FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM

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Fundamentos da Metalurgia da 
Soldagem
Prof. Dr. Thonson Ferreira Costa
DISCIPLINA: Soldagem
1. Introdução
A soldagem em geral é realizada com a aplicação localizada de calor 
e/ou deformação plástica:
Soldagem por fusão Soldagem por pressão
2. Relação estrutural - propriedades
Sólidos - Metais
Estrutura Metálica Propriedades Mecânicas
Procedimentos de 
Fabricação
3. Níveis estruturais
Níveis estruturais, exemplos de técnicas usuais de estudos e detalhes:
Nível estrutural
Dimensões 
aproximadas
Exemplos de 
técnicas de estudo
Detalhes comuns
Macroestrutura > 100 µm
Macrografia,
radiografia.
Segregação, trincas, 
camadas
cementadas.
Microestrutura
100 µm a 0,1 µm
Microscopia ótica 
(MO), microscopia 
eletrônica de 
varredura (MEV).
Tamanho de grão, 
microconstituintes, 
microtrincas.
0,1 µm a 0,1 nm
microscopia 
eletrônica de 
transmissão (MET).
Precipitados.
Estrutura cristalina 
1 nm a 0,1 nm Esletroscopia de 
emissão ótica.
Células unitárias, 
parâmetros de rede, 
defeitos cristalinos.
4. Microestrutura dos Aços
Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em 
peso:
4. Microestrutura dos Aços
Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em 
peso:
• Adição de outros elementos – obtenção de certas propriedades;
4. Microestrutura dos Aços
Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em 
peso:
• Adição de outros elementos – obtenção de certas propriedades;
• Carbono – aço carbono;
4. Microestrutura dos Aços
Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em 
peso:
• Adição de outros elementos – obtenção de certas propriedades;
• Carbono – aço carbono;
• Outros elementos – aço ligados:
4. Microestrutura dos Aços
Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em 
peso:
• Adição de outros elementos – obtenção de certas propriedades;
• Carbono – aço carbono;
• Outros elementos – aço ligados:
• Baixa liga – inferior a 5% de elementos de liga;
• Alta liga – superior a 10% de elementos de liga.
4. Microestrutura dos Aços
Resfriamento lento:
4. Microestrutura dos Aços
Resfriamento lento:
4. Microestrutura dos Aços
Resfriamento lento:
• Fase líquida – material 
fundido;
• Austenita (γ) – solução 
intersticial de carbono no 
ferro – estrutura CFC; 
• Ferrita (α ou δ) – solução 
sólida do carbono no ferro –
estrutura CCC;
• Cementita (Fe3C) – carboneto 
de ferro.
4. Microestrutura dos Aços
4. Microestrutura dos Aços
γ↔ α + Fe3C
Reação Eutetóide
Hipoeutetóide
Hipereutetóide
4. Microestrutura dos Aços
Reação Eutetóide: 
• Perlita – (ferrita + cementita);
• Apresenta uma dureza 
relativamente elevada e uma 
baixa tenacidade. 
4. Microestrutura dos Aços
Reação Hipoeutetóide: 
• Ferrita + Perlita.
4. Microestrutura dos Aços
Reação Hipereutetóide: 
• Cementita + Perlita.
4. Microestrutura dos Aços
FERRITA + PERLITA 
(GROSSA)
BAINITAFERRITA + PERLITA 
(FINA)
MARTENSITA
Resfriamento continuo:
4. Microestrutura dos Aços
Resfriamento continuo:
Bainita:
• Formado por grãos alongados de ferrita com uma fina dispersão de 
carbonetos;
• Elevada resistência mecânica ao aço, com manutenção de boa 
tenacidade.
Martensita:
• Aspecto típico de agulhas ou lâminas;
• Elevada dureza e extremamente frágil – aumenta com o teor de 
carbono.
5. Fluxo de calor
• Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida 
até uma temperatura adequadas:
• Soldagem por fusão – Temperaturas de 2.000 a 20.000 °C – Alta 
Intensidade;
5. Fluxo de calor
• Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida 
até uma temperatura adequadas:
• Soldagem por fusão – Temperaturas de 2.000 a 20.000 °C – Alta 
Intensidade;
• Alto gradiente de temperatura: 102 a 103 °C/mm;
5. Fluxo de calor
• Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida 
até uma temperatura adequadas:
• Soldagem por fusão – Temperaturas de 2.000 a 20.000 °C – Alta 
Intensidade;
• Alto gradiente de temperatura: 102 a 103 °C/mm;
• Variações de temperatura de até 103 °C/s;
5. Fluxo de calor
• Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida 
até uma temperatura adequadas:
• Soldagem por fusão – Temperaturas de 2.000 a 20.000 °C – Alta 
Intensidade;
• Alto gradiente de temperatura: 102 a 103 °C/mm;
• Variações de temperatura de até 103 °C/s;
• Extensas alterações de microestrutura. 
