Aulas - Metalurgia 4

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Metalurgia da Soldagem
Allan da Silva Maia
Curso · Técnico em Soldagem
Objetivos
Conhecer os fenômenos metalúrgicos que irão afetar a microestrutura e as propriedades das juntas soldadas;
Conhecer as reações que ocorrem no arco elétrico durante a solidificação da poça fundida;
Entender os fenômenos térmicos que ocorrem durante a soldagem; compreender o efeito do aporte de calor sobre a velocidade de resfriamento, sobre a microestrutura resultante no metal de solda e na zona afetada pelo calor (ZAC);
Conhecer os principais microconstituintes do metal de solda ferrítico.
Programa
UNIDADE I – EFEITOS DO CALOR NA SOLDAGEM
Distribuição de Temperatura;
Fluxo de calor; 
Ciclos Térmicos na Soldagem;
Características das zonas fundidas, afetadas afetada pelo calor e metal de base.
UNIDADE II – CÁLCULO DE PARÂMETROS
Cálculo da Temperatura de Pico;
Cálculo da Velocidade de Resfriamento;
Solidificação da Poça de Fusão;
Cálculo da Temperatura de Pré-aquecimento.
UNIDADE III – INFLUÊNCIA DO CICLO TÉRMICO
Tipos de Crescimento na Interface Sólido/líquido;
Geometria da Peça Fundida;
Difusão e Diluição;
Reações Metal/Gás e Metal/Escória;
Índice de Basicidade;
Carbono Equivalente.
UNIDADE IV – TRANSFORMAÇÕES NO ESTADO SÓLIDO DO AÇO-CARBONO
Teoria da Nucleação e Crescimento de Fases;
Microconstituintes do Metal de Solda de Aços Ferríticos;
Transformações na ZAC;
Diagrama de Schaeffler;
Trincas a Frio Induzida pelo Hidrogênio;
Descontinuidades.
Programa
UNIDADE V – SOLDABILIDADE
Soldabilidade dos Aços Carbonos e Baixa Liga;
Soldabilidade do Aços Inoxidáveis;
Soldabilidade do Ferros Fundidos.
Aula 1: Revisão
Revisão de materiais
Aula 5: Efeitos do calor na Soldagem
Distribuição de Temperatura;
Fluxo de calor; 
Ciclos Térmicos na Soldagem;
Características das zonas fundidas, afetadas afetada pelo calor e metal de base.
Aspectos térmicos da soldagem
Desenvolver materiais que sejam menos sensíveis à soldagem, isto é, melhorar a "soldabilidade" dos materiais. 
Controlar a operação de soldagem de modo a minimizar, ou remover, a degradação de propriedades da peça
Aspectos térmicos da soldagem
Estudar o efeito da operação de soldagem sobre a estrutura e propriedades dos materiais
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. 
Desenvolvimento de operações complementares, seja para minimizar a degradação de propriedades, seja para reverter esta degradação.
Aspectos térmicos da soldagem
Aspectos térmicos da soldagem
A maioria dos processos de soldagem por fusão é caracterizada pela utilização de uma fonte de calor intensa e localizada, sendo necessário suprir à poça de fusão de quantidade e intensidade apropriadas
Esta energia concentrada pode gerar:
Temperaturas elevadas;
Altos gradientes térmicos, variações bruscas de temperatura;
Extensas variações de microestrutura e propriedades.
Aspectos térmicos da soldagem
Variações de temperatura causam, além da fusão e solidificação do cordão de solda, variações dimensionais e alterações microestruturais localizadas.
Tensões residuais e distorção;
Deterioração de propriedades mecânicas (dutilidade, tenacidade, resistência mecânica, etc);
Formação de trincas;
Deterioração de propriedades físicas, químicas, etc.
Variações bruscas de temperatura: até 1000 °C/s;
Fatores que devem ser considerados no estudo da transferência de calor em juntas soldadas:
Aporte de energia ou de calor à junta soldada;
Rendimento térmico do arco elétrico;
Tempo de permanência nessas temperaturas;
Velocidade de resfriamento da zona de solda.
Aspectos térmicos da soldagem
Na soldagem por fusão, trabalha-se com fontes de calor de elevada temperatura (2.000 a 20.000oC), concentradas e, portanto, de elevada Intensidade.
Aspectos térmicos da 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
	Laser (LBW)	0,005 – 0,70
Rendimento térmico para alguns processos de soldagem.
Energia de Soldagem
(Energia por unidade de comprimento)
η → Eficiência Térmica
V → Tensão no arco [Volts ]
I → Corrente [amperes]
v → Velocidade de soldagem [mm/s] 
(Energia por unidade de área)
A0 → Área varrida [m2/s]
Eficiência térmica ou Rendimento térmico ()
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Característica do processo de soldagem:
 
