Prévia do material em texto
Processos de Fabricação II Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Lincoln Nascimento Ribeiro Revisão Textual: Prof.ª Me. Natalia Conti Processos de Soldagem • Introdução; • Classificação dos Processos de Soldagem; • Defeitos na Soldagem. • Apresentar ao aluno os principais processos de soldagem dos materiais e suas aplicações na fabricação de produtos na indústria metal mecânica. OBJETIVO DE APRENDIZADO Processos de Soldagem Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Processos de Soldagem Introdução Os processos de soldagem dos materiais têm como objetivo a união de 2 metais em definitivo através do aquecimento desses materiais. Esse processo pode ser re- alizado com ou sem a adição de um material. Os processos de soldagem apresentam uma enorme versatilidade. São utilizados para a fabricação de diversos produtos metálicos. Entre essas possibilidades estão a soldagem de chapas, tubos, estruturas metáli- cas, que podem ser aplicados nos mais variados projetos de engenharia. A seguir, serão apresentados os principais processos de soldagem e a sua aplicação. Classificação dos Processos de Soldagem Antes de apresentar a classificação dos processos de soldagem, é importante conceituar-se uma propriedade conhecida como soldabilidade dos materiais. A soldabilidade dos materiais é a facilidade de se realizar uma união uniforme desses materiais através de um processo de soldagem de tal forma que essa união seja uniforme e as propriedades mecânicas dos materiais originais sejam mantidas. Entre os fatores que influenciam a soldabilidade de um material, o principal fator é a composição química desse material. Dependendo da composição química de alguns materiais, pode ser necessário que para se conseguir soldar esses materiais sejam necessários diversos controles de parâmetros do processo, como por exemplo, temperatura. Há casos em que até um tratamento térmico pode ser necessário após a soldagem. Esse é o caso dos materiais de baixa soldabilidade. Quando um material apresenta facilidade de soldagem, sem a necessidade de grandes cuidados e controles precisos dos parâmetros de processo, dizemos que esse material apresenta boa soldabilidade. Na tabela 1 é possível visualizar a soldabilidade de alguns materiais, classificando a soldabilidade em boa(ou ótima), razoável ou baixa. Tabela 1 – Exemplo de soldabilidade de alguns materiais. Materiais Soldabilidade do Material Boa ou ótima Razoável Baixa Ligas de Alumínio × Ligas de Cobre × Aço Inoxidável × Aço com Baixa porcentagem de Carbono × 8 9 Materiais Soldabilidade do Material Boa ou ótima Razoável Baixa Aço com Média porcentagem de Carbono × Aço com Alta porcentagem de Carbono × Aços com Ligas × Ferro Fundido Cinzento ou Nodular × Ferro Fundido Branco × Nessa unidade, os processos de soldagem serão classificados em 7 tipos: • Processos de Soldagem a Gás; • Processos de Soldagem ao Arco Elétrico; • Processos de Soldagem TIG; • Processos de Soldagem MIG-MAG; • Processos de Soldagem ao Arco Submerso; • Processos de Soldagem por Resistência; • Processos de Soldagem por Brasagem. A seguir, esses processos de soldagem dos materiais serão discutidos. Processos de Soldagem a Gás Quando um processo de soldagem de metais ocorre através do aquecimento, utilizando-se uma chama produzida pela queima da mistura de um gás combustível com um gás comburente (oxigênio), chamamos esse processo de Soldagem a gás. O aquecimento causado por essa chama terá como resultado a produção de calor que será utilizado para fundir tanto o metal a ser soldado, quanto o metal de adição (caso necessário). Como a chama da soldagem a gás é produzida? Ex pl or Normalmente, 2 cilindros são utilizados nos equipamentos de soldagem a gás para armazenar os gases que serão utilizados durante o processo de soldagem. De cada um desses cilindros sai uma mangueira que é ligada em um maçarico. Esse maçarico tem como função misturar os 2 gases para que ocorra a queima (combustão) e, dessa forma, seja produzida a chama que será utilizada no processo de soldagem. Na Figura 1 está ocorrendo um processo de soldagem a gás. Na Figura estão em destaque o maçarico e os 2 cilindros utilizados para armazenamento dos gases. É interessante observar também o equipamento de segurança utilizado pelo 9 UNIDADE Processos de Soldagem soldador, incluindo um óculos para proteger os olhos do brilho excessivo que ocor- re durante a soldagem e o avental que protege de fagulhas que também ocorrem durante a soldagem. Maçarico Cilindros Figura 1 – Cilindros de armazenamento de gás e o maçarico durante um processo de soldagem a gás Fonte: Adaptado de Getty Images Na Figura 2 é possível visualizar em detalhes os componentes do equipamento de soldagem a