FEUP - Processos de Ligação de Metais (Trabalhos Práticos)

Processos de Ligação de Metais Trabalhos práticos

2004/2005

Docente: Miguel Figueiredo

Elaborado por: Paula Susana Silva Ricardo Duarte Pedrosa Ricardo Ivo Moreira Ricardo Faria Gonçalves Rui Miguel Gonçalves

Índice Trabalho Prático Nº1

1. Objectivos.................................................................................................1 2. Características gerais da peça.................................................................2

2.1 Características mecânicas importantes ..............................................2 2.2 Esquema genérico das peças.............................................................3

3. Escolha de processos de soldadura.........................................................4 4. Escolha dos tipos de junta........................................................................5 5. Sequência de montagem..........................................................................6 6. Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento........................................9

Trabalho Prático Nº2

1.Objectivos..................................................................................................1 2. Identificação de características e defeitos nas radiografias .....................2

2.1. Características das radiografias ........................................................2 2.2. Defeitos nas radiografias ...................................................................3

3. Causas e soluções possíveis para os defeitos encontrados ....................4 3.1. Processo Manual ...............................................................................4 3.2. Processo Semi-automático ................................................................6


1. Objectivo ..................................................................................................1 2. Introdução ................................................................................................1 3. Registo de Procedimento de Soldadura...................................................1 4. Fotomicrografias.......................................................................................3

4.1. Fotomicrografia 1 – Ampliação x88 ...................................................3 4.2. Fotomicrografia 2 – Ampliação x88 ...................................................3 4.3. Fotomicrografia 3 – Ampliação x88 ...................................................3 4.4. Fotomicrografia 4 – Ampliação x88 ...................................................4 4.5. Fotomicrografia 5 – Ampliação x88 ...................................................4 4.6. Fotomicrografia 6 – Ampliação x88 ...................................................4


Estudo e preparação de trabalho de uma estrutura soldada

Base de uma máquina

Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1

1

1. Objectivos O presente trabalho tem como objectivos principais a preparação e procedimentos para a obtenção da estrutura pedida, para tal foram seguidos os seguintes tópicos:

Sequência de montagem e soldadura; Escolha de processos de soldadura e materiais de adição

adequados; Preparação de juntas com vista á soldadura das diferentes ligações; Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento; Preparar os procedimentos de soldadura (WPS);


2

2. Características gerais da peça 2.1 Características mecânicas importantes Metal Base: Aço utilizado: RSt 37.2 – designação DIN 17121

Espessura

do Aço (mm) ≤ 3 ≤ 10 ≤ 16 ≤ 40 ≤ 63 ≤ 100

σced [MPa] ≥235 ≥235 ≥235 ≥225 215 215

σr [MPa] 360-510 340-470 340-470 340-470 340-470 340-470

Resiliência [J] - - ≥27 ≥27 ≥27 ≥27

Tipo de Aço Composição Química C (%) P (%) S (%) N (%) Mn (%) RSt 37.2 0,17 0,045 0,045 0,009 1,4


3

2.2 Esquema genérico das peças

2A

3D

3C

3B

3A

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4B

6

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1B

2B

8


4

3. Escolha de processos de soldadura A escolha dos processos de soldadura envolve a análise dos seguintes aspectos:

Composição química do metal base; Número de componentes a soldar e respectiva soldadura; Comprimentos dos cordões de soldadura; Características mecânicas do metal base e do metal de

adição; Acessibilidade do soldador às diversas zonas de soldadura; Custos de cada processo; Facilidade na soldadura;

Neste trabalho propõem-se a utilização dos processos MAG, Arco Submerso e Eléctrodo Revestido. O processo MAG destaca-se por boa velocidade de soldadura, boa penetração e acessibilidade. Através deste processo pode-se obter uma maior rentabilidade (cerca de 80%), boas características mecânicas e uma cadência de produção bastante elevada. A utilização de CO2 como gás de protecção faz com que não exista escória, o que permite uma poupança de tempo do soldador.

Uma das principais vantagens do processo de Arco Submerso é a sua maior rentabilidade (100%) uma vez que é automático. Este é o mais indicado para cordões de soldadura com comprimentos consideráveis. É de salientar a presença de uma taxa de deposição e rendimento térmico elevados.

