Fluxo termico na soldagem

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Centro Universitário do Leste de Minas Gerais
Soldagem
Fluxo de calor na soldagemFluxo de calor na soldagem
Prof. Reginaldo Pinto Barbosa
IntroduIntroduçãçãoo
Fluxo de calor na soldagem
� Processos de soldagem a arco → arco é a única fonte de energia definida pela sua 
energia de soldagem.
� Transferência de calor da fonte para a junta causa alterações de temperatura na solda e 
regiões adjacentes do metal base.
� Variações de temperatura → variações dimensionais e alterações microestruturais.
� Podem levar a efeitos indesejáveis:
� Tensões residuais e distorções
� Deterioração das propriedades mecânicas, físicas e químicas.
� Formação de trincas
� Condições térmicas controla os fenômenos metalúrgicos na soldagem.
� Velocidade de resfriamento → influência direta na estrutura e propriedades do metal 
base.
Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusMacroestruturas de Soldas por Fusããoo
Zona Fundida 
(ZF)
Zona Afetada pelo Calor 
(ZAC)
Metal Base 
(MB)
Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusMacroestruturas de Soldas por Fusããoo
• Zona Fundida (ZF)
* Temperaturas máximas maiores que a temperatura de fusão
* Composição química final depende da diluição
“Diluição é a participação relativa do metal base na constituição da 
zona fundida”
δ = diluição (%)
A = massa do metal de adição
B = massa do metal base fundida
100×
+
=
BA
B
δ
Fluxo de calor na soldagem
Diagrama de Diagrama de SchaeflerSchaefler
Fluxo de calor na soldagem
Diagrama de Diagrama de SchaeflerSchaefler
Fluxo de calor na soldagem
Diagrama de Diagrama de BystramBystram
Fluxo de calor na soldagem
Diagrama de Diagrama de SchaeflerSchaefler e e BystramBystram
Utilizando o Diagrama de Schaefler, verifique qual das situações abaixo é a mais 
adequada para se realizar a soldagem de uma chapa de aço baixa liga com outra de 
aço inoxidável austenítico. As composições das ligas e dos eletrodos são 
informadas a seguir: 
Material/ Eletrodo C Si Mn Cr Ni Mo N 
Aço baixa liga 0,20 0,50 0,75 0,50 1,00 1,00 - 
Aço inoxidável 0,05 0,40 1,30 18,30 8,40 0,01 0,035 
OK 67.62 0,05 0,80 0,50 24,00 12,50 - - 
OK 14.31 0,30 0,60 1,80 20,00 13,00 2,50 - 
a) Soldagem por eletrodo revestido. Eletrodo OK 14.31. Diluição de
25%.
b) Soldagem MIG. Eletrodo OK 67.62. Diluição de 20%.
Fluxo de calor na soldagem
Diagrama de Diagrama de SchaeflerSchaefler e e BystramBystram
Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusMacroestruturas de Soldas por Fusããoo
• Metal Base (MB)
* Temperaturas máximas menores que a temperatura crítica
* Região mais distante do cordão de solda
* Não apresentam mudanças microestruturais
• Zona Afetada pelo Calor (ZAC)
* Temperaturas máximas superiores ä temperatura crítica
* Região não fundida
* Alteração da microestrutura e/ou propriedades mecânicas
* Sua microestrutura depende dos ciclos térmicos
Fluxo de calor na soldagem
Macroestruturas de Soldas por FusMacroestruturas de Soldas por Fusããoo
Regiões da Solda de um Aço Carbono
A - Região de Granulação 
Grosseira
B - Região de Granulação 
Fina
C - Região Intercrítica
Energia de soldagemEnergia de soldagem
� Energia de soldagem (E) é a medida da quantidade de energia gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta:
E = energia absorvida pela peça (J/mm)
L = comprimento da junta (mm)
t = tempo de soldagem (s)
P = potência gerada (energia/tempo)
V = tensão do arco (V)
I = corrente de soldagem (A)
v = velocidade de soldagem (mm/s)
� A energia de soldagem (E) pode ser expressa em kJ/mm ou kJ/cm.
Fluxo de calor na soldagem
v
VI
v
P
tL
tq
L
q
E ====
Rendimento tRendimento téérmicormico
� Somente parte da energia é transferida para a 
peça sendo soldada.
