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Parte I Introdução Capítulo 1 - Processos de Soldagem por Fusão 1.1 - Revisão Soldagem por fusão é um processo de união de metais no qual a coalescência destes é conseguida por fusão. Processos de soldagem por fusão diferem-se dos processos de soldagem no estado sólido pelo fato de nestes últimos não haver fusão. Eles também diferem-se dos processos de soldabrazagem e brazagem, no fato de que nestes processos somente o metal de adição se funde, enquanto que nos processos de soldagem por fusão, ambos, o metal de adição e o de base se fundem. Os processos de soldagem por fusão serão o foco principal do capítulos que se seguem pois são muito mais utilizados em união de materiais estruturais do que processos de soldagem no estado sólido, brazagem e soldabrazagem. Os principais processos de soldagem que serão considerados neste capítulo estão listados abaixo: Soldagem a Gás: Soldagem com chama oxi-acetilênica (OAW) Soldagem a Arco: Soldagem com eletrodo revestido (SMAW) Fonte Soldagem com eletrodo de tungstênio (GTAW) de corrente Soldagem a plasma (PAW) Constante Soldagem com proteção gasosa (GMAW) Fonte Soldagem com arco submerso (SAW) de tensão Soldagem com eletroescória (ESW) Constante Soldagem com Feixe de alta Energia: Soldagem com feixe de elétrons (EBW) Soldagem com feixe LASER (LBW) Deve ser notado que desde que não há arco no processo de soldagem com eletro-escória, ele não é, estritamente falando, um processo de soldagem a arco. Entretanto, por conveniência, ele é agrupado entre os processos de soldagem a arco. Os três maiores processos de soldagem por fusão listados acima - gás, arco e feixe de alta energia - diferem-se entre si na fonte de calor utilizada. As fontes de calor para cada um destes processos são respectivamente uma chama, um arco elétrico e um feixe de alta energia. Desde que as fontes de calor são diferentes, os parâmetros de soldagem e a solda resultante também o são, como mostrado na Figura 1.1. Por exemplo, nos processos de soldagem com feixe de elétrons ou a LASER, o feixe de alta energia pode ser focalizado de tal forma a se conseguir uma densidade de energia tão alta quanto 1010 W/m2 (1). Tal fonte de energia pode fundir ou vaporizar uma peça instantaneamente e resultar em um buraco de vapor nesta peça, chamado de "buraco de chave" (1). Como resultado desta grande penetração e desta rápida potência de fusão dos feixes de alta energia, mesmo uma chapa relativamente grossa pode ser soldada à uma velocidade de soldagem alta e com um simples passe. Consequentemente, o tempo e a energia total requerida para soldagem são muito menores do que para os processos de soldagem de baixa densidade de energia, tais como os processos de soldagem a gás. Como resultado da pouca energia requerida

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pelos processos de soldagem com feixes de alta energia, os danos na peça devido ao aporte térmico para soldagem são minimizados. Tais danos incluem, por exemplo, uma grande zona afetado por calor, distorções na estrutura soldada, etc. Por outro lado, em processos de soldagem à gás a densidade de energia da fonte de calor é tão baixa que uma grande quantidade de calor é conduzida para longe da região mesmo antes da fusão acontecer. Como resultado disto, a energia total requerida para soldagem e os danos na peça são significantemente maiores nos processos de soldagem à gás do que nos outros processos de soldagem. Apesar de poder obter-se soldas de alta qualidade com processos de soldagem com alta densidade de energia, tais processos também tem suas limitações, como será descrito mais a frente neste capítulo. Dentre estas limitações, cita-se o preço do equipamento, que pode ser bastante alto. Em processos de soldagem à gás, por outro lado, o equipamento é bem barato; entretanto, nem sempre pode-se esperar obter soldas de boa qualidade. Desde que máquinas para soldagem à arco também são relativamente baratas e as soldas são razoavelmente boas, processos de soldagem à arco tem sido mais utilizados dentre os processos de soldagem por fusão. Os processos de soldagem a arco mencionados anteriormente podem ser divididos em duas categorias: aqueles que envolvem alimentação descontinua do arame de adição e aqueles que envolvem a alimentação contínua do arame de adição. A primeira categoria inclui a soldagem com eletrodo revestido, soldagem TIG e soldagem a plasma. A segunda categoria inclui soldagem com proteção gasosa, com o arco submerso e soldagem com eletroescória (nestes processos, como será descrito mais a frente, o arame de adição é o próprio eletrodo). Falando de uma forma mais geral, os processos com alimentação descontinua utilizam as fontes chamadas de fontes de corrente constante, e a corrente é essencialmente, mas não exatamente, constante durante a soldagem. Os processos de soldagem com alimentação continua, por outro lado, utilizam as fonte do tipo tensão constante, a tensão é essencialmente constante durante a soldagem (2). Desde que os processos com alimentação descontinua são normalmente operados manualmente, o comprimento do arco, e portanto a tensão de soldagem, podem variar durante a soldagem numa certa extensão, dependendo da habilidade do soldador. Com a fonte de corrente constante, a corrente de soldagem é insensível à variações na tensão do arco. Isto ajuda a evitar mudanças bruscas na corrente de soldagem como resultado de variações da tensão do arco, as quais podem ser perigosas para o soldador. Por outro lado, desde que nos processos de soldagem com o arame continuamente alimentado, o arame é alimentado automaticamente, é vantajoso ter a corrente respondendo rapidamente às mudanças da tensão do arco. Por exemplo, se o comprimento do arco é diminuído sem querer pelo soldador, a corrente de soldagem e portanto a taxa de fusão aumentam rapidamente, trazendo o comprimento do arco de volta ao normal. Caso contrário, o arame pode soldar à peça fechando o circuito de soldagem. Materiais e faixas de espessura para vários processos de soldagem por fusão estão sumarizadas na Tabela 1.1. 1.2 - Soldagem a Gás O processo de soldagem a gás geralmente inclui qualquer operação de soldagem que faça uso de gás combustível combinado com oxigênio como meio de aquecimento. O processo de soldagem oxi-acetilênico (OAW), devido à alta temperatura de sua chama, é o mais utilizado dos processos de soldagem a gás. Figura 1.2 mostra um esboço deste processo. O uso de fluxo pode ou não ser requerido, dependendo do grau de proteção necessário para a soldagem. Deve ser mencionado que, em geral o termo "fluxo" é utilizado para descrever o material antes da soldagem e "escória" denota o material fundido durante ou depois da soldagem.

