Aula 10 Metalurgia Soldagem 1 Características Térmicas

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Mário Bittencourt - 2015 1
Características Térmicas da 
Soldagem
Docente: Mário Bittencourt
Sumário
1. Introdução
2. Regiões da Junta Soldada
3. Características Térmicas da Soldagem
4. Repartição Térmica
5. Ciclos Térmicos
6. Fatores que Afetam as Características 
Térmicas da Soldagem
7. Transformações Metalúrgicas 
8. Bibliografia
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Os metais sólidos apresentam estruturas 
cristalinas nas quais os átomos de cada cristal 
estão arranjados de maneira organizada e 
periódica.
1. Introdução
Este arranjo ordenado dos átomos é o 
responsável pela maioria das propriedades 
dos metais.
1. Introdução
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1) Introdução
Durante a operação de soldagem 
introduz-se calor no material a ser 
soldado.
Isto faz com que ocorram mudanças da 
estrutura dos materiais.
O conhecimento da metalurgia possibilita a 
compreensão de certos fenômenos que 
ocorrem com os materiais durante a 
soldagem.
1) Introdução
No contexto da soldagem a metalurgia possui 
grande importância pois correlaciona as 
propriedades mecânicas com a estrutura 
dos materiais.
Através da metalurgia pode-se explicar o 
aparecimento de certos defeitos inerentes 
a soldagem bem como apresentar soluções 
para os problemas.
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A Metalurgia da Soldagem consiste em estudar 
o efeito da operação de soldagem sobre a 
estrutura e propriedades dos materiais para:
1) Introdução
- obter informações que auxiliem no 
desenvolvimento de novos materiais 
(menos sensíveis à soldagem)
- determinar os parâmetros de soldagem de 
maior influência nas alterações da 
estrutura e propriedades do material
- desenvolver operações complementares 
para minimizar ou reverter a degradação 
de propriedades
Os átomos de muito metais trocam sua 
estrutura cristalográfica a certas temperaturas.
Por exemplo, a estrutura cristalina do Fe puro é 
CCC até 910ºC, quando transforma-se em CFC 
até 1390ºC, e novamente é CCC até 1534ºC, 
quando funde-se.
Esta alteração na estrutura cristalina é a 
transformação de fase no estado sólido, 
também denominada transformação alotrópica.
1) Introdução
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LINHA SÓLIDUS
LINHA LIQUIDUS
REAÇÃO 
EUTETÓIDE
E2
LEDEBURITA
A1
γγγγ
αααα Fe3C
REAÇÃO 
EUTÉTICA
γγγγ Fe3C
αααα
CFC
CCC
LEDEBURITAγγγγ
αααα Fe3C
γγγγ Fe3C
αααα
CFC
CCC
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E2
LEDEBURITA
A1
γγγγ
αααα Fe3C
γγγγ Fe3C
αααα
CFC
CCC
• As células unitárias 
dos metais do 
sistema cristalino CFC 
possuem maior 
número de planos de 
maior densidade 
atômica que os 
metais CCC. 
• Pelo fato das 
deformações plásticas 
se darem 
preferencialmente 
nos planos de maior 
densidade atômica, 
os metais do sistema 
cristalino CFC 
possuem maior 
tenacidade que os 
metais do sistema 
CCC.
Os fatores que afetam a temperatura na qual 
ocorrem tais transformações são: composição 
química, taxa de resfriamento e a presença de 
tensões.
Tais eventos de transformação de fase são 
geralmente representados pelos diagramas de 
fase, sendo que estes só descrevem o 
comportamento das ligas em condições de 
equilíbrio, ou seja para aquecimentos e 
resfriamentos bem lentos.
1) Introdução
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Os diagramas de fase, embora de grande 
utilidade, não fornecem informações acerca das 
transformações em condições diferentes de 
equilíbrio,
ou seja, em condições de resfriamento 
rápido foi necessário desenvolver as curvas de 
resfriamento continuo.
Deve-se observar que para cada aço existem 
curvas de resfriamento continuo 
diferentes.
1) Introdução
X, Y, Z – Curvas de 
Velocidade de 
Resfriamento
Curva de Resfriamento Contínuo
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Certos fatores influem na posição das curvas de 
resfriamento continuo:
a) teor de C e de elementos de liga: quanto 
maior o teor destes elementos, mais para a 
direita ficará deslocada a curva;
b) tamanho de grão e homegeneização da 
austenita: quanto maior o tamanho de grão 
da austenita e quanto mais homogêneo for o 
grão, mais deslocada para a direita ficará a 
curva;
1) Introdução
2) Regiões da Junta Soldada
Uma junta de topo, soldada por um processo 
de fusão, pode ser subdividida em quatro 
regiões distintas, como pode ser visto na 
macrografia da junta abaixo.
