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Introdução ao Processamento dos Materiais

RESUMO

� Soldagem

1. Processos de Junção de Metais Classificação: Junção Mecânica não Permanente: podem ser desfeitas sem danificar as peças juntadas,

EX: parafuso e porca Junção Permanente: não podem ser desfeitas sem danificar as peças juntadas: • Mecânica: rebite, grampo, costura etc..

• Estado Sólido: baseados em adesão e conformação

• Por Fusão: ocorre fusão na região de junção

• Processos Sólido-Líquido: baseado em solidificação, adesão e tecnologia de

polímeros

Processos de Junção Permanente em geral demandam habilidade considerável do operador e exige proteção individual bem sofisticada em função de fumaças, altas voltagens, altas temperaturas, o que tem levado a um busca constante por automação dos processos.

2. Processos de Junção de Metais Permanentes

i. Junção Mecânica Permanente: não envolve ligação metalúrgica entre os átomos das peças a serem juntadas.

ii. Junção por Soldagem Permanente: envolve ligação metalúrgica forte (metálica, iônica, covalente, etc..) entre os átomos das peças a serem juntadas ou desses átomos com os átomos do metal de solda, sendo denominada Soldagem («Welding»), podendo ser dos seguintes tipos:

• Soldagem ou Junção no Estado Sólido: em geral necessário pressão para promover a adesão entre os átomos das peças a serem soldadas, processos podem ser a frio ou

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a quente; não ocorre fusão das peças a serem juntadas e em geral não tem metal de solda, a junção é feita diretamente entre as peças;

• Soldagem por Fusão (normalmente chamado apenas de «Soldagem»): ocorre fusão das peças a serem juntadas na região de junção e pode envolver ou não metal de solda e fundentes; no caso de envolver fundentes, eles têm a função de promover a escorificação, ou seja, formação de escória para proteger a região de solda contra oxidação e outros ataques químicos e também retirar impurezas da região de solda enquanto no estado líquido;

• Soldagem ou Junção Sólido-Líquido: baseado na fusão apenas do metal de solda,

com as peças a serem juntadas permanecendo no estado líquido;

3. Principais tipo de junção mecânica permanente: Que não envolve ligação metalúrgica entre os átomos das peças a serem juntadas:

• Rebite; • Grampo; • Costura; • Aleta; • Dobra; • Gancho.

4. Junção por Soldagem Permanente:

4.1. Soldagem no Estado Sólido

i. Soldagem a Frio: necessária pressão para promover a adesão e ligação interatômica entre as peças a serem soldadas; processos realizados a temperatura ambiente e os principais são:

• Soldagem sobreposta; • Soldagem de topo; • Soldagem por rolos; • Soldagem por explosão; • Soldagem ultrassônica.

ii. Soldagem por Difusão: junção é obtida quando a temperatura é bastante elevada para garantir suficiente difusão entre as partes a serem juntadas, tipicamente acima de 0,5 Tfe, normalmente é feita sob pressão; nos últimos 30-40 anos essa técnica tem sido combinada com conformação superplástica para se obter peças de formato complexo.

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iii. Soldagem a Quente: termo geral para descrever processos de soldagem no estado sólido por deformação em temperaturas na faixa de deformação a quente, ou seja, acima da temperatura de recristalização; principais processos:

• Soldagem por forjamento; • Soldagem por indução; • Soldagem elétrica de topo; • Soldagem por rolos a quente.

iv. Soldagem por Fricção: o trabalho gerado pelo atrito de dois corpos é transformado em calor; quando a taxa de fricção é alta e o calor fica contido em pequena região, ocorre a soldagem, ou seja, a ligação interatômica entre os átomos das peças a serem juntadas.

4.2. Soldagem por Fusão É o processo de junção mais comum, normalmente denominado apenas de ”soldagem”,

onde a junção interatômica é estabelecida por fusão dos metais a serem soldados, podendo ou não exigir metal de solda; em geral os materiais a serem soldados e o metal de solda, se existir, têm composições similares, porém não iguais, e pontos de fusão diferentes.

A região de soldagem é aquecida e o metal base e o de solda, quando existir, são fundidos apenas na região de soldagem, a qual, pelo contato com o restante do material em temperaturas mais baixas (em geral são materiais de boa condutividade térmica) provoca a solidificação e o resfriamento da região de solda com altas taxas de resfriamento.

