuras, processo SAW é adequado às espessuras le G, processos FCAW e DFW não são adequados a nenhuma espessura, processos GTAW, RW e S são adequados às espessuras Fel, processos PAW, LBW e B são adequados às espessuras F, e M, processo ESW é adequado à espessura G, processo CGW é adequado à espessuras F. Para alumínio e suas ligas: processos SMAW, SAW, FCAW e CGW não são adequados a nenhuma espessura, processos GMAW, EBW e FRW são adequados a todas as espessuras, processos GTAW e B são adequados às espessuras F, e M, processo PAW é adequado à espessura F, processo ESW é adequado à espessura G, processos RW, LBW, S e DFW são adequados às espessuras F Para titânio e suas ligas: processos SMAW, SAW, FCAW, ESW, CGW e S não são adequados a nenhuma espessura, processos GMAW, EBW, DFW e FRW são adequados a todas as espessuras, processos GTAW, PAW e LBW são adequados às espessuras F, | e M, processo RW é adequado à espessura F, processo é adequado à espessura G. Para cobre e suas ligas: processos SMAW, SAW, FCAW, ESW, RW, LBW e DFW não são adequados a nenhuma espessura, processos GMAW, EBW e FRW são adequados a todas as espessuras, processos GTAW e CGW são adequados à espessura F, processos PAW e S são adequados às espessuras F e processo é adequado às Como podemos perceber, existem muitos processos diferentes, aplicáveis aos mais variados tipos de materiais. Conhecer as características básicas de cada um desses processos é importante para especificar corretamente qual o tipo de soldagem que melhor atende aos requisitos do produto. Conhecimento Teste seus Conhecimentos (Atividade não pontuada)Os processos de soldagem podem ser agrupados de acordo com características em comum. De forma geral, os grupos são divididos em processos de soldagem por fusão e processos de soldagem no estado sólido. Considerando esse contexto e a classificação da American Welding Society (AWS), analise as asserções a seguir e a relação proposta entre elas. I. Os processos de brasagem (forte e fraca) podem ser considerados processos de soldagem no estado sólido, PORQUE II. nesses processos, não ocorre a fusão do metal base, apenas do metal de adição. A seguir, assinale a alternativa correta. a) As asserções e são proposições verdadeiras e a é uma justificativa correta da I. b) A asserção é uma proposição verdadeira e a asserção é uma proposição falsa. c) As asserções e II são proposições verdadeiras, mas a não é uma justificativa correta da I. d) A asserção I é uma proposição falsa, e a é uma proposição verdadeira. e) As asserções e são proposições falsas.Energia no Processo de Soldagem A maioria dos processos de soldagem têm em comum, além da finalidade principal de unir peças, o uso de energia para atingir esse objetivo. Neste tópico, vamos entender quais as fontes de energia disponíveis para os processos de soldagem, assim como suas características, com foco principalmente nos processos de soldagem a arco. Inicialmente, podemos afirmar que os tipos de energia disponíveis para os processos de soldagem são: energia elétrica, energia química, energia mecânica e energia radiante (WAINER; BRANDI; MELLO, 1992). A seguir, o infográfico explica cada um deles. Fonte: silvae / Fonte: shawnhempel /Fonte elétrica Fonte química Fonte: Adaptada de Zamani Ehsan, Fonte: happyvector071 / Gholamhossein Liaghat / Wikimedia 123RF Commons. Fonte radiante Fonte mecânica calor é gerado pela incidência de um feixe de radiação eletromagnética, altamente concentrado e colimado (laser), ou por um feixe de elétrons acelerado por uma diferença de Fonte: Wainer, Brandi e Mello (1992); Kiminami, Castro e Oliveira (2013). Os arcos elétricos, por sua importância, serão discutidos no próximo subtópico. As demais fontes de energia serão estudadas conforme analisarmos os respectivos processos.O Arco Voltaico, seu Comportamento Dinâmico e Estático A fonte de energia mais utilizada em processos de soldagem é a elétrica. E o arco elétrico é a forma mais usada para fundir metais em processos de soldagem. Isso ocorre