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Brasagem, Soldabrasagem e Soldagem Branda INTRODUÇÃO Os processos de brasagem podem ser divididos em três tipos: brasagem propriamente dita, soldabrasagem e soldagem branda. Os processos de brasagem distinguem-se dos outros processos de soldagem por exigir apenas a fusão do metal de adição. Não ocorrendo fusão do metal de base, nem o elevado aquecimento da zona adjacente à região de solda, o material irá manter sua natureza estrutural e, conseqüentemente, suas propriedades mecânicas originais. Como apenas o metal de adição é fundido, ele deve ter temperatura de fusão mais baixa do que a do metal de base. A partir deste conceito, pode-se melhor definir a brasagem, a soldabrasagem e a soldagem branda: Brasagem (ou soldagem forte, “ brazing” ) é o processo de soldagem onde o metal de adição tem sua temperatura (ou faixa) de fusão compreendida entre as temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal de base e acima de, aproximadamente, 450°C. Soldabrasagem (“ braze welding ”) distingue-se do processo anterior pelo tipo de conformação das extremidades do metal de base a serem unidas, e da forma de montagem, devido ao fato de que não necessita da ação da capilaridade. Soldagem branda (ou soldagem fraca, “ soldering ”) é o processo de soldagem onde o metal de adição tem temperatura (ou faixa) de fusão compreendida entre as temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal de base e também abaixo de, aproximadamente, 450°C. O fato de os metais de adição serem constituídos de ligas metálicas de baixo ponto de fusão, em geral à base de estanho e chumbo, a cor da solda se apresenta esbranquiçada. A preparação da junta para os processos de brasagem e de soldagem branda é realizada de forma a permitir a penetração do metal de adição por capilaridade entre as paredes das partes a serem unidas, sem modificação da forma dessas peças pela retirada de material por usinagem. Contudo, quando a preparação da junta ocorre de forma semelhante à exigida para os processos de soldagem por fusão, o processo denomina-se soldabrasagem. A Figura 1 mostra uma comparação entre juntas de topo brasadas, soldabrasadas e soldadas por fusão. Figura 2 – Juntas dobradas para soldagem branda Como não ocorre a fusão do metal de base, podem surgir dúvidas quanto à qualidade da aderência da solda nas faces de contato com as partes a serem unidas; na realidade, a aderência é obtida pela difusão atômica entre o metal de adição no estado líquido e o metal de base no estado sólido (Figura 2). Figura 3 – ligação por difusão Para entendermos melhor os processos de brasagem, é fundamental entendermos o conceito de capilaridade, que veremos a seguir. CAPILARIDADE Figura 4 – Capilaridade A capilaridade é um fenômeno que ocorre quando trabalhamos com fluidos em tubos muito estreitos. Veja o exemplo acima (Figura 4). Introduzimos um tubo fino e outro estreito em recipientes contendo o mesmo fluido. Os dois fluidos foram aspirados, quando cessou a aspiração o fluido do tubo fino não retrocedeu ao nível normal como no tubo largo, justamente devido ao efeito da capilaridade. Esta experiência nos explica a ascensão dos líquidos (fluidos) através de corpos porosos como: algodão, papel seco, etc, cujas numerosas e estreitas concavidades comunicantes entre si, formam um conjunto de tubos capilares; nos explica também, como ocorre à ligação por difusão nos metais, obedecendo ao mesmo princípio. Figura 5 - Brasagem INTRODUÇÃO A diferença essencial entre a brasagem e a soldabrasagem reside principalmente na concepção da junta e na técnica de montagem. Se a forma da junta não fosse diferente de um processo ao outro, podia-se dizer que o principio da operação é bastante semelhante. As propriedades da junta dependem em grande parte, da estreita zona de difusão na interface Metal de base – Metal de adição. O que caracteriza essencialmente a brasagem é o fato de que o metal de adição, no estado fundido, preencherá a junta por atração capilar. Conseqüentemente esta junta será estreita e sua espessura será função, por um lado dos metais a unir, por outro lado da natureza do metal de adição. Existe uma grande variedade de metais de adição, e podem ser classificados em quatro categorias: • Latão para soldabrasagem, • Ligas ao fósforo com ou sem prata, • Ligas de prata, • Liga de alumínio-silício. Os Latões são largamente utilizados para realizar junções em aço, e em menor escala para o cobre e suas ligas cujos pontos de fusão não sejam inferiores a 1050°C. Existem outros latões que comportam adições seja de prata para melhorar a fluidez, seja de silício para desoxidar, seja de níquel e manganês para melhorar a resistência mecânica. O ponto de fusão dessas ligas situa-se entre 850-950°C dependendo do teor de zinco. O cobre puro é freqüentemente empregado para brasagem do aço e às vezes para o níquel e suas ligas. Os cobres em fósforo são utilizados para brasagem das ligas de cobre. Estas últimas ligas são contra indicadas para todos os metais contendo ferro ou níquel, pois os compostos formados pelo ferro ou níquel e fósforo são fosfetos muito frágeis. Uma das principais vantagens dos cobres com fósforo consiste no fato em que a eliminação de parte do fósforo durante a brasagem tem por efeito elevar o ponto de fusão da liga depositada. Os metais de adição em fósforo não devem ser expostos a uma temperatura elevada por períodos prolongados em atmosfera de gás de rua ou em atmosfera contendo enxofre; haveria risco de corrosão. A indústria coloca à disposição dos consumidores uma grande variedade de metais de adição em prata cujo teor de prata metal varia de valores bem baixos até a prata pura. Estas ligas (Binárias: prata-cobre; Ternárias: prata-cobre-zinco; Quaternárias: prata- cobre-zinco-cádmio) apresentam uma grande gama de diversas temperaturas de fusão e de intervalos de fusão diferentes, e podem ser facilmente escolhidos em função dos metais a serem brasados e das juntas possíveis. O ouro puro e as ligas de ouro-cobre ou ouro-índio são empregados de preferência nas ligas contendo zinco e cádmio para