NOÇÕES BÁSICAS DE METALURGIA DA SOLDAGEM

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E
EME003 - NOÇÕES BÁSICAS DE METALURGIA DA SOLDAGEM 
. INTRODUÇÃO 
 Para o controle metalúrgico na soldagem, as condições térmicas na solda ou nas suas 
vizinhanças devem ser estabelecidas de tal forma a se conhecer as transformações metalúrgicas 
na ZTA; 
 Estas transformações se processam de acordo com a composição química do material base bem 
como da distribuição de calor e as taxas de resfriamento após a soldagem. 
 
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 A intensidade de calor imposto (energia de soldagem), a temperatura de pico (Tp), o tempo 
de manutenção desta temperatura no pico, e a velocidade de resfriamento após a soldagem 
determinarão as características da ZTA, relacionados aos microconstituintes presentes bem 
como da extensão da ZTA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. FATORES INFLUENTES 
2.1 TEMPERATURA DE PICO 
 
 
T-T
1+
H
.C.t.Y4,13.=
T-T
1
0m0p
ρ
 
onde: 
 Y - Distância a partir do centro do cordão de solda (mm) 
 Tp - Temperatura de pico (°C) a distância Y da linha de fusão; 
 T0 - Temperatura inicial da chapa (°C); 
 Tm - Temperatura de fusão da chapa (°C); 
 C - Calor específico do metal sólido (J/g°C) 
 ρ - Densidade (g/mm3); 
 t - Espessura do material base (mm); 
 H - Energia de soldagem (J/mm) 
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Para os aços : ρC = 0.0044 J/mm3.°C e K = 0.028 J/mm.s.°C 
 
2.2 ENERGIA DA SOLDAGEM 
 
vs
V.I f = H 
onde: 
 H - Energia de soldagem (Heat Input), (J/mm) 
 V - Tensão do arco, (V) 
 I - Intensidade de corrente, (Amps) 
 vs - Velocidade de soldagem, (mm/s) 
 f - Eficiência térmica. 
OBS: a. Eficiência térmica : função do processo (Em geral 0.8 < f < 1 
 b. Em geral 0.8 < f < 1 (Welding Handbook, 1981). 
 
2.3 TAXA DE RESFRIAMENTO 
 
 Temperatura de pré-aquecimento (T0); 
 Energia de soldagem (H); 
 Espessura da chapa (t); 
 Geometria da junta; 
 Condutividade térmica; 
 Calor específico do material 
 
 
Influenciada por: 
 
 
 
 
 
As formas de determinação da taxa de resfriamento dependem da espessura da chapa; ou seja, 
chapas finas (2D) ou chapas espessas (3D). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Tempo de Resfriamento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CHAPA 3-D 
 ]
T-800
1-
T-500
1[
2
H=t
00
8/5 Κπ
 
 
 CHAPA 2.D: 
]
)T-(800
1-
)T-(500
1[
tc4
H=t
0
2
0
22
2
8/5 ρπΚ
 
Obs.: H – J/mm; t- mm; ρC - J/mm3.°C e K - J/mm.s.°C resulta em t8/5 -segundos 
 
 
Como se define a diferença entre bi-dimensional e tri-dimensional ? 
H
)T-TC(.t=th 0cρ
Espessura relativa da chapa (th): 
 
 
OBS.: Tc (Temperatura Crítica) = 550°C 
Para efeitos práticos e de simplificação considerar (Welding Handbook, 1981): 
 th ≥ 0.75 - chapa espessa (usar t85_3D) 
 th < 0.75 - chapa fina (usar t85_2D) 
 
2.3.1 EXEMPLO DE AVALIAÇÃO DE UMA CONDIÇÃO TÉRMICA EM SOLDAGEM 
Considere a soldagem de uma chapa de aço de 15 mm de espessura, junta de tôpo na posição 
plana, onde utilizou-se os seguintes parâmetros de soldagem: 
I=110 amps, V= 25 volts, vs= 12cm/min, f=1 e préaquecimento de 25°C. 
Determinar o tempo de resfriamento entre 800 e 500°C (t85); 
Considerar: ρC = 0.0044 J/mm3.°C e K = 0.028 J/mm.s.°C 
 
SOLUÇÃO: 
 
vs= 12 cm/min = 2 mm/s 
 
 Energia de Soldagem 
 
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H = f* V.I/vs = 1. 25. 110/2 = 1375 J/mm 
 
