2 Definição de Soldagem



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  1. Definição de Soldagem

Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo SOLDAGEM. Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais.

Algumas definições de soldagem são:


  • "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças , assegurando, na junta soldada, a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas".

  • "Operação que visa obter a coalescência localizada produzida pelo aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição." (Definição a adotada pela AWS - American Welding Society).

  • “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento, na região de contato entre os materiais sendo unidos, de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais.”

Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cerca de 100 anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas deste épocas remotas. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 AC. A tabela 1.1 mostra um resumo do histórico da soldagem.


Tabela 1.1. resumo cronológico da história da soldagem


1801

Sir Humphey Davis descobre o fenômeno do arco elétrico

1836

Edmund Davy descobre o Acetileno

1885

N. Bernardos e S. Olsewski depositam patente do processo de soldagem por arco elétrico

1889

N.G. Slavianoff e C. Coffin substituem o eletrodo de grafite por arame metálico

1901

Fouché e Picard desenvolvem o primeiro maçarico industrial para soldagem oxiacetilênica

1903

Goldschmidt descobre a solda aluminotérmica

1907

O. Kjellberg deposita a patente do primeiro eletrodo revestido

1919

C. J. Halsag introduz a corrente alternada nos processos de soldagem

1926

H.M. Hobart e P.K. Denver utilizam gás inerte como proteção do arco elétrico

1930

Primeiras normas para eletrodo revestido nos EUA

1935

Desenvolvimento dos processos de soldagem TIG e Arco Submerso

1948

H.F. Kennedy desenvolve o processo de soldagem MIG

1950

França e Alemanha desenvolvem o processo de soldagem por feixe de elétrons

1953

Surgimento do processo MAG

1957

Desenvolvimento do processo de soldagem com arame tubular e proteção gasosa

1958

Desenvolvimento do processo de soldagem por eletro-escória , na Rússia

1960

Desenvolvimento de processo de soldagem a laser, nos EUA

1970

Aplicados os primeiros robôs nos processos de soldagem

Estima-se que hoje em dia estão sendo utilizados mais de 70 processos de soldagem a nível mundial, sendo este um número dinâmico, pois vários outros processos estão em desenvolvimento a nível de pesquisa e projetando para breve novas alterações no mercado de soldagem. A classificação mostrada na figura 1.1 utiliza o critério de divisão em famílias, envolvendo o fenômeno físico e utilizando para as subdivisões a forma de energia empregada no processo.




Figura 1.1. classificação dos processos de soldagem

A figura 1.2 mostra as variáveis envolvidas no processo de soldagem, observa-se que para ter um bom resultado no processo deve se levar muito em conta principalmente o tipo de processo utilizado, o material e a seqüência de realização da solda.



Figura 1.2. variáveis no processo de soldagem.




  1. Formação de uma junta soldada

De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0, na qual a energia do sistema é mínima, como mostra a figura 2.1.

Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tendendo a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situação não se mantém, pois os átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto um maior nível de energia do que os átomos no seu interior. Esta energia pode se reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação de uma ligação permanente, uma solda entre as peças seria formada, como ilustrado na figura 2.2. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo. Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas, exceto em condições muito especiais. A explicação para isto está na existência de obstáculos que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordem de r0. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos:


  • As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e sub-microscópica (figura 2.3).

Mesmo uma superfície com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atômicas. Isto impede uma aproximação efetiva das superfícies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o número de ligações formadas é insuficiente para garantir qualquer resistência para a junta.


F
igura 2.1 - Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles.


F
igura 2.2 - Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças.
Figura 2.3 - Representação esquemática da superfície metálica limpa.
As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxidos, umidade, gordura, poeira, etc, o que impede um contato real entre as superfícies, prevenindo a formação da solda. Estas camadas se formam rapidamente e resultam exatamente da existência de ligações químicas incompletas na superfície.

Dois métodos principais são utilizados para superar estes obstáculos, os quais originam os dois grandes grupos de processos de soldagem. O primeiro consiste em deformar as superfícies de contato permitindo a aproximação dos átomos a distâncias da ordem de r0 (figura 2.4). As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitar a deformação das superfícies de contato.




Figura 2.4 - Soldagem por pressão ou deformação.


O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região de união até a sua fusão e do metal de adição (quando este é utilizado), destruindo as superfícies de contato e produzindo a união pela solidificação do metal fundido (figura 2.5).

