Artigo III Uma breve história sobre a soldagem

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FACULDADE PITÁGORAS – UNIDADE CONTAGEM
Engenharia Mecânica
Andrey Oliveira Silva
UMA BREVE HISTÓRIA
SOBRE A SOLDAGEM
					
Contagem
2018
Resumo
Este artigo descreve uma breve história da soldagem. Métodos de união de peças dos quais o homem vem aperfeiçoando desde épocas antigas até o seu salto tecnológico ocorrido entre os séculos e XIX e XX.
A soldagem moderna teve seu inicio a partir da descoberta do arco elétrico no inicio dos anos 1800. Primeiramente tivemos a solda a Resistência e a Solda a Gás. 
Depois, com o aperfeiçoamento do arco elétrico a fim de deixá-lo mais estável, foi inventada a solda com eletrodos revestidos. Hoje, de todos os processos de soldagem, este é o mais popular. 
Diante da necessidade de soldar novas combinações de ligas metálicas, foram criados os métodos de soldagem MIG (Metal Inert Gas) / MAG (Metal Active Gas) e TIG (Tungsten Inert Gas).
 Os processos de soldagem MIG e MAG funcionam utilizando o calor de um arco elétrico formado entre um eletrodo metálico consumível e a poça. O arco e a poça de fusão são protegidos contra a contaminação pela atmosfera através de um gás ou uma mistura de gases. Já o processo de solda TIG que além de utilizar um gás inerte na proteção da solda, necessita também um eletrodo de tungstênio para transferir o arco através da condutividade entre a tocha e a peça de trabalho. Mas neste caso, o eletrodo é apenas um condutor e não é consumido ou incorporado ao material fundido. 
Na segunda metade do século XX, em virtude da grande necessidade de solda utilizada pela indústria automobilística, foi incorporado a robôs o processo de soldagem a resistência. Logo após, a solda MIG também sofreu este tipo de automatização, permitindo elevar os níveis de produtividade com ótima qualidade na soldagem. 
Atualmente cada vez mais tecnologias como a eletrônica e a robótica estão unidas aos novos métodos de soldagem.
Palavras chave: soldagem, processo, materiais, automação, solda, fusão.
Abstract
	This article describes a brief history of welding. Methods of union of pieces that man has perfected since ancient times until his technological leap occurred between the centuries and XIX and XX.
Modern welding had its beginning from the discovery of the electric arc in the early 1800's. First we had the weld Resistance and Gas Welding.
Then, with the improvement of the electric arc in order to make it more stable, was invented the welding with coated electrodes. Today, of all welding processes, this is the most popular.
In view of the need to weld new combinations of metal alloys, MIG (Metal Inert Gas) / MAG (Metal Active Gas) and TIG (Tungsten Inert Gas) welding methods were created.
 The MIG and MAG welding processes operate using the heat of an electric arc formed between a consumable metal electrode and the puddle. The arc and the melt pool are protected against contamination by the atmosphere through a gas or a mixture of gases. The TIG welding process, which in addition to using an inert gas to protect the weld, also requires a tungsten electrode to transfer the arc through the conductivity between the torch and the workpiece. But in this case, the electrode is only a conductor and is not consumed or incorporated into the molten material.
In the second half of the twentieth century, due to the great need for welding used by the automobile industry, the process of resistance welding was incorporated into robots. Soon after, the MIG welding also suffered this type of automation, allowing to raise the levels of productivity with great quality in the welding.
Increasingly, technologies such as electronics and robotics are linked to new methods of welding.
Keywords: Welding, process, materials, automation, welding, fusion.
Introdução
	
	A soldagem na sua forma atual é um processo recente com aproximadamente 100 anos de existência. Porém desde épocas antigas o homem utiliza a brasagem que é um processo térmico que une peças por meio um metal de adição em fusão e o forjamento para a união de peças.
	Segundo Wainer, Brandi e Mello (1992, p. 99), denomina-se soldagem, “o processo de união entre duas partes metálicas, usando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão”. A solda é o resultado deste processo.
	As técnicas para união dos metais podem ser divididas em duas categorias principais. Podem ser baseadas na ação de forças macroscópicas entre as partes e podem ser baseadas em forças microscópicas – interatômicas e moleculares.
