2.20 - aluminio e suas ligas

Módulo: 2.20 - Alumínio e suas ligas

Formador: Guilherme Santos

Pós Graduação em Engenharia Soldadura

Objectivos Pedagógicos

Compreender em detalhe a metalurgia, campo de

aplicação e a soldabilidade do Alumínio e suas Iigas.

Temas a discutir

• Classificação do alumínio e ligas de alumínio (puro, ligas trabalhadas a frio, tratadas térmicamente) ISO/TR 15608

• Soldabilidade do alumínio e ligas de alumínio (amaciamento da ZTA, porosidade e fissuração a quente, diagramas de fissuração, distorsão)

• Limpeza da camada de óxido (limpeza catódica.....

• Processos de soldadura aplicáveis

• Materiais de adição (selecção, armazenamento e manuseamento)

• Gases de protecção

• Detalhes de concepção

• Preparação de juntas

• Recomendações gerias

• Aplicações e problemas especiais (estruturas leves, criogenia)

Resultados esperados

• Explicar detalhadamente a metalurgia do alumínio e

das ligas de alumínio;

• Explicar a soldabilidade do alumínio e das ligas de

alumínio incluindo juntas dissimilares;

• Explicar detalhadamente os processos de soldadura

aplicáveis e tipos de consumíveis para o alumínio e

ligas de alumínio;

• Explicar detalhadamente o campo de aplicação do

alumínio e ligas de alumínio;

Principais actividades

utilizadoras do Alumínio

• Meios de transporte: aviões, barcos, bicicletas, auto-tanques, etc.

• Embalagens: papel alumínio, Tetra Pak, latas, panelas,etc.

• Construção Civil: janelas, portas, divisórias, etc.

• Utilização doméstica: utensílios cozinha, ferramentas, etc.

• Linhas de transporte de electricidade

• Recipientes criogénicos até –200ºC

• Fabrico de caldeiras

Principais características do

Alumínio e ligas

• Boa resistência à oxidação do ar ambiente e à corrosão

• Elevada resistência (AlZnCuMn~=700 N/mm2)

• Bom condutor eléctrico e térmico (5x aço; 65%Cu)

• Mantém a resistência ao impacto a baixa temperatura

• Boa formabilidade

• Reciclável

• Propriedades físicas

• Propriedades químicas

• Propriedades mecânicas

• Outras propriedades

Características do Alumínio

1- Baixa densidade

2- Elevada condutibilidade eléctrica

3- Elevada condutibilidade térmica

4- Baixo ponto de fusão

5- Módulo de elasticidade baixo

6- Coeficiente de dilatação linear elevado

7- Elevado calor especifico

Características do AlumínioPropriedades físicas

Caracterização do AlumínioPropriedades físicas

• Densidade: a densidade do Al é a menor de todos os metais com

excepção do Mg, o que lhe confere uma enorme vantagem sempre que

o factor peso for preponderante (ex. Material de transporte).

• Condutibilidade eléctrica: O Al puro tem a melhor condutibilidade

a seguir ao Cu (67%). Para igualar a condutibilidade do Cu necessita

multiplicar a sua secção condutora por 1,67; no entanto o seu peso

é metade do Cu. As ligas têm uma condutibilidade mais baixa.

• Estas propriedades tem pouca influência sobre a soldabilidade do Al.

• Condutibilidade térmica: Esta propriedade é das mais elevadas entre

os metais, sendo cerca de 50% da do Cu; no entanto é à volta de 5x a do

aço. A sua importância na soldabilidade das ligas de alumínio é muito

grande.

• Ponto de fusão: O Al tem uma temperatura de fusão de 660ºC,

comparativamente baixo com os outros metais industriais.

• Módulo de elasticidade: O Al tem um módulo de elasticidade baixo

quando comparado com o aço (~3x). Esta desvantagem em termos de

resistência é compensada pelo menor peso. Uma chapa de Al com a

rigidez idêntica à do aço pesa ~50% menos (ex.Material de transporte)

• Coeficiente de expansão linear :

O alumínio, com o aumento da temperatura sofre uma dilatação linear, que é cerca de 2x a do aço. Esta característica causa grandes problemas na sua soldadura, como distorções e fissuração a quente.

• Calor específico:

Comparativamente com os outros metais correntes, com excepção do Mg, o alumínio necessita de uma quantidade calor muito maior para aquecer uma determinada massa, apesar do seu baixo ponto de fusão, daqui resulta que, considerando estas características físicas, para soldar o alumínio é necessário uma energia calorífica praticamente idêntica à usada para o aço

Propriedade Alumínio Cobre Aço Inox 304 Magnésio

Densidade 2,7 8,96 7,85 8,02 1,74

Cond. Eléctrica (% IACS) 62 100 10 2 38

Cond. Térmica (W/m.ºC) 222 394 46 21 159

Cf. Exp.Linear 20º(mil/m) 2,3 1,64 1,2 1,73 2,58

M. Elasticidade (Mpa) 69000 110000 200000 200000 45000

Calor especif. (J/Kg.ºC) 940 376 496 490 1022

T. fusão 660 1083 1450 1400 651

Condutibilidade eléctrica

do Alumínio

- A principal propriedade química é a formação do óxido superficial

(Al2O3), duro e tenaz e que é responsável pela sua excelente resistência à corrosão em vários meios.

- Este óxido forma-se naturalmente ao ar ambiente.

- A sua espessura varia desde 1 a 80 μm.

- A camada de óxido é porosa absorvendo humidade e produtos contaminantes, o que causa problemas na soldadura.

- O óxido é mau condutor eléctrico.

- O óxido é insolúvel no alumínio líquido e impede a sua molhagem.

Caracterização do AlumínioPropriedades químicas:

- O alumínio puro tem uma resistência mecânica baixa; no entanto por deformação mecânica ou por meio de adição de um ou mais elementos de liga a sua resistência pode ser aumentada;

- A ductilidade do Al puro é elevada e mesmo as ligas de elevada resistência mecânica apresentam razoável ductilidade.

- A sua tenacidade não diminui a baixas temperaturas, sendo por isso cada vez mais utilizado em aplicações criogénicas.

Caracterização do AlumínioPropriedades mecânicas

Caracterização do Alumínio

Propriedades mecânicas

O Alumínio puro apresenta baixa resistência mecânica para

aplicações estruturais, razão pela qual a maioria dos

produtos em Alumínio são fabricados a partir de ligas, com

o objectivo de conseguir as características pretendidas.

A maior parte das ligas existentes são soluções sólidas de

um ou mais elementos dissolvidos na matriz de Alumínio.

A melhoria das propriedades mecânicas destas ligas é obtida

por deformação plástica (encruamento) ou por T.T. de

têmpera e revenido.

Propriedades mecânicas

do Alumínio

Ligas de Al

Resistência à corrosão

• A resistência à corrosão do Al e suas ligas é-lhe dada pela presença da alumina (Al2O3), pois o metal puro é pouco resistente.

• Este óxido forma-se muito rapidamente na presença do ar e da água (mais rapidamente na água).

• A alumina dissolve-se com produtos químicos (ácidos fortes e alcális).

• Quando o filme é removido o metal corrói-se rapidamente. O filme é estável com 4<Ph>9 e também com ácido nítrico concentrado (Ph=1) e hidróxido de amónia (Ph=13).

• A resistência à corrosão pode ser aumentada por tratamento de anodização

• A maioria das ligas de alumínio apresenta boa resistência à corrosão:- Ambientes naturais- Água fresca- Água do mar- Muitos solos- Substâncias químicas- Maior parte dos alimentos

• Recipientes de paredes finas são capazes de resistir à perfuração.

• Por vezes o alumínio apresenta mau aspecto resultante de alguns pontos escuros de oxidação localizada, mas que não afectam sobremaneira a sua durabilidade.

• A resistência à corrosão do Al e suas ligas depende:

- Do ambiente (rural, industrial, marítimo, solos, etc);

- Da composição química da liga;

• O Al comercialmente puro e as ligas Al-Mn, Al-Mg e Al-Mg-Siapresentam boa resistência à corrosão sendo por isso empregues em estruturas de embarcações.

• As ligas Al-Cu e Al-Zn-Mg não apresentam boa resistência à corrosão em ambiente marítimos, pelo que devem ser pintados ou “cladding”.

Outras propriedades

- Não magnético;

- Não produz faíscas;

- Elevada reflexividade;

- Não tóxico;

Classificação do Alumínio e ligas

Classificação do alumínio

• Alumínio puro

• Ligas de Alumínio

Série Tipo de liga

1XXX Alumínio não ligado e grau de pureza (Al =/ >99,0%)

2XXX Ligas com Cobre (Al-Cu)

3XXX Ligas com Manganês (Al-Mn)

4XXX Ligas com Silício (Al-Si)

5XXX Ligas com Magnésio (Al-Mg)

6XXX Ligas com Magnésio e Silício (Al-Mg-Si)

7XXX Ligas com Zinco (Al-Zn)

8/9XX Ligas c/outros elementos (8) ou pouco usuais (9)

Classificação das ligas de Alumínio (UNS)

“trabalháveis”

Série Tipo de liga

1XXX Industrias química e eléctrica, decoração, reflectores, etc.

