METALURGIA DA SOLDAGEM

Metalurgia da Soldagem

Os metais no estado sólido apresentam estrutura cristalina (organização dos átomos), isto é, os átomos que o constituem são dispostos de uma maneira organizada e periódica. Esta disposição chama-se célula unitária.
Os átomos são considerados como esferas. Os átomos vibram em torno de suas posições de equilíbrio, definidas pela célula unitária. A vibração dos átomos é função da temperatura e será tanto maior quanto maior for a temperatura do metal.

Sistema Cristalino Cúbico de Corpo Centrado (CCC) à possui 2 átomos por celular unitária.
Exemplos: ferro a temperatura ambiente, o titânio a alta temperatura e o cromo em qualquer temperatura.

Sistema Cristalino Cúbico de Face Centrada (CFC) à possui 4 átomos por célula unitária.
Exemplos: níquel, o alumínio e o cobre.
CFC possui maior tenacidade que os metais do sistema CCC.

Tenacidade à é a capacidade do material resistir aos forças, deformando-se plasticamente.

Sistema Cristalino Hexagonal Compacto (HC) à possui 6 átomos por célula unitária.
Exemplos: cobalto, o magnésio e o zinco.


Impurezas ou átomos de natureza diferente do metal puro, como por exemplo, carbono, hidrogênio e oxigênio com relação aos átomos de ferro, estes se dispõem na região intersticial dos átomos de ferro, constituindo o que se chama solução intersticial.
Átomos de natureza diferente forem de dimensões semelhantes aos átomos do metal puro, estes vão deslocar os átomos de metal puro de seus lugares originais, constituindo o que se chama solução sólida substitucional.
A conseqüência da introdução de átomos de natureza diferente na estrutura cristalina do metal puro é a distorção da estrutura cristalina.
Este é o principal mecanismo responsável pelo aumento da resistência do aço pela adição de elementos de liga.


DIFUSÃO

A difusão se dá no estado sólido e é o fenômeno de um átomo deslocar-se de sua posição inicial de equilíbrio.
Quanto maior a temperatura, maior a difusão.

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

O crescimento de cada núcleo individualmente gera partículas sólidas chamadas de grãos.
Todos os grãos têm a mesma estrutura cristalina e o mesmo espaçamento atômico.
Os contornos de grãos são regiões onde a ordenação dos átomos é abruptamente desfeita. Como conseqüência da desordem dos átomos, os metais comportam frequentemente de modo diferente nos contornos de grão. Nestas regiões os átomos não estão ordenados, existindo vazios que permitem mais facilmente a movimentação atômica, devido a isto, a difusão ocorre, em geral, mais rapidamente nos contornos que no centro dos grãos.
Um dos efeitos do tamanho do grão é influenciar na resistência dos materiais. Na temperatura ambiente, quanto menor o tamanho de grão maior a resistência dos materiais, e, em altas temperaturas quanto menor o tamanho de grão, menor a resistência. Disto resulta que materiais de granulação fina comportam-se melhor em baixa temperatura e materiais de granulação grosseira em altas temperaturas.

Em alta temperatura os grãos devem ser grossos e em baixas temperaturas os grãos devem ser finos.


ENERGIA DE SOLDAGEM

Define-se a energia de soldagem como a razão entre a quantidade de energia dispendida na soldagem e a velocidade de avanço da poça de fusão.
A energia de soldagem é característica do processo de soldagem empregado.

CICLO TÉRMICO E REPARTIÇÃO TÉRMICA

A variação de temperatura em função do tempo num determinado ponto da junta soldada é o ciclo térmico.
É possível se obter as temperaturas máximas atingidas em função da distância ao centro da solda. Esta função é a repartição térmica.
Com as duas funções, torna-se viável o estudo das transformações metalúrgicas no estado sólido ocorrente numa junta soldada. O ciclo térmico possibilita a interpretação ou previsão das transformações, enquanto que a repartição térmica permite determinar a extensão das zonas onde se passam tais fenômenos.
A medida que o ponto considerando se afasta da solda, as temperaturas máximas são decrescentes e atingidas com um certo atraso. O tempo de permanência acima de uma certa temperatura decresce no mesmo sentido.


FATORES DO CICLO TÉRMICO

à a temperatura máxima atingida e a velocidade de resfriamento dependem das propriedades físicas do material que está sendo soldado;
à a temperatura máxima atingida varia diretamente com a energia de soldagem. Um pré-aquecimento aumenta a energia;
à a temperatura máxima atingida varia inversamente com a distância ao centro da solda (quanto mais afastado da solda estiver o ponto considerado, menor será a temperatura máxima atingida);
à a velocidade de resfriamento varia inversamente com a temperatura inicial da peça que está sendo soldada (quanto maior a temperatura inicial da peça, menor a velocidade de resfriamento, e, a influência da temperatura inicial é mais significativa em peças de pequena espessura);
à a velocidade de resfriamento varia diretamente com a espessura da peça que está sendo soldada (quanto maior a espessura, maior a velocidade de resfriamento);
à a velocidade de resfriamento varia inversamente com a energia de soldagem (quanto menor é a energia de soldagem, maior a velocidade de resfriamento, e, a influência da energia de soldagem na velocidade de resfriamento é maior em espessuras finas);
à a velocidade de resfriamento varia com a forma geométrica das peças;
à o processo de soldagem define a energia de soldagem e, portanto, influencia tanto a temperatura máxima como a velocidade de resfriamento.