fabricação de tubos de vácuo para uso eletrônico, tendo baixa pressão de vapor em temperaturas de funcionamento. Exemplificando, fios de ouro puro servem para brasar peças de cobre, ou cobre-telúrio, utilizados em certos tipos de magnéticos ou de válvulas de freqüência muito alta, sem que haja necessidade de fluxo. O fio de ouro na forma de anéis é colocado entre as faces a unir após cuidadoso ajuste; as faces devem ser cuidadosamente limpas. Após o aperto, esquenta-se sob vácuo ou em atmosfera neutra ou mesmo redutora, durante ½ à 1 hora à 400-500°C. As temperaturas são determinadas em função da natureza do vidro que constitui o invólucro da válvula. O ouro funde somente a 1063°C, mas a junção é assegurada pela fusão cobre-ouro devido à combinação dos elementos: pressão, tempo, temperatura. Não há distorção; a junta não é tão resistente mecanicamente como as juntas comuns, mas é o suficiente para estas aplicações. As ligas alumínio-silício são as mais indicadas para a brasagem dos metais leves devido seus baixos pontos de fusão. FLUXO A escolha do fluxo para a brasagem comum ou com prata não é sempre fácil, e será sempre aconselhável seguir indicações dos fornecedores de metais de adição. O fluxo é dispensável para os metais de adição de alto teor de fósforo empregados sobre cobre. O emprego de um fluxo é recomendado para a maioria dos casos, no entanto, operando-se em atmosfera inerte ou redutora ele não é tão necessário, ao menos que se esteja utilizando ligas com alto teor de zinco. CONCEPÇÃO DAS JUNTAS PARA BRASAGEM Para ficarem realmente resistentes, as juntas brasadas devem ser concebidas especialmente em função do método de brasagem e do metal de adição adotados. A Figura mostra alguns exemplos de juntas brasadas. Figura 6 O metal de adição opera bem por atração capilar,mas é necessário reforçar este efeito com o do peso. Quando brasam-se corpos cruzados é necessário prever orifícios para a saída do ar preso entre as faces. Figura 7 Figura 8 Figura 9 PROCEDIMENTOS PARA BRASAGEM A seguir, veremos os procedimentos para se executar uma brasagem de forma adequada. Os procedimentos podem ser divididos em seis etapas: Estabelecimento da folga entre as peças : Como a penetração se dá por capilaridade, é importante manter a folga, dentro de limites determinados, entre as peças a serem unidas; se a folga for maior ou menor que aquela estabelecida por esses limites, poderá não ocorrer à penetração completa do metal de adição, prejudicando a resistência da junta brasada. Os limites são determinados em função dos metais de adição e de base e geralmente ficam entre 0,02 e 0,08mm. O acabamento superficial das peças deve apresentar uma rugosidade tal que permita, pela criação de canais de alimentação de metal, a penetração do metal de adição. Este tipo de acabamento, não muito liso ou polido, pode ser obtido na usinagem comum, no lixamento e nos processos de conformação de produtos semimanufaturados. Deve-se levar em conta que a folga é alterada pela dilatação térmica e este fator deve ser considerado principalmente quando são brasadas peças de metais dissimilares, os quais possuem coeficientes diferentes de dilatação térmica. Para se calcular esta dilatação, deve- se levar em conta as dimensões e a forma das peças na região da junta aquecida, além dos coeficientes de dilatação dos metais de base. Limpeza das peças : As superfícies das peças a serem brasadas devem estar isentas de óleos, graxas, óxidos, resíduos de tintas e outras sujeiras, uma vez que o metal de adição só conseguirá se espalhar pelas peças, ou “molhá-las” se elas estiverem limpas. Estas sujeiras impedem o contato do metal de adição com o metal de base e, em alguns casos, decompõe- se com o aquecimento, gerando dificuldades adicionais para a realização deste contato. Primeiramente, aplica-se solventes orgânicos, vapor desengraxante ou soluções alcalinas para promover o “desengorduramento” da superfície. A retirada de óxidos e carepas é feita mecanicamente, através de lixamento, ou quimicamente, através de aplicação de soluções ácidas compatíveis com o metal de base. Após tratamento químico as peças devem ser lavadas e secadas para evitar a corrosão. Fluxagem das peças: É feita logo após a etapa de limpeza. Os fluxos são agentes químicos que removem os resíduos de óxidos deixados pelo processo de limpeza e, principalmente, os óxidos formados durante o aquecimento necessário à brasagem. Além disso, eles criam uma atmosfera protetora na região da junção, evitando a presença do oxigênio da atmosfera ambiente. Os fluxos podem ser aplicados em formas de pastas, pincelando-se nas superfícies das peças ou na forma líquida, através de imersão das peças. A natureza dos fluxos é determinada em função da temperatura, dos tipos de óxidos formados no metal de base, dos tempos de aquecimento e principalmente do tipo de metal de base a ser brasado. Montagem das peças : As peças devem ser justapostas de forma a manter a folga estabelecida durante todo o ciclo de aquecimento, penetração e solidificação do metal de adição. Sempre que possível, deve-se utilizar o próprio peso das peças para mantê-las fixas nas posições corretas. Quando isto não é possível, deve-se utilizar ferramentas e dispositivos de fixação, que devem ser feitos de materiais de baixa condutibilidade térmica, tais como os materiais cerâmicos. Brasagem das peças: Deve-se, primeiramente, aquecer as peças na região a ser brasada, utilizando-se um maçarico a chama de gás. No caso de peças pequenas, o aquecimento pode ser feito em toda a peça. Este aquecimento deve ser uniforme em ambas as peças, exceto no caso em que forem de materiais diferentes. Neste caso, deve-se compensar a diferença de condutibilidade térmica com maior tempo de aquecimento na peça de maior condutibilidade; da mesma forma deve-se proceder para peças de tamanhos diferentes, aquecendo por mais tempo a peça de maior massa. O aspecto do fluxo indica que se atingiu a temperatura correta para a aplicação do metal de adição; um aparecimento de estrias indica um superaquecimento. O metal de adição é aplicado em forma de arame ou