Assim, uma forma de classificação dos processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos de soldagem por fusão.



Figura 2.5 – (a) Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) Macrografia de uma

junta.


  1. Processos de Soldagem




    1. Processos de Soldagem por Fusão

Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em sub-grupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. Dentre estes, os processos de soldagem a arco (fonte de energia: arco elétrico) são os de maior importância industrial na atualidade. Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações. A tabela 3.1 mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características principais.


Tabela 3.1. principais processos de soldagem por fusão e suas características.






    1. Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação)

Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por ultra-som, por fricção, por forjamento, por resistência elétrica, por difusão, por explosão, entre outros (tabela 3.2 e figura 3.1). Diversos destes processos, como por exemplo, os processos de soldagem por resistência, apresentam características intermediárias entre os processos de soldagem por fusão e por deformação.

Tabela 3.2. Processos de soldagem por pressão.




Figura 3.1. Processos de soldagem por pressão.





  1. Terminologia de Soldagem:

A figura 4.1 mostra esquematicamente a terminologia utilizada nos processos de soldagem.




  • Soldagem (Welding) é o processo de união de materiais, a Solda (weld) é o resultado deste processo.

  • Metal Base (base metal): Material da peça que sofre o processo de soldagem.

  • Metal de Adição (filler metal): Material adicionado, no estado líquido, durante a soldagem (ou brasagem).


Figura 4.1. Terminologia utilizada nos processos de soldagem.





  • Poça de Fusão (weld pool): Região em fusão, a cada instante, durante uma soldagem.

  • Penetração (penetration): Distância da superfície original do metal de base ao ponto em que termina a fusão, medida perpendicularmente à mesma.

  • Junta (joint): Região entre duas ou peças que serão unidas.

Tipos de Junta: Topo (butt), ângulo (tee), canto (corner), sobreposta (lap) e de aresta (edge) (figura 4.2).




Figura 4.2. tipos de junta.
Soldas em juntas de topo e ângulo podem ser de penetração total (penetração em toda a espessura de um dos componentes da junta, como na figura acima) ou parcial.


  • Chanfro (groove): Corte efetuado na junta para possibilitar/facilitar a soldagem em toda a sua espessura (figura 4.3).




Figura 4.3. Tipos de chanfro em juntas de soldagem.




  • Elementos de um Chanfro:

    • Encosto ou nariz (s) (nose, groove face): Parte não chanfrada de um componente da junta.

    • Garganta, folga ou fresta (f) (root opeming): Menor distância entre as peças a soldar.

    • Ângulo de abertura da junta (α) (groove angle) e

    • ângulo de chanfro (β) (bevel angle).

Os elementos de um chanfro (figura 4.4) são escolhidos de forma a permitir um fácil acesso até o fundo da junta (figura 4.5), mas, idealmente, com a menor necessidade possível de metal de adição.

Figura 4.4. Elementos de um chanfro.




  • Raiz (root): Região mais profunda do cordão de solda. Em uma junta chanfrada,corresponde à região do cordão junto da fresta e do encosto. Tende a ser a região mais propensa à formação de descontinuidades em uma solda.

  • Face (face): Superfície oposta à raiz da solda.

  • Passe (pass): Depósito de material obtido pela progressão sucessiva de uma só poça de fusão. Uma solda pode ser feita em um único ou em vários passes.

  • Camada (layer): Conjunto de passes localizados em uma mesma altura no chanfro.

  • Reforço (reinforcement): Altura máxima alcançada pelo excesso de material de adição, medida a partir da superfície do material de base.

  • Margem (toe): Linha de encontro entre a face da solda e a superfície do metal de base.


Figura 4.5. denominação dos passes utilizados numa junta soldada.




  • Posições de Soldagem (welding positions)(figura 4.6):




    • Plana (flat): A soldagem é feita no lado superior de uma junta e a face da solda é aproximadamente horizontal.

    • Horizontal (horizontal): O eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face é inclinada.

    • Sobrecabeça (overhead): A soldagem é feita do lado inferior de uma solda de eixo aproximadamente horizontal.

    • Verical (vertical): O eixo da solda é aproximadamente vertical. A soldagem pode ser “para cima” (vertical-up) ou “para baixo” (vertical-down).

Figura 4.6. posições de soldagem.