	
No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, a união é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, ou destes e de um material intermediário adicionado a junta, até distancias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a brasagem, a soldagem e a colagem.
(MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2014, p. 17). 
Atualmente, os procedimentos de soldagem são partes importantes na fabricação de estruturas metálicas, aviões, navios, veículos ferroviários e rodoviários, utilidades domésticas, edificações, componentes eletrônicos, etc.
Capítulo 1 – O começo
	A soldagem em sua forma atual é um processo recente, mas a brasagem que é uma espécie de solda feita com ligas de cobre e zinco sendo usada para soldar peças metálicas de pouca espessura e a soldagem por forjamento, são utilizadas pelo homem desde épocas bastante remotas. Segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2014, p. 25) “existe no Museu do Louvre em Paris, um pingente de ouro com evidencias de ter sido soldado. Esta jóia foi fabricada na Pérsia por volta do ano 4000 a.C.”.
Por volta de 1500 a.C. iniciou-se a fabricação do Ferro que foi amplamente utilizado na confecção de diversos utensílios. O ferro produzido era conformado por martelamento na forma de blocos com poucos quilos. Na necessidade de blocos maiores, as peças eram soldadas por forjamento que consistia em aquecer o material até atingir o aspecto de brasa. Era colocando areia entre as peças para separar impurezas e marteladas até completar a união. Existe na cidade de Dehli, na Índia, um pilar de mais de sete metros de altura e cerca de cinco toneladas que foi construído a partir desta técnica.
Figura 01 – Pilar de Ferro de Dehli na India
Fonte: https://www.magnusmundi.com/pilar-de-ferro-de-deli-na-india/
No período da Idade Média, a soldagem foi utilizada para a fabricação de armas e instrumentos de corte e de acordo com os autores Marques, Modenesi e Bracarense (2014, p. 25), “a soldagem foi, um processo importante na tecnologia metalúrgica desta época, devido a dois fatores: (1) a escassez e o alto custo do aço e (2) o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos pela redução direta”. 
Os autores ainda explicam que “A fabricação do ferro através da redução direta era feita através da mistura do minério de ferro com o carvão em brasa sendo soprado com ar. Nesta operação, o óxido de ferro era reduzido pela ação do carbono e era conseguido o ferro metálico sem a fusão do material”.
	Nos séculos XII e XIII, esta importância diminui com o desenvolvimento da fabricação de grandes quantidades de ferro fundido com o advento do alto-forno.
	A fundição então se assumiria como o principal processo de fabricação do ferro e aço e a solda por forjamento foi substituída por outros processos de união como a parafusagem e a rebitagem.
Capítulo 2 – A solda por Resistência
Durante o sec. XIX, a tecnologia de solda começa a se desenvolver, a partir dos experimentos do químico britânico Sir Humphrey Davy com o arco elétrico, a descoberta do acetileno pelo cientista inglês Edmund Davy e o avanço de fontes produtoras de energia elétrica que tornarampossíveis os processos de solda por fusão de materiais. 
A industrialização e as duas guerras mundiais, influenciaram o rápido desenvolvimento dos processos de solda modernos.
A soldagem por resistência, a soldagem a gás e soldagem a arco foram inventadas antes da Primeira Guerra Mundial. As primeiras experiências de soldagem por resistência datam do ano 1856, quando James Joule, conseguiu fundir e soldar arames de cobre através de aquecimento por resistência elétrica.
A soldagem por resistência compreende um grupo de processos nos quais a união de peças metálicas é produzida em superfícies sobrepostas ou em contato topo a topo, pelo calor gerado na junta através de resistência à passagem de uma corrente elétrica (efeito Joule) e pela aplicação de pressão, podendo ocorrer uma certa quantidade de fusão na interface.
(MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2014, p. 293). 
As primeiras máquinas de solda por resistência realizavam a união de topo a topo. Neste tipo de junção, uma corrente elétrica de soldagem adequada flui através das faces das peças enquanto são pressionadas umas contra a outra fortemente e frente a frente.