vareta, diretamente na junta; quando ela entra em contato com as superfícies aquecidas das peças, flui imediatamente, preenchendo a região entre elas. Os metais de adição podem se apresentar também na forma de plaquetas, folhas, pós, pastas e grânulos; eles devem ser pré-colocados ou aplicados antes do aquecimento. Limpeza da junta brasada : Inicialmente, os resíduos de fluxo são retirados em água aquecida (pelo menos a 50°C), por escovamento ou por outros métodos, de acordo com a natureza do fluxo e com a velocidade de produção. Nos casos do fluxo ter uma elevada aderência na junta, devido ao superaquecimento na brasagem ou ao uso de excesso de fluxo, deve-se empregar para a limpeza uma solução ácida, como 25% de ácido clorídrico em água, a 60-70°C. A peça aquecida pela brasagem pode ser imersa diretamente na água ou em soluções ácidas; neste último meio, o operador deve tomar cuidados especiais com os respingos. Após a remoção dos fluxos, deve-se retirar os óxidos por imersão em soluções de ácido sulfúrico ou clorídrico, com composições dependentes do metal de base. A lavagem e secagem das peças, após a limpeza com soluções ácidas, são necessárias para evitar a corrosão; com a mesma finalidade deve-se aplicar um óleo protetor se a peça brasada for ser armazenada antes da sua aplicação. MÉTODOS DE BRASAGEM A seguir, serão descritos alguns dos principais métodos de brasagem. Brasagem com maçarico O aquecimento é feito utilizando-se um maçarico de chama de gás (a mais comum é a oxiacetilênica). O equipamento para aquecimento com maçarico é o mesmo daquele para a soldagem com maçarico. Os procedimentos de brasagem descritos acima se aplicam tanto para este método de brasagem quanto aos métodos a seguir, fazendo-se as devidas adaptações. Brasagem em forno É um método adequado para a produção em massa de juntas brasadas. Como o operador não tem acesso ao interior do forno, as peças a serem unidas e o metal de adição devem ser pré-posicionados e fixados, utilizando seus próprios pesos na medida do possível, antes de penetrar no forno. Na brasagem em forno são utilizadas atmosferas protetoras para livrar as peças da oxidação e também da descarbonetação (no caso dos aços). Após a passagem pelo forno, as peças são resfriadas numa câmara adjacente ao forno, também com atmosfera protetora. Dependendo da natureza desta, a aplicação do fluxo pode ser dispensada. Para a atmosfera atuar de forma protetora, e permitir que o metal de adição “molhe” o metal de base, ela precisa ser redutora, no caso da brasagem de peças de aço. Uma vantagem deste método é a possibilidade de manter sob controle preciso o nível de temperatura de brasagem e a composição da atmosfera protetora. Além disso, apresenta maior uniformidade de distribuição de temperatura nas peças, quando comparado ao método com maçarico, que depende muito da habilidade do operador. Brasagem por imersão Este método de aquecimento emprega um banho de sal fundido e protetor para receber as peças a serem brasadas; obtém-se assim, como na brasagem em forno, o aquecimento necessário para fundir o metal de adição e criar uma ação fluxante na superfície das peças. É um método mais adequado para a produção em massa e requer menor tempo de aquecimento do que o da brasagem em forno. Brasagem por indução O aquecimento da peça é obtido pela dissipação de calor provocada por correntes elétricas induzidas por uma bobina conectada a uma fonte de energia elétrica de corrente alternada. O aquecimento é restrito a uma pequena área, e se propagaàs áreas restantes da peça por condução ou pelo deslocamento da peça em relação à bobina. Brasagem por resistência Este método de aquecimento utiliza a passagem de uma corrente elétrica pelas peças, para provocar a fusão do metal de adição. A corrente é aplicada às peças através do contato direto de dois eletrodos, um de cada lado da peça, os quais também aplicam pressão para manter as peças bem justapostas e permitir a passagem uniforme de corrente elétrica. As máquinas utilizadas são as mesmas empregadas para a soldagem por fusão, pelo mesmo método de aquecimento. Soldabrasagem ( Braze Welding ) Figura 10 – Soldabrasagem INTRODUÇÃO O processo chamado soldabrasagem recebeu este nome porque, aplica-se a peças preparadas como para a soldagem oxiacetilênica (arco ou maçarico) e também porque é realizada pela adição de ligas com alto teor de cobre, fundido entre 650 a 920°C. Empregado inicialmente nos Estados Unidos por volta de 1920 como processo auxiliar, desenvolveu-se em alguns anos nos principais países industriais. Esta expansão foi rápida, pois a soldabrasagem apresenta propriedades e vantagens “únicas” largamente exploradas em certas indústrias e infelizmente pouco conhecidas em outras. Por definição, a soldabrasagem é realizada utilizando-se um metal de adição de brasagem que tenha uma temperatura liquidus acima de 450°C e, no entanto, abaixo da temperatura solidus dos metais de base a serem soldados. A diferença entre a Soldabrasagem e a Brasagem é que o metal de adição não está distribuído na junta por capilaridade. O metal de adição é adicionado à junta através de uma vareta ou é depositado através de um arco elétrico com um eletrodo. Os metais de base não se fundem, apenas os metais de adição são fundidos. Da mesma maneira que a brasagem convencional, uma “colagem” ocorre entre o metal de adição depositado e os metais de base quentes e não fundidos, mas não há um fluxo intencional por capilaridade. As configurações das juntas para soldabrasagem são similares a aquelas utilizadas na soldagem oxiacetilênica. A soldabrasagem foi desenvolvida originalmente para o reparo de partes de ferro fundido trincadas ou quebradas. A soldagem com fusão do ferro fundido requer um pré- aquecimento extensivo e um resfriamento lento, para minimizar a geração de trincas e a formação de cementita dura. Utilizando-se a soldabrasagem, as trincas e a cementita são evitadas facilmente, e problemas de expansão e contração são mais difíceis de ocorrer. A maior parte das soldabrasagens é feita com uma tocha para soldagem oxiacetilênica, uma vareta de alguma liga de