Em função da fusão localizada e das altas taxas de resfriamento, a “Zona de Fusão” é uma região de microestrutura extremamente inomogênea, sendo que na fronteira do metal base que não chegou a fundir com o metal que se fundiu, é gerada uma “zona termicamente afetada”, de propriedades e microestrutura muito diferente do restante do metal base, que, se o processo de soldagem não for bem controlado, acaba sendo muitas vezes uma região de menor resistência e/ ou de fragilidade na estrutura.

As características da “zona de fusão” dependem do(s) material(is) participando da soldagem e também das variáveis do processo.

Em alguns processos de soldagem por fusão são necessários introduzir fundentes, nesse caso escorificantes com a finalidade de formar escória protetora do cordão de solda, tanto para evitar oxidação ou outras reações químicas indesejadas com a atmosfera, quanto para retirar impurezas do cordão de solda, evitando que elas prejudiquem as características mecânicas do cordão.

Defeitos de Solda:

• Controle do fluxo de calor, considerando a condutividade térmica do metal sendo

soldado, é fundamental para evitar defeitos no cordão de solda, tais com: falta de fusão, penetração incompleta do cordão de solda, excesso de material do cordão de solda, etc.;

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• Contaminação superficial deve ser evitada por meios mecânicos ou químicos;

• Reações indesejáveis com contaminantes ou com a atmosfera devem ser evitadas pela selagem do cordão de solda com vácuo ou atmosfera protetora;

• Gases gerados na soldagem podem causar o aparecimento de porosidade no cordão de solda, que levam à fratura prematura do material;

• Trincas de solidificação podem aparecer em função de tensões geradas na

solidificação da zona de fusão;

• Contração de solidificação e contração do sólido no resfriamento após solidificação gera tensões internas que podem levar a distorções e/ou trincas;

• Transformações metalúrgicas no processo são de grande importância,

principalmente se geram fases frágeis como martensita;

• As espessuras absolutas e relativas das peças a serem soldadas e o design da junta têm grande influência no aquecimento e resfriamento e, portanto, na soldabilidade;

• Alguns desses problemas potenciais podem ser minimizados através de: preaquecimento da zona de soldagem ou da estrutura, martelamento do cordão de solda e tratamento térmico pós-soldagem de toda a estrutura soldada;

Metais Soldáveis:

• Aços Ferríticos: são facilmente soldáveis, porém a formação da martensitadeve ser

evitada;

• Aços recobertos: representa um desafio para a soldagem, especialmente aços galvanizados, por causa da evaporação do zinco, que gera um plasma e prejudica o processo;

• Aços inoxidáveis: parâmetros de soldagem devem evitar a formação de filme de

Cr2O3; aços inoxidáveis austeníticos são soldáveis, mas também é necessário bom controle do processo para evitar a perda da característica de resistência à corrosão na região da solda em função das alterações microestruturais; aços inoxidáveis ferríticosou martensíticossão mais difíceis de soldar e exigem maior controle do processo;

• Ferros fundidos em geral são soldáveis, mas a soldabilidade varia entre eles;

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• Não ferrosos de baixa temperatura de fusão: chumbo e estanho são facilmente soldáveis, mas zinco é um dos materiais mais difíceis de soldar, em função da facilidade com que se oxida e também se vaporiza;

• Alumínio e magnésio são soldáveis, porém exigem controle do processo, especialmente da atmosfera onde ele se processa, muitas vezes exigindo uma atmosfera protetora para evitar oxidação;

• Cobre e ligas de cobre são em geral soldáveis;

• Níquel e ligas também são em geral soldáveis;

• Titânio e Zircônio são soldáveis, mas exige atmosfera inerte protetora;

• Metais refratários: W, Mo e Nb são soldáveis, mas a volatidlidade dos seus óxidos exige técnicas especiais, p.ex, soldagem por feixe eletrônico.

Soldagem por Resistência Elétrica: Soldagem por Resistência Elétrica é uma transição entre a soldagem no estado sólido e

a soldagem por fusão: as duas partes a serem soldadas são pressionadas juntas e uma corrente alternada é passada pela zona de contato através de eletrodos de diversas formas; é nessa região de contato que a resistência elétrica é máxima e onde a perda elétrica se concentra, gerando calor; a corrente elétrica é mantida até ocorrer a fusão na região de contato e a pressão é mantida até a solidificação da região de solda.