5. Fluxo de calor
• Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida 
até uma temperatura adequadas:
• Soldagem por fusão – Temperaturas de 2.000 a 20.000 °C – Alta 
Intensidade;
• Alto gradiente de temperatura: 102 a 103 °C/mm;
• Variações de temperatura de até 103 °C/s;
• Extensas alterações de microestrutura. 
• Efeitos indesejáveis:
1. Tensões residuais e distorção;
2. Alteração propriedades num pequeno volume de material;
3. Formação de trincas;
4. Alteração de propriedade físicas e químicas.
5. Fluxo de calor
• Etapas básicas do fluxo de calor na soldagem:
1. Fornecimento de calor à junta;
2. Dissipação de calor pela peça.
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Radiação
Condução 
Convecção
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Radiação
Condução 
Convecção
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
Aporte térmico: É a quantidade de calor fornecida à junta por unidade 
de comprimento. 
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
� =
�
�
Quantidade de calor
Comprimento de 
junta
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
� =
�
�
=
�/�
�/�
Quantidade de calor
Comprimento de 
junta
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
� =
�
�
=
�/�
�/�
=
�
�
Potência do arco
Velocidade de 
soldagem
Quantidade de calor
Comprimento de 
junta
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
� =
�
�
=
�/�
�/�
=
�
�
� =
� ∗ �
�
[J/mm]
Potência do arco
Velocidade de 
soldagem
Quantidade de calor
Comprimento de 
junta
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
� =
�
�
=
�/�
�/�
=
�
�
� =
� ∗ �
�
[J/mm]
Potência do arco
Velocidade de 
soldagem
Quantidade de calor
Comprimento de 
junta
Tensão de soldagem
Corrente de 
soldagem
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
Aporte térmico: É a quantidade de calor fornecida à junta por unidade 
de comprimento. 
� =
� ∗ �
�
[J/mm]
�� = � ∗ � [J/mm]
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Energia de Soldagem: É a quantidade de calor gerada pela fonte de 
calor por unidade de comprimento da junta.
Aporte térmico: É a quantidade de calor fornecida à junta por unidade 
de comprimento. 
� =
� ∗ �
�[J/mm]
�� = � ∗ � [J/mm]
Rendimento térmico 
5. Fluxo de calor
1. Fornecimento de calor à junta:
Rendimento térmico:
• Depende 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 
• Ocorre principalmente por condução, na peça, das regiões mais 
aquecidas para o restante do material;
• A evolução de temperatura na soldagem pode ser estimada 
teoricamente ou experimentalmente:
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
• Ocorre principalmente por condução, na peça, das regiões mais 
aquecidas para o restante do material;
• A evolução de temperatura na soldagem pode ser estimada 
teoricamente ou experimentalmente:
Teórico: 
Equação de balanço de energia:
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
Experimental: 
1. Análise Metalográfica: Identificação das regiões onde ocorrem 
transformações de fase (fusão, 
austenitização, etc).
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
Experimental: 
1. Análise Metalográfica: Identificação das regiões onde ocorrem 
transformações de fase (fusão, 
austenitização, etc).
2. Termopares:
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
Experimental: 
3. Simulação: 
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
Experimental: 
4. Calorimetria:
5. Fluxo de calor
2. Dissipação de calor pela peça:
• Descreve a variação de temperatura durante a soldagem em um 
ponto da peça;
• Cada ponto localizado próximo a junta experimenta uma 
variação de temperatura diferente.
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Temperatura de pico (TP):
• É a temperatura máxima atingida pelo ponto;
• Indica a possibilidade de ocorrência de transformações 
microestruturais;
• Diminui com a distância ao centro da solda.
Características:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Temperatura de pico (TP):
• É a temperatura máxima atingida pelo ponto;
• Indica a possibilidade de ocorrência de transformações 
microestruturais;
• Diminui com a distância ao centro da solda.
Tempo de permanência (TC):
• Tempo em que o ponto fica submetido a temperatura superior a 
uma temperatura mínima para ocorre uma alteração 
microestrutural. 