gás. Nesse caso, o gás comburente é o oxigênio e o gás combustível é o acetileno. É a chamada soldagem oxiacetilênica. Figura 2 – Detalhes do equipamento para soldagem a gás Fonte: SANTOS, 2015 10 11 Processos de Soldagem ao Arco Elétrico Quando o aquecimento dos metais em um processo de soldagem ocorre através de um arco elétrico formado entre o componente a ser soldado e o material de adi- ção (eletrodo), chamamos esse processo de Soldagem ao Arco elétrico. Esse arco elétrico é produzido através de uma elevada corrente elétrica que passa através do eletrodo e da peça a ser soldada. Esse arco elétrico produz um aquecimento ainda micro do que o aquecimento gerado pelo maçarico na soldagem a gás. Com esse calor é possível fundir tanto o metal se adição quando o metal a ser soldado. Nesse processo o eletrodo é, na verdade, o material de adição a ser utilizado entre os componentes que serão soldados. Como se forma o arco elétrico? Ex pl or O arco elétrico, também chamado de arco voltaico é formado pela passagem de corrente elétrica elevada através de um gás, no caso o ar. Ocorre um processo chamado de ionizaçãodo ar, onde a sua resistência à passagem de corrente elétrica tende a zero. O resultado desse fenômeno é a transformação da energia elétrica em energia térmica na forma de calor. No caso da soldagem a arco elétrico, o arco elétrico é produzido pela corrente elétrica que passa “entre” o eletrodo e a peça. Dessa forma, o operador nunca deve encostar o eletrodo na peça. Ele deve apenas aproximar o eletrodo na peça, para que ocorra a formação do arco elétrico. Na Figura 3 é possível visualizar que o operador segura um eletrodo com o au- xílio de um dispositivo em forma de garra chamado de porta eletrodo. Para realizar a soldagem, ele aproxima o eletrodo da peça, para que o arco elétrico se forme e ocorra a fusão dos materiais envolvidos. Arco Elétrico EletrodoPorta Eletrodo Figura 3 – Exemplo de soldagem a arco elétrico Fonte: Adaptado de Getty Images 11 UNIDADE Processos de Soldagem Como é produzida a corrente elétrica necessária para formação do arco elétrico para a solda a arco elétrico?Ex pl or A corrente elétrica necessária para o processo de soldagem a arco elétrico é bas- tante elevada. Para produzir essa corrente, utiliza-se um equipamento conhecido como Máquina de Soldagem Elétrica. Na Figura 4 é possível visualizar um exemplo de Máquina de soldagem elétrica. Há também ao lado uma máscara protetora para o soldador. Essa máscara é capaz de proteger o soldador da luminosidade excessiva e das fagulhas produzidas durante o processo de soldagem. Figura 4 – Exemplo de máquina de solda elétrica Fonte: Getty Images Outro fator interessante a ser considerado é o revestimento do eletrodo utili- zado na soldagem a arco elétrico. Esse revestimento possui uma composição que permite que a solda seja protegida dos gases da atmosfera durante a soldagem, dependendo da sua composição química podem auxiliar também na formação do arco elétrico, ou no acabamento da solda. Processos de Soldagem TIG No processo de Soldagem TIG o aquecimento também é gerado por um arco elétrico, porém, nesse caso, o eletrodo é feito de tungstênio e não é consumido durante o processo de soldagem. O arco elétrico é formado entre esse eletrodo e a peça a ser soldada, e durante a realização da soldagem ocorre a injeção de um gás inerte sobre o arco elétrico. 12 13 O calor produzido por esse arco elétrico tem como função fundir (derreter) o metal a ser soldado e o metal de adição. O gás inerte serve para proteger a solda da oxidação pela atmosfera, melhorando a qualidade da solda. A sigla TIG significa Tungsten Inert Gas, ou seja, Tungstênio e Gás Inerte. Isso significa dizer que os eletrodos utilizados na solda são de tungstênio e ocorre a injeção de gás inerte durante a soldagem. O eletrodo não consumível utilizado na soldagem TIG é chamado de tocha. Ele não é o material de adição. O operador aproxima o material de adição do arco elétrico durante a soldagem. Esse material de adição normalmente é fornecido na forma de varetas. O material de adição consiste em uma vareta que deve ser aproximada do arco elétrico, para que seja fundida e adicionada entre os componentes a serem soldados. O arco elétrico é produzido através da passagem de corrente elétrica entre o eletrodo e a peça a ser soldada. Na Figura 5 é possível observar que o soldador segura a tocha com a mão di- reita e a vareta (metal de adição) com a mão esquerda. Através da tocha também é injetado o gás inerte. Tocha que possui na ponta o eletrodo não consumível Vareta com material de adição Arco Elétrico Figura 5 – Exemplo de soldagem TIG Fonte: Adaptado de Getty Images O Argônio e o Hélio são os gases mais utilizados como gases inertes na