porque o arco concentra uma quantidade de calor suficiente para fundir localmente os metais de base, de forma controlada. Outros fatores importantes são: o custo relativamente baixo dos equipamentos necessários e o nível de risco operacional "aceitável" (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009). De acordo com Weman (2012), um arco elétrico é uma descarga elétrica entre dois eletrodos, mantido através de um gás ionizado e aquecido (plasma). A queda de tensão e a corrente no arco, determinam a quantidade de potência transferida, o que permite controlar o processo de fusão localizado, através do qual a soldagem acontece. Para que o arco seja aberto, é necessário que o ao redor dos eletrodos seja aquecido. Há uma diferença de potencial entre o eletrodo e a peça. Quando o eletrodo toca a peça, essa diferença cai rapidamente a um valor próximo de zero e, por efeito Joule, ocorre o aquecimento do gás ao redor do eletrodo. Esse aquecimento permite que elétrons nos orbitais dos átomos do eletrodo ganhem energia e passem para um nível de maior energia, porém, ao fazer isso, tornam-se instáveis e retornam ao seu nível original, emitindo, nesse processo, um fóton. Por isso, o metal do eletrodo fica incandescente. Alguns elétrons podem ganhar energia suficiente para superar a força de atração exercida pelo núcleo atômico e tornam-se elétrons livres. átomo, por consequência, torna-se um íon positivo e temos, então, um meio para condução de eletricidade. Esse processo é chamado de ionização. Para o arco elétrico, a ionização também ocorre pelo choque de partículas aquecidas a chamada ionização térmica. choque entre os elétrons e entre elétrons e átomos, também gera calor. Ou seja, o aquecimento inicia por efeito Joule, que permite que a ionização térmica aconteça, o que também provoca aquecimento. Uma vez que a ionização térmica comece, o eletrodo pode ser afastado sem que o arco seja extinto (WAINER; BRANDI; MELLO, 1992).Através do arco elétrico, ocorre a transferência metálica, do eletrodo para a peça. Isso é o que vamos entender nos próximos tópicos. Características Estáticas e Dinâmicas Podemos dividir o arco elétrico em três regiões, conforme a distribuição da tensão (WEMAN, 2012): região anódica; a coluna de arco; região catódica. A Figura 1.1 esquematiza essas regiões. As quedas de tensão nas regiões anódica e catódica (Uc) são constantes, ou seja, não dependem da tensão ou corrente da operação. Juntas, correspondem a mais da metade da queda de tensão total no arco, mesmo com um comprimento mínimo em relação à distância entre a peça e o eletrodo (L). Na coluna do arco, a queda de tensão (Ucol) depende do comprimento do arco (que varia entre 3 e 10 mm) e do gás de proteção usado. Por exemplo, o argônio produz um plasma com queda de tensão de aproximadamente 6 V/cm, enquanto para o hélio pode chegar a 42 V/cm. hélio também gera maiores temperaturas devido a uma maior energia de ionização.Região anódica + L Região catódica do Voltagem Catódo U col U, Figura 1.1 - Distribuição da voltagem no arco elétrico Fonte: Adaptada de Weman (2012). #PraCegoVer: a figura traz o esquema de um arco elétrico entre um eletrodo, na parte superior, com um sinal positivo, e a palavra "ânodo", e uma peça, na parte inferior, com um sinal negativo, e a palavra "cátodo". arco tem um formato de sino, saindo do eletrodo até a peça. No centro do arco, está escrito, verticalmente, "coluna do arco". Ao lado do arco elétrico, há um gráfico. No eixo vertical do gráfico, temos a distância entre a peça e o eletrodo e, no eixo horizontal, temos a voltagem. A origem do gráfico está na superfície da peça e a ponta do eletrodo fica à altura "L". Abaixo da ponta do eletrodo, há uma faixa estreita, delimitada por duas linhas pontilhadas, chamada "região anódica". Acima da peça, há outra faixa estreita, delimitada pela própria superfície da peça e uma linha pontilhada, chamada de "região catódica". A coluna do arco fica entre as regiões anódica e catódica. No gráfico, há 