2XXX Peças para aeronaves, hélices, rebites

3XXX Peças uso geral, latas bebidas, reservatórios, arquitectura

4XXX Eléctrodos e varetas soldadura, chapas cladding,

5XXX Industria naval, química, contentores, transportes,..

6XXX Produtos extrudidos, material transporte, pontes,

7XXX Componentes estruturais de aeronaves

8/9XX Industria aeroespacial

Principais aplicação das ligas de Alumínio

Classificação do Alumínio

e suas ligas (ISO/TR 15608)

Grupo Tipo de liga

21 Alumínio puro c/ menos de 1% de impurezas (Al>99%)

22 Ligas Alumínio não tratadas térmicamente (Al-Mn e Al-Mg)

23 Ligas Alumínio tratadas térmicamente (Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg)

24 Ligas com Silício (Al-Si)

25 Ligas Alumínio-Silício-Cobre (Al-Si-Cu)

26 Ligas Alumínio-Cobre (Al-Cu)

• O Alumínio puro, usado industrialmente, é fornecido com um graude pureza entre 99,00% e 99,99%.• Existem ainda variedades de Alumínio com graus de pureza superiores, caso do Alumínio electrolítico (99,9%), 99,99% e mesmo 99,999%.

• Estes 2 últimos casos devem ser considerados para aplicações muitorestritas, tendo em conta o seu elevado preço.• A sua resistência à corrosão aumenta com a pureza, aplicando-se no manuseamento de hidrocarbonetos, ácidos nítrico, sulfúricos, amoníaco.• Associado ao alumínio existem sempre impurezas em teores muitobaixos, como o Fe, Ti, Cu, Zn e Si, as quais afectam bastante a resistência mecânica e a condutibilidade eléctrica.

Alumínio puro

Teor de impurezas permitidas de

acordo com a UNE 38 111

Qualidade

Impurezas admissíveis (%)

Si + Fe Ti Cu + Zn Total

Al 99,7 % <0,3 <0,03 <0,03 0,3 max

Al 99,5 % <0,5 <0,03 <0,05 0,5 max

Al 99,0 % <1,0 <0,03 <0,1 1,0 max

Al 98,0 % <2,0 <0,03 <0,2 2,0 max

Influência das impurezas na

resistência mecânica do Alumínio

Pureza Al (%)

Tensão rotura (Mpa)

Tensão cedência (Mpa)

Alongamento (%)

Al 99,999 (recozido) 41 a 45 12 a 15 40 a 50

Al 99,98(recozido) 40 a 70 15 a 40 28 a 55

Al 99,5 (recozido) 70 (min) 30 30 (min)

Al 99,0 (recozido) 80 (min) 40 4 (min)

Influência das impurezas na

condutibilidade eléctrica e térmica

do Alumínio

Pureza Al (%)

Condutibilidade eléctrica(m/Ώmm2)

Condutibilidade térmica(W/m.K)

Al 99,98 37,6 232

Al 99,5 34 a 36 210 a 220

Al 99,0 33 a 34 205 a 210

Em virtude de o alumínio puro ser um metal macio, dúctil e com baixaresistência mecânica (~50 N/mm2) é possível melhorar estas características por:

• Endurecimento por deformação a frio

• Tratamento térmico de têmpera e revenido

• Formação de ligas

Ligas de alumínio

Ligas de Alumínio

• Elementos principais : Cu, Mn, Si, Mg e Zn;

• Elementos secundários (afinadores de grão/ propriedades

especiais;

• Impurezas (Fe, Si);

Ligas de Alumínio

• Os elementos secundários mais importantes são o Fe, Cr,

V, Zr, Ni, Bi e o Ti.

• A sua função é melhorar a aptidão aos T.T., a resistência

mecânica, a resistência à corrosão e outras propriedades.

• A presença destes elementos pode ter grande influência na

soldabilidade da liga, devendo portanto ser tomados em

consideração na escolha dos metais de adição e dos

parâmetros de soldadura.

Ligas de Alumínio

As ligas de Alumínio são classificadas, segundo a aplicação, em:

• Ligas forjadas (trabalháveis);

• Ligas vazadas (fundição);

Ligas de Alumínio

As ligas de alumínio forjadas, como chapas, perfis, vergalhões,

fios, etc, são obtidas por processos mecânicos (extrusão, laminagem,

trefilagem e forjamento), e são consideradas “trabalháveis”.

As ligas de alumínio vazadas são obtidas por fundição e

vazamento de Al liquido em moldes. São ligas endurecíveis por

precipitação e nunca por tratamento mecânico.

• Alumínio puro

• Ligas tratáveis térmicamente: Ligas cujas propriedades podem ser modificadas por T.T.

(endurecidas por solução sólida).

• Ligas não tratáveis térmicamente:Ligas cujas propriedades não se alteram por T.T.

(endurecidas apenas por deformação mecânica a frio)

Classificação do alumínio

• As ligas tratáveis térmicamente contêm além do Al, Cu, Mg, Si e Zn, cuja solubilidade no alumínio aumenta com a temperatura, tornando possível por T.T. aumentar a resistência da liga.

• Para estas ligas o principal tratamento é de solubilização e envelhecimento para causar endurecimento por precipitação.

• O T.T. consiste em pôr os elementos da liga em solução sólida, aquecendo-a a uma temperatura elevada e arrefecê-la de seguida rapidamente provocando a sua sobre-saturação. Seguidamente a liga deve ser mantida a uma temperatura mais baixa por forma a provocar uma precipitação controlada dos elementos da liga.

• Estas ligas podem ser submetidas a um (T.T.) para recuperarem as características mecânicas perdidas durante a soldadura.

Classificação das ligas

de Alumínio

• As ligas tratáveis térmicamente, após a solubilização, ficam em situação instável, pois os elementos de liga formam compostos intermetálicos precipitados na matriz, que têm tendência para se libertar.

• Estes precipitados são muito finos e distribuem-se uniformemente na matriz provocando o endurecimento da liga.

• Esta precipitação pode ocorrer à temperatura ambiente e por períodos de tempo mais longos e designa-se por envelhecimentonatural ou ser ser acelerado por aquecimento a temperaturas entre 120 a 200ºC por algumas horas, designando-se por envelhecimento artificial.

de Alumínio

• As ligas não tratáveis térmicamente caracterizam-se por apenas

poderem melhorar as suas propriedades mecânicas por

deformação a frio (encruamento).

• Para obter este resultado deve ocorrer uma deformação mecânica

na estrutura cristalográfica, que aumenta a resistência mecânica e

diminui a ductilidade.

• Estas ligas, quando aquecidas (soldadura) perdem parte da sua

resistência mecânica, a qual apenas pode ser recuperada por

trabalho a frio adicional.

• São produzidas com vários graus de têmpera (H)

de Alumínio

Processo endurecimento por formação de solução sólida

É um processo que provoca uma distorção da rede cristalina, a qual

por sua vez origina barreiras ao movimento das deslocações.

As propriedades mecânicas, dureza, resistência à tracção e limite

elástico aumentam por via dessas barreiras.

Endurecimento das

ligas de Alumínio

Processo endurecimento por precipitação

É um processo baseado na fraca solubilidade de partículas finas de

alguns elementos de liga, as quais originam barreiras ao

movimento das deslocações e por consequência aumentam as

propriedades mecânicas.

Este processo também é conhecido por “envelhecimento

metalúrgico”.

Endurecimento das

ligas de Alumínio

Processo endurecimento por formação de várias fases

É um processo baseado na formação de uma 2ª ou mais fases,

sendo que estas apresentam propriedades mecânicas mais elevadas.

Endurecimento das

ligas de Alumínio

• O cobre (Cu) apresenta uma solubilidade no Alumínio quase

nula à temperatura ambiente e de 5,7% a 547ºC.

• Por esta razão cria-se uma 2ª fase (CuAl2), a qual endurece

bastante a liga Al-Cu.

Grafico cobre slv

Influência dos elementos de liga

no endurecimento

• O manganês (Mn) é um elemento muito utilizado no

endurecimento das ligas de alumínio (Mn<1,5%), por formar com

este uma solução sólida, de efeito muito acentuado.

• Forma uma família de ligas com o alumínio (Al-Mn) que

endurecem por trabalho mecânico.

• É também usado como elemento secundário nas ligas Al-Cu-(Mn)

e Al-Mg-Si-(Mn).

no endurecimento

• O silício (Si) é um elemento que baixa o ponto de fusão da liga e

melhora a sua fluidez, propriedades muito importantes nos metais

de adição e no fabrico de peças por fundição.

no endurecimento

• O magnésio (Mg) é um elemento muito utilizado no

endurecimento das ligas de alumínio, por formar com este uma

solução sólida, de efeito muito acentuado.

no endurecimento

• O Zinco , ao contrário do Mg, do Si e do Cu não tem qualquer

acção endurecedora nas ligas binárias Al-Zn (baixa distorção da

rede cristalina), apesar de ter um diâmetro atómico muito

próximo do Al.

• O Zn quando combinado como Cu e o Mg confere ás ligas

elevada resistência mecânica.

• A adição de Mg ás ligas Al-Zn melhor o seu envelhecimento,

por precipitar compostos de MgZn2.

no endurecimento

Elemento Solubilidade max.

