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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Ednilson Antonio Ribeiro Pimenta
Estudo dos processos de soldagem TIG e
MIG em estruturas de alumínio 6351 T6 NBR
ISO 209-2010
Taubaté – SP
2012
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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Ednilson Antonio Ribeiro Pimenta
Estudo dos processos de soldagem TIG e
MIG em estruturas de alumínio 6351 T6 NBR
ISO 209-2010
Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade de Taubaté, como parte dos
requisitos para obtenção do título de Mestre, pelo curso de
Mestrado Profissional em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Projeto Mecânico
Orientador: Prof. Dr. Aluisio Pinto da Silva
Taubaté – SP
2012
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Ednilson Antonio Ribeiro Pimenta
Estudo dos processos de soldagem TIG e MIG em estru turas de alumínio
6351 T6 NBR ISO 209-2010
Dissertação apresentada para obtenção de
Título de Mestre pelo Curso de Mestrado
Profissional em Engenharia Mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Taubaté, Área de
Concentração: Projeto Mecânico.
Data:
Resultado:
1.1. BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Aluisio Pinto da Silva Universidade de Taubaté
Assinatura ____________________________________________
Prof. Dr. Evandro Luís Nohara Universidade de Taubaté
Assinatura ____________________________________________
Prof. Dr. Tomaz Manabu Hashimoto Universidade Estadual Paulista
Assinatura ____________________________________________
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Dedicatória
A Deus.
Aos meus pais Antonio Ribeiro Pimenta Sobrinho e Maria Ivonete Ferreira
Pimenta pelo amor, carinho e dedicação na minha existência, a minha família
Victor Antonio Pereira Pimenta e Lucimara Siqueira Pereira pelo apoio,
dedicação, compreensão nos momentos difíceis.
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Agradecimentos
Agradeço inicialmente a Deus que me permitiu a conclusão deste curso.
Este trabalho não poderia ser concluído sem a colaboração e apoio de
diversas pessoas as quais externo meus agradecimentos.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Aluisio Pinto da Silva, pela orientação,
amizade e incentivo a realização deste trabalho.
Ao meu estimado amigo Ronaldo Fujisawa pela confiança, apoio e
contribuição para o meu desenvolvimento. Com o seu incentivo tive a
oportunidade de amadurecer tanto profissionalmente como pesquisador.
A minha família Victor e Lucimara, pois sem ela nada valeria a pena.
Para todos os amigos da turma do mestrado de Engenharia Mecânica,
saudade das conversas, risadas, correria em época de provas e trabalhos, e
principalmente das amizades conquistadas ao longo do curso.
Aos professores, pelos conhecimentos proporcionados.
Enfim, agradeço a todas as pessoas que direta e indiretamente
colaboraram na elaboração e conclusão deste trabalho.
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Estudo dos processos de soldagem TIG e MIG em estru turas
de alumínio 6351 T6 NBR ISO 209-2010
Resumo: Os processos de soldagem Metal Inert Gas (MIG) e Tungsten Inert
Gas (TIG) são utilizados na soldagem de estruturas de alumínio. Este estudo
tem como objetivo geral desenvolver um processo otimizado para soldagem em
estruturas de alumínio, com qualidade e produtividade. Especificamente busca
determinar os parâmetros de soldagem e obter, assim, o melhor desempenho
possível no que se refere à produtividade, a qualidade na soldagem e
propriedades mecânicas. Foram feitos corpos de prova de estruturas de
alumínio 6351 T6 NBR ISO 209-2010 pelos processos de soldagem TIG e MIG,
sendo caracterizadas por macrografia e resistência à tração. Com base na
análise do software minitab foram obtidos os melhores parâmetros para o
processo TIG sendo 180 A, vazão de 12 l/min e para o processo MIG, foram
170A e 23 Volts. Com esses novos parâmetros conseguiu-se aumentar a
produtividade em 30%. Para o critério de resistência, tanto o processo MIG
como o processo TIG, atenderam a especificação da norma AWS D1.2.