cobre, e um fluxo adequado. A soldabrasagem também é feita com tochas para arco carbono, arco elétrico com gás e eletrodo de tungstênio, e para arco plasma, sem fluxo. A tocha de arco carbono é utilizada para soldar chapas de aço galvanizado. As tochas para GTAW e PAW, as quais utilizam uma proteção de gases inertes, fazem a soldabrasagem com metais de adição que têm uma temperatura de fusão relativamente elevada. A soldabrasagem apresenta as seguintes vantagens em relação a processos convencionais de soldagem com fusão: • É necessário uma menor quantidade de calor para realizar a colagem, a qual permite uma união mais rápida e um menor consumo de combustível. • O processo produz uma menor distorção pelas expansões e contrações térmicas e a fluência do aço é quase nula. • O metal de adição depositado é relativamente macio e dúctil, usinável, e sofre baixas tensões residuais. • As soldas apresentam resistência adequada para várias aplicações. • Resistências à tração de até 60 Ksi podem ser obtidas. • O equipamento é simples e de fácil utilização. • Metais frágeis, tais como ferro fundido cinzento, podem ser soldabrasados sem um pré-aquecimento extensivo. • O processo fornece uma maneira conveniente de se unir peças de espessuras diferentes e metais dissimilares, como por exemplo o cobre ao aço e ao ferro fundido, e ligas de níquel-cobre ao ferro fundido e ao aço; peças de natureza muito diferente, tais como aço carbono, aços ferramenta, aço inoxidável, aço cementado, ferro fundido cinzento maleável, liga cuprosa branca, alumínio, etc. • A tensão superficial do metal de adição líquido permite acomodar facilmente juntas “entreabertas” ou irregulares, e gerar cordões de superfície mais lisa do que os feitos com a soldagem oxiacetilênica. A soldabrasagem apresenta as seguintes desvantagens: • A resistência da solda está limitada à resistência do metal de adição. • Temperaturas de trabalho das peças serão mais baixas do que as daquelas feitas através de soldagem com fusão por causa da temperatura de fusão mais baixa do metal de adição. Por exemplo, utilizando-se um metal de adição de ligas de cobre, a temperatura de serviço da peça será de no máximo 260°C. Além disso, a diferença dos coeficientes de expansão entre o metal de base e o metal de adição pode fazer com que a solda venha a quebrar, devido à dilatação diferente de cada metal. • A junta soldabrasada pode estar sujeita à corrosão galvânica e ataque químico diferencial. • A diferença no potencial eletroquímico do latão e de outros metais na presença de água salgada pode ser um fator limitante. • A cor do metal de adição de soldabrasagem pode não ser da mesma cor do metal de base. EQUIPAMENTO A Soldabrasagem convencional é feita utilizando-se uma tocha de gás oxi- combustível e o equipamento associado como mostrado nas Figuras 11 e 12 e 13. Em algumas aplicações, pode ser necessária uma tocha de oxi-combustível para pré- aquecimento. Aplicações especiais utilizam equipamentos de arco elétrico, arco elétrico com gás e eletrodo de tungstênio ou arco plasma. Figura 11- Soldabrasagem com tocha oxi-combustível Figura 12 – Esquema básico do equipamento Figura 13 – Esquema detalhado do maçarico Equipamentos de fixação e travamento podem ser necessários para segurar as partes no lugar e alinhar a junta. Tipos de Chama Dependendo do tipo de material de adição e do tipo de metal de base a ser soldabrasado, deve-se utilizar um tipo de chama específico. A chama é o resultado da combustão do oxigênio e acetileno no maçarico. Ela pode variar dependendo da proporção dos gases na mistura, sendo estabelecidos três tipos de chama como referência: Chama Neutra ou normal : é aquela onde se utiliza alimentação em volumes iguais de oxigênio e acetileno; o cone é branco, brilhante e somente visível através dos óculos de soldador. Esta chama é utilizada na maior parte dos casos de soldagem, brasagem, soldabrasagem e aquecimento. Aplicações: Aços em geral, ferro fundido. Figura 14 – Chama Neutra Chama Oxidante: quando a proporção de oxigênio é aumentada, o cone e a zona de combustão secundária se encurtam, o cone é menos brilhante e mais azul. Simultaneamente, a zona de combustão secundária fica mais luminosa, a chama assobia; esta chama rica em oxigênio oxida o aço com riscos de formação de bolhas pela reação com o carbono (formação de óxido de carbono). Aplicações: Maçarico de corte, ligas que contêm zinco, pois a chama oxidante evita a volatilização do zinco. Figura 15 – Chama Oxidante Chama Carburante: Quando a proporção de acetileno é aumentada, um cone brilhante, (auréola), que se superpõe ao cone normal, aumenta de comprimento, à medida que cresce o teor de acetileno. Sua forma é quase irregular, contém um teor elevado de carbono e corre-se o risco de carburar o aço, que se torna mais duro e frágil; esta propriedade é utilizada em enchimentos. Aplicações: Para brasagem e soldabrasagem de alumínio e de ligas a base de cobalto. Figura 16 – Chama Carburante MATERIAIS Metais de Base A Soldabrasagem geralmente é utilizada para unir ferro fundido ao aço. Ela também pode ser utilizada para unir cobre, níquel e ligas de níquel. Outros metais podem ser soldabrasados com os metais de adição adequados que formemuma união metalúrgica resistente com eles. Metais de Adição Os metais de adição comercializados para soldabrasagem são os latões que contêm aproximadamente 60% de cobre e 40% de zinco. Estes elementos aumentam a resistência da junta e sua ductilidade. Ligas para brasagem com pequenas adições de estanho, ferro, manganês, e silício têm uma melhor propriedade de fluxo, menor volatilização do zinco, maior poder de desoxidação e aumentam a resistência e dureza da solda. Metais de adição com adição de níquel (10%) apresentam uma coloração mais branca e uma maior resistência do metal de solda. As composições químicas e propriedades de três das varetas padrões de cobre-zinco utilizadas na soldabrasagem são mostradas na Tabela 1. A resistência mínima da junta será de aproximadamente 40 a 60 ksi (275 a 413Mpa). A resistência da junta cai rapidamente quando a solda está abaixo de 260°C. A