� A dissipação do calor ocorre principalmente por 
condução na peça, das regiões aquecidas para o 
restante do material.
� Considerando este aspecto, pode-se definir a 
Energia Imposta de Soldagem (E
ab
) ou Aporte 
Térmico como:
Fluxo de calor na soldagem
EEab ⋅=η
onde η é o rendimento térmico do processo 
dependendo do processo e das condições de soldagem
Processo Rendimento Térmico (η) 
Arco Submerso (SAW) 0,85 – 0,98 
MIG/MAG (GMAW) 0,75 – 0,95 
Eletrodo Revestido (SMAW) 0,70 – 0,90 
TIG CC- (GTAW) 0,50 – 0,80 
TIG CC+ (GTAW) 0,20 – 0,50 
 
� Rendimento de fusão (ηf) ou eficiência de fusão do processo: correlaciona a energia de 
soldagem absorvida com a energia efetivamente usada na fusão da solda.
� Permite a determinação dos parâmetros de soldagem a partir da área de seção transversal 
do cordão de solda
Fluxo de calor na soldagem
Rendimento de fusRendimento de fusããoo
PROCESSO ηηηηf (%) MATERIAL H (J/mm3)
Oxiacetelênico < 5 Aço Baixa Liga 10
TIG 20 Aço Inoxidável 10
ER 30 Níquel 10
MIG / MAG 40 Cobre 06
AS 50 Alumínio 03
ET 80
Plasma 90
Laser 100
 
η
η
⋅
⋅⋅
=
q
vHS
f
Rendimento de fusRendimento de fusããoo
Fluxo de calor na soldagem
 
ab
f
E
HS ⋅
=η
ηf = rendimento de fusão
S = área de seção transversal ao cordão (mm2)
H = energia necessária para aquecer e fundir o material (J/ mm3 )
q = calor por unidade de tempo (J/s)
 
 :que temosE, Eab e ⋅== η
v
q
EComo
Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
� A variação da temperatura durante a soldagem em um ponto da peças é descrita pelo seu 
Ciclo Térmico de Soldagem.
� O ciclo térmico representa as temperaturas que o ponto em estudo atinge em cada 
instante do processo.
� O ciclo térmico compreende:
�etapa de aquecimento do 
material;
�atingimento de uma 
temperatura máxima ou de 
pico,
�etapa de resfriamento gradual.
Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
� Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico de soldagem são:
� temperatura de pico (Tp), que é a temperatura máxima atingida no ponto. Tp diminui 
com a distância ao centro da solda e indica a extensão das regiões afetadas pelo calor 
de soldagem;
Permite conhecer o ciclo térmico a que será submetido um determinado ponto da ZAC 
de uma junta soldada, ou interpretar as transformações metalúrgicas em um ponto do 
metal de base próximo à região da solda.
ρ - densidade do material (g/mm3),
c - calor especifico (J/g.oC)
e - espessura da chapa (mm)
y - distância do ponto considerado à linha de fusão da solda (mm)
Tf – temperatura de fusão (
oC)
T0 – temperatura de pré aquecimento ou ambiente (
oC)
00
113,41
TTE
yec
TT fabp −
+
⋅⋅⋅⋅
=
−
ρ
Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
� temperatura crítica (Tc), que é a temperatura mínima para ocorrer uma alteração 
relevante como uma transformação de fase, por exemplo;
� tempo de permanência acima de uma temperatura crítica (tp), que é o tempo em que o 
ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura crítica;
� velocidade de resfriamento(R), que é importante na determinação da microestrutura 
em materiais que podem sofrer transformações de fase durante o resfriamento.
Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem
Fluxo de calor na soldagem
À medida que nos distanciamos da fonte de energia, os ciclos térmicos assumem 
características importantes. 
Com o aumento da distância ao centro 
do cordão:
* a Tm decresce rapidamente
* cresce o tempo para se atingir Tm
* as velocidades de aquecimento e 
resfriamento diminuem.
Efeito dos Pardos Parââmetros de Soldagem sobre a metros de Soldagem sobre a 
Geometria da SoldaGeometria da Solda
Fluxo de calor na soldagem
• Para grandes gradientes de temperatura máxima, menor é a solda e ZAC formada. 
• O tamanho da solda é controlado pela quantidade de energia imposta à peça, de 
forma que o mesmo pode ser variado em função dos parâmetros de soldagem.
