P3 PROCESSOS

Prévia do material em texto

RESUMO PROCESSOS P3 
 
• Importância da Soldagem: Soldagem - Processo de fabricação de grande aplicabilidade na 
indústria metal-mecânica. 
 
• Estudo da Soldagem: Requer conhecimentos prévios de alguns conceitos ligados a Metalurgia dos 
Materiais > Estrutura dos materiais, solidificação, soluções sólidas 
 
• Continuidade Metálica: “Junção macro e microscopicamente livre de descontinuidades e inclusões 
não-metálicas”. Depende da “soldabilidade” dos metais que compõem a junta! 
 
• Soldabilidade dos Metais: A capacidade de um metal de ser soldado em uma estrutura específica 
com propriedades e características específicas; b) que a estrutura soldada satisfaça as condições de 
serviço as quais forem requeridas. 
 
 - Alta soldabilidade: Soluções sólidas contínuas; 
- Baixa soldabilidade: Solubilidade Sólida limitada! (A soldagem por fusão não poderá ser 
empregada) 
 
• Aplicações: Fabricação de produtos e estruturas metálicas, aviões e veículos espaciais, navios, 
locomotivas, pontes, plataformas, carros, etc. 
 
Gerar qtde de energia capaz de unir dois materiais; 
Remover a contaminação das superfícies a serem unidas; 
Evitar que o ar atmosférico contamine a superfície (região) durante a soldagem; Propiciar o controle 
da transformação de fase, para que a solda alcance as propriedades desejadas; físicas, químicas ou 
mecânicas; 
 
• Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos processos de soldagem depende basicamente: projeto de 
equipamentos soldados; desenvolvimento e melhoria dos equipamentos da soldagem; “materiais” 
 
• Definição: Denomina-se ao processo de união entre duas partes metálicas, usando uma fonte de 
calor, com ou sem a aplicação de pressão. A solda é o resultado deste processo. 
 
Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligação química, de 
natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais, na região de ligação entre os 
materiais que estão sendo unidos 
 
• Formação da Junta Soldada: 
 
- No interior de um metal: cada átomo possui um grande número de vizinhos, cuja distância r0 entre 
eles representa a energia mínima do sistema. As ligações atômicas são inibidas em tais condições. 
- Na superfície: o número de vizinhos é reduzido, gerando um maior nível de energia. Os átomos 
superficiais de distintas superfícies tendem a se ligar uns aos outros, diminuindo a energia do 
sistema. 
 
- Obstáculos que impedem a aproximação efetiva das camadas atômicas: – Rugosidades macro e 
microscópicas; – Recobrimentos por camadas de óxidos, umidade, gordura e poeira; 
 
• Tecnologicamente, dois modos principais são utilizados para superar estes obstáculos que, por sua 
vez, originam os dois grandes grupos de processos de soldagem: 
 
1. Processos de soldagem por fusão consistem na aplicação localizada de calor na região de união 
para a sua fusão e do metal de adição (quando este for utilizado), produzindo a ligação pela 
solidificação do metal fundido e, portanto, a destruição das interfaces. 
 
2. Processos de soldagem por pressão se baseiam na aplicação de pressões elevadas de forma a 
deformar plasticamente as superfícies metálicas permitindo a aproximação atômica a distâncias da 
ordem de r0 . Em geral, as peças são aquecidas localmente para facilitar a sua deformação. 
 
• Classificação dos processos de soldagem: 
 
Fonte mecânica: O calor é gerado pelo atrito ou por ondas de choque, ou por deformação plástica do 
material. (EX. Soldagem por Pressão); 
Fonte química: O calor é gerado por reações químicas exotérmicas (chama ou reação de oxidação 
do Alumínio; 
Fonte elétrica: O calor é gerado pela passagem de corrente elétrica (efeito joule) ou com a formação 
de um arco elétrico (ionização); 
Fonte radiante: O calor é gerado por radiação eletromagnética (laser) ou por um feixe de elétrons 
acelerados através de uma diferença de potencial; 
 
• FONTES ELÉTRICAS – ​ARCO ELÉTRICO​ (“descarga elétrica num gás”): O arco elétrico é 
resultado da descarga elétrica entre um eletrodo e a peça a ser soldada, sendo um o anodo, ou 
terminal positivo do arco, e o outro o cátodo, ou terminal negativo do arco. 
 
- A região central entre estes eletrodos é o plasma, região de gases ionizados. 
 