Figura 02 – Exemplos de Solda a Resistência
Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_12.asp
 
Nos Estados Unidos, o engenheiro e inventor Elihu Thomson, concebeu o primeiro transformador de soldagem no ano de 1886 conseguindo patentear o processo em 1887. O equipamento era capaz de produzir uma potência útil de 2000A a uma tensão no vazio de 2V. Posteriormente, ele desenvolveu máquinas para soldagem a pontos, soldagem de costura, soldagem por projeção, soldagem de topo pela ação de faíscas. A soldagem a pontos hoje é o método mais comum da soldagem por resistência sendo utilizada de forma extensiva na indústria automotiva e em muitas outras aplicações de chapas metálicas. Os primeiros robôs para soldagem por resistência foram entregues pela Unimate para a General Motors em 1964.
As principais vantagens que o uso de robôs trouxe para a produção foram a alta produção, diminuição de custos e tempo de soldagem, padronização no método de união das peças, qualidade e melhoria do ambiente de trabalho pela não exposição do trabalhador a fumaça, ao calor e aos raios oriundos da solda.
Figura 03 – Robôs de Solda a Resistencia Unimate
Fonte https://www.robotics.org/joseph-engelberger/unimate.cfm
Capítulo 3 – A solda a Gás
	
	No início do sec. XX a soldagem e o corte a gás eram partes principais dos meios de fabricação e pequenos reparos de emergência.
	A chamada soldagem oxigás foi desenvolvida na França no final do século XIX. A primeira tocha apropriada para soldagem foi feita pelos engenheiros marroquinos Edmund Fouche e Charles Picard, em 1903. Com uma chama extremamente quente (por volta de 3100 °C), a tocha ou maçarico tornou-se a ferramenta mais importante para a soldagem e corte de aço.
	De acordo com os autores Wainer, Brandi e Mello (1992, p. 180) a soldagem oxigás é definida pela American Welding Society como sendo “um grupo de processos onde o coalescimento é devido ao aquecimento produzido por uma chama, usando ou não um metal de adição, com ou sem aplicação de pressão”.
Figura 04 – Equipamentos para solda oxigás
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAes5QAL/solda-oxiacetileno
	Em 1836, o cientista inglês Edmund Davy descobriu o gás acetileno. Este gás inflamável era produzido quando carbureto era decomposto em água. A princípio, seu principal uso era a iluminação. Porém era extremamente perigoso transportá-lo e manuseá-lo, sendo relatados muitos acidentes com explosões. Em 1896, o químico francês Henri Le Chatelier conseguiu desenvolver um método seguro de armazenar acetileno utilizando acetona e uma pedra porosa dentro dos cilindros.
	Apesar da aparente segurança dos cilindros, ainda havia a possibilidade de explosões durante o transporte. Foi apenas em 1912 que o inventor Nils Gustaf Dalén desenvolveu um compartimento poroso nos cilindros de gás os deixando realmente confiáveis e seguros.
	Atualmente, os equipamentos utilizados para a soldagem a gás são bastante simples, possuem baixo custo quando comparados a outros equipamentos de soldagem e também podem ser utilizados com pequenas variações em operações de dobramento e desempeno de peças metálicas, pré e pós-aquecimento em soldagem, operações de brasagem, solda brasagem e corte a gás.
	O processo é muito adequado a soldagem de chapas de espessuras mais finas, tubos de pequeno diâmetro e soldas de reparo. Os metais soldáveis pelo método oxigás são os de baixo percentual de carbono e a maioria de mateais não ferrosos.
Capítulo 4 – A soldagem a Arco Elétrico
	No ano de 1810, o químico Sir Humphrey Davy criou um arco elétrico estável entre dois terminais, o pilar para o que se tornou conhecido como soldagem a arco elétrico. 
	O primeiro processo de soldagem patenteado a arco foi obtido por Nikolas Bernardos e Stanislav Olszewsky (Inglaterra – 1885) e consistia na passagem de uma corrente elétrica entre um eletrodo de carvão e o metal a ser soldado. 	
	Em 1890, N.G. Slavianoff (Rússia) e Charles Coffin (EUA), desenvolvem a solda a arco utilizando um eletrodo metálico nu. Somente em 1907, na Suécia que Oscar Kjellberg conseguiu desenvolver o processo de soldagem a arco com o eletrodo revestido. Este revestimento consistia em uma camada de cal e tinha a função de estabilizar o arco. 