  • Modos de Operação:




  • Manual (manual): Soldagem na qual toda a operação é realizada e controlada manualmente pelo soldador (welder).

  • Semi-automático (semi-automatic): Soldagem com controle automático da alimentação de metal de adição, mas com controle manual pelo soldador do posicionamento da tocha e de seu acionamento.

  • Mecanizado (machine): Soldagem com controle automático da alimentação de metal de adição, controle do deslocamento do cabeçote de soldagem pelo equipamento, mas com o posicionamento, acionamento do equipamento e supervisão da operação sob responsabilidade do operador de soldagem (welding operator).

  • Automático (automatic): Soldagem com controle automático de praticamente todas as operações necessárias. Em alguns casos, a definição de um processo como mecanizado ou automático não é fácil, em outros, o nível de controle da operação, o uso de sensores, a possibilidade de programar o processo indicam claramente um processo de soldagem automático. De uma forma ampla, os sistemas automáticos de soldagem podem ser divididos em duas classes: (a) Sistemas dedicados, projetados para executar uma operação específica de soldagem, basicamente com nenhuma flexibilidade para mudanças no processos e (b) sistemas com robôs, programáveis e apresentado uma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo.



  • Símbolos de Soldagem:

Símbolos padronizados são usados para indicar a localização, detalhes do chanfro e outras informações de operações de soldagem em desenhos de engenharia. Existem sistemas de símbolos de soldagem desenvolvidos em normas de diferentes países. No Brasil, o sistema mais usada é o da American Welding Society, através de sua norma AWS A2.4, Symbols for Welding and Nondestructive Testing. Contudo, símbolos baseados em normas de outros países são, também, usados. Como estes símbolos são similares aos da AWS, mas apresentam diferenças em detalhes, isto pode levar à interpretação errada de desenhos.


Um símbolo completo de soldagem consiste dos seguintes elementos (figura 4.7):




  • Linha de referência (sempre horizontal),

  • Seta,

  • Símbolo básico da solda,

  • Dimensões e outros dados,

  • Símbolos suplementares,

  • Símbolos de acabamento,

  • Cauda, e

  • Especificação de procedimento, processo ou outra referência.


Figura 4.7. Simbologia com elementos de soldagem.


O símbolo básico da solda indica o tipo de solda e chanfro que serão usados. A figura 4.8 mostra os símbolos básicos mais comuns:


Figura 4.8. símbolos básicos de soldagem.

A posição do símbolo básico na linha de referência indica se a solda será depositada no mesmo lado ou no lado oposto do local indicado no desenho pela seta (figura 4.9):



Figura 4.9. simbologia de soldagem.




  1. Arco elétrico de soldagem

Um arco elétrico pode ser definido como um feixe de descargas elétricas formadas entre dois eletrodos e mantidas pela formação de um meio condutor gasoso chamado plasma. Há neste fenômeno a geração de energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através da fusão localizada das peças a serem unidas. A expressão soldagem a arco elétrico se aplica a um grande número de processos de soldagem que utilizam o arco elétrico como fonte de calor; nestes processos a junção dos materiais sendo soldados pode requerer ou não o uso de pressão ou de material de adição.




    1. Abertura e funcionamento do arco elétrico:

Um arco elétrico é formado quando 2 condutores de corrente elétrica (dois eletrodos) são aproximados para fazer o contato elétrico e depois separados (figura 5.1). Isto aumenta a resistência ao fluxo de corrente e faz com que as extremidades dos eletrodos sejam levados a altas temperaturas, bem como o pequeno espaço de ar entre eles. Os elétrons vindo do eletrodo negativo (catôdo) colidem com as moléculas e átomos do ar, desmembrando-os em íons e elétrons livres e tornando a fresta de ar um condutor de corrente devido à ionização. Isto mantém a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco; na prática para acender o arco, o soldador esfrega a extremidade do eletrodo na peça a soldar e depois o afasta ligeiramente. No instante de contato, a corrente passa no circuito e continua a circular quando o eletrodo é afastado, formando um arco, devido ter acontecido a ionização do ar, isto é, o ar ter se tornado condutor de corrente.

Figura 5.1. esquematização da abertura e funcionamento do arco elétrico.