METAL DE 
BASE
ZONA FUNDIDA
ZTA
ZONA DE 
LIGAÇÃO
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Zona Fundida (Z.F.)
É a região que foi aquecida às mais altas 
temperaturas de soldagem.
Nesta região ocorre fusão apenas do metal de 
base, se a soldagem for autógena ou, do 
metal de adição e parte do metal de base, 
se a soldagem for feita com adição de 
consumível.
Pode ser constituída de um só cordão ou de 
vários cordões de solda (soldagem multipasse).
2) Regiões da Junta Soldada
ZONA FUNDIDA
2) Regiões da Junta Soldada
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Zona de Ligação (Z.L.)
É a região localizada entre o metal de base 
que não sofreu fusão e a zona fundida.
ZONA DE 
LIGAÇÃO
2) Regiões da Junta Soldada
Zona Termicamente Afetada (Z.T.A.)
É a região do metal de base que não fundiu 
mas cujas propriedades e microestrutura 
foram afetadas pelas altas temperaturas 
impostas pelo ciclo térmico de soldagem.
ZTA
2) Regiões da Junta Soldada
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Metal de Base (M.B.)
Região que não sofreu alterações 
microestruturais provocadas pelas altas 
temperaturas produzidas durante o processo de 
soldagem.
2) Regiões da Junta Soldada
3) Características Térmicas da 
Soldagem
A maioria dos processos 
de soldagem por fusão 
é caracterizada pela 
utilização de uma 
fonte de calor intensa
e localizada. 
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3) Características Térmicas da 
Soldagem
Isto acarreta um gradiente de temperatura 
muito grande, não apenas entre a fonte de 
energia e a peça a ser soldada, mas também 
entre diferentes regiões da própria peça.
3) Características Térmicas da 
Soldagem
O calor é uma forma de 
energia que se propaga de 
uma área para outra onde 
existe a diferença de 
temperatura.
Sendo que o gradiente de 
temperatura pode ser 
definido como sendo a 
diferença de temperatura 
por unidade de distância.
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3) Características Térmicas da 
Soldagem
O HISTÓRICO TÉRMICO de uma junta 
soldada é dado pela REPARTIÇÃO TÉRMICA
e pelo CICLO TÉRMICO DE SOLDAGEM. 
Sua compreensão possibilita o estudo das 
transformações metalúrgicas que ocorrem no 
estado sólido durante a operação de 
soldagem.
Analisando os pontos A, 
B e C de uma junta 
soldada, é possível obter 
as temperaturas 
máximas atingidas, em 
cada ponto, em função 
da distância ao centro 
da solda. 
Distância (Y)
4) Repartição Térmica
CA B
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A temperatura de pico de 
cada ponto varia com a 
distância ao centro do 
cordão de solda.
Esta função é a 
REPARTIÇÃO TÉRMICA
para a reta considerada.
4) Repartição Térmica
CA
Distância (Y)
Tp=f(y)
B
CURVA 
REPARTIÇÃO TÉRMICA
Colocando na forma de um gráfico as 
temperaturas de pico (Tp) contra a distância ao 
cordão de solda, obtemos uma curva 
esquemática mostrada abaixo.
4) Repartição Térmica
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Estabelecido o regime de 
soldagem, a repartição 
térmica mantém a sua 
forma ao longo do cordão 
de solda.
4) Repartição Térmica
5) Ciclo Térmico de Soldagem
O processo de aquecimento e resfriamento 
de uma junta soldada é conhecido como 
CICLO TÉRMICO DE SOLDAGEM.
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Vamos considerar um determinado ponto Z 
da junta soldada, definido pela sua distância 
ao centro do cordão de solda (x), posição em 
relação a espessura(y) e pela sua relação a 
temperatura.
5) Ciclo Térmico de Soldagem
Z
x
y
5) Ciclo Térmico de Soldagem
O calor da operação de soldagem provoca 
variações de temperatura neste ponto.
Esta variação de temperatura em função do 
tempo é chamada de CICLO TÉRMICO no 
ponto Z.
Z
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5) Ciclo Térmico de Soldagem
CICLO TÉRMICO de soldagem no ponto Z 
(temperatura x tempo).
Tp
Tc
T1
T2
T
VR
tS tR Tempo t
Te
m
pe
ra
tu
ra
Tp - temperatura de pico (temperatura máxima 
atingida no ponto Z). 
5) Ciclo Térmico de Soldagem
Tp
Tc
T1
T2
T
VR
tS tR Tempo t
Te
m
pe
ra
tu
ra
- A Tp diminui com a 
distância ao centro da 
solda e indica a 
extensão das regiões 
afetadas pelo calor de 
soldagem.
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VR- velocidade de resfriamento a uma certa 
temperatura T
5) Ciclo Térmico de Soldagem
Tp
Tc
T1
T2
T
VR
tS tR Tempo t
Te
m
pe
ra
tu
ra
Tc- temperatura crítica acima da qual não 
haverá crescimento de grão austenítico. 