3 retas indicando a queda de tensão nas três regiões do arco elétrico. A primeira reta tem inclinação levemente negativa e inicia-se na voltagem zero e altura "L", indo até uma certa voltagem e a altura correspondente ao final da região anódica. Há uma linha pontilhada vertical para indicar a voltagem no final da reta. A largura entre a voltagem zero e o final dessa reta é indicada como e representa a queda de tensão na região anódica. A segunda reta começa no final da primeira e é fortemente inclinada para baixo. A altura final corresponde ao final da coluna do arco einício da região catódica. A distância horizontal entre o início e o final dessa segunda reta é indicada como "Ucol" e representa a queda de tensão na coluna do arco. A terceira reta começa no final da segunda reta e vai até a altura correspondente à superfície da peça, com uma leve inclinação para baixo. Horizontalmente, a distância entre o início e o final dessa reta é indicada por "Uc" e representa a queda de tensão na região catódica. Weman (2012) ainda destaca que, quando são usados eletrodos consumíveis, também acontece a evaporação metálica a partir do metal fundido da gota na ponta do eletrodo. vapor metálico é facilmente ionizado e contribui substancialmente para transporte da corrente elétrica. Quando se usa proteção por fluxo, como em eletrodos revestidos, por exemplo, as substâncias presentes no fluxo também ajudam a estabilizar o arco. Isso significa que a temperatura do arco depende das substâncias presentes no processo, mas pode variar entre 6.000 e 30.000 K. Além disso, fatores como a polaridade dos eletrodos, a posição de soldagem, a tensão e a corrente de soldagem, o material do eletrodo e o gás de proteção terão influência na forma como a transferência metálica ocorrerá do eletrodo para a peça e, portanto, no resultado final da solda (KIMINAMI; CASTRO; OLIVEIRA, 2013). Onde ocorrem quedas de tensão, o calor é gerado de acordo com a equação P = U I. calor latente necessário para a fusão do metal do eletrodo é dado por em que, Ps = calor latente de fusão; = queda de tensão no ânodo (terminal positivo); I = corrente de soldagem; k = constante de eficiência. Como a queda de tensão no ânodo pode ser considerada constante, a potência fornecida para o aquecimento é proporcional à corrente e, consequentemente, a taxa de fusão, teoricamente, também é. Por outro lado, um aumento da corrente tende a aumentar o diâmetro do arco.comprimento do eletrodo, entre a conexão do cabo (seja o bico de contato da tocha MIG/MAG, por exemplo, ou o alicate porta eletrodo) e a ponta do eletrodo, o chamado stick-out, também pode influenciar na potência fornecida devido à resistividade do material do eletrodo. A equação da potência pode ser modificada para em que Re representa a resistividade da porção de stick-out do eletrodo. Se o comprimento de stick-out aumenta, a resistividade também aumenta, o que leva a uma redução da corrente e do aporte de calor para a junta soldada, apesar da taxa de deposição permanecer a mesma. Como resultado, a penetração tende a diminuir e aumentam os riscos de defeitos na soldagem (WEMAN, 2012). A Figura 1.2 ilustra essa situação.30 mm 140 °C 750 °C 10 mm //\\ 8,8 m/min 8,8 m/min 330 A 230 A 29 V 31 V Figura 1.2 - Efeito do aumento do stick-out em processo MIG Fonte: Weman (2012, p. 36). #PraCegoVer: a figura mostra duas situações em um processo de soldagem MIG (GMAW). Na primeira situação, o bocal cilíndrico é colocado a uma altura de 10 mm da peça. A seção transversal da peça é representada por um retângulo acinzentado com as laterais irregulares. Dentro do bocal, há o bico de contato, de formato cônico, e, de dentro do bico de contato, sai o arame de solda (eletrodo). Na ponta do eletrodo, que está mais próximo da peça que o bocal, há a indicação de temperatura de 140 °C. Riscos finos, saindo da ponta do arame em direção à peça, representam o arco elétrico. Na peça, há uma região branca, em formato ligeiramente triangular e com as pontas arredondadas, representando