corrosão deve ser considerada neste tipo de aplicação, uma vez que a soldabrasagem é feita em juntas bimetálicas. A junta completa estará sujeita à corrosão galvânica em determinados ambientes, e o metal de adição pode ser menos resistente a certas soluções químicas do que o material de base. TABELA 1 Varetas de Cobre-Zinco para Soldabrasagem Fluxos O uso de um fluxo apropriado é essencial na operação de soldabrasagem. Se a superfície do metal não estiver limpa, o metal de adição não irá fluir de forma suave e nem se espalhar uniformemente sobre a área a ser soldabrasada. Até mesmo depois de uma limpeza feita com lixadeira (limpeza mecânica), certos óxidos quase sempre permanecem e atrapalham o fluxo do metal de adição. O uso do fluxo correto elimina estes óxidos. Além disso, o fluxo tem as funções de evitar a formação de novos óxidos durante o aquecimento e a deposição, reduzir a tensão superficial do metal de adição, indicar a temperatura de ligação e proteger o cordão do resfriamento rápido. Os fluxos para soldabrasagem são componentes desenvolvidos propriamente para a soldabrasagem de determinados metais de base com varetas de metal de adição de latão. Eles são desenvolvidos para o uso em temperaturas maiores do que as encontradas em operações de brasagem, e assim eles permanecem ativos por períodos de tempo maiores na mesma temperatura do que fluxos similares utilizados para brasagem por capilaridade. Os seguintes tipos de fluxos são geralmente utilizados na soldabrasagem de ferro e aços: • Fluxo básico que limpa o metal de base e os cordões de solda e auxilia no pré- revestimento com estanho do metal de base. É utilizado para aços e ferro fundido maleável. • Fluxo que realiza as mesmas funções do fluxo básico e também evita a formação de fumos de óxido de zinco. • Fluxo que é formulado especificamente para a soldabrasagem de ferro fundido cinzento ou maleável. Ele contém óxido de ferro ou dióxido de manganês para combinar com o carbono livre na superfície do ferro fundido e então removê-lo. O fluxo deve ser aplicado por um dos quatro métodos seguintes: • A vareta de metal de adição aquecida pode ser mergulhada no fluxo e este então ser transferido para a junta durante a soldagem. • O fluxo pode ser aplicado à junta através de escova ou pincel antes da brasagem. • A vareta de metal de adição pode ser pré-revestida com o fluxo. • O fluxo pode ser introduzido através da chama de gás oxi-combustível. CONSIDERAÇÕES METALÚRGICAS A união entre o metal de adição e o metal de base na soldabrasagem é a mesma união que ocorre na brasagem convencional. O metal de base limpo é aquecido a uma temperatura na qual sua superfície é molhada pelo metal de adição fundido, produzindo uma união metalúrgica entre eles. A limpeza é um pré-requisito. A presença de qualquer sujeira, óleo, graxas, filmes de óxido, ou carbono irá inibir a molhagem. Figura 17 – Definição do ângulo de contato do líquido não-molhável (esquerda) e molhável (direita) Logo após a molhagem, ocorre a difusão atômica entre o metal de base e o metal de adição de soldabrasagem em uma zona estreita na interface. De fato, com alguns metais de base o metal de adição de soldabrasagem pode penetrar levemente nos contornos de grão do metal de base, contribuindo para aumentar a resistência da união soldabrasada. Metais de adição de soldabrasagem são ligas que tem ductilidade suficiente como fundidos para que eles consigam fluir plasticamente durante a solidificação e o resfriamento subseqüente. As ligas acomodam, assim, as tensões de contração. Ligas de duas fases que têm constituintes com contornos de grão de baixo ponto de fusão não são utilizáveis – estes contornos podem trincar durante a solidificação e o resfriamento. APLICAÇÕES GERAIS DO PROCESSO O maior uso da soldabrasagem se dá no reparo de partes quebradas ou defeituosas de aço ou ferro fundido. Uma vez que componentes grandes podem ser recuperados no local de serviço, isto resulta em uma economia significante. A soldabrasagem une rapidamente chapas finas e tubos de aço carbono onde a soldagem por fusão seria difícil. Dutos de aço galvanizado são soldabrasados utilizando-se uma fonte de calor ao arco carbono. A temperatura de brasagem é mantida abaixo da temperatura de vaporização do zinco. Isto minimiza a perda do revestimento protetor de zinco das superfícies dos aços, mas expõe o soldador a um nível significante de fumos de zinco, o que requer uma exaustão e ventilação adequadas. A espessura dos metais que podem ser soldabrasados vai de chapas finas a seções bastante espessas de ferro fundido. Soldas de filete e de chanfro são utilizadas para fazer soldas em juntas de topo, em ângulo, inclinadas e em T. Abaixo são explicitados alguns exemplos de aplicações da soldabrasagem: Serralheria, Ferro fundido Na técnica para construção de esquadrias de vidraças, etc, a soldabrasagem é quase sempre necessária por causa da pouca distorção que provoca, pelo aspecto liso dos cordões e pela excelente união das superfícies. Pode-se fazer graças a ela, grades, balaustradas, lustres de ferro forjado, nos quais as partes implicadas e trabalhadas, tais como flores, folhas, letras, são feitas de ferro fundido cinzento ou ferro fundido maleável, depois encaixados pela soldabrasagem sobre um suporte em ferro laminado e curvado, numa execução fácil, rápida e econômica. Peças de Aço Niqueladas A soldabrasagem de peças niqueladas efetua-se sem dificuldade. Deve-se levar em conta que a camada protetora do aço desaparece nas proximidades do cordão e não podemos pensar neste processo a não ser para os reparos. Montagem de Peças Galvanizadas As folhas, tubos, união em aço ou ferro fundido maleável galvanizados mantém-se facilmente pela soldabrasagem, sendo o ponto de fusão do metal de adição inferior ao ponto de ebulição do zinco (905°C), o que permite soldar com metal de adição, tanto no aço sem revestimento como também no aço com a camada de zinco. Às vezes a diferença de cor é significante, mas o conjunto resiste à corrosão com a condição do ferro ser inteiramente recoberto. Realizam-se assim instalações de água ou de gás