Quando é necessário soldar em locais de difícil acesso o método mais apropriado é o Eléctrodo Revestido. É de salientar a localizada e rápida fusão que permite uma boa cadência de produção, sendo que esta está directamente ligada à experiência do soldador. Uma vez que a protecção do banho de fusão é feita através do revestimento do eléctrodo vai ser necessária a remoção da escória após a solidificação desta, esta remoção pode ter que ser feita várias vezes durante o processo.


5

4. Escolha dos tipos de junta Relativamente ao tipo de junta foram considerados os seguintes factores:

Processo de soldadura escolhido; Posição da soldadura; Espessura e grau de penetração pretendido; Tipo do material de base e de adição;

Para facilitar a montagem da tampa, peça numero 5, as peças 6 e 7 foram chanfradas nos cantos, com as medidas 45º x 20.

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2


8

1. Montagem da base

4. Montagem das laterais

2 e 3. Concepção dos topos e travessas

6. Aplicação das travessas

5. Montagem das barras superiores

8. Aplicação da tampa

7. Aplicação dos topos


9

6. Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento

O pré-aquecimento tem como função evitar o problema da fissuração. A fissuração ocorre devido a vários factores:

• Composição química do aço; • Procedimento de soldadura usado; • Metais de adição usados; • Solicitações em jogo (rigidez da construção);

Para definir a temperatura de pré-aquecimento é necessário definir os

seguintes parâmetros:

• Carbono equivalente do material;

• Espessura combinada;

• Potencial de H2 do processo efectuado;

• Energia térmica do arco. Cálculo do Carbono Equivalente:

Pode ser obtido pela seguinte expressão:

15CuNi

5VMoCr

6MnCCE ++++++=

Espessura Combinada:

É a soma das espessuras da chapa (numa distancia de 75mm) que

convergem na zona do cordão. Aumentando bruscamente a espessura, a

partir dos 75mm pode ser necessário usar valores da espessura combinada

superiores.


10

Exemplo:

Espessura combinada = ½ (t1 + t2 + t3)

• ½ - Caso sejam soldaduras de canto directamente opostas e executadas

em simultâneo

Potencial de H2 do Processo:

São consideradas 4 escalas consoante o teor de H2 depositado pelos

materiais de adição:

• Escala A: > 15 ml/100g

• Escala B: < 15 ml/100g

• Escala C: < 10 ml/100g

• Escala D: < 5 ml/100g

Energia Térmica do Arco:

Calculada através da seguinte expresão:

[ ] [ ] [ ][ ]

310*/

/ −∗∗=

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mmKjE η


11

η – Eficiência térmica do processo:

• Arco submerso – 100%

• MIG/MAG – 80%

• TIG – 60%

• Soldadura manual por eléctrodo revestido – 80%

Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento para cada tipo de processo

adoptado:

• MAG

CE = 0,4 %

Escala C

Ø do fio (mm) Tensão do Arco (U)

(V)

Intensidade (I)

(A)

Velocidade de Soldadura (v)

(cm/min)

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Etapa 1

• Espessura combinada = 50 + 50 = 100 mm

• Pré-aquecimento = 100 ºC


12

Etapa 2

• Espessura combinada = ½ (25 + 25 + 10) = 30 mm

• Não é necessário o Pré-aquecimento

Etapa 3



Etapa 6

Vertical:



Horizontal:



Etapa 7

Vertical:

• Espessura combinada = ½ (25 + 25 + 25) = 37.5 mm


Horizontal:

• Espessura combinada = ½ (50 + 50 + 25) = 62.5 mm



13

• Arco Submerso:

CE = 0,4 %

Escala C

Ø do material de

adição (mm)

Tensão do Arco (U)

(V)

Intensidade (I)

(A)

Velocidade de

Soldadura (v)

(cm/min)

6.0 34 875 41.6

* Dados ESAB

mmKJE /287.410*94.687534

*1

10v

IUηE

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3

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−

Etapa 4

• Espessura combinada = 50 + 50 + 25 = 125 mm


Etapa 5



Etapa 8

• Espessura combinada = 12 + 50 = 62 mm



14

• Eléctrodo Revestido:

CE = 0,4 %

Escala B

Ø do material de

adição (mm)

Tensão do Arco (U)

(V)

Intensidade (I)

(A)

Velocidade de Soldadura

(v)

(cm/min)

