Aula+04+Fundamentos+da+Metalurgia+da+Soldagem

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Prof.: Me. Thairone Conti Serafini Aguiar 
VARGINHA, M.G. 
Centro Universitário do Sul de Minas 
 
Tecnologia da Soldagem 
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O sucesso da soldagem está associado a diversos fatores e, em particular, 
com a sua relativa simplicidade operacional. 
 
Por outro lado, apesar desta simplicidade, não se pode esquecer que a 
soldagem pode ser muitas vezes um processo “traumático” para o material, 
envolvendo, em geral, a aplicação 
de uma elevada densidade de 
energia em um pequeno volume do 
material, o que pode levar a 
alterações estruturais e de 
propriedades importantes dentro 
e próximo da região da solda. 
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 A metalurgia de soldagem visa estudar o efeito da operação de soldagem 
sobre a estrutura e propriedades dos materiais para: 
 
 Obter informações que auxiliem no desenvolvimento de novos materiais 
menos sensíveis à soldagem. 
 Determinar os parâmetros operacionais de soldagem de maior influência 
nas alterações da estrutura e propriedades do material. 
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 Escopo da metalurgia 
de soldagem. 
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Relação estrutura – propriedades 
O processo mais comum para a obtenção dos aços envolve a redução do minério 
de ferro pelo monóxido de carbono, em um alto forno, resultando em uma liga 
impura de ferro e carbono (ferro gusa), a qual é refinada sobre um jato de oxigênio 
em um convertedor. 
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Relação estrutura – propriedades 
Nesta operação, o oxigênio queima o excesso de carbono, enquanto a escória 
formada ajuda a retirar elementos nocivos, como enxofre e fósforo, do banho. Ao 
final do processo, elementos de liga e desoxidantes podem ser adicionados e 
operações complementares de refino realizadas para ajustar a composição final do 
material. 
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Relação estrutura – propriedades 
Este é então vazado e, após sua solidificação, obtém-se um lingote, ou placa, que 
é submetido a um conjunto de operações de conformação mecânica e tratamentos 
térmicos, visando a obtenção de um produto final com forma (chapa, barra, perfil, 
etc), dimensões e propriedades desejadas. 
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Relação estrutura – propriedades 
Os tratamentos térmicos e mecânicos objetivam, também, controlar e otimizar 
suas propriedades. Isto porque, ao contrário de sistemas líquidos e gasosos, muitas 
propriedades dos sólidos estão diretamente relacionadas com a estrutura 
resultante dos processamentos 
anteriores sofridos pelo 
material, isto é, de sua história. 
 
 
 
 
Variação do limite de escoamento com 
a velocidade de resfriamento para um 
aço SAE 1080, inicialmente aquecido 
a 900ºC por uma hora. 
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O termo estrutura é muito geral e compreende desde aspectos grosseiros, com 
dimensões superiores a cerca de 0,1 mm (macroestrutura), até detalhes da 
organização interna dos átomos (estrutura eletrônica). 
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Para analisar a relação estrutura-propriedades, a metalurgia física interessa-se, 
principalmente, pelo arranjo e interação dos átomos (estrutura cristalina) que 
compõem as diversas fases de uma liga e pelo arranjo, interações e dimensões de 
diversas partes (grãos) destas fases (microestrutura). 
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O tipo de estrutura cristalina confere diversas características particulares a um 
dado metal. 
Por exemplo, aqueles que se cristalizam no sistema CFC tendem a apresentar, 
mais fortemente do que os demais, características típicas de metais, isto é, 
apresentam, em geral, elevadas ductilidade, tenacidade e condutividades térmica e 
elétrica. 
 
Além disto, estes metais tendem a não apresentar mudança de comportamento 
mecânico dúctil para frágil quando a temperatura é reduzida. Alguns metais mudam 
de forma cristalina em função da temperatura e pressão. 
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Os aços são basicamente ligas de ferro e carbono, cujo teor deve ser inferior a 2% 
em peso, contendo ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de 
fabricação ou adicionados intencionalmente visando a obtenção de certas 
propriedades. 
Compreendem o grupo de ligas mais usadas pelo homem. 
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Elementos de liga 
A presença de carbono no ferro (aço) ou de zinco no cobre (latão) tende a 
aumentar a resistência mecânica e a dureza e a reduzir a condutividade térmica. 
Um elemento de liga (ou uma impureza) pode permanecer em solução sólida na 
estrutura cristalina do 
elemento principal ou 
pode causar o 
aparecimento de novas 
fases. 
Endurecimento por solução 
sólida devido a vários 
elementos na ferrita. 
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 Diagrama de equilíbrio Fe-C 
O diagrama de equilíbrio Fe-C fornece um conjunto de informações fundamentais para o 
conhecimento e compreensão dos aços carbono e aços ligados na sua imensa 
 variedade. 
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As fases representadas neste diagrama são: 
líquido, austenita (γ), ferrita (α e δ) e cementita Fe3-C. 
A austenita é a solução sólida intersticial de carbono no ferro γ (CFC), 
a ferrita é a solução sólida do carbono no ferro α e δ (CCC) e 
a cementita é um carboneto de ferro de estrutura ortorrômbica. 
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Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida até 
uma temperatura adequada. 
 
