Exercicios 2 Soldagem - Processos Contínuos de Produção

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RESUMO SOLDAGEM 
 
 
 
1) Quais são as peculiaridades do processo de soldagem que faz com 
que este seja considerado um processo metalúrgico de escala 
microscópica quando comparado a outros processos metalúrgicos 
onde está envolvida a fusão de metal? 
 
Devido ao pequeno volume dos reagentes na soldagem por fusão, e ao pequeno 
tempo de interação entre eles, essa pode ser considerada como um processo 
metalúrgico de escala microscópica quando comparada com a maioria dos outros 
processos que envolvem a fusão de metais. Neste contexto, a soldagem apresenta 
peculiaridades como: (1) temperaturas elevadas; (2) curto tempo de duração; (3) 
elevada interação do metal com suas vizinhanças; (4) presença de fluxos ou escórias 
complexas, etc. 
 
 
2) Quais são as relações existentes entre estrutura-propriedades dos 
metais?. 
 
 Na soldagem a arco elétrico, o metal de adição e o metal base são fundidos pelo calor 
do arco. Esta fusão é seguida por um superaquecimento considerável, particularmente 
na gota de metal de adição. Na atmosfera do arco, vapores metálicos e de diversos 
constituintes da escória e de diferentes gases estão presentes em forma atômica, 
molecular ou ionizada, esta mais reativa. Estes gases são violentamente aquecidos e 
agitados pelo arco elétrico. A área específica de contato para interação entre metal 
fundido, gases e escória é muito grande se comparada com outros processos 
metalúrgicos. Assim, pode-se concluir que existem condições altamente favoráveis 
para o desenvolvimento de interações físicas e químicas entre o metal fundido e o 
ambiente que o cerca. Estas interações devem ser particularmente intensas nas 
pequenas gotas de metal fundido formadas a partir do eletrodo consumível. De modo 
geral, todas estas interações podem afetar de modo desfavorável à estrutura e 
propriedades do metal de solda. Vamos ver que os efeitos do ciclo térmico alteram a 
estrutura e a relação com as propriedades que caracteriza a solda ou que de uma 
certa forma pode causar descontinuidade. 
 
3) Por que na soldagem por fusão o arco elétrico e a fonte de calor 
mais utilizada na soldagem de materiais metálicos? 
 
 
 
4) Defina ciclo térmico de soldagem. Faça um desenho esquemático 
de Ciclo térmico de soldagem indicando seus principais pontos. 
 
 
 
 
Ciclo Térmico de Soldagem – A variação de temperatura durante a soldagem em um 
ponto da peça e descrita pelo ciclo térmico de soldagem. Cada ponto é submetido a 
um ciclo térmico particular que depende, entre outros fatores, da localização deste 
ponto em relação à solda. Temperatura de pico (Tp) é a temperatura máxima atingida 
em um dado ponto. Indica a possibilidade de ocorrência de transformações micro 
estruturais neste ponto. Depende das condições de soldagem, geometria e 
propriedades térmicas da peça, sua temperatura inicial e da distância considerando a 
fonte de calor. A temperatura de pico diminui com a distância do centro da solda. 
Tempo de permanência (tp) é o tempo acima de uma temperatura crítica, tempo em 
que o ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura mínima para 
ocorrer alterações de interesses (Tc). Velocidade de resfriamento definida pelo valor 
da velocidade de resfriamento a uma determinada temperatura T ou pelo tempo 
necessário (Δt) para que o ponto resfrie de T1 a outro T2 este parâmetro é importante 
na determinação da microestrutura em materiais como aços estruturais comuns que 
podem sofrer transformações de fases durante o resfriamento. 
 
 
 
5) Como podem ser obtidos os ciclos térmicos de soldagem? 
 
 
O Ciclo Térmico de Soldagem pode ser obtido de forma teórica (Figura 5) ou 
experimental– A evolução de temperatura ou fluxo de calor em diferentes pontos 
(Ciclo Térmico), pode ser estimado teórica ou experimentalmente. A solução teórica ou 
analítica é feita a partir de um modelo matemático considerando o escoamento de 
calor na soldagem, as entradas e saídas de calor. Por exemplo: 
 Entradas de calor: 
o Fonte de calor utilizada (chama, arco, resistência de contato, etc); 
o Reações metalúrgicas exotérmicas. 
 Saidas de calor: 
o Condução através da peça; 
o Condução através do eletrodo; 
o Perdas por radiação e convecção; 
o Reações endotérmicas. 
A partir do estabelecimento do problema e análise e do mesmo é obtida uma equação 
como a que se segue, e que mostra uma distribuição de temperatura que esta 
representada na Figura 5. 
 