Conforme Wainer, Brandi e Mello (1992, p. 31) “a união de peças utilizando eletrodos revestidos se caracteriza pela junção de materiais promovida pelo aquecimento formado através de um arco elétrico entre um eletrodo revestido e a peça que se deseja soldar”.
Figura 05 – Soldagem com eletrodo revestido
Fonte: http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_eletrodo_revestido_mma_smaw.cfm
Posteriormente, o aperfeiçoamento deste método de soldagem o levou a ser o mais utilizado no mundo todo.
Através deste processo podem ser soldados um grande número de materiais como, por exemplo, aços carbono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, alumínio, cobre, ferros fundidos, níquel e suas ligas.
Na década de 30, durante o sec. XX, novos métodos de soldagem foram desenvolvidos. Até este período toda a soldagem a arco era realizada manualmente. 	Tentativas para automatizar o processo com um arame contínuo foram realizadas. A mais bem sucedida foi a soldagem a arco submerso (SAW) onde o arco é “submerso” em uma cobertura de fluxo fusível granular, ou seja, o arco fica escondido. A soldagem a arco submerso em um ambiente de gás protetor foi patenteada em 1890. Atualmente é usada na soldagem de vasos de pressão, plantas químicas, estruturas pesadas, reparação e na indústria de construção naval. 
Figura 06 – Soldagem a arco submerso
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe_L0AD/relatorio-solda-eletrodo-revestido?part=2
No período da Segunda Guerra Mundial, a indústria de aviação precisou de um método para soldar magnésio e alumínio. Então, ocorreu nos Estados Unidos uma intensa experimentação para proteger e estabilizar o arco elétrico através de gases inertes.
O inventor americano Charles Coffin teve a ideia em 1890 de usar o arco elétrico, dentro de um gás inerte, para soldar materiais não ferrosos como alumínio e magnésio. A partir de 1930 o processo foi aperfeiçoado com a utilização de gases inertes engarrafados que permitiam assim a proteção da solda de maneira mais eficaz.
Apenas em 1941 que o processo que seria conhecido como TIG se tornaria perfeito ao se utilizar um eletrodo, o gás de proteção e a adoção de corrente alternada com adição de alta frequência, no qual era obtido um arco elétrico estável, possibilitando a solda de ligas de alumínio e magnésio com perfeição e excelente acabamento.
A Soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) ou GTAW (Gas-Shielded Tungsten Arc Welding) é um processo de união que utiliza um eletrodo de tungstênio não consumível. O eletrodo, o arco elétrico e a área aoredor da poça de fusão são protegidos por uma nuvem protetora de gás inerte que podem ser o argônio, o Hélio ou a mistura de ambos.
Havendo a necessidade de adicionar um metal de enchimento, este é acrescentado no limite da poça de fusão.
A soldagem TIG produz uma solda limpa e de alta qualidade onde não é gerada escória, o que elimina a necessidade de limpeza do local soldado no final do processo e é aplicável na maioria dos metais suas ligas, sendo usada principalmente na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, peças de pequena espessura e em soldagem de tubulações.
Figura 07 – Processo de Soldagem TIG (GTAW)
Fonte: http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_tig_gtaw.cfm
	Já a solda MIG/MAG utiliza como fonte de calor um arco elétrico mantido entre um eletrodo não revestido (nu) consumível, que é alimentado continuamente de forma mecânica e as peças a soldar. A proteção das superfícies a serem soldadas ocorre através de um fluxo de gás inerte (MIG) ou gás ativo (MAG).
 As primeiras experiências de solda em peças de aço utilizando o processo MAG ocorreram no início dos anos 30 do sec. XX. As soldas em materiais como magnésio e suas ligas e posteriormente outros metais utilizando gás inerte (MIG) ocorreram após a II Guerra Mundial. 
Entendem-se como inertes os gases nobres hélio e argônio que são fundamentais na proteção em soldagem. Podem ser utilizados de forma isolada ou misturados entre si ou ainda misturados a gases ativos como o CO2 (gás carbônico), O2 (oxigênio), N2 (nitrogênio) e H2 (hidrogênio).