Quanto maior é a temperatura máxima atingida, maior é a extensão da ZTA e quanto menor é a velocidade de resfriamento, menor é a possibilidade de têmpera (martensita).


ZONA FUNDIDA, TRANSFORMAÇÕES ASSOCIADAS À FUSÃO

Chama-se de fusão para um determinado metal, a sua passagem do estado sólido para o estado líquido. Essa transformação se dá com aumento de calor ou energia térmica.


DILUIÇÃO

Indica a participação do metal de base na zona fundida.
A diluição é função do processo e do procedimento de soldagem.
Na soldagem de metais dissimilares, a diluição é um dado indispensável para a previsão dos constituintes e propriedades da solda.


PRÉ-AQUECIMENTO

É o aquecimento da junta numa etapa anterior à soldagem. Tem como principal efeito reduzir a velocidade de resfriamento da junta soldada.
Principais objetivos: evitar a têmpera (martensita) diminuindo a velocidade de resfriamento e aumenta a velocidade de difusão do hidrogênio na junta soldada.
A desvantagem do pré-aquecimento é a de aumentar a extensão da ZTA. Ele é muito usado em aços-liga.


PÓS-AQUECIMENTO

Possui o principal objetivo de aumentar a difusão do hidrogênio na solda. O pós-aquecimento deve ser executado tão logo a soldagem termine, de forma a não permitir o resfriamento da junta soldada.
Não é considerado um tratamento térmico.


REPARTIÇÃO TÉRMICA E PLASTIFICAÇÃO

O nível de tensões depende do grau de restrição da estrutura, na maioria dos casos, a restrição é total na direção longitudinal do cordão de solda. Nessa direção as tensões são muito próximas do limite de escoamento.
Não dispondo de rigidez suficiente, as peças se deformam tendendo a aliviar as tensões residuais. As deformações são proporcionais a extensão da zona plastificada.

à o pré-aquecimento em temperaturas inferiores a aproximadamente 150°C, para os aços carbono, praticamente não reduz o nível de tensões residuais. O pré-aquecimento total da peça em temperaturas nas quais o limite de escoamento se anula, previne o aparecimento das tensões residuais. Entretanto, o pré-aquecimento local não reduz o nível de tensões.
à repartições térmicas mais estreitas (soldagem com baixa energia) reduzem a zona plastificada, diminuindo as deformações.
à a contração de solidificação não tenciona a peça soldada.
à as deformações podem ser evitadas, com a utilização de dispositivos de montagem, entretanto, deve-se considerar que, quanto maior o grau de restrição, mais elevadas são as tensões residuais de soldagem.


TRATAMENTOS TÉRMICOS

Possuem o objetivo de alterar ou conferir características determinadas à junta soldada.


TRATAMENTO TÉRMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES

Consiste em aquecer uniformemente a peça, de maneira que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores as tensões residuais. Nesta condição, as tensões residuais provocam deformações plásticas locais diminuindo de intensidade.
Esse tratamento não causa mudanças metalúrgicas na peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica e pode reduzir a tenacidade do metal de base.


NORMALIZAÇÃO

Tem o objetivo de a obtenção de uma microestrutura mais fina e uniforme, ou seja, diminui o tamanho de grãos (refino de grãos). Este tratamento é feito acima da temperatura crítica.

RECOZIMENTO

É o aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de um resfriamento muito lento onde a microestrutura obtida nos aços carbono é a perlita grossa e ferrita.

TÊMPERA E REVENIMENTO

Consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de um resfriamento rápido. O revenimento tem como objetivo a diminuição da dureza e o aumento da tenacidade da peça. A estrutura resultante chama-se de martensita revenida.


CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS CARBONO

à aços de baixo carbono - C≤0,18% e Mn ≤0,90%, aços não acalmados ou semi-acalmados e são materiais fáceis de serem trabalhados a frio e muito fáceis de serem soldados.
à aços de médio carbono – 0,18% < C ≤0,28% e Mn ≤1,00%, aços acalmados ou semi-acalmados, de grãos grossos, fáceis de serem soldados, mas não tão fáceis de serem trabalhados a frio.
à aços para baixa temperatura – C ≤0,23% e Mn ≤1,10%, aços acalmados ao Si e algumas vezes acalmados ao Al, a baixas temperaturas neste aço é usual a execução de tratamento térmico de normalização (grão fino);
à aços de qualidade estrutural – têm alto carbono sendo por este motivo difíceis de serem soldados.
à aços carbono de alta resistência – possui a composição química semelhante à dos aços de baixo carbono, com quantidade de manganês mais alta, materiais submetidos a tratamentos térmicos de têmpera e revenido, elevados valores de limite de resistência e a solda é muito fácil de ser executada.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS-LIGA

à aços de baixa liga – até 5% de elementos de liga;
à aços de média liga – de 5% a 10% de elementos de liga;
à aços de alta liga – mais de 10% de elementos de liga.