3.25 23 110 25

* Dados ESAB

mmKJE /485.010*17.411023

*8,0

10v

IUηE

3

3

=∗

=

⋅⋅⋅=

−

−

Etapa 9



Trabalho Prático Nº2 Análise de defeitos em juntas soldadas


1

1.Objectivos O trabalho prático nº2 tem como os objectivos os seguintes tópicos:

Identificar os defeitos presentes nas juntas soldadas; Avaliar esses defeitos, tendo em conta:

o Posição e orientação; o Espessura dos materiais constituintes de junta; o Nível das tensões residuais existentes; o As propriedades dos materiais envolvidos;

Identificar as causas que os possam ter originado;

Sugerir soluções para evitar o aparecimento dos defeitos verificados;


2

2. Identificação de características e defeitos nas radiografias

2.1. Características das radiografias

Posição de soldadura

Tipos de Chanfro Processo Material Espessura

(mm)

#1 Baixo V Arco semi-automático St 37.2 12

#2 Baixo V Manual St 37.2 12

#3 Tecto V Manual St 37.2 12

#4 Vertical descendente V-30º arco semi-

automático St 37.2 12

#5 Horizontal V Arco semi-automático St 37.2 12

#6 Vertical V Manual Aço tubo 8’’ ≤10

#7 Vertical descendente V Arco semi-

automático Aço tubo 7,1

#8 Vertical descendente V Manual Aço tubo 10

#9 Vertical descendente V Manual Aço tubo 10

#10 Vertical descendente V-30º Manual Aço tubo 5’’ 7,1

#11 Vertical ascendente V Manual Aço tubo 5’’ 7,1

#12 Vertical descendente V Arco semi-

automático Aço tubo 7,1

#13 Horizontal V Manual St 37.2 12

#14 Horizontal V Arco semi-automático St 37.2 12

#15 -------- V --------- Aço 11/30

#16 -------- V Manual ------- 11/30


3

2.2. Defeitos nas radiografias

Radiografias

Defeitos #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16

Sem defeito aparente x

Falta de Fusão x x x x x x x x x x

Falta de Penetração x x x x x x x x x

Bordos Queimados x x x x

Salpicos x x x x x

Poros Vermiculares x x x x x x

Porosidade x x x x x

Inclusões x x x x x x

Fissuras Longitudinais

e Transversais

x x x x x x


4

3. Causas e soluções possíveis para os defeitos encontrados

3.1. Processo Manual

Causas possíveis Soluções possíveis

Falta de Fusão

• Técnica de soldadura imprópria;

• Superfície a soldar irregular ou contaminada;

• Chanfro inadequado; • Energia insuficiente; • Preparação da junta imprópria; • Banho de fusão demasiado

largo;

• Escolher outra técnica de soldadura;

• Efectuar uma prévia limpeza química do material base, ou rectificá-lo;

• Efectuar um novo tipo de chanfro;

• Aumentar a tensão do arco ou Diminuir a velocidade de soldadura ou Utilizar um eléctrodo desoxidado;

• Rever a preparação da junta; • Reduzir o balanceamento do

arco ; • Inclinar a buse para a frente

Falta de Penetração

• Intensidade de corrente insuficiente;

• Diâmetro do eléctrodo demasiado grande;

• Velocidade de soldadura demasiado elevada;

• Tipo de chanfro inadequado ou mal executado;

• Tipo de eléctrodo inadequado; • Folga demasiado pequena ou

talão demasiado grande;

• Aumentar a intensidade da corrente;

• Utilizar um eléctrodo com diâmetro mais pequeno;

• Diminuir a velocidade de soldadura;

• Executar outro tipo de chanfro, ou manter o actual executando-o correctamente;

• Escolher outro tipo de eléctrodo; • Aumentar a dimensão da folga

ou diminuir a dimensão do talão;

Bordos Queimados

• Metal base com elevado teor em enxofre;

• Grande comprimento do arco; • Material base oxidado e/ou

com impurezas; • Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado;

• Escolher outro material base que tenha menor teor em enxofre;

• Diminuir o comprimento do arco; • Efectuar uma prévia limpeza

química do material base, ou rectificá-lo;

• Substituir o eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo

Salpicos • Descuidos operatórios; • Intensidade de corrente

elevada;

• Ter maior cuidado na operação de soldadura (requalificação do soldador ou substituição do soldador por um mais qualificado);