(% peso)

Temperatura

Magnésio

Manganês

Silício

Gráficos

no endurecimento

Ligas de Alumínio

Não tratáveis térmicamente

Tratáveis térmicamente

• O 1º digito indica a série a que as ligas pertencem de acordo com o

elemento químico que apresenta maior teor na composição da liga;

• O 2º digito indica a modificação da liga original ou o limite de

impurezas no caso da alumínio puro.

• Os últimos 2 dígitos indicam a liga ou a pureza do alumínio

Exemplos:1050 (Al não ligado, s/ controle impurezas, 99,5%)

1080 ( Al não ligado, s/ controle impurezas, 99,8%)

1350 ( Al não ligado, c/ controle impurezas, 99,5%)

Identificação numérica: série 1xxx

Identificação das ligas de Al

• O 1º digito indica a série a que as ligas pertencem de acordo com o

elemento químico que apresenta maior teor na composição da liga;

• O 2º digito indica a modificação da liga original: o algarismo 0

indica a liga original e os algarismos 1...9 as modificações.

• Os últimos 2 dígitos são arbitrários; servem para distinguir as

diferentes ligas da série.

Exemplos:5056 (liga Al-Mg original)

5456 ( liga Al-Mg modificada)

2017 (liga Al-Cu original)

2117 (liga Al-Cu modificada)

Identificação numérica: séries 2xxx – 8xxx

Identificação das ligas

de Alumínio

• Os tratamentos térmicos a que as ligas foram sujeitas com vista ao

seu endurecimento é adicionada à identificação numérica.

Exemplo: 2014-T6

A norma europeia DIN EN 573classifica as ligas segundo 2 critérios:

• Na identificação numérica, (DIN EN 573-1)

os materiais seguem a mesma classificação de 4 dígitos, conforme a

AA, mas precedidas de EN AW xxxx.

• Exemplo: EN AW-2117

• Na identificação alfanumérica (DIN EN 573-3) são apresentados

os elementos da liga principal e secundário e respectivos teores.

Exemplo: AlCu2.5Mg (2117)

ligas de alumínio

Têmpera

• Designa-se por têmpera o estado que o material adquire por uma acção externa, a frio ou a quente ou pela combinação de ambos, adquirindo por força dessa acção alterações na suas estrutura e propriedades mecânicas.

• A identificação do estado de têmpera assenta em letras e algarismos que indicam as operações a que a liga foi sujeita.

• No caso de existirem variantes à operação realizada são acrescentados novos dígitos.

ligas de Alumínio

Estados principais de Têmpera

Ligas Não Tratadas Térmicamente

• “F” – Sem tratamento (como fabricado);• “O” – Recozido;• “H” – Encruado;

H1x – Encruado e sem TT adicional;

H2x – Encruado e parcialmente recozido;H3x – Encruado e estabilizado;H4x – Encruado com acabamento no forno;

ligas de alumínio

Têmpera

• Para designar o tipo de deformação a que foram submetidas as

ligas usa-se a letra H seguida de 2 ou 3 dígitos (H1x ou H1xx).

O 3º dígito só é usado quando se pretende um controle especial,

ou quando algumas características da liga são afectadas.

Designação da Q de trabalho mecânico sofrido

1 1/8 Duro 6 3/4 Duro

2 ¼ Duro 8 Totalmente Duro

4 1/2 Duro 9 Extra Duro

ligas de Alumínio

Ligas Tratadas Térmicamente

• “W” – Solubilizado. Aplica-se a algumas ligas que envelhecem naturalmente à temperatura ambiente após tratamento de solubilização;Têmpera instável: o tempo para envelhecimento natural pode ser determinado:W 2h

• “T” – Tratado térmicamente (T1....T9; Tx51, Tx52)Produz propriedades mecânicas estáveis, diferentes de F, O, H, com ou sem encruamento suplementar

ligas de Alumínio

T1 Temperada e envelhecida naturalmente

T2 Temperada, trabalhada a frio e envelhecida naturalmente

T3 Solução sólida, trabalhada a frio e envelhecida naturalmente

T4 Solução sólida e envelhecida naturalmente

T5 Temperada e envelhecida artificialmente (revenida)

T6 Solução sólida e envelhecida artificialmente (revenida)

T7 Solução sólida e estabilizada

T8 Solução sólida, trabalhada a frio e envelhecida artificialmente

T9 Solução sólida, envelhecida artificialmente e trabalhada a frio

T10 Temperada, trabalhada a frio e revenida

Identificação das

ligas de Al vazadas

As ligas de Alumínio vazadas, são identificadas por:

3 dígitos+ 1 decimal

Exemplo: 2xx.x

Série Tipo de liga

1XX.X Alumínio não ligado e grau de pureza (Al =/ >99,0%)

2XX.X Ligas com Cobre (Al-Cu)

3XX.X Ligas com Silício e adições de cobre e magnésio

4XX.X Ligas com Silício (Al-Si)

5XX.X Ligas com Magnésio (Al-Mg)

6XX.X Grupo não utilizado

7XX.X Ligas com Zinco (Al-Zn)

8/9X.X Ligas c/ Estanho (8);outros elementos (9)

Classificação das ligas de Alumínio

Fundição

Série Liga Principais aplicações

1XX.X Al puro Contactos eléctricos

2XX.X Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica

3XX.X Al-Si-Mg e Al-Si-Cu Várias

4XX.X Al-Si Pistões motores

5XX.X Al-Mg Navios, barcos

6XX.X Não existe Não especificado

7XX.X Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica

8XX.X Al-Sn Várias-Ligas baixo ponto de fusão

Aplicações das ligas de Alumínio

Fundição

Caracterização das séries

Propriedades do Alumínio e ligas

Al puro 99,5% (1050)

A série 1xxx - Alumínio comercialmente puro, é caracterizada por:

• Excelente resistência à corrosão;

• Elevada condutibilidade térmica e eléctrica;

• Baixas propriedades mecânicas (> trabalho a frio)

• Boa aptidão para ser trabalhada:

• Boa soldabilidade

• Equipamento químico, condutores eléctricos, chapas Alclad, reflectores, decoração, etc. (liga mais usada 1050- Al 99,5)

• A série 2xxx tem como elemento de liga principal o Cobre, o qual aumenta consideravelmente a resistência mecânica do Al.

• Este grupo de ligas é tratável térmicamente;

• A liga Al-Cu é especialmente usada nas situações onde se pretende boa resistência a temperaturas moderadas;

• Principal aplicação em peças para motores de avião e para o fabrico de hélices e rebites.

• A maioria das ligas deste grupo é considerada não soldávelpelos processos de arco eléctrico, por terem grande sensibilidade à fissuração a quente, com excepção das 2219 e 2519 (Cu~6%) que apresentam boa soldabilidade; no entanto algumas delas são facilmente maquináveis;

• Para evitar o problema da fissuração nas soldáveis, usam-se metais de adição com baixo ponto de fusão (ex. ligas AlSi5).

• Todas as ligas da série 2xxx são difíceis de ligar por brasagem; no entanto são soldadas por resistência sem dificuldade.

• Esta liga apresenta uma resistência à corrosão mais baixa que a generalidade das ligas de Alumínio, podendo mesmo ser sujeita à corrosão intergranular.

• A série 3xxx, tem como elemento principal de liga o Manganês (<1,5%), formando com o Alumínio um conjunto de ligas não tratáveis térmicamente.

• Possui resistência moderada, embora superior à das ligas da série 1xxx, elevada ductilidade e excelente resistência à corrosão;

• Podem melhorar-se as propriedades mecânicas por tratamento mecânico.

• A sua soldabilidade é boa e não tende a fissurar a quente.

• Aplicada no fabrico de panelas (3003), latas de bebidas (3004), tanques de armazenamento, toldos, ....

• O Silício, (série 4xxx), forma com o Alumínio uma liga tratável térmicamente, com ponto de fusão mais baixo e excelente fluidez (Si<12%). A liga mais usada é a 4043 (AlSi5).

• Possui resistência moderada (~120N/mm2)

• Podem melhorar-se as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão por tratamento mecânico.

• A sua soldabilidade é boa e é menos sensível à fissuração a quente.

• Aplicações arquitectónicas, fio de soldadura, ligas brasagem, chapas de “cladding”, ....

• O Magnésio, (série 5xxx), forma com o Alumínio uma liga não tratável térmicamente, com excelente soldabilidade e boa resistência à corrosão. A mais usada é a 5356 (AlMg5)

• As ligas com teor de Mg<2.5% são sensíveis à fissuração a quente se forem soldadas com MA da mesma composição. A solução passa por empregar MA com teor de Mg~5%.

• É a liga com maior resistência das não tratadas térmicamente (250 N/mm2).

• Perde ductilidade quando soldada com metais de adição AlSi.

• Tem uma aplicação muita vasta, como sejam o fabrico de contentores, vagões ferroviários, tanques de armazenamento de produtos químicos, caldeiras, estruturas, barcos, etc.

Al-Mg-Si

• Nas ligas da (série 6xxx), o Silício e o Magnésio, combinados formam um composto intermetálico Mg2Si, que é o responsável pela dureza da liga.

• As ligas da série 6xxx apresentam 2 características que justificam a sua maior utilização relativamente ás outras ligas de alumínio: o endurecimento por precipitação e a facilidade de poderem ser extrudidas.

• Comparativamente com as outras ligas endurecidas por precipitação, como as Al-Cu e Al-Zn-Mg, apresentam maior facilidade para serem trabalhadas, melhor soldabilidade e maior resistência à corrosão.