 
 Os métodos experimentais são dificultados pela grande variação de temperatura em 
um pequeno volume de material em um pequeno intervalo de tempo, característica da 
maioria das operações de soldagem. O métodos experimentais que podem ser usados 
são: (1) Medida da temperatura através de termopar; (2) Análise Metalográfica; (3) 
Simulação; (4) Calorimetria. 
 
 
 
6) Quais são os fatores operacionais que podem afetar os ciclo 
térmico? Comente cada um destes fatores. 
 
 
Influências de fatores operacionais no ciclo térmico – Diversas variáveis de uma 
operação de soldagem podem afetar o fluxo de calor na peça e, portanto os ciclos 
térmicos associados. 
a) Condutividade da peça (Figura 6) – Materiais com menor condutividade térmica 
dissipam o calor por condução mais lentamente tendendo apresentar gradientes 
térmicos mais abruptos no aquecimento e menores velocidade de resfriamento; 
b) Espessura da junta (Figura 7) – Para uma mesma condição de soldagem, uma 
junta de maior espessura permite um escoamento mais fácil do calor de condução; 
c) Geometria da junta (Figura 8) – Influencia a velocidade de resfriamento de uma 
solda de forma importante. Por exemplo, esta velocidade será maior na junta em T do 
que em juntas de topo quando as variáveis do processo, inclusive a espessura dos 
componentes da junta, forem semelhantes; 
d)Temperatura de pré-aquecimento (Figura 9) – É a temperatura inicial de toda a 
peça ou parte desta. A utilização de pré-aquecimento causa uma diminuição na 
velocidade de resfriamento; 
 Ciclo térmico múltiplos devido a passes múltiplos (Figura 10) – Assim, a 
estrutura resultante é mais complexa devido à influência de cada passe sobre as 
zonas fundidas e termicamente afetadas originadas nos passes anteriores. 
 
 
 
7) Faça desenho esquemático de uma curva de “repartição térmica” 
indicando a macroestrutura de solda por fusão. 
 
Macroestrutura de solda por fusão 
 Obtida a partir do ciclo térmico de soldagem em um ponto no centro do 
cordão. Divisão em zonas. (Figura 11) – Quando se faz a representação do ciclo 
térmico de soldagem mostrando a variação da temperatura de pico com a distância ao 
centro do cordão de solda na direção perpendicular a este, é obtida acurva mostrada 
na Figura 11 conhecida como “repartição térmica”. 
o Zona Fundida: Região onde o material foi fundido e solidificou durante a operação 
de soldagem. As temperatura de pico desta região foram superiores à temperatura de 
fusão do material. 
o Zona termicamente afetada ou zona termicamente alterada – Região não fundida 
de metal de base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alteradas pelo ciclo 
térmico de soldagem. As temperaturas de pico foram superiores a temperaturas 
críticas para o material em questão. 
o Metal base – Região mais afetada do cordão de solda e que não foi afetada pelo 
processo de soldagem. As temperaturas de pico são inferiores a temperatura crítica 
para o material. 
 
 
 
 
 
 
8) Cite as formas de solidificação da poça de fusão. 
 
Solidificação da poça de fusão. 
a) crescimento epitaxial – a partir do metal base que estão na interface sólido-líquido – 
composição 
semelhante (Figura 14 e 15) – Este efeito é causado pelas condições existentes na 
poça de fusão 
(elevados gradientes térmicos e contato direto entre o líquido e um sólido de 
composição semelhante). 
Facilita a nucleação e crescimento do grão, principalmente no caso de ligas que não 
sofrem transformações 
de fase como aço inoxidável; 
b) crescimento competitivo – orientação em relaçãometal base e fluxo de calor (Figura 
16) – A facilidade do 
crescimento de um cristal depende de sua orientação em relação ao fluxo de calor. 
Assim os grãos melhor 
orientados em relação a direção do grão do metal base e da extração de calor tende a 
crescer a frente de 
todos; 
c) influência da geometria da poça(Figura 17) – poça elíptica menor velocidade de 
soldagem – poça em gota 
maior velocidade de soldagem. 
 
 
 
 
 
 
 
9) Defina descontinuidade em uma junta soldada. 
 