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Na soldagem por fusão, particularmente, trabalha-se com fontes de calor 
(o arco elétrico ou uma chama, por exemplo) de elevada temperatura (1.000 
a 20.000ºC), concentradas (superfície de contato com a junta de poucos 
milímetros quadrados) e, portanto, de elevada intensidade, as quais, ao 
serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formação da solda pela 
fusão e solidificação localizadas da junta. 
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 Variações de temperatura causam, além da fusão e solidificação do cordão de 
solda, variações dimensionais e alterações microestruturais localizadas que podem 
resultar em efeitos indesejáveis, tais como: 
 Tensões residuais e distorção; 
 Deterioração de propriedades mecânicas (ductilidade, tenacidade, resistência 
mecânica, etc); 
 Formação de trinca; 
 Deterioração de propriedades físicas, químicas, etc. 
 
 
O fluxo de calor na soldagem pode ser divido em duas etapas básicas: 
Fornecimento de calor à junta 
Dissipação deste calor pela peça 
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Na primeira etapa. Em condições práticas, a intensidade de uma fonte de calor em 
soldagem não pode ser facilmente medida. Um parâmetro alternativo, de uso mais 
comum, é a Energia de Soldagem, (H) J/mm, que é a quantidade de energia gerada 
pela fonte de calor por unidade de comprimento da junta. Na soldagem a arco: 
 
H = 
η.𝑈.𝐼
𝑣
 
 
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Na segunda etapa, a dissipação do calor ocorre principalmente por 
condução, na peça, das regiões aquecidas para o restante do material. 
 
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A variação de temperatura durante a soldagem em um ponto da peça é 
descrita pelo seu 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. 
 
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Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico são: 
 
Temperatura de Pico (Tp): é a temperatura máxima atingida em um dado ponto. A 
temperatura de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações 
microestruturais neste ponto.Depende das condições de soldagem, da geometria e 
propriedades térmicas da peça, sua temperatura inicial e da distância do ponto 
considerado à fonte de calor.. 
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 Tempo de Permanência (tc) acima de uma Temperatura Crítica (Tc): Este parâmetro 
pode ser de interesse para materiais em que a dissolução de precipitados e/ou 
crescimento de grãos pode ocorrer. 
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Velocidade de Resfriamento (ϕ): Este parâmetro é importante na determinação da 
microestrutura em materiais como os aços estruturais comuns, que podem sofrer 
transformações de fase durante o resfriamento. Em uma dada temperatura, a velocidade 
de resfriamento é dada pela inclinação da curva de ciclo térmico nesta temperatura 
Curvas de repartição térmica. H1 e H2 → 
energia de soldagem 
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Os ciclos térmicos de soldagem e a repartição térmica dependem de diversas variáveis, 
entre elas: 
Condutividade Térmica da Peça: Materiais de menor condutividade térmica dissipam o 
calor por condução mais lentamente, tendendo a apresentar gradientes térmicos mais 
abruptos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento 
(a) um metal de alta condutividade térmica (cobre) 
(b) um de baixa (aço inoxidável austenítico). 
Espessura: 10 mm. Energia de soldagem: 0,6 kJ/mm. 
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Espessura da Junta: Para uma mesma condição de soldagem, uma junta de maior 
espessura permite um escoamento mais fácil do calor por condução. Assim, quanto mais 
espessa a junta, mais rapidamente esta tenderá a se resfriar durante a soldagem. 
Distribuição teórica de 
temperatura no plano xz 
em torno da poça de 
fusão para chapas de aço 
carbono de 
(a) 5mm, 
(b) 10mm e 
(c) 20 mm de espessura. 
Energia de soldagem: 
0,6 kJ/mm. 
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Ciclos térmicos no centro do cordão para a soldagem de chapas de diferentes espessuras. 
Energia de soldagem: 0,6 kJ/mm. 
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Geometria da Junta: É outro fator que influencia a velocidade de resfriamento de uma 
solda de forma importante. Por exemplo, esta velocidade será maior na soldagem de 
juntas em T do que em juntas de topo, quando as variáveis do processo, inclusive a 
espessura dos componentes da junta, forem semelhantes. 
Dissipação de calor durante a soldagem de juntas de (a) topo e de (b) ângulo (em T). 
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Energia de Soldagem e temperatura inicial da peça: A velocidade de resfriamento da 
solda tende a diminuir com o aumento destes dois parâmetros e a repartição térmica a 
ficar mais aberta. 
Ciclos térmicos no centro do 
cordão para a soldagem de 
chapa grossa com 
diferentes energias de 
soldagem. 
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Durante a realização de uma solda, esta e as regiões adjacentes do metal base 
são submetidas a ciclos térmicos cujas temperaturas de pico decrescem à medida 
que se afasta do eixo central da solda. 
 
 
 
 
 
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Pode-se considerar três regiões básicas 
Zona Fundida (ZF): região onde o material foi fundido durante a soldagem e caracterizado por 
temperaturas de pico superiores à sua temperatura de fusão. 
Zona Termicamente Afetada (ZTA): região não fundida do metal base, mas cuja microestrutura 
e/ou propriedades foram alteradas pelo ciclo térmico de soldagem. 
Metal Base (MB): Regiões mais 
afastadas da solda que não 
foram alteradas pelo ciclo 
 térmico. Suas temperaturas 
de pico são inferiores a Tc. 
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Representação esquemática dos ciclos térmicos em dois pontos genéricos (1 e 2) da 
ZTA de uma solda de vários passes. A, B e C são, respectivamente, o primeiro, 
segundo e terceiro passes realizados. 
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Representação 
esquemática da 
estrutura da ZF e 
da ZTA na 
soldagem com 
um passe (a) e 
com vários 
passes (b). 
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Seção transversal 
(macrografia) de uma solda 
real de vários passes 
(chanfro em K).