 Espessura relativa da peça 
 
th = t* [ρC (Tc - T0)/H]1/2= 
th = 15 * [0.0044.(550-25)/1375]1/2
th=0.615 
Como th<0,75 conclui-se que a chapa é fina 
 Tempo de resfriamento entre 800 e 500°C (t85); 
Chapa Fina (2D)
 ]
)T-(800
1-
)T-(500
1[
tc4
H=t
0
2
0
22
2
8/5 ρπΚ
 
 
t8/5 = 13752/4*3.14*0.028*152*0.0044*[1/(500-25)2 -1/(800-25)2] 
t8/5 = 15.02 s 
 
2.4 CARBONO EQUIVALENTE 
 Considera a influência da composição química dos materiais 
GRUPO FORMULAS 
 
A 5
V+Mo+Cr+
15
Ni+Cu+
6
Mn+C=CE IIW 
 
 
B 5B+10
V+
15
Mo+
20
Cr+
60
Ni+
20
Cu+
30
Si+
20
Mn+C=PCM 
 
2.4.1. Exemplo de Cálculo 
Sabendo-se que a composição química do material base é C=0.2%, Mn=1.3%, Ni=0.3%, Si=0.35%, 
P=0.03%, Cr=0.25%, Mo=0.1%, Cu=0.3%, S=0.03%, pede-se determinar: 
Os carbonos equivalentes CEIIW e PCM:
SOLUÇÃO: 
CEIIW =C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 =0.2+1.3/6+(0.3+0.3)/15+(0.25+0.1+0)/5 
CEIIW = 0.53% 
 
PCM = C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B= 
 0.2+1.3/20+0.35/30+0.3/20+0.3/60+0.25/20+0.1/15+0+0= 
PCM= 0.316% 
 
 
 As fórmulas de carbono equivalente do grupo A são mais adequados para a determinação da 
soldabilidade de materiais com teor de carbono superior a 0.18%, ou em caso de condições de 
soldagem com resfriamento (t8/5) superior a 12 segundos (Meester, 1990). 
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 As fórmulas de carbono equivalente do grupo B são mais adequadas para a determinação da 
soldabilidade de aços modernos com teor de carbono menor que 0.22% ou velocidade de 
resfriamento (t8/5) menor que 6 segundos. 
 
3. DUREZA DA ZONA AFETADA PELO CALOR 
 A dureza máxima da ZTA de aços baixa, média e alta ligas soldados permite avaliar, entre 
outros efeitos: 
 A ductilidade da junta soldada; 
 Susceptibilidade das trincas a frio causadas pelo hidrogênio; 
 Susceptibilidade às trincas por corrosão sob tensão. 
 
a. CARACTERÍSTICAS 
 É reconhecido que além da composição química do material (carbono equivalente), é importante 
considerar também a taxa de resfriamento entre 800°C e 500°C na determinação do valor da 
dureza. 
 O valor máximo de dureza ocorre nas proximidades da linha de fusão já que neste local a 
velocidade de resfriamento é máxima, a temperatura atingida é a mais alta e o tempo de 
permanência a esta temperatura é o mais longo (Meester, 1990). Em consequência há um 
crescimento de grão podendo ocorrer uma maior dissolução e difusão de carbonetos, 
aumentando-se, assim, a temperabilidade da microestrutura. 
 Muitas equações tem sido formuladas para se avaliar a máxima dureza da zona afetada 
termicamente. 
 
3.b Previsão da Dureza na ZTA através da equação proposta por Suzuki (1985) 
 
Equação proposta : 
))]Y-logt(exp(+[(1 55/8α
K+H=HV ∞ 
onde: 
 ; K-287+884C=H ∞
 ; P1157-1633C+237=K CM
 P2880-5532C+566=K CMα 
 e Y5 = -0.03 -6C+7.77PCM. 
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Validade da equação: Essa fórmula foi testada por Suzuki para 70 diferentes aços cuja composição 
química se situa na seguinte faixa (%): C<0.33; 0.48<Mn<2.06; Si<0.65; 
Cu<0.47; Cr<1.06; Ni<2.06; Mo<0.66; V<0.07; Nb<0.06; Ti<0.02 e 
B<0.0020. 
 
CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DA ZTA BASEADO NO NÍVEL DE DUREZA 
 O conhecimento de ciclos térmicos em soldagem é da maior 
importância para a determinação dos componentes microestruturais após 
a soldagem. Normalmente é difícil a sua determinação. Baseado neste 
fato, pesquisadores reconhecem que o nível de dureza da ZTA de soldas 
pode ser considerado como uma maneira conveniente de se obter 
informações relativas à soldabilidade dos aços estruturais. Baseado nisto, 
um valor de dureza acima de 350 Hv é considerado como o limite 
tolerável acima do qual poderia ocorrer a presença de fissuração a frio 
nestes tipos de aços. 
 
3.c. Exemplos de Cálculos para Previsão do Nível de Dureza na ZTA 
 
 Considerando-se a soldagem de uma chapa de aço de 15 mm de espessura, junta de 
tôpo na posição plana, utilizando um eletrodo AWS E6013, diâmetro 3.25, foram 
adotados os seguintes parâmetros de soldagem: 
 I=110 amps, V= 25 volts, vs= 12cm/min, f=1 e préaquecimento de 25°C. Sabendo-se que 
a composição química do material base é C=0.2%, Mn=1.3%, Ni=0.3%, Si=0.35%, 
P=0.03%, Cr=0.25%, Mo=0.1%, Cu=0.3%, S=0.03%, pede-se determinar: 
 a. Os carbonos equivalentes CEIIW, PCM 
 b. A espessura relativa da chapa; 
 c. O tempo de resfriamento entre 800 e 500°C (t85); 
 d. O nívelde dureza da ZTA proposta por Suzuki (1985). 
 Considerar: ρC = 0.0044 J/mm3.°C e K = 0.028 J/mm.s.°C 
SOLUÇÃO:
a. Os carbonos equivalentes CEIIW, PCM, CEN; 
a.1. CE(IIW)
 
CE(IIW) = C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5= 
 0.2+1.3/6+(0.3+0.3)/15+(0.25+0.1+0)/5 
CE(IIW) = 0.53% 
 
a.2. PCM 
 
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PCM = C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B= 
 0.2+1.3/20+0.35/30+0.3/20+0.3/60+0.25/20+0.1/15+0+0= 
PCM = 0.316% 
 
b. Espessura relativa da chapa; 
 
vs= 12 cm/min = 2 mm/s 
 
b.1. Energia de Soldagem
 
H = f* V.I/vs = 1. 25. 110/2 = 1375 J/mm 
 
b.2. Espessura relativa da peça 
 
th = t* [ρC (Tc - T0)/H]1/2= 
th = 15 * [0.0044.(550-25)/1375]1/2
th=0.615 
 
Como th<0.75 então a chapa é considerada fina 
 
c. O tempo de resfriamento entre 800 e 500°C (t85); 
 
Chapa Fina (2D)
 
]
)T-(800
1-
)T-(500
1[
tc4
H=t
0
2
0
22
2
8/5 ρπΚ
 
 
t8/5 = 13752/4*3.14*0.028*152*0.0044*[1/(500-25)2 -1/(800-25)2] 
t8/5 = 15.02 s 
 
d. O nível da provável dureza da ZTA calculado por Suzuki (1985) 
 
 
))]Y-logt(exp(+[(1 55/8α
K+H=HV ∞ 
onde: 
K-287+884C=H ∞ ; 
P1157-1633C+237=K CM 
e P2880-5532C+566=K CMα . 
Substituindo os valores tem-se: 
K = 237 + 1633*0.2 -1157*0.316 = 198 
H∝ = 884*0.2 + 287 - 198 = 265 
α = (566 + 5532*0.2 - 2880*0.316)/198 = 3.85 
Y5 = -0.03 - 6*C + 7.77*PCm = -0.03 - 6*0.2 +7.77*0.316 = 1.22 
Desta forma a provável dureza presente na ZTA será: 
 
Dureza= 374 HV 
 
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4. CICLOS TÉRMICOS EM SOLDAGEM 
 Fatores importantes a serem considerados: 
 Energia de soldagem; 
 Temperatura de pré-aquecimento; 
 Espessura da peça. 
 
