6-Efeito_Met_ZF

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1
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F Efeitos Metalúrgicos do 
Ciclo Térmico no Metal 
Fundido
E
fe
ito
s M
et
a
• Temperaturas elevadas
Soldagem x Processos Pirometalúrgicos:
Introdução
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F Temperaturas elevadas,• Tempo de duração curto,
• Elevada interação do metal fundido com sua vizinhança,
• Presença de fluxos/escórias complexas.
Gota Poça Forno elétrico
Valores típicos
Característica
E
fe
ito
s M
et
a
Temp. média do aço líquido (ºC)
Tempo de interação com a vizinhança (s)
Massa de metal fundido (g)
Área específica de interação (cm2/g)
2.100-2.350
0,1-0,2
0,08-0,25
2,1-4,1
1.700-2.000
3-40
0,5-50
0,4-1,0
Aprox. 1.600
103
Toneladas
0,001
ç
2
Regiões de Reação:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F Poça de Fusão
Solda
Metal
Base
Escória Fluxo
Eletrodo
Região I
Região IIRegião III
E
fe
ito
s M
et
a Base Região IIRegião III
• Região I: Incorporação de gases e outras substâncias.
• Região II: Fusão do MB e mistura com o metal de adição (diluição).
•Região III: T↓ ⇒ Evolução de gases, precipitação e solidificação.
• Absorção pelo metal fundido,
Reações Metal-Gás
Reações comuns:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F • Reação com outros componentes da poça,
• Evolução (resfriamento solidificação da poça),
• Permanência em solução após a solidificação.
G 2G
E
fe
ito
s M
et
a G 2G2
G G
3
S l bilid d d di tô i t l
Absorção de Gás pelo Metal Fundido:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
k
Solubilidade de gases diatômicos no metal
líquido: Lei de Sievert
G2(g) → 2G
E
fe
ito
s M
et
a
Gn PkS ⋅=
Solubilidade Pressão parcial de G2
Absorção de Gás pelo Metal Fundido
Efeito da temperatura:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
40
50
60
70
Ni
F
o 
(m
l/1
00
g)
Gn PkS ⋅= 8,211018,3 2 −⋅= − Tk (hidrogênio no ferro)
p
E
fe
ito
s M
et
a
500 1000 1500 2000 2500 3000
0
10
20
30
Al
Fe
Te
or
 d
e 
hi
dr
og
ên
i
Temperatura (oC)
4
Absorção de Gás pelo Metal Fundido
Efeito do arco:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
0.04
0.06
0.08
Fusão a Arco
it
ro
g
ê
n
io
 (
%
)
G 2G2
G G
E
fe
ito
s M
et
a
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
0.00
0.02
Fusão por Levitação (2200ºC)T
e
o
r 
d
e
 N
i
(PN2)
1/2, atm1/2
Absorção de Gás pelo Metal Fundido
Exemplos:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
E
fe
ito
s M
et
a
5
Absorção de Gás pelo Metal Fundido
Exemplos:
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
E
fe
ito
s M
et
a
Reações Metal-Gás
Absorção de Gás pelo Metal Fundido
Controle:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F • gás de proteção de pureza adequada,
• limpar junta (eliminar óxidos, graxas, etc.),
• vazão correta de gás, bocal adequado e
limpo, equipamento em boas condições,
l d b di õ fí i
E
fe
ito
s M
et
a • eletrodos em boas condições físicas e
adequadamente secos,
• parâmetros de soldagem adequados,
• evitar vento no local de soldagem.