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Como mostrado na Figura 1.3, uma chama neutra - que é, quando a razão molar de C2H2/O2 é igual a 1 - consiste de duas zonas distintas e diferentes, o cone central e o envelope externo. O cone central é a área onde a combustão primária (reação química entre o oxigênio O2 e o acetileno C2H2) ocorre. O calor desta reação gera em torno de dois terços do calor total da chama e os produtos desta reação primária (monóxido de carbono e hidrogênio) reagem com oxigênio da atmosfera, formando dióxido de carbono CO2 e água H2O. Sendo esta última a reação secundária, a qual gera em torno de um terço do calor total da chama. A área onde esta reação secundária de combustão ocorre é chamada de envelope externo. Ela é também chamada de envelope de proteção, porque o oxigênio que vem da atmosfera é consumido pelo monóxido de carbono e pelo hidrogênio, desta forma protegendo o metal de solda (veja Figura 1-2). Três tipos diferentes de chama podem ser obtidos durante uma soldagem oxi-acetilênica: neutra, redutora e oxidante. Quando muito acetileno é fornecido, a combustão deste acetileno é incompleta, e portanto uma região rica em acetileno, chamada de "penugem", se forma entre o cone central e o envelope externo da chama. Este tipo de chama é redutora em natureza e portanto preferida para soldagem de metais tais como alumínio e ligas, e aços de alto teor de carbono (também chamada de chama carburante neste caso). Por outro lado, quando muito oxigênio é fornecido, a chama se torna oxidante. Este tipo de chama é preferida para soldagem de metais tais como latão, desde que o cobre quando se oxida, forma uma superfície no metal de solda o qual previne o zinco de evaporar-se. Para a maioria dos metais entretanto, a chama neutra é preferida. A principal vantagem do processo de soldagem oxi-acetilênico é que o equipamento é simples, portátil e barato. Tem como principal aplicação o uso em manutenção e reparos. Por outro lado, por ter baixo aporte térmico, o que dificulta seu uso com grandes velocidades de soldagem, causa uma zona afetada por calor muito extensa e distorções muito severas nas partes a serem soldadas. Ainda por causa da limitada proteção, o processo não é recomendado para soldagem de materiais reativos, tais como titânio e zircônio. 1.3 - Soldagem à Arco A. Soldagem com eletrodo revestido Soldagem com eletrodo revestido ou shielded metal arc welding (SMAW) é um processo de soldagem a arco no qual a coalescência do metal é produzida pelo calor de um arco elétrico que é mantido entre a ponta do eletrodo revestido e a superfície do metal de base que está sendo soldado (4). Um esboço deste processo é mostrado na Figura 1-4. A alma do eletrodo revestido, isto é, o arame, conduz a corrente para o arco e fornece metal de adição para a junta. O revestimento do eletrodo (o qual contém vários elementos químicos, inclusive metais), por outro lado, realiza uma ou mais das funções descrita abaixo: 1. Fornece proteção gasosa ao metal fundido contra o ar atmosférico. Para eletrodos

do tipo celulósico, uma grande quantidade de misturas de gases de H2, CO, H2O e CO2 são produzidas quando a celulose no revestimento do eletrodo é aquecida e se decompõe. Para eletrodos do tipo básico (com CaCO3), por outro lado, gás CO2 e escória de CaO são formados quando o carbonato se decompõe. Por causa da ausência de hidrogênio no gás de proteção, o eletrodo do tipo básico é um eletrodo do tipo de baixo hidrogênio e na maioria das vezes é utilizado para soldagem de

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metais que são susceptíveis à fragilização por hidrogênio (por exemplo, aços de alta resistência)

2. Fornece agentes desoxidantes e fluxantes para desoxidar e limpar o metal de solda. A escória sólida formada também protege o metal de solda solidificado ainda quente, contra oxidação.

3. Fornece estabilizadores para o arco e ajuda a mantê-lo estável durante a soldagem. Estabilizadores de arco são compostos facilmente ionizáveis (tais como oxalato de potássio ou carbonato de lítio) e que ajudam o arco a conduzir corrente elétrica.

4. Fornece elementos de liga e ou pó de metais à solda. Os elementos de liga ajudam a controlar a composição do metal de solda e os pós à aumentar a taxa de deposição.