• Baixar a intensidade de corrente;


5

Porosidade e Poros Vermiculares

• Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado; • Material base oxidado e/ou

com impurezas; • Metal base com elevado teor

em enxofre; • Grande comprimento do arco;

• Substituição do eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo • Efectuar uma prévia limpeza



• Diminuir o comprimento do arco

Inclusões

• Preparação deficiente das peças;

• Intensidade de corrente incorrecta;

• Efectuar limpeza antes e nos intervalos das soldaduras;

• Proceder ao ajustamento da intensidade de corrente;

Fissuras Longitudinais e Transversais

• Arrefecimento demasiado rápido da junta soldada;

• Temperatura ambiente muito baixa ou peças muito frias;

• Má preparação das peças; • Falta de penetração;

• Manter a circulação do gás até mais tarde, encerrando-a lentamente;

• Efectuar pré-aquecimento das peças e controlar o arrefecimento;


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3.2. Processo Semi-automático

Causas possíveis Soluções possíveis

Falta de Fusão • Banho de fusão demasiado

largo; • Técnica de soldadura errada;

• Aumentar a velocidade de soldadura;

• Diminuir a tensão do arco;

Bordos Queimados

• Metal base com elevado teor em enxofre;

• Grande comprimento do arco; • Material base oxidado e/ou

com impurezas; • Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado;


• Diminuir o comprimento do arco; • Efectuar uma prévia limpeza


• Substituir o eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo

Salpicos • Descuidos operatórios; • Intensidade de corrente

elevada;

• Ter maior cuidado na operação de soldadura (requalificação do soldador ou substituição do soldador por um mais qualificado);

• Baixar a intensidade de corrente;

Porosidade e Poros Vermiculares

• Limpeza da peça e/ou eléctrodo deficiente;

• Tensão de arco demasiada elevada;

• Distância entre o eléctrodo e peça demasiado elevada;

• Protecção gasosa inadequada;

• Limpar a peça e/ou eléctrodo; • Diminuir tensão do arco; • Aproximar o eléctrodo da peça; • Aumentar caudal de gás de

protecção, efectuar limpeza interior da pistola, usar menor velocidade de soldadura;

Fissuras Longitudinais e Transversais

• Cordão de soldadura demasiado estreito;

• Arrefecimento demasiado rápido da cratera no fim da soldadura;

• Diminuir a velocidade de soldadura;

• Controlar a velocidade de arrefecimento, enchimento adequado das crateras, utilização do passe de peregrino;

Trabalho Prático Nº3 Análise de microestruturas de juntas soldadas


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1. Objectivo Análise das microestruturas (tipo e forma) de uma junta soldada, utilizando um determinado procedimento de soldadura.

2. Introdução Na operação de soldadura, o material base é sujeito a severas mudanças de temperatura (aquecimentos e arrefecimentos) assim como distorções (eventualmente tensões residuais). Esses acontecimentos formam uma região chamada Zona Afectada pelo Calor (ZAC). As mudanças microestruturais ocorridas nessa área vão depender da composição química e das velocidades de aquecimento ocorridas no ciclo térmico.

Numa junta soldada podem distinguir-se 3 zonas distintas, tal como ilustrado abaixo:

3. Registo de Procedimento de Soldadura Processo de soldadura: MAG com fio fluxado Posição de soldadura: 3 G ascendente (topo a topo na vertical ascendente). Material base: R St 37.2 (DIN 17121); chapa de espessura de 15 mm; composição química típica: 0.17%C máx; 0.05 %P máx; 0.05 %S máx; 0.009 %N máx.


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Material de adição: marca comercial DW 100 (fio fluxado); fornecedor – Electroarco; designação AWS A5.20 E71T-1; diâmetro do fio ∅ 1,2 mm. Nº de passes: 3+1 passe de retoma. Parâmetros de soldadura: Corrente Continua Polaridade do eléctrodo Protecção Gasosa: 100% CO2 Intensidade (Ampere): 160 A Tensão (Volt): 24V Velocidade de Soldadura: 14m/min Croquis da junta e medições de macrodurezas HV5:

Macrografia – Ampliação x2,9


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4. Fotomicrografias

4.1. Fotomicrografia 1 – Ampliação x88

Zona: Zona de metal base não afectado pela soldadura Análise: Observa-se uma estrutura de perlite (área escura) dispersa numa matriz ferrítica (área clara).