 
DESCONTINUIDADE – Designa-se como descontinuidade a qualquer interrupção da 
estrutura típica (ou esperada) de uma junta soldada. Neste sentido, pode-se 
considerar, como descontinuidade, a falta de homogeneidade de características 
físicas, mecânicas ou metalúrgicas do material soldado. A existência de 
descontinuidade em uma junta não significa necessariamente que a mesma seja 
defeituosa. Esta condição depende da aplicação a que se destina o componente e é, 
em geral, caracterizada pela comparação das descontinuidades medidas com níveis 
estabelecidos em código, projeto ou contrato pertinente. Assim, considera-se um junta 
soldada como defeituosa quando apresenta descontinuidades ou propriedades (neste 
caso, defeitos) que não atendam ao exigido, por exemplo, por um dado código. Juntas 
defeituosas precisam ser reparadas ou, mesmo, substituídas. Existem quatro tipos 
gerais de descontinuidades: (a) descontinuidades dimensionais, (b) descontinuidades 
estruturais, (c) descontinuidades relacionadas com propriedades indesejáveis da 
região da solda e (d) descontinuidades relacionadas com as propriedades do metal 
base. 
 
 
 
10) O que é uma descontinuidade dimensional? 
 
 
DESCONTINUIDADES DIMENSIONAIS – Para a fabricação de uma estrutura 
soldada, é necessário que tanto a estrutura como as suas soldas tenham dimensões e 
formas similares (dentro das tolerâncias exigidas) às indicadas em desenhos, projetos 
ou contratos. Uma junta que não atenda a esta exigência pode ser considerada 
defeituosa, sendo necessário a sua correção antes da aceitação final da estrutura. As 
principais descontinuidades estruturais são: 
 
11) Caracterize os seguintes tipos de descontinuidades dimensionais: 
 
a) Distorção; 
b) Penetração Incorreta da junta; 
c) Penetração Incorreta da solda; 
d) Perfil incorreto da solda; 
e) Formato incorreto da junta. 
 
(a) Distorção: É a mudança de forma da peça soldada devido às deformações 
térmicas do material durante a soldagem. Problemas de distorção são controlados ou 
corrigidos por medidas como: (1) projeto cuidadoso da peças ou estrutura, (2) 
planejamento da seqüência deposição das soldas, (3) projeto adequado do chanfro, 
(4) adoção de técnicas especiais para a deposição da solda, (5) desempeno, com ou 
sem a aplicação de calor, da junta soldada e (6) remoção e correção de soldas 
problemáticas. A forma usada de correção depende do código ou especificação, de 
acordo entre o fabricante e cliente ou, mesmo, dos equipamentos disponíveis. 
(b) Preparação Incorreta da junta: Inclui a falha em produzir chanfro com as 
dimensões ou forma especificadas, por exemplo, em um desenho e adequadas para 
espessura do material e para processo de soldagem a ser usado. Uma falha deste tipo 
pode aumentar a tendência para a formação de descontinuidades estruturais na solda, 
necessitando, de correção antes da soldagem. 
(c) Dimensão Incorreta da solda: As dimensões de uma solda são especificadas 
para atender algum requisito como um nível de resistência mecânica adequado. 
Soldas com dimensões fora do especificado podem ser consideradas como 
defeituosas uma vez que deixam de atender a estes requisitos ou, no caso de soldas, 
cujas dimensões ficam maiores que as especificadas, levam ao desperdício de 
material ou aumentam a chance de distorção e outros problemas. As dimensões de 
uma solda podem ser verificadas por meio de gabaritos. 
(d) Perfil Incorreto da Solda: O perfil de uma solda é importante, pois variações 
geométricas bruscas agem como concentradores de tensão, facilitando o 
aparecimento de trincas. O perfil do cordão pode também ser considerado como 
inadequado quando (i) facilitar o aprisionamento de escória entre passes de soldagem, 
(ii) levar ao acumulo de resíduos e, assim, prejudicar a resistência à corrosão da 
estrutura ou (iii) fazer com que a solda tenha, em alguns locais, dimensões incorretas. 
Esta forma de descontinuidade está, em geral associada com problemas operacionais 
(manipulação incorreta do eletrodo, parâmetros incorretos de soldagem, instabilidade 
do processo, etc). 
(e) Formato Incorreto da Junta: O posicionamento ou dimensionamento inadequado 
das peças pode levar a problemas como o desalinhamento em juntas de topo. O 
formato incorreto da junta está também fortemente relacionado com problemas de 
distorção. 
 
 
12) O que é uma descontinuidade estrutural? 
 