A maior vantagem do processo é a relativa simplicidade do equipamento, além de ser portátil e muito barato em relação aos outros processos de soldagem a arco. Por esta razão, ele é quase sempre preferido para utilização em manutenção, reparo e construções no campo. Apesar disto, devido a limitada capacidade de proteção, ele não é recomendado para soldagem de metais muito reativos. Além disto, a taxa de deposição é limitada pelo fato de que o eletrodo revestido pode ser superaquecido, perdendo suas características, quando aumenta-se demasiadamente a corrente. A taxa de produção de um modo geral é reduzida, devido a necessidade de trocar o eletrodo durante a soldagem (normalmente o eletrodo tem mais ou menos 30 cm de comprimento). B. Soldagem com eletrodo de tungstênio protegido por gás inerte Soldagem com eletrodo de tungstênio protegido por gás inerte ou gas metal arc welding (GTAW) é um processo onde a coalescência dos metais é produzida pelo calor de um arco entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça. A proteção do eletrodo e da zona de fusão é conseguida com a utilização de gases inertes, tais como argônio e hélio. Um tubo de contato conduz corrente da fonte de soldagem ao eletrodo não consumível. Este é normalmente resfriado à água, evitando assim sobre-aquecimento. Para soldagem de topo de placas finas, metais de adição são normalmente desnecessários (soldagem autógena). Desde que gases inertes tais como argônio e hélio são utilizados como gases de proteção, o processo é algumas vezes também chamado de soldagem TIG ou "tungsten inert gas". Dois tipos de conecções elétricas podem ser utilizadas para soldagem com corrente contínua na soldagem GTAW. A peça pode ser conectada no polo positivo da fonte de soldagem - corrente contínua com polaridade direta (CCPD). Ou, ao contrário, ela pode ser colocada no polo negativo da fonte de soldagem - corrente contínua com polaridade inversa (CCPI). Na soldagem com CCPD (Figura 1-6, esquerda), os elétrons são emitidos do eletrodo e são acelerados à velocidades muito altas quando passam pelo arco. Tais velocidades fazem com que os elétrons bombardeiem a peça e exerçam um grande efeito de aquecimento (4). Como resultado, soldas profundas e estreitas são obtidas. Na soldagem CCPI (Figura 1-6, meio), por outro lado, o efeito de aquecimento dos elétrons ocorre no eletrodo de tungstênio ao invés de na peça, devido à polaridade invertida. Como resultado, deve-se utilizar eletrodos com diâmetros maiores e eficientemente resfriados à água prevenindo-os de fundirem. Nesta polaridade soldas rasas são produzidas. Pode-se concluir então que a CCPD é muito mais utilizada em soldagem GTAW do que a CCPI. A CCPI, por outro lado, apresenta uma característica muito importante, conhecida por "limpeza de óxidos". Filmes de óxidos na superfície da peça são quebrados pelo bombardeamento catódico. Neste caso, CCPI é muito utilizada para soldagem de metais com grandes propriedades

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oxidantes tais como alumínio e magnésio, especialmente quando deseja-se soldar peças muito finas (onde grandes penetrações não são necessárias). Com corrente alternada (CA), uma boa penetração e a ação de limpeza de óxidos podem ser conseguidas (Figura 1-6, direita). Entretanto, pelo fato da temperatura ser muito mais alta no eletrodo do que na peça, o eletrodo emite muito mais elétrons do que a peça, desbalanciando a corrente, sendo esta alta durante o meio ciclo com polaridade direta (eletrodo negativo) e baixa durante o meio ciclo com polaridade invertida (eletrodo positivo). O fluxo de corrente pode ser balanceado inserindo-se uma fonte de tensão de corrente contínua no circuito de soldagem (4). Adicionalmente aos três tipos de corrente discutidos brevemente acima, corrente contínua pulsada com polaridade direta também pode ser utilizada. Este tipo de corrente é especialmente utilizado para soldagens fora de posição, para reduzir distorções, etc. No processo GTAW pode-se utilizar eletrodo de tungstênio puro ou de tungstênio com 1% ou 2% de tória (óxido de tório). Eletrodos torinados tem alta emissividade eletrônica, conduzem mais facilmente a corrente e apresentam maior resistência à contaminação do que eletrodos de tungstênio puro (3). Devido a isto, o arco é mais estável e mais fácil de iniciar com eletrodos torinados. Ambos, argônio e hélio têm sido extensivamente utilizados no processo GTAW. O potencial de ionização destes gases são respectivamente 15.7 e 24.5 eV, e desde que é mais fácil ionizar argônio do que hélio, a abertura torna-se mais fácil, ao mesmo tempo que a queda de tensão ao longo do arco é menor com este gás. Adicionalmente, desde que argônio é mais pesado do que hélio, ele oferece uma melhor proteção oferecendo também uma melhor resistência à sopros no arco. Com CCPD ou CA, argônio oferece ainda um efeito de limpeza catódica maior do que o hélio. Todas estas vantagens somadas ao baixo custo deste gás fazem com que ele se torne mais atrativo para uso em GTAW do que o hélio. Por causa da grande queda em tensão ao longo do arco com hélio, altos aportes térmicos e grande sensibilidade à variações no comprimento do arco podem ser obtidos com a utilização deste gás. Utilizando argônio, torna-se possível soldar seções mais espessas e utilizar altas velocidades de soldagem. Utilizando hélio, por outro lado, torna-se possível um melhor controle do comprimento do arco durante soldagens GTAW automática. O processo GTAW é preferido em soldagens de peças finas por causa do seu limitado aporte térmico. A taxa de alimentação de metal de adição é algumas vezes independente da corrente de soldagem, permitindo assim variações na fusão relativa do metal de base e do metal de adição. Desta forma, o controle de diluição e do aporte térmico para a solda podem ser obtidos sem mudar o tamanho do cordão de solda. O processo também pode ser utilizado para soldagem de chapas finas por pura fusão (sem metal de adição). Sendo este um processo muito limpo, ele pode ser utilizado para soldagem de metais reativos, tais como titânio e zircônio, ou metais que formam óxidos refratários, tais como alumínio e magnésio. A desvantagem do processo é entretanto sua baixa taxa de deposição que se deve a limitação da corrente, pois excessivas correntes poderiam causar a fusão do eletrodo resultando em inclusões frágeis de tungstênio no metal de solda. Recentemente, arames de adição pré-aquecidos (GTAW com arame quente) tem sido utilizados e tem aumentado consideravelmente a taxa de deposição deste processo. C. Soldagem a arco plasma Soldagem a arco plasma ou plasma arc welding (PAW) é um processo de soldagem a arco onde a coalescência é conseguida pelo calor de um arco constrito