Os principais processos de “soldagem por resistência elétrica” são:

• Soldagem a Ponto: muito usada para soldagem de chapas metálicas nas indústrias

automobilística, de eletrodomésticos, de utensílios de cozinha, etc.., a corrente e a pressão atuam em pontos específicos;

• Soldagem a Projeção: pequenas porções de metal de junção é depositado, ou projetado, em uma das chapas a serem soldadas e a pressão e a corrente são aplicadas nesse ponto gerando a fusão e posterior solidificação e soldagem;

• Soldagem a Costura: série de pontos alinhados que são soldados utilizando

eletrodos na forma de rolos, que tem a corrente ligada e desligada para promover a solda apenas nos pontos desejados;

• Soldagem por Alta Freqüência: muito usada na fabricação de tubos, peças

estruturais e rodas, onde a corrente de alta freqüência pode ser aplicada através de eletrodos deslizantes ou na forma de rolos ou ainda por uma bobina de indução que envolve a peça a ser soldada (nesse caso o processo é denominado soldagem de alta freqüência por indução);

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• Soldagem de Topo: a corrente já é aplicada na aproximação das duas peças, ao contrário da solda a ponto, onde a corrente só é aplicada depois das peças juntas e pressionadas; com isso o aquecimento é muito rápido e metal fundido é expelido e se queima no ar, gerando faíscas.

Soldagem a Arco Elétrico: Soldagem a Arco Elétrico difere da solda por resistência elétrica porque nesse caso o

aquecimento para fundir a região da solda é gerado por um arco elétrico entre um eletrodo (catodo) e a peça a ser soldada (anodo): o catodo é aquecido pela corrente elétrica até que ele libera elétrons que são acelerados para a peça a ser soldada, aquecendo-a até a fusão.

Os principais processos de Soldagem a Arco Elétrico são: Soldagem com Eletrodo Não Consumível: o eletrodo não se funde e o metal de solda é

fornecido pelo próprio material a ser soldado (soldagem autógena) ou, para chapas mais grossas (> 3mm de espessura) por um filete de solda externo:

• Soldagem a Arco Tungstênio-Gás Inerte (TIG): o arco elétrico é mantido entre a

peça e um eletrodo de tungstênio protegido por gás inerte; não há formação de escória nesse processo;

• Soldagem a Plasma (PAW): se o arco elétrico e, dentro dele o plasma (gás ionizado eletricamente neutro), é restrito por um orifício, a intensidade do aquecimento aumenta muito; técnica muito usada para soldagem de chapas finas;

• Soldagem a Arco com Eletrodo de Carbono (CAW): o arco é gerado entre a peça e um eletrodo de carbono; é o processo precursor da soldagem com eletrodos não consumíveis.

Soldagem com Eletrodo Consumível: o eletrodo é um metal que se funde passando a fazer parte do cordão de solda; sua composição é em geral diferente do material a ser soldado e a região da solda é em geral protegida por um gás ou por um fundente:

• Soldagem a Arco Gás-Metal: o eletrodo metálico consumível é alimentado com uma proteção de gás inerte, daí o nome antigo usual de MIG;

• Soldagem a Arco Gás-Metal com Eletrodo Encapsulado: o eletrodo metálico consumível é revestido por uma camada de proteção, o que acaba gerando uma escória que protege a região da solda, mas demanda limpeza do cordão de solda;

• Soldagem a Arco com Eletrodo com Núcleo de Fundente: similar ao anterior,

porém o fundente protetor está no interior do cordão de solda, sendo que algumas vezes proteção adicional por gases é introduzida;

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• Soldagem a Arco Submerso: o eletrodo é o metal de solda sem fundente e a região da solda é protegida por um fundente granular, introduzido independente do material do cordão de solda, que cobre o arco; também gera escória que protege o cordão;

• Soldagem Electroslag (ESW): o eletrodo em fio é alimentado em uma piscina de escória fundida; processo muito usado para soldagem de juntas verticais em chapas e estruturas de grande porte, tais como pontes, navios, etc.;

• Soldagem Electrogas (EGW): o eletrodo em fio (sólido ou com encapsulado com

fundente) tem a proteção de um gás;

Soldagem com consumo da peça a ser soldada: em alguns casos especiais de soldagem autógena a própria peça se transforma no eletrodo consumível.