• Aplicada em material de transporte, construção, pontes.......

• O Zinco, (série 7xxx),conjuntamente com adições de Mg e Cu

formam com o Alumínio uma liga tratável térmicamente, com

elevada resistência mecânica e boa resistência à corrosão sob tensão.

• A soldabilidade destas ligas, por fusão, divide-se em 2 grupos:

- Boa soldabilidade para as ligas Al-Zn-Mg (300 a 450 Mpa)

- Praticamente insoldáveis para as ligas Al-Zn-Mg-Cu (~700MPa)

(a presença do Cobre contribui para a fissuração a quente).

• É uma liga muito utilizada em aeronáutica

• A série 8xxx contém, além do Alumínio, elementos de liga

menos usuais, como o Lítio, entre outros.

• A maioria destas ligas não é soldável.

• São utilizadas fundamentalmente na indústria aeroespacial.

Ligas vazadas

• As ligas obtidas por fundição não podem ser classificadas como

as ligas forjadas em termos de trabalháveis e não trabalháveis,

porque na sua maioria as séries contém um ou mais ligas que não

correspondem à mesma classificação.

• Por essa razão as ligas vazadas são normalmente designadas

sobretudo pelo tipo de vazamento, em molde de areia, molde

permanente e molde metálico.

• A soldabilidade destas ligas depende, além do seu tipo, também

do molde de vazamento.

Soldabilidade do Alumínio

e suas ligas

Principais dificuldades

na soldadura do Al

1. Elevada condutibilidade térmica e calor específico

2. Filme de óxido

3. Porosidades

4. Fissuração

5. Distorções

6. Amaciamento da ZTA

e suas ligas

• A elevada condutibilidade térmica tem uma grande influência na soldabilidade destas ligas ( 5x maior que a do aço), exigindo fontes de energia muito potentes para compensar as perdas de calor. No entanto esta propriedade tem a vantagem de proporcionar uma solidificação mais rápida do banho de fusão, resultando uma velocidade mais rápida que no aço.

• Calor específico: O alumínio necessita de uma quantidade calor muito maior para aquecer uma determinada massa, apesar do seu baixo ponto de fusão, daqui resulta que, considerando estas características físicas, para soldar o alumínio é necessário uma energia calorífica praticamente idêntica à usada para o aço

e suas ligas

Condutibilidade térmica

(cal/ºC.cm.seg.)

Calor específico

(cal/ºC.g)

Alumínio 0,53 0,215

Aço carbono 0,18 0,110

e suas ligas

Comparação entre a condutibilidade térmica do aço e do alumínio

e suas ligas

• Estes materiais apresentam na sua superfície uma fina camada de

óxido, a qual dificulta imenso a soldadura devido ao seu elevado

ponto de fusão (~ 2050 ºC), dureza e tenacidade.

• A existência deste óxido na superfície do banho de soldadura

dificulta igualmente a ligação entre o metal fundido e as faces do

chanfro.

• A camada de óxido é porosa e estável

na soldadura do Al

1.Filme de óxido

O óxido de alumínio pode ser removido pelos seguintes processos:

- Químicos (limpeza por solventes e/ou decapagem)- Mecânicos (lixamento, escovamento, etc)- Eléctricos (acção de limpeza catódica pelo arco)- Metalúrgicos (acção escorificante de um fluxo)

A limpeza metalúrgica é usada nos processos SER, oxigás e brasagem.

Em função da elevada reactividade do Al, a remoção da camada de óxido pelos processos químicos e mecânicos deve ser realizada imediatamente ou no máximo até 8 horas, antes da soldadura.

na soldadura do Al

3- Porosidades (causas)

• As porosidades na soldadura por fusão são devidas à presença do

H2 (principalmente), que não é solúvel no alumínio.

• A solubilidade do H2 aumenta muito com a temperatura.

• As principais fontes de H2 são a camada de óxido, os gases de

protecção e o metal de base e de adição.

• O Oxigénio e o azoto não constituem problema quanto ás

porosidades, dada a sua grande afinidade para o alumínio

na soldadura do Al

3- Porosidades (causas)

• A presença de pequenas quantidades de poros esféricos dispersos

uniformemente no cordão de soldadura não afecta sobremaneira a

resistência mecânica da junta.

• Pelo contrário, se a quantidade for significativa e concentrada, a

resistência e a ductilidade poderão ser seriamente afectadas.

na soldadura do Al

3- Porosidades (fontes)

- Metal de base e de adição velhos ou sujos

- Parâmetros de soldadura inadequados

- Protecção gasosa insuficiente ou pouco pura

- Técnica de soldadura errada

- A configuração e preparação da junta

e suas ligas

• O alumínio tem um coeficiente de dilatação muito elevado (3x aço) o que conduz a:- Distorções muito acentuadas (modificações de forma).- Fissurações. - Tensões residuais.

• O ponto de fusão do Al é muito baixo (660ºC), no entanto não apresenta qualquer indicação de inicio da fusão (mudança de cor).

• A solidificação do banho de fusão é rápida, pelo que o risco de aprisionamento de gases é elevado.

• A entrega térmica é sensivelmente a mesma que para o aço, apesar da temperatura de fusão ser muito inferior, devido à condutibilidade térmica e calor de fusão.

na soldadura do Al

4- Fissuração

As ligas de alumínio são normalmente sujeitas a fissurações, as

quais podem ser do tipo:

Fissuração a quente: na solidificação e de liquação

Fissuração por corrosão sob tensão

Fissuração a quente

• A fissuração a quente ocorre normalmente no cordão de soldadura,

podendo surgir igualmente na ZTA, adjacente à linha de fusão, e é

fundamentalmente provocada por tensões de origem térmica que

surgem durante o arrefecimento da zona da soldadura.

• O aparecimento de fissuras na soldadura do alumínio é devida à

perda de resistência mecânica ou ductilidade do metal de adição ou da

ZTA, em temperaturas elevadas.

na soldadura do Al

4- Fissuração a quente: causas principais

• Intervalo de solidificação da liga muito grande

• Coeficiente de dilatação térmico elevado

• Gradiente térmico elevado

• Elevado constrangimento ou rigidez da junta

• Relação largura do cordão/penetração incorrecta (Factor de forma)

e suas ligas

Curvas de sensibilidade à fissuração.A fissuração por solidificação é favorecida pela presença de Si, Mg e Cu.

A escolha do MA deve ter em atenção a sua composição por forma a

evitar as composições químicas críticas quanto à fissuração.

na soldadura do Al

• A fissuração na solidificação ocorre interdendríticamente no metal depositado e manifesta-se como uma linha no centro do cordão ou na cratera no fim da soldadura.

• Está dependente das características de solidificação dos metais, ou seja das suas composições químicas.

• Este tipo de fissuração está essencialmente ligada à presença de elementos de liga e é mais importante nas ligas com Mg e Si, ( formação de Mg2Si), e um importante volume sólido no liquido, originando tensões que conduzirão à fissuração

MMetal base com

adição igual ou não

MMetal Base com

adição material diferente

Limite de

soldabilidade

Fácil de soldar

Sensibilidade à fissuração

Fissuração a quente no Alumínio

na soldadura do Al

A fissuração de liquação ocorre predominantemente na ZTA, seguindo uma trajectória ao longo de alguns contornos dos grãos parcialmente fundidos. À volta dos grãos formam-se filmes líquidos que não conseguem suportar as tensões de contracção durante a solidificação.

É provocada pela fusão ou liquação de fases eutéticas ou constituintes que tenham temperaturas de fusão mais baixas que o material de base

As ligas das séries 6xxx e 7xxx são muito sensíveis a esta fissuração.

Para evitar este tipo de fissuração deve usar-se um MA com temperatura de fusão mais baixa que o MB (exemplo: 4043=AlSi5).

A utilização dum MA muito corrente (5356=AlMg5) nestas ligas, pode provocar a fissuração apesar da boa aptidão para soldadura.

e suas ligas

Medidas para redução da sensibilidade à fissuração a quente:

• Aumento da velocidade de soldadura: diminui a E.T. , reduz o gradiente térmico e consequentemente as tensões residuais;

• Utilização do pré-aquecimento: actua por redução do gradiente térmico e por consequência reduz igualmente as tensões residuais;

• Alteração da composição química do metal fundido: o MA deve ser escolhido tendo em consideração evitar composição química do cordão fora da zona crítica e grandes diluições;

• Alterar o tipo de junta: por forma a diminuir a diluição e reduzir a sensibilidade à fissuração

e suas ligas

Distorções

• Devido ao elevado coeficiente de dilatação térmico, o alumínio e as

ligas são muito sujeitos a empenos nas soldaduras e a fissuração sob

o cordão (fissuração a quente).

• A soldadura feita a baixa velocidade e com bastante M.A. aumenta

as deformações e a tendência à rotura.

e suas ligas

Amaciamento da ZTA (1)

• A resistência mecânica das varias ligas é conseguida por:

- endurecimento por encruamento

- endurecimento por precipitação (TT)

• Estes 2 processos de endurecimento são bastante sensíveis à

temperatura elevada na operação de soldadura, tendo como

consequência o amaciamento da ZTA.