 
 
 
14) Caracterize os seguintes tipos de descontinuidades estruturais: 
a) Porosidade; 
b) Inclusão de escória; 
c) Inclusão de tungstênio; 
d) Falta de fusão; 
e) Falta de penetração; 
f) Mordedura; 
g) Trincas ou fissuras. 
 
(a) Porosidade: Porosidade é formada pela evolução de gases, na parte posterior da poça de fusão, 
durante a solidificação da solda. Os poros têm usualmente um formato esférico, embora poros alongados 
(porosidade vermiforme) possam ser formados, em geral, associados com o hidrogênio. As principais 
causas operacionais da formação de porosidade estão relacionadas com a contaminação de sujeira, 
oxidação e umidade na superfície do metal de base, de consumíveis de soldagem ou no equipamento de 
soldagem (como no sistema de refrigeração e em roletes tracionadores de arames). Parâmetros 
inadequados de soldagem como corrente excessiva e um arco muito longo podem, também causar a 
formação de porosidade, particularmente, na soldagem SMAW. Neste processo, estas condições 
favorecem a degradação do revestimento ou consumo excessivo de desoxidantes, propiciando a 
evolução do CO na poça de fusão e a formação de porosidade. Quanto à sua distribuição na solda, a 
porosidade pode ser dividida em: (a) uniformemente distribuída; (b) agrupada (associada, em geral, com 
pontos de abertura ou de interrupções do arco) e (c) alinhamento (que ocorre, em geral, no passe de 
raiz). 
(b) Inclusões de Escória: Este termo é usado para descrever óxidos e outros sólidos não-metálicos 
aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal de base. Em vários processos de 
soldagem, uma escória é formada por materiais pouco solúveis no metal fundido e que tendem a 
sobrenadar na superfície da poça de fusão devido à sua menor densidade. Uma manipulação inadequada 
do eletrodo durante a soldagem pode fazer com que parte da escória escoe à frente da poça de fusão 
aprisionando-se sob o cordão. Adicionalmente, na soldagem com vários passes, parte da escória 
depositada com um passe pode ser inadequadamente removida e não ser refundida pelo passe seguinte 
ficando aprisionada sob este passe. Diversos fatores podem dificultar a remoção da escória, incluindo, a 
formação de um cordão irregular ou uso de um chanfro muito fechado. Este tipo de descontinuidade 
aparece, em geral, com uma forma alongada em radiografias. Inclusões de escória podem agir como 
concentradores de tensão favorecendo a iniciação de trincas. 
(c) Inclusões de Tungstênio: Este tipo de inclusão pode ocorrer na soldagem GTAW caso o eletrodo 
toque a peça ou a poça de fusão, ocorrendo a transferência de partículas de tungstênio para a solda. 
(d) Falta de Fusão: Este termo refere-se à ausência de união entre passes adjacentes de solda ou entre 
a solda e o metal de base. A faltas de fusão é causada por um aquecimento inadequado do material 
sendo soldado como resultado de manipulação inadequada do eletrodo, do uso de uma energia de 
soldagem muito baixa, da soldagem em chanfros muito fechados ou, mesmo da falta de limpeza da junta. 
Esta descontinuidade é um concentrador de tensões severo, podendofacilitar a iniciação de trincas, alem 
de reduzir a seção da solda para resistir a esforços mecânicos. 
(e) Falta de Penetração: O termo refere-se à falha em se fundir e encher completamente a raiz da junta. 
A falta de penetração é causada por diversos fatores, destacando-se a manipulação incorreta do eletrodo, 
um projeto inadequado da junta (ângulo de chanfro ou abertura da raiz pequenos) ou, alternativamente, a 
escolha de um eletrodo muito grande para um dado chanfro (em ambos os casos, torna-se difícil, ou 
impossível, direcionar o arco para a raiz da junta) e o uso de uma baixa energia de soldagem. Falta de 
penetração causa uma redução da seção útil da solda além de ser um concentrador de tensões. Deve-se 
ressaltar que, freqüentemente, juntas são especificadas para terem penetração parcial. Nesses casos, a 
falta de penetração, desde que mantida nos limites especificados não é considerada como um defeito de 
soldagem. 
(f) Mordeduras: Este termo é usado para descrever reentrâncias agudas formadas pela ação da fonte de 
calor do arco entre um passe de solda e o metal de base ou um outro passe adjacente. Quando formada 
na última camada do cordão, a mordedura causa uma redução da espessura da junta e atua como 
concentrador de tensões. Quando formada no interior da solda, ela pode ocasionar a formação de uma 
falta de fusão ou inclusão de escória. Mordeduras são causadas por manipulação inadequada do 
eletrodo, comprimento excessivo do arco e por corrente ou velocidade de soldagem elevada. A tendência 
à formação desta descontinuidade depende também do tipo de consumível (eletrodo, fluxo ou gás de 
proteção) usado. 
(g) Trincas ou Fissuras: São consideradas, em geral, as descontinuidades mais graves em uma junta 
soldada por serem fortes concentradores de tensão. Formam-se quando tensões de tração se 
desenvolvem em um material fragilizado, incapaz de se deformar plasticamente por absorver estas 
tensões. Tensões de tração elevadas se desenvolvem na região da solda como resultado das expansões 
e contrações térmicas localizadas (associadas com o aquecimento não uniforme característico da 
soldagem), das variações de volume devido a transformações de fase e como resultado das ligações 
entre as peças sendo soldadas e o restante da estrutura. A fragilização da solda pode resultar de 
mudanças estruturais, da absorção de elementos nocivos, de alterações posteriores durante outras 
operações de fabricação (por exemplo, tratamentos térmicos) ou, ainda, em serviço. Problemas de 
fissuração em soldagem podem ocorrer tanto em aços como em ligas não ferrosas, com as fissuras se 
localizando na ZF, na ZTA e no metal base. As fissuras podem ser macroscópicas, com até vários 
centímetros de comprimento (macrofissuras) ou serem visíveis somente com um microscópio 
(microfissuras). Diferentes mecanismos de fissuração podem ser associados com a soldagem. Alguns 
destes ocorrem para diferentes materiais e processos de soldagem, enquanto outros são mais comuns 
para um tipo particular de material. Classificar os diferentes mecanismos de fissuração pode ser uma 
tarefa complicada. Como o problema é melhor conhecido e estudado para a soldagem dos aços, 
particularmente, os aços carbono e baixa liga, será apresentada, a seguir, uma tentativa de classificação 
aplicável e estes materiais e baseada na temperatura e no momento de formação da descontinuidade. 
Para cada classe de problema, são também citados alguns mecanismos de fissuração conhecidos. 
➢ Problemas de fissuração que ocorrem durante a soldagem quando o material está submetido a altas 
temperaturas, isto é, superior à metade de sua temperatura líquidus, expressa em graus Kelvin, mas, 
mais comumente, próximas desta temperatura. Como exemplo deste tipo de fissuração cita-se: 
✓ Fissuração na solidificação; 
✓ Fissuração por liquação na ZTA; 
✓ Fissuração por perda de dutilidade (ductility-dip cracking). 
 