Características:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Velocidade de resfriamento (Ф):
• É obtida pela derivação (ou inclinação) da temperatura da curva 
de resfriamento.
Características:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Tipo de metal de base:
• Elevada condutividade térmica (cobre e alumínio) dissipam 
rapidamente o calor da solda para o restante da peça – mais 
difícil formação do cordão;
• Menor condutividade térmica – maior gradientes térmicos e 
menor velocidade de resfriamento 
• ... energia térmica melhor aproveitada para fusão localizada.
Dependem de diversas variáveis:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Tipo de metal de base:
Dependem de diversas variáveis:
Distribuição de temperatura no plano xz em torno da poça de fusão (a) Cobre e 
(b) aço inoxidável austenítico com 10 mm de espessura 
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Espessura da junta:
• Maior espessura facilita o escoamento do calor da região da 
solda.
Dependem de diversas variáveis:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Espessura da junta:
Dependem de diversas variáveis:
Distribuição de 
temperatura no plano 
xz em torno da poça 
de fusão para chapa 
de aço carbono (a) 5 
mm, (b) 10 mm e (c) 
20 mm. Energia de 
soldagem de 0,6 
kJ/mm.
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Espessura da junta:
Dependem de diversas variáveis:
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Geometria da junta:
Dependem de diversas variáveis:
Dissipação de calor durante a soldagem de juntas de (a) topo e de (b) ângulo 
em T
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Energia de soldagem:
• Aumento – a 
velocidade de 
resfriamento tende a 
diminuir;
• Aumento –
repartição térmica 
torna-se mais larga.
Dependem de diversas variáveis:
Ciclo térmico no centro do cordão para soldagem de chapa grossa com 
diferentes energias de soldagem
5. Fluxo de calor
Ciclo térmico de soldagem
Temperatura de pré-aquecimento:
• Aumento – a velocidade 
de resfriamento tende a 
diminuir;
• Aumento – repartição 
térmica torna-se mais 
larga.
Dependem de diversas variáveis:
Ciclo térmico no centro do cordão para soldagem de chapa grossa com 
diferentes temperaturas de pré-aquecimento
6. Macroestrutura de soldas por fusão
• Curva de repartição térmica permiti definir três regiões básicas:
A. Zona Fundida (ZF): região onde o material fundiu-se e 
solidificou-se durante a operação de soldagem – temperatura de 
pico superior a de fusão.
B. Zona Termicamente Afetada (ZTA)
C. Metal de Base (MB)
6. Macroestrutura de soldas por fusão
• Curva de repartição térmica permiti definir três regiões básicas:
A. Zona Fundida (ZF)
B. Zona Termicamente Afetada (ZTA): região não fundida do metal 
de base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alterada pelo 
ciclo térmico – temp. de pico entre a de FUSÃO e a CRÍTICA. 
C. Metal de Base (MB)
6. Macroestrutura de soldas por fusão
• Curva de repartição térmica permiti definir três regiões básicas:
A. Zona Fundida (ZF)
B. Zona Termicamente Afetada (ZTA)
C. Metal de Base (MB): região mais afastada do cordão de solda e 
que não foi afetada pelo processo de soldagem. Temperatura de pico 
inferior a CRÍTICA.
7. Características da Zona Fundida
• Formação da zona fundida – soldagem a arco eletrodo consumível:
7. Características da Zona Fundida
Diluição ou Coeficiente de Diluição (δ)
• A proporção com que o metal de base participa da zona fundida:
� =
�����	�������	��	�����	����
�����	�����	��	����ã�	��	�����
�100%
7. Características da Zona Fundida
Diluição ou Coeficiente de Diluição (δ)
• A proporção com que o metal de base participa da zona fundida:
O controle da Diluição é importante:
• Soldagem de metais dissimilares;
• Deposição de revestimento 
especiais;
• Soldagem de metais desconhecidos;
• Soldagem de manutenção.
7. Características da Zona Fundida
Diluição ou Coeficiente de Diluição (δ)
• A proporção com que o metal de base participa da zona fundida:
O coeficiente de Diluição pode variar:
• Processo de soldagem;
• 100% - Soldagem autógena;
• 0% - Brasagem;
• Condições de operação;
• Espessura de peça;
• Tipo de junta.