Palavras-chave: Alumínio, MIG, TIG, Resistência Mecânica, Acabamento
Superficial
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Study of processes in MIG and TIG welding of alumin um 6351
T6 structures NBR ISO 209 – 2010
Abstract: The welding processes Metal Inert Gas (MIG) and Tungsten Inert Gas
(TIG) are used in the welding of aluminum structures. This study aims to
develop an overall optimized process for welding aluminum structures, with
quality and productivity. Specifically, attempts to determine the welding
parameters and thus obtain the best possible performance in terms of
productivity, quality welding and mechanical properties. Specimens were made
of aluminum structures 6351 T6 NBR ISO 209-2010 by the welding processes
TIG and MIG, being characterized by Macrography and tensile strength. Based
on the analysis of the minitab software best parameters were obtained for the
process being TIG 180 A and flow rate 12 l / min and the MIG were 170A and
23 Volts. Through these new parameters we were able to increase productivity
by 30%. For the criterion of resistance, both process the MIG and TIG, attended
the specification of AWS D1.2 norm.
Keywords: Aluminium, MIG, TIG, Mechanical Strength, Surface Finish
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Processo TIG............................................................................................ 34
Figura 2 Região do arco na soldagem GMAW. ...................................................... 40
Figura 3 Princípio de básico funcionamento do processo GMAW.. ........................ 42
Figura 4 Equipamento básico para o processo GMAW. ......................................... 43
Figura 5 Representação esquemática do fluxograma dos ensaios realizada no
trabalho. ................................................................................................... 61
Figura 6 Máquina de solda TIG. ............................................................................. 63
Figura 7 Máquina de solda MIG. ............................................................................ 64
Figura 8 Corpo de prova solda ângulo processo TIG ............................................. 67
Figura 9 Corpo de prova solda ângulo processo MIG. ........................................... 67
Figura 10 Rotação da amostra a cada mudança de lixa. ......................................... 68
Figura 11 Estereoscópio da marca Olympus ............................................................ 69
Figura 12 Aplicação de líquido penetrante. .............................................................. 70
Figura 13 Aplicação de líquido penetrante. .............................................................. 71
Figura 14 Aplicaçâo de revelador. ............................................................................ 72
Figura 15 Aplicação de revelador. ............................................................................ 72
Figura 16 Corpo de Prova para ensaio de tração .................................................... 73
Figura 17 Corpo de Prova para ensaio de tração TIG .............................................. 74
Figura 18 Corpo de Prova para ensaio de tração MIG. ............................................ 75
Figura 19 Macrografia processo de solda TIG ......................................................... 81
Figura 20 Macrografia processo de solda TIG ......................................................... 81
Figura 21 Macrografia processo de solda MIG. ........................................................ 82
Figura 22 Macrografia processo de solda MIG. ........................................................ 82
Figura 23 Resultado de macrografia de solda de ângulo TIG .................................. 83
Figura 24 Resultado de macrografia de solda de ângulo MIG ................................. 84
Figura 25 Aplicação de revelador. ............................................................................ 85
Figura 26 Grafico do ensaio de tração nos corpos de prova processo MIG e TIG .... 86
Figura 27 Gráfico tensão e deformação. .................................................................. 86
Figura 28 Máquina de ensaio de tração. .................................................................. 87
Figura 29 Corpo de prova de tração MIG. ................................................................ 88
Figura 30 Corpo de prova após o ensaio de tração .................................................. 91
Figura 31 Fotos cordão de solda TIG. ...................................................................... 94
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Figura 32 Fotos cordão de solda TIG. ...................................................................... 94
Figura 33 Fotos cordão de solda MIG. ..................................................................... 95
Figura 34 Fotos cordão de solda MIG. ..................................................................... 95
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LISTA DE TABELAS Tabela 1 Distribuição da produção de alumínio nos Estados Unidos.. .................... 20
Tabela 2 Classificação do alumínio ......................................................................... 20
Tabela 3 Aplicações ................................................................................................ 21
Tabela 4 Composição química e aplicações das ligas de alumínio trabalháveis