com tubos de aço galvanizado. Constroem-se reservatórios, barcaças, grandes chaminés, com chapas, cantoneiras, placas pré-galvanizadas, que são montadas pela soldabrasagem. Obtêm-se geralmente conjuntos melhores e mais baratos que pela galvanização do conjunto; evitam-se empenamentos, rupturas, fendas ocasionadas pelas diferenças de dilatação entre as partes finas que esquentam-se rapidamente no banho e aquelas mais grossas que esfriam mais lentamente. Montagem de Peças em Alumínio A soldabrasagem é também utilizada para confecção de alguns tipos de peças em alumínio, tais como o tanque de combustível de um carro de corrida, que pode ser visto na figura abaixo: Figura 18 – Tanque de combustível soldabrasado (alumínio) Montagem de Circuitos de Refrigeração Utiliza-se a soldabrasagem para unir conexões de tubos de cobre e/ou de açogalvanizado de circuitos de refrigeração de refrigeradores, garantindo a estanqueidade da união. Figura 19 – Desenho esquemático do circuito de refrigeração de um refrigerador doméstico PROCEDIMENTOS GERAIS DE SOLDABRASAGEM Fixação Uma fixação adequada é necessária para prender as partes em seu local apropriado e para fazer um alinhamento para a realização da soldabrasagem. Ao se fazer reparos de trincas e falhas em partes de ferro fundido, a fixação pode se mostrar desnecessária ao menos que a parte esteja quebrada e separada da peça. Preparação da Junta Uma preparação adequada da junta é essencial na soldabrasagem. As extremidades das peças mais espessas podem ser biseladas por usinagem ou esmerilhamento. As configurações da junta para soldabrasagem são similares às daquelas para a soldagem oxiacetilênica. Para espessuras acima de 3/32”(2 mm), chanfros em V ou em X são preparados com 90 a 120 graus de ângulo incluso, para formar áreas grandes de união entre o metal de base e o metal de adição. Chanfros de topo podem ser utilizados para espessuras menores que 3/32” (2 mm). Abaixo na Figura podemos ver exemplos de juntas para soldabrasagens de chapas de aço: Figura 20- Tipos de juntas para soldabrasagem de chapas de aço As faces preparadas das juntas e superfícies adjacentes ao metal de base devem ser limpas para remover todos os óxidos, sujeiras, graxas, óleos, e outros tipos de material estranho. No caso do ferro fundido, as faces da junta devem estar livres também de resíduos de grafite causados pela usinagem prévia. Resíduos de grafite podem ser removidos aquecendo-se rapidamente o ferro fundido até que fique com uma coloração vermelho escura e então escová-lo até que fique novamente com a coloração normal. Se o revestimento tiver sido mergulhado no óleo, ele deve ser aquecido a temperaturas no patamar de 320 a 650°C para queimar este óleo. As superfícies devem ser então escovadas para remover qualquer resíduo. Em componentes de ferro fundido produzidos por soldabrasagem, as superfícies a serem unidas são geralmente limpas por imersões em banhos eletrolíticos em soluções salinas. Pré-aquecimento O pré-aquecimento pode ser necessário para evitar a formação de trincas pelas tensões termicamente induzidas em peças grandes de ferro fundido. O pré-aquecimento do cobre reduz a quantidade de calor requerida pela tocha de soldabrasagem e o tempo necessário para completar a junta. O pré-aquecimento pode ser localizado ou geral. A temperatura deve estar entre 425 a 480°C para o ferro fundido. Temperaturas mais altas podem ser utilizadas para o cobre. Quando a soldabrasagem estiver completa em peças de ferro fundido, estas devem ser isoladas termicamente para que haja um resfriamento lento até a temperatura ambiente, para minimizar o desenvolvimento de tensões termicamente induzidas. Técnica A junta para ser soldabrasada com chama oxicombustível deve ser alinhada e fixada na posição. O fluxo de soldabrasagem, quando requerido, é aplicado à vareta pré-aquecida (ao menos que esta seja pré-revestida com este fluxo) e também borrifado em juntas espessas durante o aquecimento com a tocha. O metal de base é aquecido até que o metal de adição se funda, molhe o metal de base, e escoe para dentro das faces da junta (pré- revestimento). A operação de soldabrasagem então avança ao longo da junta, pré- revestindo as faces, e então preenchendo o chanfro com um ou mais passes utilizando técnicas operacionais similares às da soldagem oxicombustível. Figura 21 – Ângulos de operação e direção de progressão para Soldabrasagem oxiacetilênica Na utilização da chama oxiacetilênica, o cone interior não deve ser direcionado para metais de adição de ligas de cobre-zinco nem em metais de base de ferro ou aço. No caso das tochas de arco elétrico, a técnica é similar à da soldabrasagem oxicombustível, exceto pelo fato de que o fluxo geralmente não é utilizado. TIPOS DE SOLDAS Soldas de chanfro, filete, e de face são usadas para soldabrasar juntas feitas de chapas e placas, tubos e dutos, barras, revestimentos, e forjamentos. Para se obter uma boa resistência da junta, é necessária uma área de união adequada entre o metal de adição de soldabrasagem e o metal de base. A geometria do chanfro deve fornecer uma área da face adequada, de tal forma que a junta não falhe ao longo das interfaces. Abaixo seguem exemplos de juntas para soldabrasagens de tubos (Figura 22), barras circulares (Figura 23) e barras quadradas (Figura 24): Figura 22 Figura 23 Figura 24 A seguir serão explicitados alguns detalhes da soldabrasagem de metais ferrosos, cuprosos e do alumínio. SOLDABRASAGEM DOS METAIS FERROSOS Procedimentos As peças a serem soldabrasadas são preparadas como para a soldagem oxiacetilênica. Os ferros fundidos cinzentos não podem ser soldabrasados sobre a superfície de uma fenda; esta se propaga para as regiões de menor resistência mecânica, isto é, para o plano das lamelas de grafite. A grafite não pode ser soldabrasada, e ainda, ela elimina com o calor os gases que absorveu. As faces desses ferros fundidos a serem soldabrasados devem ser usinadas, ou melhor, limadas, de maneira que as lamelas de grafite fiquem quase todas cortadas transversalmente sobre a superfície de aderência. Durante este preparo, deve-se evitar