• Por consequência a escolha do metal de adição deve ser muito

criteriosa.

e suas ligas

• As chamadas ligas NTT (Al puro e ligas Al-Mn e Al-Mg) têm um

limite elástico muito baixo, sendo normalmente endurecidas por

encruamento, que lhes aumenta o limite elástico.

• A soldadura destes materiais provoca um amaciamento na ZTA,

devido à recristalização da estrutura encruada, sendo necessário para

recuperar as características mecânicas, uma martelagem a frio da

soldadura.

e suas ligas

• As ligas TT (Al-Si-Mg e Al-Zn-Mg) têm elevada resistência conseguida à custa de TT de endurecimento por precipitação.

• A soldadura destas ligas conduz à exagerada coalescência dos precipitados ou mesmo à sua entrada em solução, cujo resultado é o amaciamento da ZTA.

• No entanto, algumas das ligas (Al-Zn-Mg) têm a particularidade de, após o amaciamento, voltarem a endurecer por envelhecimento ao fim de algumas horas. São no entanto muito sensíveis à fissuração a quente, devendo a escolha do MA ser feita de modo a evitar esta dificuldade.

• A solução para minimizar o amaciamento nestas ligas é usar processos de soldadura com baixa e limitada entrega térmica ( por pontos).

e suas ligas

Sobre-envelhecimento

• Algumas ligas, após a soldadura, envelhecem naturalmente à

temperatura ambiente, recuperando a sua resistência

mecânica na ZTA após algumas horas. É o caso das ligas

AL-Zn-Mg com 3,5 a 4,5 de Zn e 0,5 a 1,5 de Mg.

• Outras ligas necessitam, após soldadura, de tratamento de

têmpera e envelhecimento para recuperarem as suas

características mecânicas na ZTA (ligas Al-Cu-Mg).

e suas ligas

• Qualquer que seja a liga, a soldadura provoca um recozimento local,

que faz diminuir as propriedades do metal (TT ou mecânico).

• Para compensar esta diminuição devem ser tomadas algumas

medidas:

- Sobrespessura na zona da junta;

- Colocação da junta em posição não sujeita a grandes tensões, para

não por em perigo a resistência do conjunto;

Soldadura do Alumínio e suas ligas

Processos aplicáveis

• O Alumínio e suas ligas podem soldar-se pela maioria dos processos de soldadura por fusão, brasagem e soldadura no estado sólido.

• A soldadura por fusão pode fazer-se pelos processos com maior densidade de energia, MIG, TIG, Resistência, Plasma, LASER e Feixe de electrões.

• Os processos MIG, TIG e Resistência são os mais correntes.

• Os processos Plasma e Feixe de electrões são usados em aplicações especiais.

• A soldadura SER e Oxigás empregam-se apenas para reparações, pequenos trabalhos, ou quando não existem outros meios.

• O processo arco submerso não se aplica ao alumínio.

Processo TIG

• O processo TIG é muito usado para soldar o alumínio e as suas

ligas, sobretudo em pequenas e médias espessuras.

• A corrente de soldadura usada correntemente é CA (AC), que tem

características que lhe permitem romper a camada de óxido,

embora se possa usar corrente DC- e DC+ em aplicações especiais.

• A corrente AC pode ser de onda sinusoidal, caso das fontes de

energia convencionais (necessita de HF sempre ligada), ou

rectangular (trapezoidal), caso das fontes inversoras.

• O gás de protecção é o Argon, embora se use por vezes com

adições de Hélio.

• O processo TIG também pode usar corrente DC+ mas apenas para aplicações em espessuras muito baixas (e<1,5 mm).

• Em soldadura DC+ o eléctrodo de tungsténio deve ter um diâmetro muito superior ao que seria necessário para DC- e AC, para a mesma intensidade. Por exemplo para uma intensidade de 125A em DC- um eléctrodo de 1,6mm é suficiente ao passo que para a mesma corrente em DC+ deve ter 6 mm.

• Pode usar-se corrente DC- para soldar alumínio em espessuras maiores, em aplicações mecanizadas e com controle apertado da altura do arco.

Processo TIG

• O eléctrodo mais usado na soldadura do alumínio é o W puro.

• O eléctrodo zirconiado (WZr) apresenta algumas vantagens na

soldadura AC do alumínio, por suportar intensidades mais elevadas

e durar mais tempo que o puro. Também é menos sensível a

contaminações, tanto do banho de fusão como do próprio eléctrodo,

por manter a ponta esférica mais estável,

• O eléctrodo W+Th não é recomendado para soldadura do alumínio

em AC porque o arco é mais instável. No entanto é o tipo preferido

para soldadura TIG automática com DC+.

Processo TIG

• O processo MIG é muito usado na soldadura do alumínio e suas ligas, oferecendo comparativamente com os outros processos aplicáveis, mais vantagens e bons resultados finais:

• Velocidade de execução elevada (baixas distorções);

• ZTA pequena;

• Elevadas taxas de depósito;

• Facilidade operatória em qualquer posição (densidade , tensão superficial e velocidade de arrefecimento do Al);

• Soldaduras sólidas e resistentes;

• Baixos custos operacionais;

Processo MIG

Soldadura do Alumínio

e suas ligas

• Equipamento de soldadura adequado ao processo;

• Estado de funcionamento dos vários órgãos devido à elevada velocidade de alimentação do fio (alimentador, tocha, etc);

• Gás de soldadura e respectivo caudal;

• Limpeza do MB e do MA.

• Tipo e geometria da Junta

Processo MIG: Factores de sucesso:

e suas ligas

1- Regulação dos parâmetros para uma transferência estável e

sem salpicos;

2- Cordão sem defeitos e com bom aspecto;

Processo MIG: Principais dificuldades:

e suas ligas

Processo MIG

Tipo de transferência Aplicação

Transferência por “Spray” Usual

Transferência Globular Não se utiliza- Fusão incompleta

Transferência por C.C. Não se utiliza- Faltas de fusão

Transferência por arco pulsado Bom- todas as posições

e suas ligas

• Elevada velocidade de alimentação do fio fazendo com que este bata contra o MB sem dar tempo ao escorvamento do arco;

• Por outro lado, dado que o fio é macio, ao bater no MB a ponta dobra-se, aumentando a área de contacto eléctrico, mas diminuindo o calor desenvolvido pelo curto-circuito;

• Também o facto de a superfície do metal estar oxidada, e deste óxido ser refractário e mau condutor eléctrico, dificulta a passagem da corrente e a produção de calor;

• Fio com superfície rugosa, absorvendo humidade e impurezas;

• Difícil utilização de fios de baixo diâmetro;

Processo MIG: Principais dificuldades:

e suas ligas

Um bom alimentador deve poder permitir ao soldador (ou operador) ajustar os tempos e velocidades de alimentação do fio no inicio e fim da soldadura.

Processo MIG: Características do Alimentador de arame:

e suas ligas

1 - Os roletos são peças de fundamental importância no sistema de alimentação do fio, devido ao facto de o alumínio ser macio e poder ser amolgado pela pressão de aperto excessiva, criando instabilidade na alimentação.

2 - Sempre que possível usar alimentadores com 4 roletos, aumentando a área de contacto com o fio em vez de agir sobre o aperto dos roletos.

3 - Escolher roletos com entalhe em U ou V mais adequados ao fio de alumínio, por forma a evitar amolgamento.

e suas ligas

4 - O mecanismo de travagem da bobine de alimentação de fio é muito importante para evitar arranques e paragens bruscas.

5 – Deve ter-se em atenção a pressão de aperto do mecanismo de travagem da bobine que pode levar ao alongamento e estricção do fio, se o aperto for exagerado. Esta pressão deve ser ajustada à medida que o fio for sendo consumido.

e suas ligas

Devido ás características do fio de soldadura e da velocidade de alimentação elevada ocorre frequentemente a dobragem do fio no interior da conduta, impedindo a sua alimentação contínua e regular com a consequente instabilidade no arco e mesmo sucessivas interrupções.

Processo MIG: Tochas de soldadura

e suas ligas

• Sistema PUSH-PULL

• Pistola com bobine incorporada

• Tocha mais curta (2,5 m)

• Tocha com conduta especial (Weldsnake 6m)

e suas ligas

• Por forma a reduzir o atrito no interior da conduta de fio esta deve ser feita de materiais grafitados, nylon ou teflon.

• A conduta deve ser soprada periodicamente com gás (Ar, N2) ou ar comprimido seco.

• Por forma a diminuir o atrito entre o fio e o interior da conduta o cabo da tocha deve estar o mais direito possível.

• Os fabricantes de equipamentos disponibilizam normalmente bicos de contactos específicos para alumínio.

e suas ligas

• A superfície do alumínio é bastante porosa, tanto no MB como no MA, absorvendo com facilidade humidade e impurezas, que são fontes de porosidade.

• As bobines de fio vêm de fabrica embaladas com protecção contra estes agentes, devendo portanto ter-se o cuidado de conservá-las adequadamente após a abertura, para evitar contaminações.

• O alimentador de arame deve ser do tipo fechado (bobine no interior), caso contrário deve usar-se uma protecção para o fio.

• Deve ser evitado qualquer contacto com o fio com as mãos ou luvas sujas.