- Os elétrons emitidos na região catódica passam pela coluna do arco na forma de íons e elétrons 
livres e alcançam o anodo para o qual transferem a sua energia cinética em forma de calor. 
 
- No arco elétrico da soldagem a descarga elétrica tem baixa tensão e alta intensidade! 
 
- Há, portanto, uma queda de tensão ao longo do comprimento do arco elétrico. 
 
- Fonte mais utilizada nos processos de soldagem, pois apresenta vantagens: 
Concentração adequada de energia para fundir o metal base; 
Facilidade de controle; 
Baixo custo relativo do equipamento; 
Nível aceitável de riscos à saúde do operador; 
 
« O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada por meio de um gás ionizado, a alta 
temperatura, conhecido como plasma, que produz energia térmica suficiente para viabilizar a 
soldagem de dois elementos. » 
 
- A energia térmica gerada pode ser calculada com auxílio da relação: Q = V I t 
Q = energia gerada (J) 
V = queda de potencial no arco (V) 
I = corrente elétrica no arco (A) 
t = tempo de operação (s) 
 
- Transferência de metal de adição: a forma pela qual o metal fundido se transfere para a poça de 
fusão influencia o nível de respingos e fumos gerados, a capacidade de se soldar fora da posição 
plana, o formato do cordão e a estabilidade do processo. 
 
- A polaridade tem grande importância, pois a transferência de energia térmica pelo bombardeio dos 
elétrons sobre o anodo é maior do que aquela provocada pelo bombardeio dos íons sobre o cátodo, 
devido principalmente à maior energia cinética e fluxo dos elétrons. Como conseqüência, temos que 
a temperatura do anodo é maior do que o do catodo. 
 
Um maior aquecimento na peça provocará uma maior fusão desta, enquanto o eletrodo aquecerá 
e/ou fundirá menos e vice-versa. 
 
- A corrente pode ser Contínua ou Alternada. No caso de corrente alternada (AC), a polaridade não é 
fixa entre a peça e o eletrodo, mudando segundo a freqüência de variação da corrente. 
 
- ​Tipos de Transferência Metálica​: A corrente, tensão, eletrodo e o tipo de gás de proteção 
determinam o modo de transferência metálica e taxa com que o metal fundido do eletrodo se projeta 
para a peça que, por sua vez, tem influência na estabilidade do arco, perda por salpicos, 
composição química, defeitos, posição de soldagem e taxa de deposição. 
 
1: TIPO GLOBULAR: metal é transferido por glóbulos com diâmetros próximo ao eletrodo nú, ou 
alma do eletrodo. Não é adequado para soldagem fora da posição. Ocorre com uma corrente baixa 
em relação ao diâmetro do eletrodo, transfere o metal como glóbulos com diâmetro próximo ao do 
eletrodo com salpicos e taxa de cerca de 10 a 20 glóbulos por segundo; 
 
2: POR SPRAY (Pulverização): metal é transferido por gotas pequenas, bem menores que o 
diâmetro do eletrodo. Soldagem plana e horizontal. Transferência pode ser axial, onde o jato tem o 
formato cônico, ou rotacional onde o jato gira em torno do eixo do eletrodo. Ocorrendo com 
correntes muito altas, transfere o metal como gotículas finas com taxa de cerca de 250 gotículas por 
segundo; 
 
3: POR CURTO-CIRCUITO: Metal é transferido por contato direto entre o eletrodo e a poça de fusão 
através da gota (Qualquer posição). Transfere o metal com a fusão globular do eletrodo cuja gota vai 
aumentando de tamanho até tocar a poça de fusão, produzindo um curto-circuito que estrangula a 
gota e lança-a em direção axial, devido a efeitos eletromagnéticos, com taxa de cerca de 50 a 200 
gotas por segundo; 
 
4: POR ARCO PULSANTE: em que um arco de corrente baixa é mantido e pulsos de alta corrente 
são injetados sobre ele, o que resulta numa transferência por jatos de gotículas durante esses 
pulsos. (similar ao spray) 
 
- SOPRO MAGNÉTICO Causas da deflexão do arco: 
 
Presença de magnetismoresidual; 
Distorção causada por corrente elétrica; 
Campos magnéticos produzidos por condutores secundários; 
Localização dos grampos; 
 
• FONTES ELÉTRICAS – RESISTÊNCIA ELÉTRICA: Processos de soldagem por resistência 
utilizam uma combinação de força e calor para produzir uma solda. Neste caso, o calor é gerado por 
efeito Joule, pela resistência à passagem de corrente elétrica de um material colocado na interface 
das partes a serem unidas (escória no processo de soldagem por eletroescória), ou mesmo que a 
própria interface das partes unidas oferece. 
 