a seção transversal da solda. A ponta inferior da seção transversal da solda chega quase à face inferior da peça, e a face superior é levemente abaulada para cima. Abaixo da peça, há as indicações de "8,8 m/min" (velocidade da solda), "330 A" (corrente de soldagem) e "29 V" (voltagem da soldagem). Ao lado, temos a segunda situação, bem semelhante à primeira, mas a altura do bocal é de 30 mm. Na segunda, a indicação de temperatura na ponta do arame aponta 750 °C. A seção transversal da solda chega próximo à metade da espessura da peça. Abaixo da peça, as indicações são de "8,8 m/min", "230 A" e "31 V".Além da taxa de fornecimento de energia, a densidade de potência também influencia na penetração. A densidade de potência (DP) pode ser definida como a taxa de energia térmica fornecida à superfície da peça por unidade de área Quanto maior a DP, maior a penetração conseguida. Isso pode ser explicado pelo fato de que, quanto maior a área na qual a energia está sendo aplicada, maior a área de resfriamento, e, portanto, o calor dissipa-se mais facilmente, tanto por condução como por convecção (GROOVER, 2016; WEMAN, 2012). A complicação em relação à densidade de potência está nos fatos de que o calor fornecido não é uniforme ao longo de toda a área aplicada, além de que, normalmente, a fonte de calor está em movimento. Em geral, os valores de DP variam entre 10 e 105 Abaixo dessa faixa, a condução de calor acontece tão rapidamente quanto o fornecimento de energia, impossibilitando a fusão do material. Já acima, as temperaturas localizadas ocasionam a vaporização do metal (o que pode ser interessante em aplicações de corte) (GROOVER, 2016). Em relação à polaridade, é importante relembrar que a ionização ocorre através do choque entre as partículas (elétrons, íons positivos e átomos neutros) durante o transporte de corrente pelo plasma. A velocidade dos elétrons "disparados" do cátodo em direção ao ânodo é muito maior que a velocidade dos íons positivos que chegam ao cátodo. A velocidade das partículas (energia cinética) é convertida em calor ao atingirem a superfície da peça ou do eletrodo. Logo, a região anódica chega a temperaturas maiores. Quando se está usando corrente contínua (CC), temos duas possibilidades: a polaridade direta na qual o eletrodo é o cátodo (-) e a peça é o ânodo (+), ou a polaridade reversa (CC+), em que o eletrodo é o ânodo (+) e a peça é o cátodo (-) (KIMINAMI; CASTRO; OLIVEIRA, 2013). A primeira é bastante usada em processos de soldagem TIG e de soldagem a plasma, pois, como o eletrodo não é consumível, um maior aporte de calor na ponta do eletrodo seria muito ineficiente. Já a segunda é mais usada em processos com eletrodos consumíveis, como MIG, por exemplo. Nesses processos, usar a polaridade direta geralmente resulta em um arco mais instável, devido à ponta fundida do eletrodo (WEMAN, 2012). A Figura 1.3 exemplifica as diferenças entre as polaridades em relação à penetração.Tipo de corrente Contínua (CC) Contínua (CC) Alternada (AA) Polaridade do eletrodo Reversa Direto (+) (-) Elétrons Elétrons Elétrons positivos positivos positivos + Anodo (-) Catodo (+) Figura 1.3 - Efeito da polaridade na soldagem Fonte: Adaptado de Kiminami, Castro e Oliveira (2013). #PraCegoVer: a figura exemplifica três bocais de solda a arco elétrico, de formato cônico, com a parte menor virada para baixo, e a maior virada para cima. Dos bocais, saem eletrodos. Ao lado de cada eletrodo, há pequenos círculos; no lado esquerdo, há círculos com sinais de mais, representando íons positivos e, no lado direito, há círculos com sinal de menos, representando elétrons. Abaixo dos bocais com eletrodos, há três retângulos brancos, representando peças. Em cada peça, há uma região cinza, que representa a seção transversal da solda. Acima das representações, há duas linhas: a primeira indica o tipo de corrente e a segunda, a polaridade do eletrodo. No primeiro bocal, o tipo de corrente é "Corrente Contínua (CC)", e a polaridade do eletrodo é bocal