6
Reações Metal-Gás
Tipos de produto
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Produto:
• Gás
• Fase Condensada
↑→+ COOC
Consequências:
• Formação de descon-
tinuidades
E
fe
ito
s M
et
a
• Composto em
solução
• Mudanças de proprie
dades
G 2G2
G G
Absorção pelo metal fundido
Reações Metal-Gás
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Sn
gases
Absorção
E
fe
ito
s M
et
a
Temperatura
Temp. de solidificação
7
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Sn
Evolução
E
fe
ito
s M
et
a
Temperatura
Temp. de solidificação
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Sn
E
fe
ito
s M
et
a
Temperatura
Solidificação e
aprisionamento
Temp. de solidificação
8
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Sn
E
fe
ito
s M
et
a
Temperatura
Temp. de solidificação
Porosidade
G 2G2
G G
Porosidade
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Sn
gases
Absorção
Evolução
Porosidade
E
fe
ito
s M
et
a
Temperatura
Solidificação e
aprisionamento
Temp. de solidificação
Porosidade
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Gases que podem causar porosidade em soldas:
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Gás ORIGEM Materiais
H2
Umidade atmosférica, água absorvida em fluxos ou revestimentos,
oxidação na superfície da peça, substâncias orgânicas no
revestimento do eletrodo, contaminação de óleo, graxa, etc.
Aço, Al
N2 Contaminação atmosférica Aço, Ni, Cu
Gases que podem causar porosidade em soldas:
E
fe
ito
s M
et
a
CO da reação C + O → CO Aço, Ni
H2O da reação Cu2O + 2H → 2Cu + H2O Cu
H2S da reação S + 2H → H2S Aço
Reações Metal-Gás
Evolução na poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
2
3
4
5
28 V
26 V
24 V
22 V
de
 p
or
os
id
ad
e 
(%
)
E
fe
ito
s M
et
a
150 180 210 240 270
0
1 30 V
28 V
Fr
aç
ão
 d
Corrente (A)
10
• dissolver e escorificar impurezas na superfície
Reações Metal-EscóriaGás
Funções da escória:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F • dissolver e escorificar impurezas na superfície,
• formar barreira impedindo a contaminação por 
gases da atmosfera,
• fornecer elementos de liga → ajuste de 
composição/ refino da poça de fusão,
E
fe
ito
s M
et
a • remover (escorificar) elementos indesejáveis,
• estabilizar o arco,
• facilitar a soldagem fora de posição.
( )222 2/1 MnOFeOCaFOKONaMgOCaOB ++++++
Reações Metal-Gás
Índice de basicidade (aços):
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
( )
( )22322
222
2/1 ZrOTiOOAlSiO
gB +++=
E
fe
ito
s M
et
a
11
(%)100basemetaldofundidaMassaδ
Diluição e formação da ZF
Definição:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F (%)100⋅=
soldadecordãodototalMassa
fδ
B
Determinação Experimental:
E
fe
ito
s M
et
a
A
B A
B B
δ =
A+B
B x 100
Diluição e formação da ZF
Importância:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F • soldagem de metais dissimilares,
• processos de recobrimento,
• soldagem de metal base de composição des-
conhecida ou com teores elevados de impure-
zas ou elementos prejudiciais
E
fe
ito
s M
et
a zas ou elementos prejudiciais,
• qualificação/homologação de consumíveis.
12
(a) soldagem de topo com 
penetração total e sem 
chanfro → alta diluição;
Controle:
Diluição e formação da ZF
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
(a)
Soldagem autógena
(b) (c)
δ = δ =25% 65%
chanfro → alta diluição;
(b) e (c) soldas em juntas 
chanfradas e com vários passes →
baixa diluição (δ ≈ 20%);
(d) e (e) juntas idênticas soldadas 
com diferentes condições de 
E
fe
ito
s M
et
a
(d) (e)
δ δ 25% 65%
(f) (g)
ç
soldagem;
(f) e (g) soldas realizadas com 
condições idênticas, mas em 
chapas de espessuras diferentes.