não trabalháveis não tratáveis termicamente (ALCAN, 2009). ................. 30
Tabela 5 Soldabilidade de ligas de alumínio trabalháveis – não tratáveis
termicamente (ALCAN, 2009)................................................................... 33
Tabela 6 Propriedades físicas e químicas, especificadas e utilizadas nos
componentes das estruturas de alumínio (NBR ISO 209:2010). .................... 62
Tabela 7 Composição química nominal dos metais de adição (AWS 5.10) ............ 62
Tabela 8 Parâmetros de solda em ângulo TIG e MIG ............................................. 66
Tabela 9 Parâmetros de solda de topo TIG e MIG .................................................. 73
Tabela 10 Resultado da macrografia da solda em ângulo TIG ................................. 76
Tabela 11 Resultado da macrografia da solda em ângulo MIG ................................. 78
Tabela 12 Resultado ensaio de tração MIG ...............................................................88
Tabela 13 Resultado ensaio de tração TIG. ...............................................................89
Tabela 14 Resultado Alongamento Percentual (Є) Processo MIG e TIG.. .................92
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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ASTM - American Society for Testing and Materials
CO2 - Dióxido de carbono
O2 - Dióxido
DOE - Delineamento de experimentos (Design of Experiments)
DCEP - Direct current electrode positive
DCEN - Direct current electrode negative
GMAW - Gas metal arc welding
GTAW - Gas Tungsten arc welding
MIG - Metal inert gas
MAG - Metal active gas
TIG - Tungsten inert gas
ZTA - Zona termicamente afetada
SO2 - Dióxido de enxofre
AWS D1.2 – American welding society
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SUMÁRIO 1 Introdução ............................................................................................................. 14 1.1 Objeto de estudo do trabalho ................................................................. 16 1.2 Objetivo geral.......................................................................................... 16 1.3 Abordagem quantitativa .......................................................................... 16 1.4 Organização do trabalho ........................................................................ 17 2 Revisão bibliográfica ........................................................................................... 18
2.1 Alumínio .................................................................................................. 18 2.1.1 Vantagens do alumínio .................................................................. 18 2.1.2 Classificação .................................................................................. 19 2.1.3 Qualidade ...................................................................................... 19 2.1.4 Sistema de classificação................................................................ 20 2.1.5 Aplicações ..................................................................................... 21 2.1.6 Ligas da série 6XXX Al-Mg-Si ........................................................ 21 2.1.7 Ligas da série 6XXX Al-Mg-Si-Cu .................................................. 23 2.1.8 Processamento e aplicações das ligas da série 6xxx .................... 25 2.1.9 A condutividade elétrica do alumínio. ............................................ 26 2.2 Processos de soldagem TIG .................................................................. 34 2.2.1 Variáveis de influência na soldagem ............................................. 35 2.2.2 Corrente e tensão .......................................................................... 36 2.2.3 Gás de proteção ............................................................................ 37 2.2.4 Eletrodo ......................................................................................... 37 2.2.5 O calor na soldagem ...................................................................... 37 2.3 Soldagem a arco elétrico com proteção gasosa MIG ............................. 40 2.4 Tensões e deformações decorrentes de operações de soldagem ......... 53 2.5 Geometria e acabamento superficial ...................................................... 56 2.6 Princípios básicos do DOE ..................................................................... 58 3 Materiais e Metodologia Experimental. ............................................................. 60 3.1 Materiais ................................................................................................. 61 3.2 Equipamentos ......................................................................................... 62 3.3 Metodologia experimental ...................................................................... 64 3.3.1 Metodologia de DOE .................................................................... 64 3.3.2 Planejamento dos ensaios experimentais .................................... 65 3.3.3 Escolha dos fatores ...................................................................... 65 3.4 Metalografia: preparação de amostras e análise qualitativa .................. 66 3.4.1 Corte ............................................................................................. 66 3.4.2 Lixamento ..................................................................................... 67 3.4.3 Polimento ...................................................................................... 68 3.4.4 Ataque químico ............................................................................. 68 3.4.5 Análise qualitativa ......................................................................... 69