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estabelecido entre o eletrodo e a peça. Este processo é similar ao GTAW porque um eletrodo de tungstênio também é utilizado. Entretanto, devido à ação de convergência do orifício no bocal do gás, o arco no processo PAW é mais constringido do que no processo GTAW, e consequentemente as soldas produzidas são mais profundas e estreitas. Figura 1-7 mostra uma comparação entre os processos GTAW e PAW. Por causa do seu grande comprimento de arco, o processo PAW é menos sensitivo à variações de comprimento de arco durante soldagem manual requerendo menos habilidade do soldador do que no processo GTAW. Como mostrado na Figura 1-7, o eletrodo de tungstênio fica para fora do bocal de gás no processo GTAW, enquanto no processo PAW ele fica para dentro do bocal. Devido ao curto comprimento de arco requerido no processo GTAW, o soldador pode inadvertidamente, tocar a poça de solda com o eletrodo contaminando-a com tungstênio. Obviamente, tal problema não ocorre no processo PAW, porque o eletrodo fica para dentro do bocal. Pela mesma razão, entretanto, a abertura do arco, a qual é facilmente conseguida no processo GTAW, é mais difícil no processo PAW. Desta forma, um circuito com arco piloto torna-se indispensável no processo PAW. Tal circuito, permite iniciar primeiro o arco piloto (com ajuda de um gerador de alta freqüência) entre o eletrodo e o orifício do bocal refrigerado à água e então gradualmente transferir o arco entre a ponta do eletrodo e o orifício do bocal para entre a ponta do eletrodo e a peça. Adicionalmente à técnica de fusão adotada em processos de soldagem a arco convencionais (tais como GTAW), a fusão por "buraco de chave" (keyhole) pode ser também utilizada na soldagem a plasma de certas espessuras (2.5 à 6.4 mm). Combinando a vazão de gás no orifício, velocidade de soldagem e corrente de soldagem; uma poça de soldagem relativamente pequena com um buraco penetrando através da peça pode ser obtida. Uma representação esquemática da soldagem com buraco de chave pode ser vista na Figura 1-8. A operação em buraco de chave é vantajosa desde que é uma indicação positiva de penetração total. Ainda mais, em tal operação, uma velocidade de soldagem muito mais alta do que aquela obtida no processo GTAW pode ser aplicada. Por exemplo, foi divulgado (5) que é possível realizar uma solda de 2.5 m de comprimento em aço inoxidável 410 com espessura de 6.4 mm com PAW em um tempo equivalente entre 1/5 à 1/10 do tempo de soldagem do GTAW. Neste exemplo em particular, o processo GTAW é muito menos eficiente do que o processo PAW, porque serão necessários muitos mais passes e com velocidades de soldagem bem menores. De fato, soldas em passes simples em metais com espessuras acima de 13 mm (0.5 in.) já são atualmente rotina para o processo PAW. Um exemplo de tais soldas é mostrado na Figura 1-9. O processo PAW tem também algumas desvantagens. Primeiro, a tocha de soldagem é mais complicada. Ela requer uma configuração própria de ponta de eletrodo e um correto posicionamento e seleção do tamanho do orifício para determinadas aplicações e ajustes de fluxo de gases. Segundo, a tocha para soldagem à plasma é consideravelmente grande, o que dificulta a soldagem em cantos. Finalmente, a fonte para soldagem a plasma é de alguma forma muito mais cara do que aquela para soldagem GTA. D. Soldagem com arame protegido por gás Soldagem com arame protegido por gás ou gas metal arc welding (GMAW) é um processo de soldagem a arco que produz a coalescência de metais através de seu aquecimento com um arco estabelecido entre um arame (consumível) continuamente alimentado e a peça (7). A proteção do arco e da poça de fusão é normalmente conseguida pela utilização de gases como argônio e hélio. Devido ao uso destes gases inertes o processo GMAW é algumas vezes chamado de MIG ou metal inert gas. Por