Processo MIG: Cuidados com o fio de soldadura

e suas ligas

• O processo MIG exige maiores cuidados com a qualidade do fio de soldadura, além do rigor dimensional e estado de superfície, dado as elevadas taxas de fusão e de arrefecimento do metal depositado, originando aprisionamento de gases.

• Em consequência dessa maior dificuldade em eliminar os gases aumenta a quantidade de poros no cordão de soldadura.

• As propriedades mecânicas da junta soldada podem ser bastante afectadas em função do tamanho, distribuição e relação volumétrica dos poros no cordão.

Processo MIG: Cuidados com o fio de soldadura

Processo MIG

• Faltas de fusão / baixa penetração;

• Elevado nível de projecções;

• Perfuração da chapa;

• Porosidades;

• Fissuração a quente

Principais problemas na soldadura do Al:

Processo MIG

• Parâmetros de soldadura baixos

• Falta de pré- aquecimento

• Necessário usar mistura Argon-Hélio

• Diâmetro de arame baixo

Principais problemas na soldadura do Al: Faltas de fusão /

penetração

Processo MIG

• Material de adição inadequado

• Entrega térmica elevada

• Má qualidade do material de base

Principais problemas na soldadura do Al: Fissuração a quente

Processo MIG

• Metal de adição sujo ou velho

• Material de base velho ou sujo

• Parâmetros de soldadura inadequados

• Protecção gasosa insuficiente ou com impurezas

• Técnica de soldadura inadequada

Principais problemas na soldadura do Al: Porosidades

Processo MIG Pulsado

• A tecnologia “inverter” pelo facto de permitir uma adequação da forma de onda ás especificidades do Al, consegue uma melhor transferência das suas gotas.

• Com esta tecnologia consegue-se uma melhoria das projecções, que são devidas à baixa densidade do Al, por se conseguir uma transferência tipo “spray”.

• A melhoria da penetração é conseguida através de um pico de corrente elevada.

• O Al no estado liquido apresenta uma elevada solubilidade do H2 ao contrário do que sucede no seu ponto de solidificação.

• Por esta razão a forma de onda tem de ter em consideração estes aspectos ao nível do comprimento do arco para reduzir as porosidades (arco curto, inclinação da tocha...)

• Os equipamentos MIG com arco pulsado têm a capacidade de reagir em tempo real aos fenómenos do arco eléctrico, sendo a solução ideal para soldar este material.

• Limita as projecções;

• Melhor controlo da penetração;

• Reduz a entrega térmica;

• Melhora a fluidez da gota de metal;

• Aumenta a velocidade de soldadura;

• Produz deformações mais baixas

Soldadura do Al e suas ligas

Processo Resistência

• O alumínio é difícil de soldar por resistência devido ás suas características físicas: elevada condutibilidade eléctrica, térmica e calor de fusão.

• Estas propriedades tornam difícil o aquecimento localizado aliada a uma resistência de contacto baixa, A camada de alumina na zona de contacto tem de ser removida antes da soldadura.

• Necessidade de equipamentos com características adequadas ao alumínio, nomeadamente controle preciso da corrente, tempo de soldadura e força de aperto (soldadura rápida).

• As ligas da série 2xxx são facilmente soldáveis por este processo.

Principais dificuldades:

Caracterização do Alumínio

Soldabilidade das ligas vazadas

A soldabilidade destas ligas é bastante influenciada pelo tipo

de fundição (moldes, fundição à pressão, areia), dado que o

estado de superfície da peça é de primordial importância

para o sucesso da operação de soldadura.

Ligas soldáveis: 319.0; 355.0; 356.0 443.0; 444.0; 520.0;

535.0; 710.0; 712.0

Processo Brasagem

• A brasagem do alumínio é um processo muito antigo e prático de fazer ligação de componentes e que continua a ter largo campo de aplicação, nomeadamente em situações que os outros processos correntes não conseguem (ex. peças de acesso difícil).

• Uma desvantagem do processo é que todo o conjunto tem de ser aquecido à temperatura de brasagem, próxima da fusão do MB, sendo necessários fixar os componentes para evitar distorções devidas ao seu próprio peso (juntas auto-fixantes,uso de gabaritos).

• As ligas TT podem ser temperadas mergulhando-as em água e se necessário, submetê-las a um tratamento de envelhecimento.

Processo Brasagem

• Necessita de fluxos desoxidantes activos (corrosivos), que devem

ser eliminados após a soldadura, normalmente com lavagem de

água quente, embora existam no mercado fluxos não corrosivos.

• A diferença de temperatura entre o MB e o MA é normalmente

muito estreita, dificultando a brasagem.

• Exige soldadores experientes para controlarem a temperatura de

trabalho sem fundirem o MB.

Processo Brasagem

Métodos de brasagem usuais no alumínio:

• Brasagem a maçarico

• Brasagem automática a chama

• Brasagem em forno

• Brasagem por imersão em banho de sal

• Brasagem a vácuo

Processo Brasagem

Ligas de alumínio (trabalháveis)

• A maioria das ligas de alumínio podem ser ligadas por brasagem.

• Ligas NTT:

Dentro deste grupo as mais fáceis de soldar são as séries 1xxx (1050 e 1100) e 3xxx (3003, 3004). As ligas da série 5xxx com Mg>2,0% são difíceis de brasar , porque os fluxos disponíveis comercialmente não conseguem remover eficientemente os óxidos (excepção: 5005).

• Ligas TT

As ligas deste grupo brasáveis são a 6061 e 6063. As ligas da série 2xxx e as ligas 7001, 7075 e 7018 não são recomendadas para brasagem por não existirem ligas adequadas (tf MB<tf MA).

Processo Brasagem

Ligas de alumínio (vazadas)

• As ligas de alumínio fundidas são pouco adequadas ao processo por apresentarem características que dificultam a brasagem:

• Superfície rugosa, dificultando a molhagem e a capilaridade.

• Possuem gases e contaminantes em quantidades significativas, que se expandem durante a brasagem, criando um efeito de empolamento

Processo Brasagem

Metais de adição para brasagem

• Os metais de adição usados na brasagem do alumínio, são ligas Al-Si de composição eutética ou próximo dela, que têm um ponto de fusão mais baixo que as ligas a brasar, embora existam MB com ponto de fusão mais baixo, sendo por isso impraticável a brasagem.

• O metal de adição mais usual é o 4047- AlSi12 (12% Si) com temperatura de fusão mais baixa que o alumínio (577-582ºC)

• Os metais de adição estão disponíveis nas formas usuais, vareta, folha, pó e pasta metálicos misturados com fluxo e chapa “Clad” (com revestimento de metal de adição de um ou dos dois lados).

Processo Brasagem

Tipos de juntas

• As juntas recomendadas para brasagem do alumínio são as do tipo T e sobrepostas.

• É importante ter em consideração a folga da junta para garantir a capilariedade, sendo usual para os vários métodos folgas entre 0,13 e 0,25 mm.

Processo Brasagem (fraca)

• O alumínio e ligas também podem ser ligadas por brasagem fraca.

• Todos os aspectos apresentados anteriormente relativamente à brasagem forte são aplicáveis a esta brasagem.

• Os metais de adição, no caso da brasagem fraca, são à base de estanho, zinco cádmio e chumbo.

• As brasagens mais resistentes mecanicamente e à corrosão são as que contêm zinco.

Processo LASER

• Principais vantagens:

- Processo rápido

- Flexível

- Menores entregas térmicas

- Menores ZTA’s

- Baixa distorção

- Automatização

Processo LASER

• Principais desvantagens:

- Reflexividade

- Alinhamento rigoroso

- Dilatação elevada

Processo OXIGÁS

Processo Oxigás:

• O processo Oxigás é utilizado apenas em reparações e soldaduras sem exigências de resistência mecânica.

• A sua principal vantagem é a simplicidade do equipamento.• As suas maiores desvantagens são a necessidade de fluxo

desoxidante, a baixa velocidade do processo, a largura da ZTA, as deformações e as imperfeições.

• É usado principalmente em pequenas espessuras.• É recomendável o uso do acetileno, com um ligeiro excesso, para

evitar a formação de óxidos.• O desoxidante, que é muito corrosivo, deve ser eliminado logo

após a soldadura, normalmente com lavagem de água quente.

•O alumínio pode ser soldado com eléctrodos revestidos, usando uma fonte de energia com característica estática de corrente constante.

•As principais dificuldades residem na volatização do Aldurante a transferência (lenta), na necessidade de eliminação do óxido e no fácil abatimento do MB.

•O processo SER é pouco utilizado devido à falta de homogeneidade do cordão de soldadura e apenas em reparações, pequenas soldaduras e pouco importantes.

Processo SER

Principais aspectos a ter em conta no processo SER:

• Os eléctrodos para soldadura do alumínio são muito absorventes de humidade. As embalagens devem ser estanques e uma vez abertas os eléctrodos devem ser conservados bem secos.

• Deve ser feita uma boa limpeza do MB e do eléctrodo.

• Necessidade de pré-aquecimento do MB em espessuras grandes e peças complicadas.

• Eliminação da escória entre passes e no final da soldadura devido ao seu caracter corrosivo e tenaz, por intermédio de meios mecânicos (escova e picadeira) e lavagem com água quente ou dissolvente.

• A espessura mínima a soldar é de 3 mm. Acima de 6 mm deve ser feito um chanfro em V (60 a 90º). Para espessuras maiores é usado um chanfro em U.