4.1 EFEITOS DA ENERGIA DE SOLDAGEM E PRÉ-AQUECIMENTO 
a) Para uma dada temperatura de pré-aquecimento, aumentando-se a energia de soldagem aumenta-
se o tempo de exposição a temperaturas próximas à temperatura de pico e em conseqüência 
diminui-se a taxa de resfriamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) Para uma dada energia de soldagem, aumentando-se a temperatura de pré-aquecimento diminui-
se a taxa de resfriamento, mas não influencia significativamente o tempo de exposição a 
temperaturas próximas da temperatura de pico. 
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4.2 EFEITOS DA ESPESSURA DA CHAPA E GEOMETRIA DA SOLDA 
 O ciclo térmico é influenciado pela espessura da peça: 
 Peças mais espessas possuem uma maior velocidade de resfriamento; 
 Peças mais finas possuem velocidade de resfriamento mais lenta. 
 
A Tabela 2 ilustra os dados obtidos ressaltando-se a influência das variáveis, energia de soldagem e 
pré-aquecimento, na taxa de resfriamento e tempo de manutenção acima da temperatura de pico. A 
Tabela 3 mostra a influência das mesmas variáveis em dois tipos de juntas (de tôpo e em T). 
 
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Tabela 2 – Taxa de resfriamento e tempo de pico (Fonte – Welding Handbook, 1981). 
Energia Pré-aquecimento Temperatura de 
Pico 
Tempo acima de 
1095 °C 
Taxa de 
resfriamento a 
650°C 
J/mm °C °C s °C/s 
3940 27 1365 16,5 4,4 
3940 260 1365 17 1,4 
1970 27 1365 5 14 
1970 260 1365 5 4,4 
 
 
 
Tabela 3 – Taxa de resfriamento típicas (Fonte – Welding Handbook, 1981). 
Taxa de resfriamento a 650°C Energia Pré-aquecimento 
Junta de tôpo – 
Chapa de 13 mm 
Solda de filete- 
Chapa de 13 mm 
J/mm °C °C/s °C/s 
1970 22 11 44 
1970 120 7 34 
1970 205 5 20 
3940 22 4 10 
3940 205 1,7 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TRINCAS A FRIO (PROVOCADAS PELO HIDROGÊNIO) 
 
Falhas que ocorrem na ZTA (CGHAZ) 
 
 
 Após a soldagem No resfriamento a baixa 
temperatura: 
210 - 150 °C 
 
 Ou 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tensões 
Microestrutura 
(ZTA) 
Martensita 
Presença de 
H2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 13
MECANISMO DE FORMAÇÃO DA TRINCA A FRIO 
 
 
 
 
 
 
RISCO DA PRESENÇA DE HIDROGÊNIO NOS PROCESSOS E 
CONSUMÍVEIS 
 
Risco do Hidrogênio 
 
 
 
 
 
EME003 – Prof. Sebastião Car
 
 
 
 
Muito baixo: 0-5ml/100g depositado 
Baixo: 5 - 10 ml/100g depositado 
Médio: 10-15ml/100g depositado 
Alto: acima de 15 ml/100g depositado
 
 
MÉTODOS DE PREVENÇÃO 
los da Costa – UNIFEI/IEPG 
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 CARBONO EQUIVALENTE 
 
5
V+Mo+Cr+
15
Ni+Cu+
6
Mn+C=CEIIW 
 
 
 
 
 
 TEMPERATURA MÍNIMA DE PRÉAQ
METODOLOGIA DE COE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo de utilizaç
Considere a soldagem de uma chapa de 30 mm
em um ambiente considerado normal. Sabendo-
determinar a temperatura mínima de pré-aqueci
 
Espessura combinada: ct = t1 + t2 = 30 + 30 = 60 m
T0min ≅ 1
 
EME003 – Prof. Sebastião Carlos da Costa – UNIFEI/IEPG
Baixo Risco: CEIIW < 0,35% 
Médio Risco: 0,35 ≤ CEIIW < 0,45%
Alto Risco: CEIIW ≥ 0,45% 
UECIMENTO 
ão do Diagrama de Coe. 
 de espessura (junta de tôpo), CEIIW =0,50%, 
se que a energia de soldagem é de 2 kJ/mm, 
mento necessária ao processo. 
m 
40°C. 
 
	2. FATORES INFLUENTES
	Tempo de Resfriamento
	2.3.1 EXEMPLO DE AVALIAÇÃO DE UMA CONDIÇÃO TÉRMICA EM SOL
	Considera a influência da composição química dos materiais
	Como th<0.75 então a chapa é considerada fina