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outro lado, desde que algumas vezes utiliza-se gases reativos, particularmente CO2, o termo GMAW torna-se mais apropriado para identificar o processo. Figura 1-10 mostra um esboço do processo GMAW. Diferentemente do processo GTAW, corrente contínua com polaridade inversa (eletrodo positivo) é utilizada em muitas das aplicações do processo GMAW. Com este tipo de conecção consegue-se um arco estável, uma transferência de metal suave com baixa perda por salpicos e uma boa penetração (Figura 1-11, esquerda). Corrente contínua com polaridade direta (eletrodo negativo) e corrente alternada são raramente utilizadas devido a dificuldade de se conseguir uma transferência de metal suave (Figura 1-11, direita). Figura 1-12 mostra soldas em alumínio feitas com corrente direta com polaridade inversa. Existem três tipos básicos de transferência de metal no processo GMAW - transferência por curto circuito, globular e "spray". Na transferência do tipo por curto circuito, o metal de adição é transferido do eletrodo para a poça de fusão quando eles estão em contato entre si - ou seja, quando ocorre o curto circuito. Por outro lado, em ambos tipos de transferência globular e spray, as gotas viajam através do arco sob a influência da gravidade ou de forças eletromagnéticas, respectivamente. A magnitude da corrente de soldagem, o tamanho do eletrodo e a composição do gás de proteção são os principais fatores que afetam o modo de transferência. Detalhes sobre estes três tipos de transferência podem ser encontrados na referência (4) e não serão repetidos aqui. A maior variação do processo GMAW é o processo com arame tubular no qual um arame com fluxo interno é utilizado ao invés de arame sólido. Como resultado disto, vantagens inerentes à utilização de fluxos podem ser incorporadas às do processo GMAW. E. Soldagem com o arco submerso Soldagem com o arco submerso ou submerged arc welding (SAW) é um processo de soldagem a arco onde a coalescência dos metais é produzida através de seu aquecimento por um arco estabelecido entre um arame e a peça, com o arco sendo protegido por uma cortina de material granular fusível colocado continuamente sobre a região de soldagem. Este processo é diferente dos outros processos de soldagem porque a área de soldagem, incluindo o arco, fica coberta por este material granular fusível. A Figura 1-13 mostra um esboço do processo SAW. Por causa da ação protetora e do refinamento da escória, soldas bem limpas podem ser obtidas com o processo SAW. Desde que o arco é coberto pela escória líquida e pelo fluxo granulado, altas correntes de soldagem podem ser utilizadas sem causar arcos violentos e a perda de calor para o ambiente torna-se quase que insignificante. Ambos, elementos de liga e pós metálicos podem ser adicionados ao fluxo granular. Os elementos de liga ajudam a controlar a composição do metal de solda, sendo que os pós metálicos aumentam a taxa de deposição. A taxa de deposição pode ainda ser aumentada, utilizando-se dois ou mais eletrodos (arames ou fitas) simultaneamente. Como resultado da alta taxa de deposição, o processo SAW é mais preferido para soldagem de peças com grandes espessuras do que os processos GTAW e GMAW. Corrente contínua com polaridade inversa (CCPI) é utilizada no processo. Entretanto, com correntes multo altas (acima de 900 A.), dá-se preferência à corrente alternada para evitar o fenômeno conhecido como sopro magnético. O processo SAW, devido ao grande volume de escória e metal fundido, é normalmente limitado à posição plana e circunferencial (para tubos) de soldagem. Também devido ao alto aporte térmico e à grande poça de fusão que é gerada, grãos

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colunares podem se formar na zona fundida, resultando na diminuição da tenacidade ou ainda em trincamento à quente do metal de solda. F. Soldagem com eletro-escória Soldagem com eletro-escória ou eletroslag welding (ESW) é um processo onde a coalescência é produzida por uma escória fundida que funde o metal de adição e a superfície da peça a ser soldada (7). A poça é protegida por esta escória fundida, a qual se move ao longo da seção da junta à medida que a soldagem progride. Na verdade, o processo de soldagem com eletro-escória não é um processo de soldagem à arco, porque o arco só existe durante o período inicial do procedimento de soldagem - isto é, quando ele aquece o fluxo e o funde. O arco é então extinto, e a escória mantida líquida ou fundida pelo calor gerado pela resistência à corrente elétrica que passa através dela. A Figura 1-14 mostra um esboço do processo ESW. Similar ao processo SAW, a escória fundida protege o metal de solda contra a atmosfera, além de refiná-lo. Para ajudar a encontrar uma distribuição de calor uniforme, o eletrodo é quase sempre oscilado, especialmente quando se está soldando seções muito espessas. A grande vantagem do processo é a sua altíssima taxa de deposição. Neste processo de soldagem, somente um passe é requerido independente da espessura da peça a ser soldada. Pelo uso de juntas de topo quadradas e soldagem em passe único, a ocorrência de distorção angular, a qual é um dos maiores problemas em soldagens de múltiplos passes de seções espessas, fica completamente eliminada. Devido ao altíssimo aporte térmico, entretanto, a estrutura metalúrgica da peça é quase sempre danificada. Dentre os danos causados, inclui-se a criação de uma zona afetada por calor muito larga e grãos excessivamente grossos na zona fundida. Isto tudo gera um metal de solda com resistência mecânica à fratura muito pobre. Outra desvantagem do processo ESW é que ele só pode ser utilizado na posição vertical. Figura 1-15 mostra uma solda feita com o processo ESW em uma chapa de aço de 70 mm de espessura. Exemplos típicos de aplicações do processo incluem estruturas de navios, tanques de estocagem e pontes. 1.4 - Soldagem com Feixes de Alta Energia A. Soldagem com feixes de elétrons Existem dois tipos de processos de soldagem com feixes de alta energia: a soldagem com feixes de elétrons ou eletron beam welding (EBW) e a soldagem com laser ou laser beam welding (LBW). Ambos utilizam feixes de alta intensidade como fonte de calor para soldagem e produzem alta penetração se comparados com processos convencionais de soldagem à arco. Figura 1-16 ilustra estes dois processos de soldagem e o buraco de chave (ou buraco de feixe) produzido pelo feixe de alta intensidade. Como mostrado na Figura 1-16a, o cátodo na pistola de feixe de elétrons é um filamento carregado negativamente. Este filamento, quando aquecido até sua temperatura de emissão termoiônica, emite elétrons. Tais elétrons, sendo acelerados pelo campo elétrico entre o eletrodo carregado negativamente localizado bem embaixo do cátodo e do ânodo, passam através de um orifício no ânodo e formam um feixe. Com ajuda de uma bobina eletromagnética, o feixe de elétrons pode ser focalizado na peça para soldagem. A corrente do feixe e a tensão para aceleração dos elétrons tipicamente aplicadas no processo de soldagem com feixes de elétrons variam nas faixas de 50 à 1000 mA e 30 à 175 kV, respectivamente. O feixe pode ser focalizado em diâmetros que variam de 0.3 a 0.8 mm e a densidade de energia pode ser tão alta quanto 1010 W/m2 (1).