Outros Processos de Soldagem e Corte:

Fonte de Calor de Origem Química: calor de fusão fornecido por reações químicas

i. Soldagem a gás:

• Soldagem a Oxiacetileno: calor produzido pela combustão (reação com oxigênio)

do acetileno; é o processo mais comum de soldagem a gás;

• Soldagem a outros gases: utilizam-se também a combustão de outros gases, tais como propano, gás natural e hidrogênio, muito usados em soldagem de alumínio e metais de baixo ponto de fusão.

ii. Soldagem por termites (TW): quando um óxido de metal com baixa energia livre de formação é posto em contato com um metal de mais alta energia livre de formação do óxido, o óxido do primeiro metal é reduzido através de uma reação exotérmica denominada “reação termítica”; nesse processo de soldagem a energia térmica é fornecida por um pó composto de uma mistura de um metal e um óxido, os quais se combinam em uma reação exotérmica termítica; esse processo é usado na soldagem de seções pesadas (> 60 cm2de seção reta).

Soldagem por Feixes de Alta Energia: o calor de fusão é introduzido através de uma feixe de alta energia:

• Solda por Feixe de Elétrons de Alta Energia: a fonte de calor vem do impacto de um feixe de elétrons de alta velocidade na peça;

• Solda por Feixe de Laser: a fonte de calor é um feixe de laser (luz de alta frequência).

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Corte: uma importante aplicação da soldagem por fusão é no corte de chapas, retirada de rebarbas e alimentadores de fundição, etc.:

• Corte a Oxiacetileno;

• Corte a Arco de Plasma.

4.3. Soldagem de Metais do Estado Sólido-Líquido

Junção é estabelecida através de um metal de solda que é fundido e introduzido ente as peças a serem juntadas, as quais não se fundem, permanecendo no estado sólido; ligações interatômicas são estabelecidas entre o metal das peças e o metal de solda.

Junção é estabelecida através de um metal de solda que é fundido e introduzido ente as peças a serem juntadas, as quais não se fundem, permanecendo no estado sólido; ligações interatômicas são estabelecidas entre o metal das peças e o metal de solda.

A grande vantagem desse processo é a possibilidade de soldagem de peças de formato complexo, já que a junção entre elas pode ser feita em pontos específicos, não necessariamente em toda a região de contato.

Técnica aplicada na fabricação de radiadores de automóveis, entre chapas e tubos de trocadores de calor, ventiladores, eletrodomésticos e na junção de tubos e fios.

Dependendo da temperatura de fusão do metal de solda, o processo e denominado: • Brazagem: temperatura de fusão do metal de solda maior que 425 °C;

• Soldadura ou Solda Branca: temperatura de fusão do metal de solda menor que 425

°C Em ambos os processos o metal de solda penetra entre as partes a serem soldadas

através de capilaridade. Em alguns casos fundentes podem ser usados para limpeza das superfícies a serem

juntadas caso estejam oxidadas, já que esses fundentes tem temperatura de fusão e viscosidade menor que a do metal de solda, penetrando com maior facilidade nos espaços entre as peças; os fundentes também protegem contra a oxidação durante a solidificação do metal de solda.

4.4. Processos de Junção de Metais por Adesão Através de Polímeros ou Cerâmicos

Processo diferente dos anteriores, onde o material introduzido entre as partes metálicas

a serem juntadas é um polímero ou, menos comum, um cerâmico, sendo que diversos polímeros e alguns cerâmicos podem ser usados para essa finalidade

Não existe ligação interatômicaforte entre os metais a serem juntados e o polímero ou cerâmico de adesão, sendo o mecanismo de junção ainda não muito bem entendido, desconfiando-se de que a adesão envolve forças secundárias de menor intensidade entre esse materiais

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Vantagens dessa técnica incluem: processo realizado a baixas temperaturas, materiais diferentes e de dimensões reduzidas podem ser juntados, os materiais de junção podem absorver choques e vibrações e também a junção de estruturas complexas a custos baixos