soldagem TIG. O que é um gás inerte? Ex pl or Um gás inerte é formado por átomos que possuem a camada de valência estável, como os gases nobres, por exemplo. O resultado dessa característica é que esses átomos não reagem quimicamente com outros compostos. Ao injetarmos esse gás sobre o arco elétrico, produzimos a solda da oxidação pelo oxigênio presente no ar. O ótimo acabamento do cordão de solda é a principal vantagem da soldagem TIG. 13 UNIDADE Processos de Soldagem Esse processo de soldagem é bastante utilizado na soldagem de ligas de alumínio e de ligas de magnésio. Existe também a possibilidade de se realizar a soldagem TIG sem a utilização de material de adição. Porém, essa aplicação é muito restrita, normalmente aplicada para soldagem de chapas muito finas. Processos de Soldagem MIG-MAG No processo de Soldagem MIG-MAG o aquecimento também é gerado por um arco elétrico, porém, nesse caso, o eletrodo é consumível. O arco elétrico é forma- do entre esse eletrodo e a peça a ser soldada e durante a realização da soldagem ocorre, de forma simultânea, a injeção de um gás inerte ou de um gás ativo sobre o arco elétrico. O calor produzido por esse arco elétrico tem como função fundir (derreter) o metal a ser soldado e o metal de adição. O gás inerte serve para proteger a solda da oxidação pela atmosfera, melhorando a qualidade da solda. A sigla MIG significa Metal Inert Gas, ou seja, Metal e Gás Inerte. A sigla MAG significa Metal Active Gas, ou seja, Metal e Gás Ativo. Essa diferença ocorre de- vido as características do tipo de gás injetado no arco elétrico durante o processo de soldagem. Na soldagem MIG, quando ocorre a injeção de um gás inerte, ocorre a soldagem MIG. Quando ocorre a injeção de gás ativo, ou seja, que interage com os materiais que estão envolvidos na soldagem, a soldagem é chamada de Soldagem MAG. Como exemplo de gás inerte a ser utilizado no processo de Soldagem MIG é possível citar o argônio. Como exemplo de gás ativo a ser utilizado no processo de Soldagem MAG é possível citar o dióxido de carbono. Quando se está soldando materiais ferrosos é mais comum a utilização da solda- gem MAG. Por outro lado, quando se está soldando materiais não ferrosos é mais comum a utilização de Soldagem MIG. Apesar do eletrodo do processo de soldagem MIG-MAG ser utilizado como ma- terial de adição, esse eletrodo não tem revestimento e escoa continuamente através da tocha. Esse escoamento contínuo permite uma maior produtividade. Normalmente, os eletrodos são fornecidos em bobinas de arames de solda. Isso permite o abasteci- mento contínuo da solda. O arco elétrico também é produzido através da passagem de corrente elétrica entre o eletrodo e a peça a ser soldada. 14 15 No processo de Soldagem MIG-MAG da Figura 6, o soldado segura a tocha com apenas uma mão e ao apertar uma espécie de gatilho nessa tocha, o arame de sol- da sai pela tocha, se aproximando da peça e formando o arco elétrico que funde o eletrodo e o material a ser soldado. Tocha Cordão de solda Figura 6 – Exemplo de soldagem MIG-MAG Fonte: Adaptado de Getty Images A Soldagem MIG-MAG, por ser contínua, apresenta uma alta produtividade. É a principal vantagem desse processo em relação à soldagem TIG e à soldagem a arco elétrico. Processos de Soldagem ao Arco Submerso O processo de soldagem a arco submerso também é um tipo de processo de soldagem a arco elétrico. Porém, nesse caso, durante o processo de soldagem, o arco elétrico se forma sob uma camada de material granulado. Essa camada de material granulado é chamada de fluxo de solda e é utilizada para proteger a solda da oxidação pela atmosfera. A vantagem da soldagem ao arco submerso é que ocorre a formação de um cordão de solda mais uniforme durante a soldagem, porém, esse tipo de solda só pode ser utilizado na posição vertical. Nesse processo o eletrodo utilizado é o material de adição, não possui revesti- mento e escoa continuamente através da tocha. Essa característica resulta em uma maior produtividade. Esse processo pode ser utilizado em soldagens de grande porte, como estruturas metálicas,caldeiras, estaleiros, siderúrgicas, entre outras aplicações. 15 UNIDADE Processos de Soldagem Na Figura 7 é possível visualizar um exemplo de equipamento utilizado para soldagem a arco submerso. Veja que esse equipamento possui uma mesa para acondicionamento da peça a ser soldada. Figura 7 – Exemplo equipamento utilizado para soldagem a arco submerso Fonte: Wikimedia Commons Processos de Soldagem por Resistência No processo de soldagem por resistência a solda dos metais ocorre também atra- vés do aquecimento causado pela corrente elétrica que passa pelas peças a serem soldadas. Porém, nesse caso, não ocorre a formação de arco elétrico. A causa do aquecimento nesse processo é o Efeito Joule, que afirma que um corpo sofre aquecimento ao ser submetido à passagem de uma corrente elétrica pelo seu interior. Esse aquecimento ocorre porque o corpo exerce uma resistência à passagem dessa corrente elétrica. Esse processo de soldagem é um dos processos mais versáteis que existem. Pode ser facilmente automatizado com a utilização de robôs. 