tem um sinal de mais, e, na peça, está escrito Ao lado dos íons positivos, há uma seta indicando um fluxo da peça em direção ao eletrodo e, ao lado dos elétrons, há uma seta no sentido oposto. A seção da solda tem um formato de sino, com a boca para cima, estreito e profundo. No segundo bocal, o tipo de corrente é "Corrente Contínua (CC)", e a polaridade do eletrodo é "Direta". bocal tem um sinal de menos, e, na peça, está escrito "Cátodo (+)". Ao lado dos íons positivos, há uma seta indicando um fluxo do eletrodo em direção à peça e, ao lado dos elétrons, há uma seta no sentido oposto. A seção da solda tem um formato de arco circular virado para cima, largo e superficial. No terceiro bocal, otipo de corrente é "Corrente Alternada (CA)" e não há indicação de polaridade do eletrodo. No bocal e na peça, não há sinais. Ao lado dos íons positivos e dos elétrons, há setas indicando fluxo em ambas as direções, da peça ao eletrodo e vice-versa. A seção da solda tem um formato de arco virado para cima, largo e profundo. Outro ponto importante, quando se coloca um aporte maior de calor na peça, é a tendência que ela tem de "afundar mais" e a penetração ser maior. Já a polaridade reversa, tende a fundir mais rapidamente o eletrodo e aumenta a taxa de deposição. Na corrente alternada (CA) há uma troca constante de polaridade entre o eletrodo e a peça, e, por consequência, há um equilíbrio entre a taxa de deposição e a penetração. Fontes de Energia para Soldagem De acordo com Marques, Modenesi e Bracarense (2009), as fontes de energia para a soldagem a arco devem atender a três requisitos básicos. Produzir saídas de tensão e correntes adequadas para um ou mais processos de soldagem. Além disso, é necessário também que os equipamentos estejam em acordo com as normas de segurança vigentes no local de utilização e que permitam a instalação, operação, manutenção e, quando necessário, automação de maneira fácil. O'Brien (2004) classifica as fontes para soldagem a arco de acordo com a saída especificada do processo. Segundo esse critério, existem as fontes de corrente constante e de tensão constante. Fontes de corrente constante (CI) são equipamentos que possuem um meio para ajuste da corrente de trabalho (amperagem) e que mantém essa corrente relativamente constante durante a execução da solda. Para uma corrente especificada, a tensão (voltagem) varia de acordo com a taxa de alimentação do eletrodo (no caso de eletrodo consumível) ou com a distância entre o eletrodo e a peça (eletrodos não consumíveis).Já as fontes de tensão constante (CV) permitem o ajuste da tensão de trabalho e mantêm essa tensão relativamente constante durante o processo de soldagem. A corrente, nesse caso, varia com a taxa de alimentação do eletrodo e é aproximadamente proporcional a essa taxa. Algumas fontes ainda apresentam características de ambos os tipos de saída, de acordo com a aplicação. Em alguns casos, há até um controle automático para alternar entre CI e CV. Seleção de Fontes de Energia Como pudemos ver até aqui, existem diversos processos diferentes de soldagem e tipos de fonte de energia para realizar essas operações. De forma geral, a seleção da fonte mais adequada depende basicamente do processo de soldagem a ser usado, da posição de soldagem, dos ciclos de trabalho, da disponibilidade da energia e dos tipos de equipamentos auxiliares usados. Além disso, aspectos econômicos, como o custo de aquisição, custo de materiais e consumíveis, custos da energia, custos da mão de obra e de manutenção, além da eficiência energética do equipamento, também devem ser considerados (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009; O'BRIEN, 2004). Com relação ao tipo de processo, as fontes do tipo CI são usadas em processos manuais, como soldagem com eletrodos revestidos, por exemplo, nos quais a variação da distância entre a ponta do eletrodo e a peça varia, inevitavelmente, devido ao elemento humano. Processos automatizados também podem adotar esse tipo de fonte, porém exigem