• Sem interação com o ambiente:
Diluição e formação da ZF
Efeito da composição química:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
BA XXX %100
%
100
1% ⋅⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⋅⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −= δδ
ç
Exemplo: aço com 0,45%C, sendo soldado com MA 
% %
E
fe
ito
s M
et
a com 0,08%C, diluição de 30%, teor de carbono da 
solda será:
%C = (1 - 30/100) 0,08 + (30/100) 0,45
%C = 0,19%
13
• Com interação com o ambiente:
Diluição e formação da ZF
Efeito da composição química:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
( ) BA XXXX %100%1001% ⋅⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+Δ+⋅⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −= δδ
Com interação com o ambiente
δ ≈ 0 → ΔX = %X - %XA%XA
E
fe
ito
s M
et
a
%XB
Zona Coquilhada
Solidificação da poça de fusão
Estrutura de solidificação - lingote:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Zona Central
Zona Colunar
q
E
fe
ito
s M
et
a
Parede do Molde
14
• início da solidificação não requer formação
Solidificação da poça de fusão
Solidificação solda x lingote:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
ç q ç
de núcleos sólidos Æ não existe região coqui-
lhada,
• velocidade de soldificação é ordens de
grandeza superior,
• gradientes térmicos na poça são muito
E
fe
ito
s M
et
a gradientes térmicos na poça são muito
elevados (até 102 ºC/mm).
• a interface sólido-líquido se mantém
essencialmente a mesma (soldagem mecani-
zada).
Solidificação da poça de fusão
Velocidade de solidificação:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Arco R
v
D
B
C
A
q
E
fe
itos M
et
a
( )θcos⋅= vR rr • Em A e B Æ R = 0• Em C Æ R = v
B
15
v B
Solidificação da poça de fusão
Início da solidificação:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
PF
A B
v
PF MB
B
B'B''
E
fe
ito
s M
et
a
Solidificação da poça de fusão
Crescimento competitivo:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Zona
Fundida
E
fe
ito
s M
et
a Metal
Base
16
Solidificação da poça de fusão
Efeito na forma da poça de fusão:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Poça Elíptica → v ↓ I↓ Poça em gota → v↑ I ↑
E
fe
ito
s M
et
a p g
Solidificação da poça de fusão
Efeito do tecimento:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Aço Inoxidável Ferrítico
E
fe
ito
s M
et
a
17
Solidificação da poça de fusão
Subestruturas de solidificação:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
E
fe
ito
s M
et
a
Solidificação da poça de fusão
Regiões da ZF:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
A
B
C
E
fe
ito
s M
et
a
(A) Região Misturada
(B) Região Não Misturada
(C) Região de Fusão Parcial
18
Fatores:
Solidificação da poça de fusão
Microestrutura da ZF:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
• interações no metal líquido (absorção e evo-
lução de gases e suas reações com outros
componentes da poça),
• solidificação,
E
fe
ito
s M
et
a
• transformações de estado sólido durante o
resfriamento da solda,
• efeito dos passes posteriores.
Constituintes microestruturais:
Solidificação da poça de fusão
Microestrutura da ZF:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
• inclusões, poros e outras descontinuidades,
• constituintes associados com a segregação,
• precipitados,
m t i d ã s lun s ss i s
E
fe
ito
s M
et
a • matriz de grãos colunares, grosseiros,
• ligas transformávei Æ produtos resultantes 
das transformações no estado sólido.
19
Solidificação da poça de fusão
Microestrutura da ZF (aços carbono):
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F 200X
E
fe
ito
s M
et
a
1000X
Solidificação da poça de fusão
Microestrutura da ZF (aços inoxidáveis
austeníticos):
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
Microscópio ótico
200x
E
fe
ito
s M
et
a
MEV
750x
20
Solidificação da poça de fusão
Relação entre a estrutura de solidificação 
e as propriedades da solda:
al
úr
gi
co
s n
a 
Z
F
• padrão de solidificação
• formação de inclusões e precipitados
• tamanho e orientação dos grãos
E
fe
ito
s M
et
a ç g
• formação de porosidade e outras descon-
tinuidades