Processos de baixa Energia de Soldagem: 
Eletrodo Revestido, Mig-Mag, Tig. 
Processos de alta Energia de Soldagem: 
Arco submerso. Eletro-escória. 
Parâmetro cuja medida é simples. 
Utilizada em normas e trabalhos técnicos para especificar condições de soldagem. 
Balanço Térmico na Soldagem por Fusão:
Entradas de calor:
Fonte de calor utilizada (chama, arco, resistência de contato, etc);
Reações metalúrgicas exotérmicas.
Saídas de calor:
Condução através da peça;
Condução através do eletrodo;
Perdas por radiação e convecção e;
Reações endotérmicas.
Aspectos térmicos da soldagem
O fluxo de calor na soldagem pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas etapas básicas:
Fornecimento de calor à junta
Dissipação deste calor pela peça 
Distribuição de temperatura
Ciclo Térmico
            A variação da temperatura em diferentes pontos da peça durante a soldagem pode ser estimada na forma de uma curva. 
 O ciclo térmico possibilita a interpretação ou previsão das transformações; 
Distribuição de temperatura
Ciclo Térmico
Etapas:
Aquecimento vigoroso;
Temperatura máxima do ciclo é atingida
Resfriamento gradual
Distribuição de temperatura
Ciclo Térmico
Tc – Temperatura crítica, acima do qual acorre algum fenômeno indesejável ( exemplo: crescimento de grão).
tc – Tempo no qual o material, naquele ponto, permanece numa temperatura acima de Tc.
Distribuição de temperatura
Ciclo Térmico
Velocidade de Resfriamento (ϕ) - É importante na determinação da microestrutura em materiais como os aços, que sofrem transformações de fase durante o resfriamento. A velocidade de resfriamento é dada pela inclinação da curva de ciclo térmico nesta temperatura.
Φ800 – 500 – Velocidade média no intervalo de temperatura de 800 a 500°C.
Δt85 – Intervalo de tempo no qual o material (ponto) permanece entre as temperaturas 800 e 500°C.
Distribuição de temperatura
Distribuição de temperatura
Influencia no ciclo térmico
Condutividade Térmica da Peça: Materiais de menor condutividade térmica dissipam o calor por condução mais lentamente, tendendo a ter gradientes térmicos mais abruptos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento. 
Cobre e o alumínio, dissipam rapidamente o calor, dificultando a fusão localizada e exigindo, em geral, fontes de calor mais intensas ou a utilização de pré-aquecimento para a obtenção de uma fusão adequada.
Influencia no ciclo térmico
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.
Influencia no ciclo térmico
Geometria da Junta: 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 com espessuras semelhantes. 
Influencia no ciclo térmico
Energia de Soldagem: A velocidade de resfriamento da solda tende a diminuir e a repartição térmica a ficar mais aberta com um aumento na energia de soldagem.
Influencia no ciclo térmico
Temperatura de Pré-aquecimento: Temperatura inicial em que toda a peça ou a parte desta onde a solda será realizada é colocada antes do inicio da operação.
Como a energia de soldagem, a utilização de pré-aquecimento causa uma diminuição na velocidadede resfriamento.
Influencia no ciclo térmico
Influencia no ciclo térmico
Pré aquecimento
Objetivo principal
Reduzir a velocidade de resfriamento
Efeito
Evita formação de uma microestrutura frágil (Martensita)
Aumenta a difusão do hidrogênio
Diminuem as tensões de contração
Alto grau de restrição - aumenta as tensões se o pré aquecimento for localizado, aumentando a possibilidade de fissuração
Desvantagem de aumentar a extensão da ZTA
Influencia no ciclo térmico
Pré-aquecimento: 50 e 540ºC, reduz produção de Martensita. Recomendado: aços de alto carbono e teor de liga
Influencia no ciclo térmico
O pré-aquecimento a 120 – 150ºC é empregado na soldagem multipasse em seções maiores que 25 mm para prevenir trincas.
Influencia no ciclo térmico
Temperatura de pico (𝑇);
Tempo de permanência;
Velocidade de resfriamento (𝜙);
Tipo de metal de base (Condutividade térmica) (𝑘);
Geometria da junta;
Espessura da junta (𝑡);
Energia de soldagem (𝐻);
Temperatura inicial da peça (𝑇𝑜);
Peças finas
Influencia no ciclo térmico
Temperatura de pico (𝑇);
Velocidade de resfriamento (𝜙);
Condutividade térmica (𝑘);
Espessura da junta (h);
Energia de soldagem (𝐻);
Temperatura inicial da peça (𝑇𝑜);
Para peças espessas (h ≥ 40mm)
Distribuição de temperatura
Repartição térmica
            A repartição térmica é a máxima temperatura atingida em cada ponto, em função da distância deste ponto ao centro do cordão de solda. 
Distribuição de temperatura
Repartição térmica
Permite determinar a extensão das zonas onde se passam tais fenômenos.
Distribuição de temperatura
Repartição térmica
           
Distribuição de temperatura
Repartição térmica
           
Distribuição de temperatura
Repartição térmica: distribuição da densidade de energia
           
Distribuição de temperatura
Repartição térmica: distribuição da densidade de energia
           
Influencia no ciclo térmico
A temperatura máx. atingida e a velocidade de resfriamento dependem das propriedades físicas do material;
A temperatura máx. atingida varia diretamente com a energia de soldagem: quanto maior a energia maior a temperatura atingida;
A temperatura máx. atingida varia inversamente com a temperatura inicial;
A velocidade de resfriamento varia diretamente com a espessura da peça;
A velocidade de resfriamento varia inversamente com a energia de soldagem;
A velocidade de resfriamento varia com a forma geométrica das peças.
Influencia no ciclo térmico
Os ciclos térmicos de soldagem e a repartição térmica são principalmente dependentes dos seguintes parâmetros:
tipo de metal de base, relativamente a sua condutividade térmica, pois quanto maior a condutividade térmica, maior sua velocidade de resfriamento;
a velocidade de resfriamento diminui com o aumento do aporte térmico e da temperatura inicial da peça e consequentemente a repartição térmica torna-se mais larga.
Influencia no ciclo térmico
A repartição térmica e o ciclo térmico estão relacionados no espaço
Influencia no ciclo térmico
	Parâmetro	Velocidade de Resfriamento	Tempo de Permanência a alta temperatura 
	Condutividade (↑)	↑	↓
	Espessura (↑)	↑	↓
	Temperatura Inicial (↑)	↓	↑
	Energia de Soldagem (↑)	↓	↑
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