a adoção de controles externos para regular a distância do eletrodo. Já as fontes CV são tipicamente usadas em processos com eletrodos consumíveis, com uma velocidade de alimentação do arame constante, como soldagem com proteção gasosa (MIG/MAG) e arame tubular (O'BRIEN, 2004). Quadro 1.2 traz as seleções mais comuns de tipos de fontes de energia em relação aos processos utilizados.Fonte de energia Processo de soldagem Corrente constante Tensão constante Eletrodo Revestido (SMAW) X TIG (GTAW) X MIG/MAG (GMAW) X Arame tubular (FCAW) X Arco submerso (SAW) X Eletrogas (EGW) X X Eletroescória (ESW) X Soldagem a Plasma (PAW) X Quadroa fonte de energia em relação ao processo de soldagem empregado Fonte: Adaptado de Olson et al. (1993). #PraCegoVer: o quadro está dividido em três colunas e traz as seleções mais comuns de tipos de fontes de energia em relação aos processos utilizados. Desse modo, temos que, para os processos de soldagem "eletrodo revestido (SMAW), TIG (GTAW), soldagem a plasma (PAW) e corte a plasma (PAC)", a fonte de energia é de "corrente constante". Para os processos de soldagem "MIG/MAG (GMAW), arame tubular (FCAW), arco submerso (SAW) e eletroescória (ESW)", a fonte de energia é "tensão constante". Já para o processo de soldagem (EGW)", as duas fontes de energia estão sinalizadas. Como podemos perceber, a seleção mais adequada da fonte de energia para o processo depende fortemente do tipo de processo que está sendo adotado. Por sua vez, a escolha do processo deve levar em consideração aspectos como o material, a posição de soldagem etc. Ou seja, idealmente, todos os aspectos das operações de soldagem devem começar a ser definidos desde a concepção e projeto da peça ou conjunto. A integração de engenheiros de soldagem com as demais áreas de desenvolvimento de soluções, tanto de produtos quanto de processos, ganha importância na tomada de decisões e manutenção da competitividade das empresas (WEGLOWSKI, 2018).Conhecimento Teste seus Conhecimentos (Atividade não pontuada) Fontes de energia são essenciais para a realização de um processo de soldagem. Sem a energia suficiente, seja ela mecânica, elétrica, radiante ou química, a coalescência entre as partes não acontece. A respeito das fontes de energia em processos de soldagem, assinale a alternativa correta: a) As chamas da soldagem oxiacetilênica podem ser consideradas como energia radiante, pois há transferência de calor por radiação para a peça. b) Um exemplo de processo que usa a energia química é a soldagem por difusão, pois, para haver difusão, deve haver defeitos na estrutura cristalina dos metais base. c) A soldagem por feixe de elétrons pode ser considerada como um exemplo da aplicação da energia química, pois a reação que gera o calor acontece em escala atômica. d) A soldagem por resistência é um exemplo de processo com energia elétrica, pois o aquecimento e fusão das peças ocorre devido ao efeito Joule. e) Na soldagem por explosão, podemos considerar a energia como energia química, pois o calor é gerado pela combustão dos explosivos. praticarVamos Praticar Pudemos entender a variedade de processos de soldagem, assim como a importância desses processos, tanto para a indústria quanto para o nosso dia a dia. Procure em sua casa, no trabalho ou na vizinhança objetos nos quais você identifique juntas soldadas. Fotografe esses objetos e poste no fórum, indicando os locais onde as soldas foram aplicadas. Indique, se possível, o processo de soldagem que você acredita que foi usado.Material Complementar WEB Comparativo entre três processos de solda http:// diferentes Ano: 2021 conteúdo Comentário: Nesse vídeo, Alexandre Bigunas faz um breve comparativo entre 3 dos mais conhecidos processos de soldagem a arco: soldagem com eletrodo revestido (MMA ou SMAW), soldagem com eletrodo metálico e proteção gasosa (MIG/MAG ou GMAW) e soldagem com eletrodo de tungstênio e proteção gasosa (TIG ou GTAW). Essa comparação, embora breve, serve para introduzir esses processos e entendermos algumas