Processo SER

Principais aspectos a ter em conta no processo SER (cont.):

• Os eléctrodos para soldadura do alumínio são basicamente de 2 tipos: alumínio puro (1100) e alumínio-silício (4043);

• Alguns fabricantes disponibilizam outros metais de adição de acordo com necessidades específicas, produzidos a partir de metais de base existentes, em fio ou vareta, adicionando-lhe revestimento com fluxo desoxidante;

• Os eléctrodos de alumínio trabalham em corrente DC+

8- Metais de adição

Metais de adição

• Os metais de adição utilizados pelos vários processos, para soldadura do alumínio, seguem as especificações de materiais da secção II do ASME, parte C (Varetas, eléctrodos e Metal de adição), especificamente a norma AWS A5.3 e A5.10 “Aluminum and Aluminum Alloys Bare Welding Rods and Electrodes”.

• Tanto os eléctrodos como as varetas e fios são classificados com base na composição química da liga utilizada na sua fabricação.

• A nomenclatura que a especificação A5.10 usa para classificar os consumíveis é composta por 4 dígitos (“Aliminum Associaton”) precedidos das letras E para eléctrodos, ER para fios e varetas.

Escolha do metal de adição

• O metal de adição deve originar, após a diluição no metal

de base, uma composição fora dos pontos de elevada

susceptibilidade à fissuração.

• A diluição depende de:

- Volume de metal depositado

- Penetração no M.B.

• A escolha do metal de adição mais adequado para soldar os

diversos materiais nas variadas aplicações pode ser simples,

como no caso de estruturas fabricadas com ligas correntes.

• No caso de ligas complexas e fabricações com requisitos

especiais, a definição do material de adição mais adequado é

bastante mais complicado, exigindo um estudo criterioso.

A escolha do metal de adição, em particular para os processos MIG

e TIG, é baseada nos seguintes factores:

- Composição química do material (liga);

- Aspectos metalúrgicos;

- Aspectos mecânicos;

• Composição química do MB

• Geometria da junta

• Diluição

• Resistência mecânica e ductilidade do MA

• Tendência à fissuração a quente

• Resistência à corrosão em serviço

• Comportamento do MA em temperaturas elevadas

• Fluidez do MA

• Alimentação de fio no processo MIG

• Diferença de tonalidade entre o MB e o MA

A escolha do metal de adição deve responder aos seguintes factores:

• Evitar a fissuração da soldadura

• Ter uma resistência mecânica compatível com o MB

• Ter boa resistência à corrosão

• Ter boas propriedades à temperatura de serviço

• Ter cor semelhante ao MB após anodização

• As ligas não tratadas térmicamente, regra geral, podem ser soldadas com MA com composição semelhante ao MB, por forma a minimizar a fissuração;

• As ligas tratadas térmicamente devem ser soldadas com um MA com uma temperatura de fusão inferior ao MB e uma resistência mecânica o mais próxima possível do MB.

• A sensibilidade à fissuração pode ser minimizada usando MA com teores de Si e Mg relativamente elevados.

Resistência mecânica compatível com o MB:

• Para soldadura das ligas NTT o consumível deverá ter uma resistência mecânica idêntica ao MB (valores obtidos no estado bruto de soldadura).

• Nas ligas TT a escolha do MA é mais limitada, dado que a resistência mecânica a considerar deverá ser a obtida após TT, e os consumíveis não são especialmente adaptados aos mesmos TTsofridos pelo MB.

• O metal de adição da série 2xxx, ER 2319, produz juntas soldadas com boas propriedades após TT nas ligas 2219 e 2014.

• Os MA das séries ER 1xxx ou 5xxx produzem cordões com muito boa ductilidade, sendo por isso usados nas soldaduras onde se pretende boa deformação plástica após soldadura.

Resistência á corrosão:

• O MA a seleccionar para resistir ao ambiente corrosivo específico deve em princípio ter uma composição química idêntica ao MB.

• Os metais de adição de alto teor de Mg têm, regra geral, uma boa resistência à corrosão generalizada; no entanto a sua utilização na soldadura de ligas das séries 1xxx, 3xxx ou 6xxx poderá criar zonas anódicas.

Propriedades à temperatura de serviço:

• Regra geral, os metais de adição recomendados nas tabelas fornecidas pelos fabricantes são adequados a trabalharem nas mesmas temperaturas dos MB.

• Alguns metais de adição da série 5xxx com teor de Mg>3%, como os ER 5356, Er 5556 e ER 5654, não deverão ser usados em temperaturas de serviço < 60ºC, por poderem originar fissuração por corrosão sob tensão.

Coloração idêntica ao MB após tratamento de anodização :

• A composição química do MA influencia a coloração da soldadura após anodização.

• Os elementos que mais contribuem para este efeito são o Si e o Cr.

• O silício torna as soldaduras escuras (cinzentas ou negras).

• O crómio produz uma coloração amarelada.

• As ligas 1xxx , 3003, 5005 e 5050 podem ser soldadas com o metal de adição ER 1188, sem grande diferença de cor.

• As ligas das séries 5xxx e 6xxx podem ser soldadas com o metal de adição ER 5356, sem grande diferença de cor.

Metais de adição usuais

• Alumínio puro: 1100 e 1188

• Alumínio Cobre: Liga 2319

• Alumínio Silício: Ligas 4043, 4643, 4047 e 4145

• Alumínio Magnésio: Ligas 5356, 5183 e 5556

• Alumínio Magnésio: Liga 5554

• Alumínio Magnésio: Liga 5654

• Casos especiais

Metais de adição

Alumínio puro (Al)

• Muitas aplicações industriais nas áreas da electricidade e da química usam alumínio puro ou com pequenas adições de elementos de liga na sua soldadura.

• As ligas mais usadas são a 1100 e a 1188

• A liga 1100 é mais corrente e contém uma pequena % de Cu.

• A liga 1188 não contém cobre mas possui tolerâncias mais apertadas para as impurezas, daí a sua maior aplicação em situações de maior resistência à corrosão.

Metais de adição

Ligas 2319 (Al-Cu)

• Esta liga tem uma composição química idêntica ao MB.

• É utilizada para soldar as ligas forjadas Al-Cu 2014, 2036, e 2219 e as ligas fundidas da mesma familia.

• Consegue uma resistência mecânica e ductilidade maiores que as ligas da série 4xxx (Al-Si) sempre que as juntas soldadas forem submetidas a T.T.

Metais de adição

Ligas 4043, 4643, 4047 e 4145 (Al-Si)

• Destas ligas, a 4043 (AlSi5) foi desenvolvida para a soldadura das ligas tratáveis térmicamente, em particular da série 6xxx.

• Possui uma boa fluidez, molhagem e baixo ponto de fusão e é menos sensível à fissuração com as ligas da série 6xxx.

• Produz um acabamento superficial do cordão brilhante.

• Estas ligas não são adequadas à soldadura das ligas com Mg (5xxx), devido à formação de um composto Mg-Si que provoca uma diminuição da ductilidade e aumento da tendência à fissuração.

Metais de adição

Ligas 4043, 4643, 4047 e 4145 (Al-Si)

• A liga a 4643 (AlSi5) contém uma pequena % de Mg, sendo indicada para soldar MB da série 6xxx com espessuras > 10 mm e que após a soldadura sejam submetidas a T.T. de solubilização.

• A composição química do cordão de soldadura, pelo facto de o MA conter Mg, responde melhor ao T.T. de solubilização, sem depender tanto da diluição como seria o caso se o MB fosse a liga 4043.

Metais de adição

Ligas 4043, 4643, 4047 e 4145 (Al-Si)

• As ligas 4047 e 4145 foram desenvolvidas especialmente para o processo de brasagem, tendo por essa razão temperatura de fusão mais baixa e muito boa fluidez.

• A 4047 pode ser usada em substituição da 4043, dado ter mais Si (~12%) e desse modo minimizar a tendência para a fissuração a quente e produzir cordões com resistência ao corte ligeiramente superior.

• A liga 4145 além da brasagem também pode ser usada em MB da (série 2xxx: Al-Cu) tanto trabalháveis como fundidas, embora com resistência inferior à 2319.

Metais de adição

Ligas 5356, 5183 e 5556 (Al-Mg)

• Estas ligas estão indicadas, em primeiro lugar, para soldar as

ligas Al-Mg (série 5xxx), que contêm alto teor de Mg (5%).

• A 5356 é a mais universal de todas as ligas usadas na

soldadura do Al, devido à sua compatibilidade com a maioria

dos MB, por apresentar boa resistência mecânica e também

por ser mais rígida, o que melhora a alimentação de fio no

processo MIG. .

Metais de adição

Ligas 5356, 5183 e 5556 (Al-Mg)

• A liga 5183 têm uma resistência mecânica ligeiramente superior à 5356, sendo por isso uma alternativa sempre que se pretenda maior resistência.

• A 5556 é também outra alternativa ás anteriores sendo a que apresenta resistência mais elevada.

• Qualquer destas ligas pode soldar além das ligas da série 5xxx entre si ou com ligas da série 6xxx e 7xxx, tratadas térmicamente, salvo em aplicações sob tensão, por períodos prolongados e temperaturas de serviço acima dos 650ºC (exemplo: reservatórios sob pressão, navios petroleiros com carga aquecida, etc)

Metais de adição

Liga 5554 (Al-Mg)

• A liga 5554 foi especialmente desenvolvida para soldar o MB do tipo 5454, desenvolvido para aplicações em temperaturas elevadas, não sendo sensível à corrosão sob tensão.