• FONTES QUÍMICAS – CHAMA DIRETA: O calor é gerado pela queima de um gás combustível, 
utilizando gases como acetileno, propileno, hidrogênio, propano e gás natural combinados com 
oxigênio. A razão gás/oxigênio é muito importante, pois determina se a chama é redutora, neutra ou 
oxidante, assim como determina a temperatura da chama, que tipicamente é na faixa de 2.500 °C a 
5.100 °C. 
 
• FONTES QUÍMICAS – ALUMINOTERMIA: O calor é gerado pela reação altamente exotérmica da 
oxidação do alumínio, como por exemplo: 3FeO4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3 
 
• FONTES ÓTICAS – LASER: É resultado da conversão de um feixe de luz intenso, concentrado e 
colimado, em calor utilizando CO2 ou Nd: YAG 
 
• FONTES ÓTICAS – FEIXE DE ELÉTRONS: O calor é gerado pela colisão de um feixe de elétrons 
sobre a peça. 
 
• FONTES MECÂNICAS – POR FRICÇÃO: Na soldagem por fricção, o calor é gerado pelo atrito 
mecânico entre as superfícies a serem unidas, ocorrendo, assim, uma difusão e deformação plástica 
entre elas, soldando-as. 
 
• FONTES MECÂNICAS – POR ULTRASSOM: Na soldagem por ultrassom, uma energia vibratória 
de alta freqüência (15 a 75 kHz) é induzida na zona de soldagem por um transdutor. Essa tensão de 
cisalhamento oscilatório resulta em uma histerese elástica, escorregamento localizado e deformação 
plástica nas superfícies de contato que, após a quebra da camada de óxido, permite a difusão 
atômica entre as superfícies, soldando-as. 
 
• FONTES MECÂNICAS – POR EXPLOSÃO: Na soldagem por explosão, a detonação de um 
explosivo é utilizada para acelerar um componente à alta velocidade contra um componente 
estacionário. Ocorre uma colisão progressiva e controlada entre as superfícies dos dois 
componentes (chapas, por exemplo) soldando-as. 
 
• SOLDAGEM NO ESTADO SÓLIDO: Ocorre redistribuição dos átomos presentes (difusão 
intersticial ou substitucional) sem haver movimento mecânico. 
 
• Processos de Soldagem por Arco Elétrico (+ usados na indústrial metal-mecânica): 
 
- Eletrodos revestidos (SMAW): Processo de soldagem por arco elétrico no qual a fusão do metal é 
produzida pelo aquecimento a partir de um arco elétrico mantido entre a ponta de um eletrodo 
revestido consumível e a superfície do metal de base na junta que está sendo soldada. 
 
O eletrodo revestido, que é constituído por: • Alma ou núcleo metálico • Revestimento 
 
O arco elétrico é formado pela ionização dos gases entre o eletrodo e a peça, e o bombardeio de 
elétrons no anodo e dos íons positivos no catodo desenvolvem temperaturas de até 3.500 ºC. 
 
A corrente usualmente está na faixa de 50 a 300 A e pode ser AC ou DC. As potências requeridas 
são geralmente menores que 10 kW. 
 
Eletrodo, com comprimento de 150 a 460 mm e espessura de 1,5 a 8 mm, é formado por um arame 
de aço para a soldagem de ligas ferrosas, denominado de alma, e de um revestimento formado por 
uma mistura de argila, ligantes à base de silicatos, óxidos, carbonatos, fluoretos, elementos de liga e 
celulose. 
 
Dependendo da composição do revestimento, os eletrodos são classificados em oxidantes, ácidos, 
rutílicos, básicos e celulósicos. A classe de revestimento é selecionada de acordo com o tipo de 
material a ser unido, propriedades mecânicas desejadas, tipos de junta, posição de soldagem, entre 
outras características. 
 
ALMA OU NÚCLEO METÁLICO: A alma do eletrodo pode ser ou não da mesma natureza do metal 
base, porque o revestimento, além da proteção, pode completar a sua composição química. 
 
Exemplos: Material a soldar: aço de baixo carbono e baixa liga. Núcleo metálico utilizado: aço 
carbono. Material a soldar: aço inoxidável. Núcleo metálico utilizado: aço baixo carbono ou aço 
inoxidável. Material a soldar: ferro fundido. Núcleo metálico utilizado: níquel puro, liga de 
ferro-níquel, ferro fundido, aço. 
 