16 17 Entre as aplicações desse processo, é possível citar, por exemplo, a solda de componentes do chassi de um veículo. Na Figura 8 é possível visualizar uma ilustração de um equipamento utilizado para soldagem por resistência. Esse equipamento possui dois eletrodos que condu- zem a corrente elétrica. As peças a serem soldadas estão posicionadas entre esses eletrodos. Ao se acionar o equipamento, os eletrodos comprimem levemente as peças a serem soldadas e ocorre a passagem da corrente elétrica que provoca o aquecimento e a soldagem, conforme ilustrado na figura. Figura 8 – Exemplo de processo de soldagem por resistência Fonte: Adaptado De Wikimedia Commons Processos de Soldagem por Brasagem No processo de soldagem por brasagem ocorre apenas a fusão do material de adição. Sendo assim, os metais a serem soldados não são fundidos. Para que isso seja possível, o material de adição precisa apresentar um ponto de fusão inferior ao ponto de fusão dos materiais a serem soldados. Uma das maneiras de se realizar esse aquecimento é através da utilização de um ferro de solda, conforme ilustrado na Figura 9. Nesse exemplo, um material de adição composto por uma liga de estanho e chumbo está sendo utilizado para soldar componentes eletrônicos. 17 UNIDADE Processos de Soldagem Ferro de solda Local da solda Material de adição Figura 9 – Exemplo de processo de soldagem por brasagem Fonte: Adaptado de Getty Images Defeitos na Soldagem Existem diversos possíveis defeitos que podem ocorrer em uma solda. A seguir alguns desses defeitos serão apresentados. Distorção Distorção é uma mudança no formato da peça causada pela alta temperatura aplicada nessa peça durante o processo de soldagem. Na Figura 10 é possível observar um exemplo de distorção causada na solda de 2 chapas que estavam inicialmente alinhadas. Figura 10 – Exemplo de distorção na peça após a soldagem Fonte: SANTOS, 2015 Formato incorreto da junta O formato incorreto da junta ocorre quando o posicionamento da peça duran- te a soldagem é incorreto. Também pode ocorrer quando o dimensionamento da solda é incorreto. 18 19 A consequência é o desalinhamento das peças a serem soldadas, conforme ilus- trado na Figura 11. Figura 11 – Exemplo de desalinhamento nas peças devido ao formato incorreto da junta Fonte: SANTOS, 2015 Perfil incorreto da junta O perfil da junta soldada é muito importante para a resistência mecânica da sol- da. Um perfil de solda inadequado pode causar fragilidades na junta soldada, como, por exemplo, concentração de tensões que podem gerar uma trinca na solda. Na Figura 12 são apresentados alguns exemplos de perfis incorretos de juntas sol- dadas. A linha tracejada indica o perfil ideal e a sombra cinza indica o perfil incorreto. Figura 12 – Exemplos de perfi s incorretos de juntas soldadas Fonte: SANTOS, 2015 19 UNIDADE Processos de Soldagem Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Design industrial: materiais e processos de fabricação LESKO, J. Design industrial: materiais e processos de fabricação. Edgard Blucher, 2004. Leia o capítulo 6 (p 85-106) da obra, nesse texto serão apresentados os processos de soldagem. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança SANTOS, C. E. F. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Erica, 2015. Leia também o capítulo 9 (p 142-151) da obra, nesse texto serão apresentadas as Normas e Equipamentos de Segurança para Soldagem. Vídeos Processos de Fabricação – A União Faz a Solda https://youtu.be/n_aL4ku0v7E Processos de Fabricação – Arco Eletrico Entra em Ação https://youtu.be/B8AnJaqBvjo 20 21 Referências ASKELAND, D. R. & WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos materiais. 3ª Edição – Ed. Cengage Learning, São Paulo, 2014. CALLISTER Jr., W. D. & RETHVISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução. 9ª Edição – Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2018. LESKO, J. Design Industrial: Materiais e Processos de Fabricação. 1ª Edição – Ed. Blucher, São Paulo, 2004. SANTOS, C. E. F. Processos de Soldagem – Conceitos, Equipamentos e Normas de Segurança. 1ª Edição – Ed. Érica, São Paulo, 2015. SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6ª Edição – Ed. Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2008. SMITH, W. F. & HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. 5ª Edição – Ed. AMGH, Porto Alegre, 2012. 21