Diagrama FeDiagrama Fe--CC
Fluxo de calor na soldagem
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� A velocidade de resfriamento pode ser afetada por algumasvariáveis de uma operação 
de soldagem.
� Tipo de metal base, relativamente a sua condutividade térmica, pois quanto maior 
a condutividade térmica do metal, maior sua velocidade de resfriamento.
� Geometria da junta (uma junta em T possui três direções para o escoamento de 
calor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas; por isso juntas em T 
resfriam-se mais rapidamente que juntas de topo para as mesmas condições de 
soldagem;
� A etapa de resfriamento é caracterizada pelo valor da velocidade de resfriamento a uma 
determinada temperatura T, ou pelo tempo t necessário para o ponto resfriar de uma 
temperatura T1 a outra T2. 
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� Espessura da junta: a velocidade de resfriamento aumenta com a espessura até uma 
espessura limite; acima desse limite, a velocidade de resfriamento independe da 
espessura;.
� Energia de soldagem e pré aquecimento, a velocidade de resfriamento diminui 
com o aumento do aporte térmico e da temperatura inicial da peça;
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� Espessura limite depende 
da energia de soldagem.
� Para os aços baixa liga, a 
espessura limite é 
aproximadamente igual à 
energia de soldagem em 
kJ/cm.
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� A velocidade de resfriamento no início do cordão é maior do que ao longo do mesmo. 
Esta velocidade de resfriamento alta pode gerar problemas na qualidade da solda.
� Quanto mais alta for a temperatura máxima num ponto, maior será a velocidade de 
resfriamento.. 
� Na cratera, a velocidade de resfriamento também é alta devido ao fato de inexistir 
arco durante a solidificação nesta região, bem como, devido ao calor voltar a fluir em 
várias direções. 
� Na cratera ocorrem rechupes, cujo interior é irregular devido à formação de dendritas, 
implicando em pontos de concentração de tensões e de heterogeneidade química, 
devido à segregação de impurezas.
� Soluções para evitar rechupe na cratera
* soldar a mais e cortar o excesso
* retornar o arco antes de apagá-lo e aquecer o final
* refundir a cratera
* fazer a “unha”do cordão
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� A equação a ser utilizada depende se trata-se de chapa fina ou chapa grossa. Esta 
variável é definida em função da espessura limite (τ), que depende da energia de 
soldagem.
� Espessuras menores que a espessura limite caracterizam as chapas finas e as maiores, as 
chapas grossas.
abE
TTc
e
)( 0−⋅⋅⋅=
ρ
τ
τ > 0,75 → chapa espessa
τ < 0,75 → chapa fina
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� A velocidade de resfriamento ao longo do eixo da solda para uma fonte de calor pontual 
na superfície de uma chapa grossa é dada por:
abE
TTk
R
2
0 )(2 −⋅⋅=
π
� Para chapas com penetração total, tem-se:
3
0
2
)(2 TT
E
e
ckR
ab
−





⋅⋅⋅⋅= ρπ
� Para ambas as equações acima, k é a condutividade térmica do material, T é a 
temperatura na qual se deseja calcular a velocidade de resfriamento. tem-se:
Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento
Fluxo de calor na soldagem
� Determinação dos tempos de resfriamento nas temperaturas entre 500 e 800oC.
� Considera a energia equivalente absorvida pela peça em função da eficiência do 
processo e geometria da junta.
� O diagrama de IRSID tem como abcissa a energia equivalente transferida e como 
ordenada, a espessura da peça.
� Determinação dos parâmetros de soldagem
Diagrama de IRSID
Diagrama de IRSIDDiagrama de IRSID
Fluxo de calor na soldagem
Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Pré aquecimento
� O pré aquecimento consiste em aquecer o metal base acima da temperatura ambiente antes da 
soldagem.
� Metais são bons condutores de calor
� O calor na região de soldagem é rapidamente escoado por toda a massa envolvida no 
processo, acarretando um resfriamento relativamente rápido.
� Em alguns metais esse resfriamento rápido pode contribuir para a formação de 
microestruturas prejudiciais na região de soldagem.
� Tem como objetivo a prevenção de nucleação de trincas na ZF e na ZAC. É uma maneira de 
reduzir a taxa de resfriamento do metal.