Estas formas de fissuração são comumente referidas, particularmente a fissuração na solidificação, como 
fissuração a quente (hot cracking ou high temperature craking) 
➢ Problemas de fissuração que ocorrem durante a soldagem, ou logo após esta operação, quando o 
material está submetido a temperaturas inferiores à metade de sua temperatura líquidus, em graus Kelvin. 
Como exemplos cita-se: 
✓ Fissuração pelo hidrogênio; 
✓ Decoesão lamelar. 
➢ Problemas de fissuração que ocorrem durante operações subseqüentes de fabricação ou durante o 
serviço. Exemplo: 
✓ Fissuração ao reaquecimento; 
✓ Decoesão Lamelar; 
✓ Fissuração por corrosão sob tensão; 
✓ Fadiga. 
 
Destes mecanismos, os dois últimos estão mais relacionados com as condições de serviço do que com a 
operação de soldagem embora esta possa exercer um efeito importante. 
 
15) Defina propriedades inadequadas em soldas. Citar quais são estas 
propriedades bem como estas se caracterizam. 
Soldas que são depositadas em uma dada peça ou estrutura, devem possuir 
propriedades (mecânicas, químicas, etc.) adequadas para a aplicação pretendida. 
Estas propriedades são, em geral, especificadas em normas, especificações, 
projeto ou em contrato e verificadas em testes de qualificação ou em amostras 
retiradas de um lote da produção. Propriedades mecânicas freqüentemente 
avaliadas incluem o limite de resistência à tacão, limite de escoamento, dutilidade 
e tenacidade do metal de base e da junta soldada. Propriedades químicas incluem 
a resistência à corrosão da solda que deve ser avaliada para as aplicações em que 
esta característica é indispensável. Entre os vários problemas de corrosão, 
destacam-se os de corrosão intergranular, corrosão sob tensão e corrosão 
preferencial da solda.