Zona: Zona subcrítica da ZAC Análise: Vê-se a transição da zona não afectada, lado direito, (descrita na fotomicrografia 1) para a ZAC (Zona Afectada pelo Calor). O aumento da temperatura durante a soldadura é suficiente para um refinamento do tamanho do grão, existindo ainda perlite e ferrite.

4.3. Fotomicrografia 3 – Ampliação x88 Zona: 3 zonas da ZAC: Zona subcrítica, intercrítica e supercrítica Análise: Nesta fotomicrografia observam-se três zonas, duas na esquerda já descritas nas fotomicrografias anteriores e uma na parte superior direita que atingiu temperaturas do domínio austenítico que deram origem a um grão mais grosseiro.


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Zona: Zona supercrítica (fronteira da ZAC com metal depositado) Análise: Aqui podemos observar a zona de passagem do material base para o material depositado. Esta zona atingiu temperaturas acima da temperatura A3, o que deu origem a grãos de Austenite maiores.

4.5. Fotomicrografia 5 – Ampliação x88 Zona: Zona entre passes Análise: Por ser uma zona em que o metal depositado é novamente aquecido no passe seguinte, há um recozido de normalização que origina uma estrutura ferrítico-perlítica de grão fino. Isto acontece pois o ciclo térmico de temperaturas acima de A3 destrói a estrutura de solidificação do passe anterior.

4.6. Fotomicrografia 6 – Ampliação x88 Zona: Zona do último passe de soldadura Análise: É a zona superior do metal depositado. Observa-se uma estrutura lamelar e grosseira. Isto acontece pois como se trata do último passe a velocidade de arrefecimento do metal depositado é elevada, deste modo não há tratamento térmico, apenas fusão. Tendo por isso o material propriedades mecânicas mais modestas.


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5. Glossário Microestruturas Martensite – apresenta-se sob a forma de agulhas e tem uma dureza elevada. Tem uma estrutura metaestável que consiste numa solução sobressaturada de carbono em ferrite. Bainite – consiste em carbono precipitado entre a ferrite como carbonetos de ferro, devido a velocidades de arrefecimento elevadas, pois não tem tempo de alastrar pela austenite como ferrite intergranular. Perlite – existe no domínio ferrítico-austenitico de uma liga ferro-carbónica. Forma-se quando há um arrefecimento lento. Este permite uma rápida difusão do carbono da ferrite para a austenite e à medida que a temperatura vai baixando, as zonas austeniticas ricas em carbono transformam-se em perlite, obtendo-se uma estrutura mista de ferrite e perlite. Ferrite intergranular – precipita-se nos limites de grão austeníticos e cresce em direcção ao centro de grão. A sua quantidade é determinada pelo tamanho de grão austenítico, pela presença de elementos de liga alfageneos, pela velocidade de arrefecimento e pela presença de inclusões. Ferrite poligonal – Transforma-se a temperaturas elevadas e a sua formação é favorecida em processos com fluxos de energia térmica elevada. Pode precipitar-se nos limites de grão e nas regiões intergranulares. Ferrite acicular – são pequenas lamelas de ferrite com uma relação de comprimento/largura pequena, sem orientação preferencial, o que lhe dá um aspecto de estrutura de dimensão pequena. As lamelas são geradas a temperaturas na ordem dos 800º C nas juntas de grão.

ZAC A zona supercrítica: onde as temperaturas máximas atingidas são superiores a AC3. Quando estas se encontram entre 800 e 1000ºC a zona apresenta um grão refinado, inteiramente transformado em austenite. Quando as temperaturas excedem largamente AC3 a zona apresenta um grão austenítico grosseiro. A zona intercrítica: sujeita a temperaturas máximas situadas entre AC1 e AC3, mas inferiores às de recozido. Apresenta uma enorme transformação de carbono em austenite. O tamanho de grão ferrítico permanece inalterado. A zona subcrítica: sujeita a temperaturas inferiores a AC1 e nela podem-se temperar martensite ou bainite. Verifica-se frequentemente a precipitação de carbonetos e para temperaturas próximas de AC1 pode-se verificar a esferoidização de carbonetos e das lamelas de perlite.

FEUP - Processos de Ligação de Metais (Trabalhos Práticos)

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