esmerilhagens violentas, usinagens em ferramentas sem fio que abalem ou desloquem o fundido acima do seu ponto de transformação que se situa cerca de 770-780°C. O operador deve abordar seu trabalho com a habilidade de um soldador de funilaria, preocupado antes de tudo com a “aderência” do metal de adição, ao passo que o soldador que utiliza o processo oxiacetilênica, fica preocupado em levar as bordas a serem soldadas até quase a fusão, superaquecendo-as acima das temperaturas de aderência. A zona das temperaturas de aderência vai de 720 a 850°C para o aço doce e 650 a 820°C para o ferro fundido. Estes limites são aproximados e, particularmente para o ferro fundido cinzento, a temperatura é igualmente limitada pelo ponto de transformação. Ligas de Metal de Adição Deve aderir e “molhar” facilmente os ferrosos num intervalo de temperaturas convenientes, ter um ponto de fusão bastante baixo para não provocar no metal base alterações estruturais sensíveis e desfavoráveis, escorrer bem, possuir durante todo o resfriamento resistência e ductilidade suficientes para evitar defeitos. Diversas ligas preenchem estas condições, entretanto empregam-se quase sempre latões especiais cuja composição aproximada é mostrada abaixo: O níquel pode estar presente; o chumbo ao contrário é uma impureza nociva; ele opõe-se a aderência do metal de adição nas peças a serem soldadas. Os metais de adição para brasagem e soldabrasagem são, portanto geralmente preparados com metais novos. A liga acima funde ao redor de 890°C, temperatura próxima a de ebulição do zinco (905°C). Deve-se evitar a evaporação deste metal durante a soldabrasagem, pois ela apresenta diversos inconvenientes, tais como alteração da liga e, sobretudo emissão de fumaças de óxido de zinco bastante incômodas para o soldador e ligeiramente tóxicas. Na nova soldabrasagem, são, sobretudo o manganês e o silício que formam na superfície da liga fundida (em atmosfera oxidante), compostos de estrutura e natureza química mal definidos, mas que se opõe à evaporação do zinco. O manganês permite em particular, a obtenção de varetas de ótima qualidade que oferecem toda segurança. Mas um excesso de silício tornará a aderência mais difícil. Qualquer soldabrasagem do tipo acima parece ter um ponto de transformação entre o solidus e 450°C. Um resfriamento brusco, na água, por exemplo, deve ser evitado; provoca um aumento da dureza e diminuição do alongamento. Abaixo seguem as características mais interessantes da liga, tal como ela se encontra nofio de metal de adição: Fluência O comportamento da fluência é caracterizado pelos seguintes dados: Compararam-se os resultados de análise práticas sobre varetas de metal de adição para soldabrasagens e sobre o cordão de liga que elas depositam sobre o aço e o ferro fundido. O resultado foi que são praticamente idênticas. Em particular, o teor de zinco não baixou mais de 5% e o teor de ferro é o mesmo. Isto demonstra que não há evaporação do zinco nem dissolução significativa do metal de base na brasagem. As micrografias da junta mostram também que a aderência não ocasiona interpenetração aço-metal de adição superior a um mícron. Penetrações do metal de adição no aço, em forma de fissura, é indício de aço “queimado” ou submetido a uma forte contração enquanto a liga estava no estado líquido. Outras ligas são utilizadas para a soldabrasagem dos metais ferrosos: Metal de adição para soldabrasagem branca Possui a seguinte composição aproximada: Cobre-Silício, com 2 a 3% Si Fluxo Emprega-se mais freqüentemente misturas desidratadas de ácido bórico ao qual adiciona-se, às vezes, fosfatos e halogenetos diversos. O fluxo depositado sobre as peças deve fundir bem abaixo do ponto de fusão da liga depositada. Ele deve também manter-se líquido e não fumegar dentro de todos os intervalos de temperaturas de aderência. Os fluxos podem ser líquidos ou pastosos. As misturas acima dissolvem os óxidos dos metais correntes (ferro, cobre, estanho, zinco, cádmio, prata, níquel, etc), mas não os de alumínio, berílio e cromo, que impedem a aderência, mesmo se o metal de base não contém mais de 0,5 ou 1% de um destes três últimos metais. Neste caso, adiciona-se às misturas acima bifloretos, fluorsilicatos ou outros compostos do flúor. A dose destes compostos deve ser a mínima porque os vapores que eles desenvolvem prejudicam as ferramentas. Resistência Mecânica As soldabrasagens não quebram quase nunca no local da junção. Pode-se, portanto, estabelecer a resistência de um conjunto calculando-se separadamente a do cordão de metal de adição e das peças adjacentes. Os coeficientes de dilatação e de elasticidade das peças suporte e do metal de adição sendo conhecidos, tal como sua aptidão à fluência, torna fácil o cálculo das contrações suplementares que acontecem quando das mudanças de temperatura. As soldagens oxiacetilênicas em V apresentam no ponto V uma região de pouca resistência à tração. Dá-se o mesmo para as soldabrasagens, mas aqui este defeito é agravado pelo baixo coeficiente de elasticidade da brasagem que aumenta a curvatura local sob o efeito da flexão. Pode-se, portanto, dispor a junta de maneira que os esforços em serviço tendam a curvá-la no sentido de corrigir a curvatura produzida. Corrosão das Soldabrasagens As soldabrasagens estão teoricamente sujeitas a corrosão eletrolítica, entretanto é certo que: • As peças de máquinas a vapor e das caldeiras a vapor brasadas ou soldabrasadas não ocasionarão aborrecimentos relacionados à corrosão; • Existem, por exemplo, “condutores” subterrâneos feitos de tubos de ferro fundido unidos pela soldabrasagem topo a topo e que permanecem em bom estado apesar de terem sido instalados “nus”, ou seja, sem qualquer proteção anti-corrosiva; • A soldabrasagem é raramente porosa e não sofre a corrosão profunda; • Pode-se aumentar consideravelmente sua resistência à corrosão, retirando qualquer sinal de fluxo, atritando com areia ou com raspaduras e recobrindo com pintura especial SOLDABRASAGEM DE METAIS CUPROSOS O cobre desoxidado, ou não, pode ser soldabrasado. O cobre não desoxidado, cuja soldagem oxiacetilênica dá