características de cada um. Para conhecer mais, acesse o vídeo disponível em: ACESSARLIVRO Soldagem: processos e metalurgia Autores: Emílio Wainer, Sérgio Duarte Brandi e Fábio Décourt Homem de Mello Editora: Blucher Capítulo: 2-a Ano: 1992 ISBN: 978-85-212-0238-7 Comentário: No capítulo 2-a, os autores trazem algumas informações importantes a respeito do arco elétrico que complementarão nossos estudos até aqui. Também há um tópico sobre os modos como a transferência metálica acontece. Disponível na Biblioteca Virtual.Conclusão Caro(a) estudante, entendemos que são e para que servem os processos de soldagem. Vimos como esses processos são classificados e como aconteceu seu desenvolvimento ao longo da história. Pudemos perceber a importância desses processos e quais os aspectos importantes na escolha do processo. Por fim, estudamos sobre as fontes de energia disponíveis usadas em processos de soldagem a arco elétrico, que são a principal forma de fornecimento de calor para o processo de soldagem. Vimos as características do arco elétrico na soldagem, como os parâmetros influenciam nos resultados da soldagem e como selecionar a fonte mais adequada para um determinado processo. Referênci as ANDERS, A. Tracking down the origin of arc plasma science-II. Early continuous discharges. IEEE Transactions on Plasma Science, IEEE, V. 31, n. 5, p. 1060-1069, 2003. Disponível em: Acesso em: 30 mar. 2022. R. P. Scientific American inventions and discoveries: all the milestones in ingenuity - from the discovery of fire to the invention of the microwave oven. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004. COMPARATIVO entre três processos de solda diferentes. n.], 2021. 1 vídeo (16 Publicado pelo canal Alexandre Bigunas. Disponível em:Acesso em: 30 mar. 2022. COTELL, C. M.; SPRAGUE, J. A.; SMIDT JUNIOR, F. A. ASM Handbook: Surface Engineering. [S. ASM International, 1994. 5 V. GROOVER, M. P. Introdução aos Processos de Fabricação. Rio de Janeiro: LTC, 2016. JENNEY, C. L.; O'BRIEN, A. (org.). Welding Handbook: Welding Science and Technology. 9. ed. Miami: AWS, 2001. V. 1. KHAN, Welding Science and New Dheli: New Age International, 2007. KIM, Y.; PARK, K.; KWAK, S. A review of arc brazing process and its application in automotive. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, V. 5, n. 4, p. 246-250, 2016. Disponível em: http://www.ijmerr.com/show-143-760-1.html. Acesso em: 30 mar. 2022. KIMINAMI, C. S.; CASTRO, W. B. de; OLIVEIRA, M. F. de. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. LASER METAL deposition manufacturing (LMD). [S. S. n.], 2017. 1 vídeo (2 min.). Publicado pelo canal TWI Ltd. Disponível em: https://www.youtube.com/watch? v=yKnlmfuMSgo. Acesso em: 30 mar. 2022. MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2009. O'BRIEN, A. (org.). Welding Handbook: Welding Processes. 9. ed. Miami: AWS, 2004. 2 V. OLSON, D. L. et al. ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldaring. [S. ASM International, 1993. 6 V. RIETZEL, A. F. Uniting the component parts of composite sheet-metal structures. U.S. Patent 928701. Depósito: 24 fev. 1905. Concessão: 20 jul. 1909. SANTOS, C. E. F. dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. THOMSOM, E. Electrical welding of sheet metal. U.S. Patent 1078225. Depósito: 21 out. 1909. Concessão: 11 nov. 1913.TURYK, E.; GROBOSZ, W. Beginnings of submerged arc welding. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa W Gliwicach, V. 58, p. 15-24,2014. Disponível em: http://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-3b162b0c-0a31 4e7d-9944-4a11c6e34add. Acesso em: 30 mar. 2022. WAINER, E.; BRANDI, S. D.; MELLO, F. D. H. de. Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Blucher, 1992. WEGLOWSKI, M. St. Industry 4.0 Welding Biuletyn Instytutu Spawalnictwa W Gliwicach, V. 62, n. 5, 2018. Disponível em: http://bulletin.is.gliwice.pl/article/ebis.2018.5/2. Acesso em: 30 mar. 2022. WEMAN, K. Welding processes handbook. 2. ed. Cambridge: Woodhead Publishing, 2012.