7. Características da Zona Fundida
Diluição ou Coeficiente de Diluição (δ)
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Solidificação da parte posterior da 
poça de fusão
Poça de fusão
• Determina diversas características MACRO e 
MICROESTRUTURAL e PROPRIEDADES do cordão.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
SOLIDIFICAÇÃO EM LINGOTEIRAS:
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
SOLIDIFICAÇÃO EM LINGOTEIRAS:
1. Zona coquilhada:
• Forma-se junto da parede do 
molde;
• Constituida por pequenos grãos 
equiaxiais orientados ao acaso;
• Alta taxa de nucleação –
gradiente de temperatura 
elevado.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
SOLIDIFICAÇÃO EM LINGOTEIRAS:
2. Zona colunar:
• Forma-se após a zona 
coquilhada;
• Grãos grosseiros colunares ou 
alongados;
• Dispostos paralelamente à 
direção do fluxo de calor de 
solidificação.7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
SOLIDIFICAÇÃO EM LINGOTEIRAS:
3. Zona equiaxial central:
• Nucleação de novos grãos;
• Maior concentração de solutos e 
impurezas;
• Formada por grãos uniformes e 
normalmente maiores que o da 
zona coquilhada.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Principais mecanismos na solidificação de uma juntas soldada:
1. Crescimento epitaxial:
• Contato direto METAL LÍQUIDO e METAL SÓLIDO;
• Crescimento direto do sólido sem a nucleação de novos grãos;
• Grãos com largura semelhante e a mesma orientação cristalina dos 
grãos do metal base;
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Principais mecanismos na solidificação de uma juntas soldada:
1. Crescimento epitaxial:
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Principais mecanismos na solidificação de uma juntas soldada:
1. Crescimento epitaxial:
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Principais mecanismos na solidificação de uma juntas soldada:
2. Crescimento competitivo:
• Solidificação de vários 
cristais aleatoriamente 
orientados;
• Os grãos de melhor 
orientação em relação a 
extração de calor tendem a 
crescer;
• Direção de extração de calor 
– normal à frente de 
solidificação.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Efeito do formato da poça de fusão nas condições de solidificação
1. Poça de fusão com formato 
eléptico:
• Ocorre em soldagem com menor 
velocidade de soldagem;
• Normal a frente de solidificação 
muda em função do formato da 
poça de fusão;
• Formação de maior número de 
grãos com menor tamanho e 
aspecto menos colunar.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Efeito do formato da poça de fusão nas condições de solidificação
2. Poça de fusão tipo gota alongada:
• Ocorre quando a velocidade de 
soldagem é muito elevada;
• A normal a Frente de 
solidificação é CONSTANTE;
• Formação de grãos colunar.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Efeito do formato da poça de fusão nas condições de solidificação
2. Poça de fusão tipo gota alongada:
• Ocorre quando a velocidade de 
soldagem é muito elevada;
• A normal a Frente de 
solidificação é CONSTANTE;
• Formação de grãos colunar.
7. Características da Zona Fundida
Solidificação da poça de fusão
Soldagem com vários passes
• Cada passe pode afetar os passes 
imediatamente abaixo;
• ... causando reaustenitização e 
subsequente transformação –
REFINAMENTO.
8. Características da Zona Afetada Termicamente
Regiões da solda de aço carbono
8. Características da Zona Afetada Termicamente
Regiões da solda de aço carbono
A. Região de crescimento de grão
B. Região de refino de grão
C. Região intercrítica
ZF B C MBA
8. Características da Zona Afetada Termicamente
Regiões da solda de aço carbono
A. Região de crescimento de grão:
• Região mais próxima da solda;
• Submetida a temperatura próximas da temperatura de fusão;
• Grande crescimento de grão – granulação mais grosseira;
• Placas de ferrita – podendo conter perlita, bainita ou martensita;
• Menor tenacidade – problemas de fissuração.
B. Região de refino de grão
C. Região intercrítica
ZF
BA
8. Características da Zona Afetada Termicamente
Regiões da solda de aço carbono
A. Região de crescimento de grão 
B. Região de refino de grão:
• Temperatura de normalização (900 até cerca de 1200°C);
• Estrutura fina de ferrita e perlita;
• Não problemática na maioria dos casos.
C. Região intercrítica
B CA
8. Características da Zona Afetada Termicamente
Regiões da solda de aço carbono
A. Região de crescimento de grão 
B. Região de refino de grão 
C. Região intercrítica:
• Região mais afastada do cordão de solda;
• Temperatura de pico oscila em torno de 727°C;
• Transformação parcial do metal de base – imperceptíveis.
B C MB
FIM