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Por causa da fonte de calor ser extremamente concentrada, soldagem com feixes de elétrons pode produzir soldas muito mais profundas e estreitas do que aquelas produzidas com processos à arco. Buraco de chave é quase sempre possível de ser conseguido, mesmo em peças relativamente espessas. Este fato permite o uso de altas velocidades de soldagem, além de permitir realizar solda que normalmente requereriam soldagem à arco em múltiplos passes. Consequentemente, o aporte térmico total por unidade de comprimento da solda é muito mais baixo do que na soldagem à arco. Exemplo: Figura 1-17 mostra seções transversais e condições de soldagem para uma solda realizada com feixe de elétrons e uma com GTAW em uma placa de 1/2 polegada de espessura de alumínio do tipo 2219. Vamos calcular e comparar o aporte térmico por unidade de comprimento destas duas soldas. Por simplicidade, consideraremos que o calor gerado pelas fontes de calor será completamente transferido para a peça em ambos os casos. Portanto, para a solda produzida com o processo GTAW, o aporte térmico por unidade de comprimento no primeiro passe é 11.7 V x 270 A = 29.2 kJ/in. 6.5 in. / 60 s O aporte térmico por unidade de comprimento no segundo passe é 13.0 V x 270 A = 28.1 kJ/in. 7.5 in. / 60 s O aporte térmico total será então 29.2 kJ/in. + 28.1 kJ/in. = 57.3 kJ/in. Para a solda com feixe de elétrons, por outro lado, o aporte térmico por unidade de comprimento em um único passe é (30 x 103 V) x (200 x 10-3 A) = 3.8 kJ/in. 95 in. / 60 s Portanto, o aporte térmico total na solda feita com o processo GTAW é muito mais alto (em torno de 15 vezes) do que aquele utilizado com feixe de elétrons. Como mostra a Figura 1-17, o menor aporte térmico do processo com feixe de elétrons resulta em uma zona fundida mais estreita e em uma zona afetada por calor muito menor. Como resultado deste baixo aporte térmico por unidade de comprimento, a largura da zona afetada por calor e a distorção são minimizadas no processo de soldagem com feixe de elétrons. Além disto, metais refratários e reativos, os quais quase sempre são afetados por pequenas quantidades de contaminantes gasosos tais como oxigênio e nitrogênio, são soldados com sucesso com o processo EBW. É interessante também comentar que metais dissimilares (por exemplo, alumínio e aço inoxidável), os quais são difíceis de serem soldados com os processos convencionais de soldagem a arco, são facilmente soldados com o processo de soldagem com feixe de elétrons. O baixo aporte térmico e a alta taxa de resfriamento na soldagem com feixe de elétrons, ajuda a prevenir a precipitação de compostos intermetálicos grandes e frágeis. A habilidade do feixe de elétrons de ser localizado precisamente na junta e formar uma zona de fusão com uma forma favorável, permite um bom controle das quantidades relativas dos dois metais na solda resultante.

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Materiais incompletamente desgaseficados, tipo o aço não acalmado, não são indicados para serem soldados com o processo EBW. Apesar dos gases nestes metais tenderem a escapar sob a ação do vácuo, o tempo para que as bolhas deixem a poça de fusão é insuficiente porque a velocidade de soldagem e a taxa de resfriamento são muito altas. Como resultado disto, quase sempre uma grande quantidade de porosidade pode ser observada no metal de solda. Ligas de magnésio e ligas contendo componentes de baixo ponto de ebulição, tal como o chumbo, não são recomendadas para serem soldadas com o processo EBW, porque a vaporização do Mg ou outros elementos, tendem a encher a bomba ou contaminar o sistema de vácuo. A desvantagem do processo EBW é obviamente seu alto custo devido ao preço do equipamento. A necessidade de um sistema de vácuo e proteções contra raio-X são inconvenientes e consomem tempo de preparação. Por causa do pequeno diâmetro do feixe, um perfeito ajuste e alinhamento da junta com a pistola de soldagem tornam-se imprescindíveis. Além disto, magnetismo residual em alguns metais pode causar deflexão do feixe e resultar na perda da junta como mostrado na Figura 1-18. Para reduzir o inconveniente de ter-se de produzir alto vácuo para a soldagem com feixe de elétrons (10-3 à 10-6 torr), equipamentos com médio vácuo (10-3 à 25 torr) e mesmo sem vácuo (1 atm) têm sido desenvolvidos. B . Soldagem com laser Mais recentemente, outro processo de soldagem com feixe de alta energia, o processo de soldagem com laser ou laser beam welding (LBW) foi desenvolvido. O laser para soldagem pode ser de dois tipos: laser de estado sólido ou laser à gás. No laser de estado sólido, um cristal simples ou vidro é dopado com pequenas concentrações de elementos de transição (como cromo em rubi) ou elementos de terras raras (como neodímio em vidro). Os elétrons de cada elemento dopante pode ser seletivamente excitado à altos níveis de energia através de exposição à luz pulsada de alta intensidade. O laser pode então ocorrer enquanto tais elétrons excitados retornam ao seu estado normal de energia. Figura 1-19 mostra uma ilustração simplificada para este fenômeno. A penetração máxima obtida com muitos lasers pulsados de estado sólido é de aproximadamente 1.5 mm. Lasers à gas, por outro lado, são operados em modo contínuo. Para o laser de CO2, que é o mais utilizado, a mistura de gases consiste de CO2, N2 e He. Tais misturas de gases é continuamente excitada por eletrodos conectados à fonte de energia, como mostrado na Figura 1-16b, e a emissão do laser ocorre continuamente. O feixe laser gerado pode ser focalizado e direcionado através de meios óticos. Densidades de energia tão altas quanto 1010 W/m2 e penetrações de até 2 cm podem ser conseguidas com laser contínuos de CO2 de 15kW de potência. Figura 1-20 mostra uma solda feita com laser em uma chapa de aço 4340 de 13 mm de espessura. O laser contínuo de alta energia é muito similar ao feixe de elétrons em vários aspectos. Por exemplo, em ambos tem-se uma densidade de energia muito alta, e ambos são capazes de produzir soldas profundas e estreitas com uma velocidade de soldagem bem alta. Ambos operam com baixo aporte térmico por unidade de comprimento, e portanto, minimizam o tamanho da zona afetada por calor e distorções na peça. Finalmente, eles são capazes de soldar metais dissimilares ou partes com grandes diferenças em massa e tamanho. Apesar disto, eles diferem entre si pelas características de dispersão e reflexão. Diferentemente do feixe de elétrons, o laser, por causa de sua natureza coerente, pode ser transmitido por distâncias apreciáveis através do ar sem causar sérias dispersões. Como resultado disto, sistemas de vácuo não são necessários para soldagem com laser. Por outro lado, um laser pode ser refletido por superfícies polidas e portanto podem perder uma porção significativa de sua energia total (isto é especialmente sério em ligas de alumínio e cobre), a menos