5) Ciclo Térmico de Soldagem
Tp
Tc
T1
T2
T
VR
tS tR Tempo t
Te
m
pe
ra
tu
ra
- Temperatura mínima para 
ocorrer uma alteração relevante 
como uma transformação de 
fase por exemplo;
- Geralmente para os 
aços é de 1100ºC;
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ts - tempo de permanência acima de uma 
determinada temperatura crítica Tc
5) Ciclo Térmico de Soldagem
Tp
Tc
T1
T2
T
VR
tS tR Tempo t
Te
m
pe
ra
tu
ra
- Tempo em que o 
ponto fica submetido a 
temperaturas 
superiores a uma 
temperatura crítica;
As variáveis mais importantes do 
CICLO TÉRMICO são:
- a temperatura de pico (Tp),
- a velocidade de resfriamento (Vr) e o
- tempo de permanência acima de uma 
determinada temperatura crítica (ts).
5) Ciclo Térmico de Soldagem
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O CICLO TÉRMICO de soldagem possibilita a 
interpretação ou previsão das 
transformações metalúrgicas
A REPARTIÇÃO TÉRMICA permite determinar 
a extensão da região aonde ocorrem tais
fenômenos (ZTA).
6) Características Térmicas da 
Soldagem
Os fatores que afetam as características 
térmicas da soldagem são:
Natureza do metal de base.
Distância do ponto considerado ao centro do 
cordão de solda.
Espessura e geometria da junta
Temperatura de pré-aquecimento.
Energia de soldagem ou aporte de calor.
6) Características Térmicas da 
Soldagem
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6.1) Natureza do Metal de 
Base
O coeficiente de condutividade térmica do 
metal base influencia na:
- temperatura máxima atingida (Tp)
Quanto menor for a condutividade térmica do 
material, maiores serão as temperaturas 
atingidas. 
- na velocidade de resfriamento (Vr)
Quanto maior for a condutividade térmica do 
material, maior será sua velocidade de 
resfriamento.
6.1) Natureza do Metal de 
Base
O coeficiente de condutividade térmica do 
metal base influencia no:
- tempo de permanência de uma 
determinada temperatura (ts): 
Quanto maior for a condutividade térmica do 
material, menor será o tempo de 
permanência acima de uma determinada 
temperatura.
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Vamos considerar dois ciclos térmicos em um 
ponto Z de duas juntas soldadas.
O metal de base de uma das juntas é o aço 
carbono e o outro alumínio.
As juntas foram soldadas com as mesmas 
condições de soldagem.
6.1) Natureza do Metal de 
Base
MB com Maior Condutividade Térmica
< Tp (temperatura de pico)
< ts (tempo de permanência acima de 
uma determinada temperatura)
> Vr (velocidade de resfriamento)
1. Ciclo Térmico do 
ALUMÍNIO
2. Ciclo Térmico 
do AÇO
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6.2) Distância do Ponto ao 
Centro do Cordão de Solda
Podemos traçar um conjunto de curvas
mostrando o ciclo térmico para pontos 
situados a diversas distâncias do centro do 
cordão soldado.
B CA
TEMPO (t)
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
 º
C
T2
T1
Tp C
Tp B
Tp A
B CA
Tp diminui com o aumento da distância ao centro do cordão.
ts diminui com a distância ao centro do cordão de solda.
Vr diminui com o aumento da distância ao centro do cordão 
de solda.
ts A
ts B
ts C
Vr C Vr B
Vr A
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Os fatores que afetam as características 
térmicas da soldagem são:
Natureza do metal de base.�
Distância do ponto considerado ao centro do 
cordão de solda.
Espessura e geometria da junta
Temperatura de pré-aquecimento.
Energia de soldagem ou aporte de calor.
�
6) Fatores que Afetam as 
Características Térmicas
6.2) Espessura da Junta
A velocidade de resfriamento tende a 
aumentar com o aumento da espessura, até 
determinado limite (40mm).
Acima deste limite a velocidade de 
resfriamento independe da espessura. 
O tempo de permanência a temperaturas 
elevadas tende a diminuir com o aumento da 
espessura.
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6.2) Espessura da Junta
A dissipação do calor em chapas finas ocorre 
de forma bidimensional (> Vr)
Em chapas grossas ocorre de forma 
tridimensional (< Vr)
Junta em T possui três direções para o fluxo 
de calor, enquanto que a Junta de Topo
possui apenas duas direções. 
6.3) Geometria da Junta
Vr JUNTA TOPO < Vr JUNTA T
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6.4) Temperatura de Pré-
aquecimento
O pré-aquecimento diminui o gradiente 
térmico, reduzindo assim a velocidade de 
resfriamento.