• As ligas 5454 e 5554 contêm um teor de Mg<3%, fundamental para poderem ser usadas em altas temperaturas.

• A liga 5554 é recomendada para soldar juntas dissimilares entre o MB 5454 e as ligas da série 6xxx, devido à sua menor sensibilidade à fissuração.

Metais de adição

Ligas 5654 (Al-Mg)

• Uma aplicação típica do alumínio são os reservatórios para armazenamento de água oxigenada (peróxido de hidrogénio), que é muito reactivo, exigindo por isso ligas especiais, em particular com elevada pureza, para resistir à corrosão.

• O metal de adição 5654, tal como o MB, é fabricado com controle muito apertado das impurezas, em especial Cu e Mn.

• Esta liga não deve ser usada em aplicações que trabalhem a temperaturas altas devido ao teor de Mg>3%.

Metais de adição

Casos especiais

• Existem situações em que apesar das indicações apontarem para

determinado metal de adição, é aconselhável outra liga.

• Por exemplo a 4043, embora indicada para soldar MB da série 6xxx, é substituída por um MA da série 5xxx, sempre que o MB sofrer um tratamento de anodização, que não produz uma coloração tão cinzenta escura (estética).

• Igualmente o MA da série 1xxx, recomendado para aplicações químicas e eléctricas, pode ser substituído por MA da série 4xxx e mesmo da série 5xxx, apesar de terem piores características, mas que têm melhor comportamento na alimentação de fio.

Metais de adição

Composição química do MB• A composição química do MB e a geometria da junta determinam

se o MA é adequado à soldadura.

• O alumínio puro e as ligas que têm um intervalo de fusão estreito, de uma maneira geral, podem ser soldados sem grandes problemas e nos casos de pequenas espessuras mesmo sem metal de adição.

• As ligas que apresentam intervalos de fusão mais largos são mais susceptíveis à fissuração, necessitando por isso uma escolha mais judiciosa do metal de adição.

Metais de adição

Diluição• As propriedades do metal depositado estão relacionadas com a sua

composição química, a qual é resultante da diluição MB/MA.• A maior ou menor diluição tem uma influência directa no

comportamento da junta soldada em serviço, a resistência mecânica, ductilidade, tendência à fissuração, resistência à corrosão, comportamento ao T.T. etc.

• O nível da diluição varia com o perfil da junta, processo e procedimento de soldadura.

• A tendência à fissuração geralmente diminui com baixa diluição, de forma mais acentuada nas ligas tratadas térmicamente.

• As juntas com chanfro em V têm menor diluição do que com bordos direitos,

Metais de adição

Velocidade de arrefecimento

• A velocidade de arrefecimento influencia a estrutura do grão, com consequências nas propriedades mecânicas;

• Uma velocidade elevada origina uma estrutura de grão mais fino, e portanto melhor resistência mecânica, mas com maior tendência à fissuração;

• A velocidade de arrefecimento depende da espessura do MB, da entrega térmica (função do processo de soldadura) e do pré-aquecimento que eventualmente tenha sido dado.

Metais de adição

Armazenamento dos metais de base e dos consumíveis

É fundamental garantir o bom armazenamento dos metais de base e de

adição para evitar humidade e impurezas, que originam defeitos na

soldadura do alumínio, independentemente do processo de soldadura.

Para evitar contaminações, os consumíveis de soldadura deverão ser

armazenados em local seco e com temperatura uniforme e conservados

nas suas embalagens de origem.

Alguns tipos de eléctrodos (série 5xxx) são muito higroscópios,

devendo ser armazenadas em locais com humidade controlada (<35%).

Metais de adição

Armazenamento dos metais de base e dos consumíveis

A movimentação, manuseamento e trabalhos dos materiais, chapas,

tubos, perfis, etc, deve ser feita com o máximo cuidado para diminuir

as operações de limpeza posteriores.

Deve ter-se em atenção a diferença de temperatura entre o armazém e o

local de trabalho, que pode dar origem a condensações, (porosidades).

9- Gases de protecção

Gases de protecção

Os processos MIG e TIG usam principalmente o Argon como gás de protecção, embora em determinadas aplicações o Hélio seja utilizado em misturas com o Argon.

O Argon tem um papel importante na decapagem catódica no processo TIG e além disso produz um arco estável.

O Hélio aumenta a potência do arco, por conseguinte a penetração e melhor eficiência na entrega térmica.

Devido à baixa densidade do He é necessário aumentar o caudal de gás.

O He não consegue uma decapagem do óxido tão eficaz como o Argon.

Alguns fabricantes de gases têm apresentado misturas contendo baixos teores de O2 com o argumento que aumenta a penetração.

No entanto, no caso das ligas contendo Mg o seu efeito pode ser contraproducente levando à sua queima.

Outras misturas contendo N2 e NO são comercializadas com o argumento da melhoria da penetração.

• Argon , Hélio e misturas de ambos são usados como gases de

protecção nos processos TIG, MIG e Plasma;

• O Argon é usado em soldadura manual de espessuras finas, ou

em materiais com baixa condutibilidade térmica;

• Hélio ou uma mistura 75%He+25% Ar é adequada para

soldadura automática de espessuras finas, soldadura manual de

espessuras maiores, ou soldadura de materiais de elevada

condutibilidade térmica;

10- Recomendações gerais

Recomendações gerais

Normas práticas a ter em consideração para a soldadura do Al:

• Limpeza dos materiais base e de adição

• Boa preparação da junta

• Acessibilidade

• Método apropriado para controle das distorções

• Pingagem

• Pré-aquecimento

• Tratamento após soldadura

• A preparação das juntas para soldadura, nos processos TIG e MIG,

são descritos na EN ISO 9692-3 parte 1.

• Nas juntas topo a topo, num único passe, é recomendável abrir um

pequeno chanfro, nos bordos das chapas do lado reverso.

• As juntas para soldadura do Al devem ser mais abertas que no

aço , para evitar faltas de fusão e inclusões de óxidos.

Preparação das Juntas

Limpeza e preparação dos MB e MA

• As operações de corte e chanfro podem ser feitas pelo processo plasma, ou por meios mecânicos (mais usuais).

• É muito importante limpar as juntas antes de iniciar a soldadura, eliminando todos os sinais de gordura, óleos ou óxidos. Podem usar-se dissolventes alcalinos, que não são tóxicos, ou de forma mais pratica com um trapo embebido em álcool ou acetona. As superfícies devem estar completamente secas antes de começar a soldar (poros).

• O óxido deve ser eliminado, após o desengorduramento, com escovas de inox ou disco abrasivo, com o cuidado de evitar que contactem com outros materiais.

Pingagem

• Esta operação deve ser feita com cuidado e os pingos sendo eliminados à medida que a soldadura avança.

• No caso de os pingos serem incorporados eliminar as fissuras e os eventuais defeitos, por forma a permitir uma boa fusão destes.

• Regra geral, a distância entre pingos deve ser de 20x a espessura.

• O pré-aquecimento é necessário sempre que não se consiga um

banho de fusão suficiente, sobretudo em juntas de maior espessura.

• O pré-aquecimento é também uma medida preventiva para evitar

tensões residuais e prováveis fissurações, criadas pelo gradiente

térmico entre o cordão e a ZTA.

• O pre-aquecimento nas ligas de Al não deve ser superior a 205ºC, e

nas ligas endurecíveis por precipitação a temperatura de pré-

aquecimento deve ser ainda menor, para minimizar a

ocorrência de super-envelhecimento.

Pré-aquecimento

Tratamentos térmicos após soldadura

• Por vezes realiza-se um T.T. para melhoria das propriedades mecânicas das ligas tratáveis térmicamente.

• Também se fazem T.T. para diminuir as tensões internas.

• Pode ser benéfico realizar uma martelagem dos cordões de soldadura, embora só deva ser aplicada em grandes espessuras.

11- Técnica operatória

Técnica operatória

Na soldadura do alumínio deve usar-se sempre a tocha na posição

vertical ou com um ângulo de 60-80º, e soldar para a esquerda

(push), que proporcionam:

- Boa protecção gasosa;

- Boa forma do cordão;

- Cordão limpo, sem fumo na superfície;

12- Síntese conclusiva

Síntese Conclusiva

• O alumínio e as suas ligas distinguem-se dos outros metais e

ligas industriais por terem uma relação resistência mecânica/peso

muito elevada, boa condutibilidade eléctrica, aliada a uma boa

resistência à corrosão.

• Regra geral são soldáveis , embora algumas apresentem

dificuldades consideráveis.

• Os processos MIG e TIG são os mais aconselhados, dado serem

capazes de fornecerem a potência calorífica necessária.

Referências Bibliográficas

Metalurgia da soldadura ( Dias Lopes e R.M. Miranda- ISQ)

GSI SLV- Aluminum and Aluminum Alloys I

Welding Book- 8ª Edição

Welding- Lincoln Electric

Alumínio e suas ligas-OGMA (2003)

Manual de soldagem-Alumínio e suas ligas- ALCAN

Aluminum Welding- Kemppi

Infomet- Artigos diversos

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