O processo MAG é usado principalmente na união de materiais como aços de baixo carbono e aços de baixa liga, enquanto a MIG é usada na soldagem de materiais como aços-carbono, aços de baixa, média ou alta liga, aços inoxidáveis, alumínios e ligas, o cobre e ligas, o níquel e ligas, o magnésio e suas ligas.
Figura 08 – Processo de Soldagem MIG/MAG (GMAW)
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfa9gAF/descontinuidades-estruturais-soldas
Estes métodos de soldagem foram seguidos posteriormente, por outros métodos, como a soldagem a laser e a soldagem por fricção, ambas desenvolvidas na Inglaterra.
Capítulo 5 – Outros métodos de soldagem
	Quando a soldagem a arco plasma foi introduzida na indústria por volta de 1957, ela provou ser uma fonte de energia muito mais concentrada e quente, possibilitando o aumento na velocidade de soldagem e possibilitando a união de peças muito pequenas. O termo plasma, que é conhecido como quarto estado da matéria, é constituído por um gás devidamente aquecido a ponto de se tornar ionizado, desta forma, constituído de íons e elétrons livres em equilíbrio. Neste estado, o gás deixa de ser isolante e passa a conduzir corrente elétrica.
	A soldagem a laser também possui características semelhantes e foram introduzidas, na década de 1960 com qualidade e tolerâncias nunca vistas antes nos métodos até então existentes. Com as novas combinações de metais que poderiam ser soldados, alta precisão e velocidade no processo de soldagem, o uso de equipamentos mecanizados seria necessário.
	As máquinas robotizadas têm sido utilizadas no processo de soldagem na indústria automobilística desde esta época. Os primeiros robôs utilizavam a soldagem por resistência. Os robôs utilizando o método de soldagem a arco foram inventados cerca de 10 anos mais tarde. Eles puderam ser projetados com a precisão para atender as demandas da solda MIG e a princípio eram programados com os mesmos dados de soldagem usados pelos soldadores humanos.
	A soldagem mecanizada permitiu a economia tempo, de consumíveis e favoreceu a soldagem de peças pesadas ou em locais de difícil acesso. No início, usou-se apenas o processo MIG, mas depois, com o avanço da tecnologia, a união de peças a arco submerso e TIG também foram utilizados.
	Um dos grandes avanços da soldagem automatizada foi a híbrida Laser/MIG. 	Este método mais recente, que utiliza dois processos de união combinados, permite grande produtividade, grande velocidade e ótima penetração da solda nas peças.
	Outro método bastante interessante é a soldagem por atrito que tem sua criação reclamada por vários países. Ela foi introduzida na URSS em 1956, graças a uma patente britânica de 1939 e aperfeiçoada nos EUA em 1966 permitindo então uma nova patente.
	Conforme Wainer, Brandi e Mello (1992, p. 317) “trata-se de um processo de soldagem no estado sólido, cujo aquecimento que causa a ligação entre as partes a serem soldadas, é gerado mecanicamente. Este aquecimento é devido à rotação de uma das partes que é mantida pressionada contra a outra que está fixa”.
	A união das peças é realizada em poucos segundos, com uma pequena zona afetada pelo calor, resultando em uma solda com alta resistência.
	
Figura 09 – Processo de Soldagem por atrito
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA2zUAE/tecnologia-soldagem-por-friccao
Considerações Finais
	Desde o inicio dos tempos, o homem busca maneiras de desenvolver ferramentas e processos visando seu desenvolvimento e sobrevivência.
	Sua criatividade e persistência permitiram que o advento da tecnologia da soldagem contribuísse para transformar o mundo. 
	Atualmente a indústria busca constantemente maior produtividade, maior automação e processos de soldagem mais eficazes com menos custo. 	Equipamentos com peso e dimensões cada vez menores são inventados agregando o uso mais frequente de componentes eletrônicos. Novos métodos de soldagem com certeza surgirão, mas mesmo com todas as inovações os processos MIG/MAG, TIG e eletrodo revestido deverão continuar dominando os processos de soldagem na indústria mundial.
	
Bibliografia:
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