    1. Características térmicas do arco elétrico

O arco elétrico de soldagem tem uma eficiência alta (100%) na transformação de energia elétrica em energia térmica. Baseado nessa eficiência podemos afirmar que o calor gerado num arco elétrico pode ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos pela equação:


Q = V . I . t

onde:


Q = energia térmica gerada, em joule (J);

V = queda de potencial no arco, em Volt (V);

I = corrente elétrica no arco, em ampère (A);

t = tempo de operação, em segundos (s).


São conseguidas altas temperaturas no arco, conforme mostra o perfil térmico (isotermas) de um arco de soldagem, aberto com um eletrodo não consumível de Tungstênio e uma peça de Cobre refrigerada a água são separados entre si por 5 mm, em atmosfera de gás inerte (figura 5.2).

Figura 5.2. perfil térmico de um arco de soldagem.


O arco elétrico gera calor e também radiação eletromagnética de alta intensidade, nas faixas do infravermelho, luz visível e ultravioleta, necessitando portanto de proteção visual com filtros apropriados para seu manuseio.


    1. Características magnéticas do arco elétrico

O arco de soldagem é um condutor de corrente elétrica e sendo assim, sofre interação da corrente elétrica por ele transportada com os campos elétricos por ela gerados; isto gera alguns efeitos que podem favorecer ou prejudicar a soldagem.

Quando um condutor de comprimento l, percorrido por uma corrente i é colocado numa região de influência de um campo magnético B, então ele experimenta uma força F, conhecida como “Força de Lorentz”, que é enunciada pela equação:
F = B . i . l
onde:

F, B e i são grandezas vetoriais perpendiculares entre si, sendo que o sentido de F pode ser obtido aplicando-se a Regra do Parafuso, onde imagina-se um parafuso convencional que gira no sentido de i para B. O sentido de F será aquele de avanço do parafuso.


U
m efeito magnético de suma importância no arco elétrico é o chamado Jato Plasma, que é um dos responsáveis pela penetração do cordão de solda e que pode ser considerado um condutor elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a corrente por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico em seu eixo e ele se comporta como um condutor colocado em um campo magnético; dessa maneira surgem forças de Lorentz na região do arco, que têm sentido de fora para dentro, conforme vemos na figura 5.3:

Figura 5.3. Efeito do campo magnético na soldagem.


A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância à linha de centro do condutor. Como o diâmetro do arco é sempre menor na região próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a ser maiores nesta região do que na proximidade da peça, formando assim na região uma pressão interna maior do que junto à peça; esta diferença de pressão causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é o jato de plasma.

O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda.

As forças de Lorentz são relativamente fracas para produzirem conseqüências num condutor sólido, porém na extremidade dos eletrodos consumíveis estas forças são capazes de deformar a ponta fundida e cizalhar a parte líquida, separando-a do fio sólido. Ao mesmo tempo que isso acontece, a tensão superficial tende a manter a gotícula presa ao eletrodo, promovendo o crescimento da mesma. Em baixas correntes as forças de Lorentz são pequenas e a gota tende a aumentar bastante o seu volume antes de se destacar do eletrodo e se transferir para a peça, promovendo com isso o aparecimento da chamada transferência globular ou ainda a transferência por curto circuito.

Em altas correntes as forças de Lorentz estrangulam rapidamente a parte fundida da ponta do eletrodo, criando finíssimas gotas de metal líquido que se transferem para a peça, conhecida como transferência por Jato ou

Spray.

O diâmetro do eletrodo influencia o campo magnético e por conseqüência a intensidade das forças de Lorentz, bem como a tensão superficial; esta ainda é influenciada pelo material do eletrodo, da atmosfera do arco e da temperatura atingida. Portanto, o modo de transferência do metal do eletrodo para a peça depende de todos esses fatores e também da tensão do arco, que está proporcionalmente ligada ao comprimento do arco e em conseqüência ao diâmetro máximo da gotícula.



As forças de Lorentz promovem ainda o efeito indesejável que é chamado de sopro magnético, que é o fenômeno de desvio do arco de soldagem de sua posição normal, influenciado pela não simetria na distribuição das forças eletromagnéticas devido às variações bruscas na direção da corrente elétrica; este efeito pode ser causado também pelo arranjo assimétrico de material ferromagnético em torno do arco. Fisicamente o que se observa é o desvio do arco da região de soldagem, criando assim regiões frias junto à poça de fusão e provocando o aparecimento de defeitos tais como falta de fusão, falta de penetração e instabilidade do arco.




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