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que materiais absorvedores de energia, tais como grafite e fósforo, sejam depositados na superfície da peça. A soldagem com feixe de elétrons não está sujeita à este problema. Por outro lado, desde que raio-x não é gerado na superfície da peça pelo laser, proteções contra estes raios não são necessárias durante a soldagem com laser. Finalmente, como no caso da soldagem com feixe de elétrons, o custo do equipamento para soldagem com laser é muito alto, e um perfeito ajuste e alinhamento da junta é sempre requerido. REFERÊNCIAS 1. Welding Handbook, Vol. 3, 7a Edição, American Welding Society, Miami, Fl. 1976. 2. Carry, H.B.: Modern Welding Technology. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1979 3. Welding Handbook, Vol. 1, 7a Edição, American Welding Society, Miami, Fl. 1976. 4. Welding Handbook, Vol. 2, 7a Edição, American Welding Society, Miami, Fl. 1976. 5. Schwartz, M.M.: Metals Joining Manual, McGraw-Hill, New York, 1979. 6. Lesnewich, A.: in Weldability of Steels, 3a Edição, Editado por R.D. Stout e W.D.

Doty, Welding Research Council, New York, 1978, p. 5. 7. Gillete, G.H. e Breymeier, R.T.: Welding Journal, 30: 151s, 1951. 8. Gibbs, F.E.: Welding Journal, 59: 23, 1980. 9. Procedure Handbook of Arc Welding, 12a Edição, Lincoln Electric Company,

Cleveland, OH, 1973. 10. Eichhorn, F., Remmel, J. e Wubbels, B.: Welding Journal, 63: 37, 1984. 11. Arata, Y.: Development of Ultra High Energy Density Heat Source and Its

Application to Heat Processing. Okada Memorial Japan Society, Tokyo, 1985. 12. Farrell. W.J.: The Use of Eletron Beam to Fabricate Structural Members. Creative

Mfg. Seminars, ASTME Paper SP 63-208 (1962-1963). 13. Blakeley, P.J. e Sanderson, A.: Welding Journal, 63: 42, 1984. 14. Seaman, F.D. e Hella, R.A.: Estabilishment of a Continuous Wave Laser Welding

Process, IR-809-3 (1 até 10). AFML Contr. F33615-73-C-5004, Outubro de 1976. MAIS REFERÊNCIAS 1. Arata, Y.: Development of Ultra High Energy Density Heat Source and Its Application

to Heat Processing. Okada Memorial Japan Society, Tokyo, 1985. 2. Schwartz, M.M.: Metals Joining Manual. McGraw-Hill, New York, 1979. 3. Welding Handbook, Vol. 1, 2 e 3, 7a Edição, American Welding Society, Miami, Fl.

1976. PROBLEMAS 1-1. Foi dito que a taxa de resfriamento é mais alta no processo GMAW do que no processo SMAW, e portanto, é mais fácil ocorrer trincamento na zona afetada por calor de aços endurecíeis soldados com GMAW. Qual a principal razão do fato da taxa de resfriamento ser mais alta no GMAW do que no SMAW? 1-2. O diâmetro do eletrodo a ser utilizado no processo SMAW depende de fatores tais como: espessura da chapa a ser soldada, posição de soldagem e tipo de junta. Eletrodos grossos, com suas correspondentes altas correntes, tendem a produzir grandes poças de fusão. Quando estiver soldando nas posições sobre-cabeça e na vertical, você vai preferir um eletrodo fino ou um eletrodo grosso?

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1-3. Na soldagem a arco, o campo magnético induzido pela corrente de soldagem passando através do eletrodo e na peça pode interagir com o arco e causar o "sopro magnético" do arco. Quando este sopro é muito severo ele pode causar excessivo salpico e fusão incompleta do metal. Quando sopro magnético é um problema em SMAW, nós devemos minimizá-lo utilizando corrente contínua ou corrente alternada para soldagem? 1-4. No processo GTAW com arame quente, a ponta do arame (isto é, do metal de adição) é introduzida na poça de fusão e o arame aquece-se por resistência elétrica por meio de uma fonte de potência colocada separadamente entre o tubo de contato deste arame e a peça. No caso de aços, a taxa de deposição pode até ser dobrada através deste método. Voce preferiria utilizar uma fonte de potência CC ou CA para aquecer o arame? Voce espera ser possível utilizar este método para ligas de alumínio e cobre? 1-5. No processo PAW no modo de buraco de chave, argônio é mais recomendado como gás do que o hélio. Explique porque. 1-6. Em muitos processos de soldagem por fusão, a velocidade de soldagem é independente do aporte térmico. Qual dos processos mencionados neste capítulo é uma exceção disto? Explique porque.