O pré-aquecimento aumenta o tempo de 
permanência acima de uma determinada 
temperatura, acarretando em uma maior
extensão da ZTA.
ZTA Curva 1
ZTA Curva 2
1
2
Tc
Distância (x)
Temperatura 
de Pico (Tp)
Curva 1 – Repartição Térmica referente a uma operação de 
soldagem COM pré-aquecimento.
Curva 2 – Repartição Térmica relativa a mesma operação 
de soldagem SEM pré-aquecimento.
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Observa-se que para a repartição térmica dada pela curva 
1 (com pré-aquecimento), a ZTA é maior que a ZTA 
da repartição térmica dada pela curva 2 (sem pré-
aquecimento).
ZTA Curva 1
ZTA Curva 2
1
2
Tc
Distância (x)
Temperatura 
de Pico (Tp)
6.5) Energia de Soldagem
Energia de soldagem 
ou Heat input é a 
quantidade de calor
produzido pelo arco 
elétrico e transferido 
para a peça.
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6.5) Energia de Soldagem
A energia de soldagem ou aporte de calor 
(E) depende do processo de soldagem 
utilizado (Eletrodo Revestido, MIG/MAG, TIG, 
etc.) 
6.5) Energia de Soldagem
E (J/mm) = N ( V x I )
Vsold.
N – Eficiência da transferência de 
energia para a peça depende do 
processo de soldagem utilizado.
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A energia de soldagem afeta a temperatura 
máxima atingida, o tempo de 
permanência em altas temperaturas e a 
velocidade de resfriamento.
6.5) Energia de Soldagem
Em processo de soldagem que utilizam alta 
energia de soldagem, o calor atinge uma 
grande extensão do metal de base 
Isto ocasiona um gradiente de temperatura 
relativamente baixo e resultando numa 
velocidade de resfriamento bem menor 
do que aquela observada em processos que 
utilizam baixo aporte de calor. 
6.5) Energia de Soldagem
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O processo de soldagem P1 utiliza menor aporte de calor, 
produzindo uma menor ZTA.
Quanto maior a energia de soldagem, maior a 
extensão da ZTA e menor a velocidade de resfriamento.
Distância (x)
Temperatura 
de Pico (Tp)
P2 P1T1
7) Transformações Metalúrgicas
Com as duas funções (ciclo térmico e 
repartição térmica) torna-se viável o estudo das 
transformações metalúrgicas no estado
sólido ocorrentes em uma junta soldada.
O ciclo térmico possibilita a interpretraçãoou 
previsão das transformações enquanto que 
a repartição térmica permite determinar a 
extensão das zonas onde se passam tais 
fenômenos.
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Esquema das várias regiões da zona fundida e da fase 
correspondente do diagrama de fase, para um aço com 
0,3%C.
7) Transformações Metalúrgicas
Deve-se observar que quanto maior é a 
temperatura máxima atingida, maior é a 
extensão da ZTA, e quanto menor a velocidade 
de resfriamento menor é a possibilidade de 
tempera.
O ciclo térmico de soldagem, juntamente com 
a composição química do material, são os 
fatores mais significativos na determinação da 
microestrutura e propriedades da junta 
soldada.
7) Transformações Metalúrgicas
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Sob o ponto de vista metalúrgico os aspectos 
mais importantes de um ciclo são:
- parâmetros de austenitização, como a taxa de 
aquecimento e a temperatura máxima atingida;
- tempo de exposição a elevadas temperaturas;
- velocidade de resfriamento;
- parâmetros de revenimento;
7) Transformações Metalúrgicas
A importância relativa destes fatores será função, 
principalmente, da composição e estrutura do 
metal de base.
Em aços de baixo teor de C (<0,25%), a 
temperatura máxima é o fator predominante, 
pois determina o tamanho de grão austenítico 
antes da transformação.
O tempo, a elevadas temperaturas, é importante 
por determinar a extensão da dissolução dos 
carbonetos e redistribuição das inclusões.
7) Transformações Metalúrgicas
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A velocidade de resfriamento tem significativa 
influência sobre as características de 
transformação dos aços, determinando se a 
estrutura será bainítica, martensítica, ferrítica, etc.
metal de solda ZTA
metal de base API 
5L X-80
7) Transformações Metalúrgicas
8) Bibliografia
SILVA, F. J. G., Tecnologia da soldadura, 1 ed., Porto, 
PRT, Editora Publindústria, 2014.
SENAI-SP, Soldagem, 1 ed., São Paulo, SP, Editora 
SENAI-SP, 2013.
MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. 
Q., Soldagem fundamentos e tecnologia, 3 ed., Belo 
Horizonte, MG, Editora UFMG, 2009.
ALCÂNTARA, N. G., Tecnologia da Soldagem, 1 ed., 
São Carlos, SP, Editora Universidade Federal de São 
Carlos, 1988.