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3.5 Análise pelo ensaio de líquido penetrante .............................................. 69 3.5.1 Finalidade do ensaio ..................................................................... 69 3.5.2 Princípios básicos ......................................................................... 70 3.6 Análise pelo ensaio de tração ................................................................. 72 3.6.1 Objetivo.......................................................................................... 72 3.6.2 Parâmetros de soldagem da junta de topo .................................... 73 3.6.3 Teste de tração .............................................................................. 73 3.6.4 Realização do teste de tração ....................................................... 74 3.7 Alongamento percentual ......................................................................... 75 4 Resultados e Discussão ...................................................................................... 76 4.1.1 DOE Definição dos melhores parâmetros do processo TIG. ......... 76 4.1.2 DOE Definição dos melhores parâmetros do processo MIG. ........ 77 4.2.1 Análise no ensaio de macrografia. ................................................. 79 4.2.2 Ataque na superfície ...................................................................... 79 4.2.3 Avaliação e registro dos resultados. .............................................. 79 4.3.1 Avaliação pelo método de líquido penetrante. ............................... 84 4.3.2 Avaliação e inspeção. .................................................................... 84 4.4.1 Avaliação pelo método de ensaio de tração. ................................. 86 4.4.2 Avaliação e inspeção. .................................................................... 86 4.5.1 Alongamento percentual. ............................................................... 90 4.6.1 Acabamento Superficial. ................................................................ 93 5 Conclusões e sugestões para trabalhos ............................................................ 96 5.1 Conclusões. ............................................................................................96 5.2 Sugestões para trabalhos futuros. ..........................................................97 6 Referências ...........................................................................................................98
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1 - Introdução
O setor de produção de alumínio, um dos mais versáteis metais
utilizados pelo homem, é hoje a segunda indústria metalúrgica do mundo,
superada apenas pela siderurgia. O alumínio é um metal que apresenta vasta
gama de aplicação, pois apresenta elevada resistência mecânica e à corrosão,
possuindo excelente aspecto estético e densidade correspondente a um terço
da densidade do aço.
Entretanto os estudos desenvolvidos no Brasil, na área de estruturas
metálicas, têm-se limitado às estruturas de aço, deixando a um segundo plano
o alumínio enquanto material estrutural. A literatura nacional sobre o assunto
restringe-se basicamente a catálogos e manuais das usinas produtoras.
A economia associada ao custo de manutenção, para a qual o alumínio
apresenta vantagens em função de sua grande resistência à corrosão, faz
deste um material adequado para ambientes corrosivos.
O alumínio apresenta baixo módulo de elasticidade, se comparado com
o aço, correspondendo a um terço do valor deste. Este fator faz com que as
estruturas em alumínio apresentem uma satisfatória resposta sob o efeito de
tensões oriundas de impactos, deformações e ajustes. Em contrapartida, o
baixo módulo de elasticidade determina a necessidade de uma cuidadosa
avaliação da rigidez dos elementos e da estrutura globalmente.
O coeficiente de dilatação térmica do alumínio corresponde ao dobro do
valor para o aço, entretanto, em função do baixo módulo de elasticidade as
tensões residuais provenientes das variações de temperatura em geral não
alcançam valores significativos.
Outra vantagem fundamental dos elementos estruturais em alumínio
está no processo de fabricação de perfis através do processo de extrusão. Este
processo permite a fabricação de perfis com diversas seções transversais,
oferecendo facilidade de montagem, maior eficiência estrutural pela melhor
distribuição de massa e melhorias de aparência estética.
Na indústria de estrutura de alumínio é extremamente elevada a
quantidade produzida de componentes soldados pelo processo “GMAW” e
GTAW, portanto, é de suma importância garantir um controle tanto no aspecto
de resistência, como no aspecto visual. Para isso, as indústrias de caldeirarias
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e estruturas procuram melhorar seus processos visando tanto a otimização do
processo, quanto à qualidade.
Devido à tendência da formação de uma película estável e refrataria de
óxido de alumínio, e requerer uma grande energia por causa da sua
condutibilidade térmica torna-se difícil a soldagem do alumínio e suas ligas.