Fig. 1-1. Comparação entre processos de soldagem a gás, arco e feixes de alta energia. As seções transversais dos três diferentes tipos de soldas também são

mostradas para comparação.

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Fig. 1-2. Esboço do processo de soldagem oxi-acetilênico.

Fig. 1-3. Reações químicas e distribuição de temperatura na chama oxí-acetilênica

neutra.

Fig. 1-4. Esboço do processo de soldagem com eletrodo revestido.

Fig. 1-5. Esboço da soldagem GTA.

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Fig. 1-6. Soldagem GTA com os três tipos diferentes de corrente. Extraído do Welding

Handbook (4). © 1978 AWS.

Fig. 1-7. Comparação entre os processos GTAW e PAW. Extraido do Welding

Handbook (4). © 1978 AWS.

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Fig. 1-8. Desenho esquemático mostrando o "buraco de chave"durante a soldagem

com o processo de soldagem a plasma.

Fig. 1-9. Solda de passe único em uma chapa de aço inoxidável 304 de 13 mm de espessura (6). A solda foi feita utilizando o processo de soldagem à plasma com a

técnica de "buraco de chave".

Fig. 1-10. Esboço do processo GMAW.

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Fig. 1-11. Transferência de metal durante a soldagem GMA. Esquerda: polaridade

reversa (arame de aço). Direita: polaridade direta (arame de alumínio). De Gillette e Breymeier (7). © 1951 AWS.

Fig. 1-12. Exemplos de soldas GMA de alumínio 5083 com 6,4 mm de espessura feitas com argônio (esquerda) e com 75% He - 25% Ar (direita). De Gibbs (8). © 1980 AWS.

Fig. 1-13. Esboço do processo de soldagem com arco submerso.

Fig. 1-14. Esboço do processo de soldagem com eletro-escória (9). (1) tubo guia do

eletrodo; (2) eletrodo; (3) sapatas de cobre refrigerado à água; (4) solda; (5) metal de base; (6) escória fundida; (7) poça de fusão; (8) metal de solda solidificando. (cortesia,

Lincoln Electric Co.)

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Fig. 1-15. Seção transversal de uma solda de eletro-escória de uma placa de aço de 70

mm de espessura. De Eichhorn et al. (10). © 1984 AWS.

Fig. 1-16. Soldagem com feixe de alta energia: (a) processo de soldagem com feixe de

elétrons; (b) processo de soldagem com laser; (c) "buraco de chave"(ou buraco de feixe) produzido durante a soldagem. Extraído de Arata (11).

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Fig. 1-17. Comparação entre soldas feitas com feixe de elétrons (esquerda) e GTAW

(direita) em uma palca de alumínio 2219 de 1/2 polegada de espessura. De Farrell (12).

Fig. 1-18. Desalinhamento da fusão em uma solda com feixe de elétrons de placas de aço de 150 mm de espessura. Esquerda: aço 21/2 Cr - 1 Mo com uma densidade de fluxo transversal de 3,5 Gauss paralela ao plano da junta. Direita: aços SB (C-Mn) e

A387 (21/4 Cr - 1 Mo). De Blakeley e Sanderson (13). © 1984 AWS.

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Fig. 1-19. Desenho esquemático da absorção de energia de elétrons e emissão

durante a ação de laser (1). © 1976 AWS

Fig. 1-20. Seção transversal de uma solda feita com laser em um aço 4340 modificado

(12.7 mm de espessura). De Seaman e Hella (14).

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Tabela 1-1. Visão dos Processos de Soldagem Material Espes.a Processo de Uniãob SMAW SAW GMAW FCAW GTAW PAW ESW OFW EBW LBW

Aço ao Carbono

F I M G

X X X X

X X X X

X X X X

X X X

X X

X

X X X X

X X X X

X X X

Aço de baixa liga

F I M G

X X X X

X X X X

X X X X

X X X

X X

X

X X X X X

X X X

Aço inoxidável

F I M G

X X X X

X X X X

X X X X

X X X

X X

X X X

X

X X X X X

X X X

Ferro Fundido

I M G

X X X

X X

X X

X X

X X X

Níquel e ligas

F I M G

X X X X

X X

X X X X

X X

X X X

X

X X X X X

X X X

Alumínio e ligas

F I M G

X X X X

X X X

X X X X X X

X X

Titânio e Ligas

F I M G

X X X X

X X X

X X X

X X X X

X X X

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Cobre e ligas

F I M G

X X X X

X X X

X X X X

Magnésio e ligas

F I M G

X X X X

X X

X X X X

X X X

Ligas refratárias

F I M G

X X

X X X

X X

a Espessura: F, Fina - até 3 mm (1/8 in.); I, Intermediária - 3 à 6 mm (1/8 à 1/4 in.); M, Média - 6 à 19 mm (1/4 à 3/4 in.); G, Grossa - acima de 19 mm (3/4 in.); X, significa recomendado. b Código dos processos: SMAW, soldagem com eletrodo revestido; SAW, soldagem com arco submerso; GMAW, soldagem com arame sólido com proteção gasosa; FCAW, soldagem com arame tubular; GTAW, soldagem com eletrodo de tungstênio com proteção gasosa; PAW, soldagem com plasma; ESW, soldagem com eletro-escória; OFW, soldagem com gás combustível; EBW; soldagem com feixe de elétrons; LBW, soldagem com laser. Fonte: Welding Handbook (3).