AS FUNÇÕES DO REVESTIMENTO DO ELETRODO: 
 
Isolante elétrico: sendo um mau condutor elétrico, isola a alma (metal que vai fundir), evitando a 
abertura de arcos laterais e orientando o calor para o local de interesse. (estabilização do arco) 
Ionizante: contém silicatos de Na e K que ionizam a atmosfera do arco, o que facilita a passagem de 
corrente, dando origem a um arco estável. 
Com a combustão, fornece gases protetores às gotas do metal fundido contra a ação do hidrogênio 
(proveniente do vapor de água) e oxigênio da atmosfera. 
Contém componentes escorificantes que limpam o metal fundido no metal de solda. 
Forma uma camada de escória sobre o metal de solda, impedindo a oxidação pela atmosfera e 
reduz a taxa de resfriamento ao inibir a formação de estruturas frágeis. 
 
Os revestimentos oxidantes, pouco usados atualmente, são compostos basicamente de óxido de 
ferro e manganês. A escória produzida e abundante e fácil de destacar, com caráter oxidante. 
Produz um cordão com baixo teor de carbono e manganês, baixa penetração e boa aparência. 
Pode ser usado em corrente contínua (CC) ou alternada (CA). As propriedades resultantes da junta 
soldada são inadequadas para aplicações de responsabilidade. 
 
Os revestimentos ácidos são uma evolução dos revestimentos oxidantes, modificados a adição de 
sílica (dióxido de silício, SiO2 ) 
 
Seu uso resulta em cordões com boa aparência. com penetração média e propriedades mecânicas 
melhores na junta soldada, quando comparados com os revestimentos oxidantes. 
A escória produzida é abundante e fácil de destacar, porém porosa. Também pode ser usado em CC 
ou CA. 
 
Desvantagens: Alta taxa de fusão (poça muito volumosa); trincas de solidificação e impregnação de 
inclusões 
 
Os revestimentos rutílicos são fabricados com areia de rutilo (óxido de titânio, TiO2 ) ou ilmenita 
(óxido de ferro e titânio, FeTiO3 ). 
Possuem mais de 20% destes óxidos em sua composição, daí o nome deste grupo de revestimento. 
O uso deste grupo de revestimento proporciona alta estabilidade do arco elétrico, que permite a 
soldagem em tensões mais baixas. O cordão de solda tem bom aspecto superficial, com baixa 
quantidade de respingos. 
 
O rutilo reduz a viscosidade da escória e reduz seu intervalo de solidificação; a escória produzida é 
abundante, densa e fácil de destacar. 
 
Os revestimentos celulósicos são assim denominados por possuírem grande quantidade de material 
orgânico, especialmente celulose, em sua composição. Durante a queima, ocorre oxidação da 
celulose, segundo a reação: 2 C6H10O5 + 7 O2→ 12 CO2 + 10 H2 O que gera uma atmosfera 
redutora que protege a poça de soldagem. 
 
Os revestimentos básicos possuem carbonato de cálcio (CaCO3) em sua composição. Com o calor 
do arco elétrico, o carbonato de cálcio se decompõe em óxido de cálcio (CaO) e dióxido de carbono 
(CO2): CaCO3 + calor → CaO + CO2 
 
O dióxido de carbono torna redutora a atmosfera, sem a presença de hidrogênio. O óxido de cálcio 
torna a escória básica, daí a denominação deste grupo de revestimento. 
 
APLICAÇÕES: O processo SMAW tem a vantagem de ser um processo simples e versátil e de 
requerer uma pequena variedade de eletrodos. Além disso, o SMAW é um processo usado 
geralmente em construções de navios, estruturas metálicas, tubulações e no trabalho de 
manutenção, pois seu equipamento é portátil e pode ser facilmente conduzido. 
 
É aplicado em uma vasta família de ligas metálicas, tais como aços (ao carbono, baixa liga, 
resistentes à corrosão e altamente ligados), ferros fundidos, e alumínio, cobre, níquel e suas ligas. 
 
Entretanto o mesmo não é adequadopara ligas com muito baixo ponto de fusão (tais como ligas à 
base de chumbo, estanho ou zinco) devido à intensa energia gerada pelo arco elétrico, e tampouco 
é adequado para aquelas ligas extremamente reativas (tais como zircônio ou titânio e suas ligas), 
por não oferecer suficiente proteção à contaminação e/ou reação do metal fundido com gases da 
atmosfera. 
 