lugar a inconvenientes, pode ser soldabrasado mais facilmente. Com efeito, o metal de base não entra em fusão e há menos riscos de porosidade causada pela produção de vapor. O risco de inclusão de gás será evitado com a regulagem da chama oxidante. Esta regulagem apresenta a vantagem de limitar a volatilização do zinco na vareta de adição. Na soldabrasagem de ligas de cobre, o metal de base deve ter uma linha solidus superior à linha liquidus do metal de adição, ou seja, maior que 920°C. Isto explica porque fora os cobres que contenham pequenas adições, somente as ligas cobre-silício e cobre- níquel são soldáveis desta maneira. Com as ligas cobre - níquel, é necessário utilizar um metal de adição especial que contenha níquel. Na prática, pode-se soldabrasar a maioria dos latões e dos bronzes com um latão com 40% Zn, mas ocorre geralmente a fusão do metal de base, o que leva a adoção de uma técnica especial. Com as ligas cobre-alumínio e algumas outras ligas de cobre, são necessários fluxos especiais. Com as ligas cobre-alumínio adota-se uma chama com excesso de acetileno (chama carburante). Os bronzes com estanho necessitam, ao contrário, de uma chama oxidante. SOLDABRASAGEM DO ALUMÍNIO E SUAS LIGAS O alumínio puro funde a 658°C. Os metais de adição fundem de 550 a 620°C. Por não existirem metais de adição com pontos de fusão baixos o suficiente, são numerosas as ligas de alumínio que não são passíveis de brasagem ou soldabrasagem. A pequena diferença dos pontos de fusão limita o processo e impõe restrições estritas as técnicas de aquecimento. Outro problema é a dificuldade de dissolver a camada de óxido (Al2O3) que se forma na superfície das ligas leves. Ela só começa a ser eliminada em quantidade suficiente pelos fluxos fundidos a partir de 500°C. É portanto imprescindível que “o solidus” do metal de adição seja superior a esta temperatura, pois a presença de um metal fundido diminuiria a eficácia do fluxo. Os metais de adição empregados na soldabrasagem são os mesmos que aqueles usados na brasagem, são ligas-alumínio-silício: • - com 5% Si, com intervalo de fusão 565/600°C • - com 7% Si, com intervalo de fusão 565/575°C • - com 12% Si, com intervalo de fusão 550/590°C A liga com 7% Si, serve quase que unicamente para plaqueamento sobre uma ou duas faces de chapas ou de tubos de alumínio ou suas ligas. Estas chapas plaqueadas simplificam bastante o posicionamento do metal de adição. Além desta forma particular, existem metais de adição na forma de fios redondos, varetas, chapas circulares ou folhas para serem cortadas. Os fluxos são constituídos essencialmente de fluoretos (de sódio ou potássio) misturados ou não com cloretos ou brometos para abaixarem o ponto de fusão. Podem-se apresentar na forma de pasta ou pó. O tipo de chama a ser utilizado para soldabrasar alumínio deve ser suave e levemente comburente. SEGURANÇA As medidas de segurança abaixo se aplicam principalmente para o processo de soldabrasagem com equipamento oxi-acetilênico. Para os demais métodos de soldabrasagem (GTAW, PAW, etc) deve-se proceder de acordo com os procedimentos de segurança para a soldagem com estes processos. Equipamentos de proteção (Lentes de Segurança) As lentes de segurança são elementos utilizados para preservar os olhos do operador quando este realiza trabalhos de limpeza, solda, soldabrasagem, brasagem, esmerilhado, torneado, retificado, ou outra operação donde se requer a proteção da vista. Existem vários tipos de lentes e os elementos de proteção em forma de máscara, que além dos olhos, também protegem a face; esta máscara deve ajustar-se na cabeça com firmeza para evitar sua queda. Figura 25 – Lentes de segurança e Máscara de proteção As lentes devem ser limpas antes da utilização, para obter-se uma melhor visibilidade durante a operação. Deve-se evitar colocar as lentes em contato direto com peças quentes. Cuidados com a serem tomados com o gás acetileno: • Nunca trabalhar com pressões maiores de 1,5Kgf/cm2 • Nunca deitar o cilindro: o ângulo deve ser de no mínimo 45° em relação a horizontal • Nunca abrir a válvula mais que ¼ de volta. • Nunca utilizar um cilindro em locais quentes, a temperatura do cilindro não deve ultrapassar 50°C. • Nunca submeteros cilindros a impactos (queda, choque mecânico, etc) • Nunca utilizar cobre(prata) nas conexões. • Nunca trabalhar com pressões internas dos cilindros menores que 1,0 Kgf/cm2 • Nunca a vazão horária deve ultrapassar 1000 a 1200 litros/hora para um cilindro normal • Substâncias inflamáveis ou combustíveis não devem ser alojadas nas proximidades do acetileno, pois constituem risco de incêndio e devem, portanto, ser consideradas fontes de calor em potencial Cuidados com a serem tomados com o gás oxigênio: • Nunca se deve deitar os cilindros, nem permitir que caiam ou se choquem uns contra os outros • Nunca utilizar cobre nas conexões. • Nunca fazer limpeza de roupas, máquinas, etc. • Nunca trabalhar em locais quentes (acima de 50°C). • Nunca abrir a válvula mais de 1/8 de volta. • Nunca arrastar, rolar ou deslizar os cilindros. • Nunca deixar de armazenar os cilindros sempre em locais abertos e protegidos (umidade, raios solares). Procedimentos seguros para se acender o maçarico: • 1° Passo: aliviar o regulador de pressão. • 2° Passo: regule a pressão de trabalho em função do n° do bico utilizado. (Válvulas de O2 e C2H2 abertas durante a regulagem. fechá-las antes de iniciar o 3° Passo). • 3° Passo: abrir a válvula de acetileno, acionar o acendedor e acender o maçarico. Precaução: quando acender o maçarico, apontar o bico para um local livre. • 4° Passo: abrir lentamente a válvula de oxigênio do maçarico, até obter a chama desejada. Procedimentos seguros para se apagar o maçarico: • 1° Passo: abrir a válvula de oxigênio até obter uma chama oxidante. • 2° Passo: fechar a válvula de acetileno (apagando a chama). • 3° Passo: fechar a válvula de oxigênio. • 4° Passo: aliviar o regulador de pressão (diafragma). • 5° Passo: afrouxar as válvulas, agulha do maçarico aliviando as mangueiras. • 6° Passo: fechar os registros.
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