� Os principais efeitos do pré aquecimento são:
� Menor tendência à formação de martensita;
� Redução da dureza da ZAC;
� Diminuição das tensões e distorções residuais;
� Permitir a difusão do hidrogênio.
Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos
Fluxo de calor na soldagem
Pré aquecimento
� Temperatura de pré aquecimento pode variar de 50 a 540ºC (mais aplicada na faixa de 150 a 
200ºC).
� O pré aquecimento aumenta a temperatura do metal adjacente à solda de forma que o gradiente 
de temperatura entre a solda e a vizinhança fique reduzido, diminuindo a velocidade de 
resfriamento.
� A necessidade do pré aquecimento aumenta com:
� Teor de carbono e de ligas do metal base;
� Tamanho da peça;
� Rigidez da junta;
� Diâmetro do consumível
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Fluxo de calor na soldagem
Como determinara a temperatura de pré aquecimento
� A composição do metal base deve ser conhecida para se escolher a temperatura de pré aquecimento 
correta. Ela controlada pelo teor de carbono e de ligas do metal base.
� Quanto maior for o teor de carbono do material de base, maior será a temperatura de pré
aquecimento requerida.
� A temperatura de pré aquecimento pode ser determinada em função do carbono equivalente (teor 
aproximado de outros elementos de liga que produzem a mesma dureza que 1% de carbono). 
Quanto maior for o carbono equivalente, maior será a temperatura de pré aquecimento requerida.
� A espessura do componente é outro fator importante para se determinar a temperatura de pré
aquecimento de uma solda..
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Fluxo de calor na soldagem
Pós aquecimento
� Aquecimento da junta soldada imediatamente após a solda ter sido realizada.
� Raramente é aplicado de forma isolada, sempre quase sempre conjugado com o pré aquecimento.
� Tem a mesma função do pré aquecimento.
� Mantém a temperatura da peça num nível suficientemente elevado de tal forma que a junta 
soldada resfrie lentamente.
� Resulta numa ductilidade maior na região da solda.
� Mais freqüentemente empregado em aços altamente temperáveis, podendo ser empregado em aços 
menos temperáveis se for difícil a aplicação de um pré aquecimento adequado devido à dimensão 
das peças..
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Fluxo de calor na soldagem
Alívio de Tensões
� Consiste em aquecer uniformemente a peça de maneira a que o limite de escoamento do material 
fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais.
� As tensões residuais em juntas soldadas são causadas pela contração da junta quando esta é
resfriada após a soldagem.
� Tipicamente o alívio de tensões consiste no aquecimento da peça até em torno de 600°C e em 
sua manutenção por uma hora para cada 25 mm de espessura, seguido de resfriamento ao ar até
300ºC.
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Fluxo de calor na soldagem
Normalização
� Consiste no aquecimento da peça a uma temperatura acima da zona crítica (usualmente em torno de 
60ºC acima da temperatura A3), seguida de resfriamento ao ar.
� O objetivo é a obtenção de microestrutura mais fina e uniforme.
� Os constituintes que se obtém da normalização do aço carbono são ferrita + perlita fina ou cementita
+ perlita fina.
� As tensões internas são aliviadas, porém a solda não fica com a mesma ductitidade e baixa dureza 
obtidas com o recozimento pleno.
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Fluxo de calor na soldagem
Recozimento Pleno
� O recozimento pleno leva a peça soldada a uma condição sem tensões e assegura ductilidade e 
baixa dureza da ZF e ZAC.
� O recozimento consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica durante o tempo necessário 
para quetoda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento muito lento, 
normalmente dentro do forno.
� A microestrutura obtida nos aços carbono é a ferrita + perlita grossa.
� Para os aços a temperatura de recozimento é de cerca de 840 a 1000ºC.
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Fluxo de calor na soldagem
Têmpera e revenimento
� A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de resfriamento rápido.
� O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica resultando, portanto, o aumento da 
dureza e a redução da tenacidade da peça.
� O revenimento é o tratamento térmico que acompanha a têmpera.
� O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas inferiores à temperatura crítica, 
manter a essa temperatura durante um intervalo de tempo e resfriar até a temperatura ambiente.
� Produz um diminuição da dureza e o aumento da tenacidade.
� A microestrutura resultante chama-se martensita revenida..