Transferência metálica na Soldagem por SWAW: 
Ácidos Rutílicos: Pulverização (Spray) 
Básicos ou Celulósicos: Globular e curto-circuito. 
 
- TIG (Tungsten Inert Gas). 
 
- MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas). 
 
- Arame Tubular 
 
- Arco submerso 
 
- Plasma 
 
• Outros Processos de Soldagem: 
 
- SOLDAGEM POR FEIXE DE ELÉTRONS (Electron beam): Soldagem por Feixe de elétrons é um 
processo de soldagem por fusão no qual a união entre os metais é conseguida através do calor 
gerado por um feixe concentrado de elétrons em alta velocidade, que colide com a junta dos metais 
de base a serem unidos. 
 
O equipamento para electrom beam que consiste em sistema especial para focar o 
feixe de elétrons na peça e requer vácuo. O equipamento pode ser de alto vácuo ou 
médio vácuo, e isso tem forte influência na penetração; quanto melhor for o vácuo, 
maior será essa penetração. Para um restrito número de materiais, o uso de vácuo 
pode ser dispensado. 
 
As particularidades desse processo, que o torna especial, é a penetração profunda e o 
cordão de solda extremamente estreito, alcançando razão penetração/largura de 10 a 
30 mm. A velocidade de soldagem é bastante alta, alcançando até 12 m/min, com alta 
eficiência energética, provocando distorção e contração mínimas na área da solda e com 
excelente qualidade. 
 
Aplicações: 
1- Esse processo é aplicado para união de materias similares ou também dissimilares, sendo 
aplicado em peças de pequenas espessuras, como fitas com algumas centenas de microns, assim 
como em placas com espessuras de até 150 mm. 
2- Usado onde se necessita alta precisão tal como caixa de câmbio e de transmissão na indústria 
automobilística, em tubos de parede fina, e em vários componentes das indústrias aeronáutica, 
nuclear, eletrônica e automotiva. 
3- Esse processo é ideal para soldagem de materiais dissimilares ou similares de metais refratários 
(W, Nb, Mo, Ta) e metais altamente reativos (Ti, Zr, Be, U), ligas resistentes ao calor, aços ao 
cromo, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e suas ligas. 
 
- SOLDAGEM POR FRICÇÃO-MISTURA (FSW): SOLDAGEM POR ESTADO SÓLIDO Ilustração do 
processo de soldagem por fricção-mistura (FSW). Nesse processo uma ferramenta não consumível 
é empurrada com alta pressão entre os materiais a serem soldados. O pino central da ferramenta é 
introduzido na região de interface das duas partes a serem unidas e é rotacionado; o atrito eleva a 
temperatura dos materiais aumentando sua ductilidade e possibilitando a ͞ŵistuƌa͟ dos materiais ao 
longo da linha de junta; a temperatura não atinge o ponto de fusão de modo que o processo ocorre 
no estado sólido. O pino central é movimentado ao longo da linha de união procedendo-se, assim, à 
soldagem das partes. As peças devem estar bem fixas para não se movimentarem durante a 
soldagem e prevenir desalinhamento durante o processo. 
 
As principais vantagens do processo são: 
1- baixa distorção, mesmo para longas soldas; 
2- excelentes propriedades mecânicas como podem ser comprovadas por testes de tração e fadiga 
(testes de fadiga apresentaram melhores desempenhos para certas ligas quando comparados a 
soldas do tipo SAMG e SATG); 
3- a qualidade da solda é excelente, sem nenhuma porosidade que poderia surgir numa soldagem 
por fusão; pode operar em qualquer posição (vertical ou horizontal); 
4- o processo é ambientalmente bom porque não são gerados nem fumos ou salpicos; 
5- eficiente energeticamente; 
6- baixa contração e tensão residual. 
 
As desvantagens do processo são: 
1- as velocidades de soldagem são mais lentas que as de um processo de soldagem por fusão; 
2- as peças de trabalho devem ser rigidamente fixas; requer barra de apoio e tem-se a formação de 
um buraco ao fim de cada linha de solda provocada pelo pino de fricção. 
 
A FSW vem sendo utilizada para uma grande variedade de ligas de alumínio. Entre elas estão as 
séries 2xxx, 5xxx, 6xxx e 7xxx, incluindo muitas que não são podem ser soldadas por técnicas de 
soldagem por fusão. O processo é adequado para soldar peças de ligas dissimilares de alumínio, ou 
mesmo produzir componentes híbridos pela junção de elementos não similares tais como ligas de 
alumínio e magnésio.