Atualmente, as atividades de qualidade estão cada vez mais incluindo a
participação de todo o pessoal da empresa, propiciando um grau de
comprometimento, um impacto revolucionário com mudanças na consciência
das pessoas e no ambiente de trabalho, um comprometimento de todos na
busca dos resultados e na solução de problemas, a fim de reformular a
estrutura da empresa e gerar maiores lucros (IM&C, 2000).
O objetivo da diferenciação entre esses enfoques não pode ir além dos
objetivos didáticos, uma vez que eles complementam-se entre si na busca pela
satisfação dos clientes. O ideal seria que, assim como os indicadores de
qualidade são influenciados pelos processos utilizados no seu
desenvolvimento, os processos também fossem influenciados pelos
indicadores de qualidade definidos no planejamento (CAMPOS, 1992).
A soldagem é hoje um dos processos de fabricação mais importantes e
populares para a união de materiais metálicos (ALMENDRA; SILVA;
RAMALHO, 1997). A garantia de sua qualidade requer, no entanto, em
determinadas aplicações, avaliações e qualificações da junta soldada (AWS,
1988). A inspeção e a aceitabilidade de determinada solda deve atender a
critérios preestabelecidos, tais como em normas específicas (AWS, 1999). Nos
países, onde a qualidade do produto é fator determinante da sua aceitabilidade
no mercado, o desenvolvimento de normas, inspeção e aprovação do produto
torna-se necessidade indispensável (AWS, 1980).
O processo de soldagem é bastante antigo e comum na maioria das
indústrias. Apesar da evolução das técnicas, ainda existe um número elevado
de processos que dependem da experiência do operador no ajuste dos
parâmetros. Estes parâmetros são importantes e estão relacionados com
defeitos e dificuldades comuns em processos de soldagem: má aderência do
cordão de solda, porosidades, mordeduras, falta de penetração, entre outras
(MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005).
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Na indústria de estruturas, a falta de controle dos parâmetros de
soldagem em componentes soldados pode comprometer a qualidade e
segurança do produto, afetando diretamente a resistência.
1.1 – Objeto de estudo do trabalho
Objeto de estudo é o conhecimento das caracteristicas de cada
processo de soldagem comumente utilizado na soldagem do alumínio, e
aplicando-o na soldagem de estruturas de alumínio, pode-se determinar o
melhor processo, e os parâmetros mais adequados para obtenção de uma
soldagem de qualidade, com a menor distorção possível. Análise dos
processos de soldagem em alumínio. Esse conhecimento possibilitará o
desenvolvimento de estruturas leves mais precisas e de melhor qualidade.
1.2 – Objetivo geral
O presente projeto tem como objetivo estudar e desenvolver um
processo otimizado para soldagem em estruturas de alumínio, com qualidade e
produtividade, visando testar e comparar os resultados entre o processo de
soldagem MIG e TIG.
Com base nas informações citados acima o trabalho tem deve
determinar : os parâmetros de soldagem e obter assim, o melhor desempenho
possível no que se refere à produtividade, à qualidade na soldagem e ao
controle de tensão, deformação e resistência mecânica - utilizando a
metodologia “delineamento de experimentos” (DOE); e comparar o
desempenho dos processos de soldagem TIG e MIG, por meio de ensaios de
macrografia, ensaio pelo método de líquido penetrante, ensaio de tração,
alongamento percentual, análise de acabamento superficial e estudos dos
ensaios com processo TIG e MIG.
1.3 - Abordagem quantitativa
Trata-se de um experimento de campo, com abordagem quantitativa. Os
dados serão obtidos por meio de testes e observação sistemática.
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1.4 - Organização do trabalho
Esta dissertação foi organizada em seis capítulos conforme abaixo:
- O capítulo 1 introduz o objeto de estudo do trabalho, hipótese do
trabalho, objetivo geral, objetivo específico e abordagem quantitativa deste
projeto.
- O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica, contendo um histórico,
vantagem e aplicações do alumínio e seu respectivo consumo nos diversos
seguimentos, principalmente na aplicação de estruturas de alumínio. Também
é apresentado o processo de soldagem TIG e MIG utilizado no processo de
fabricação de estrutura de alumínio.
- O capítulo 3 define os materiais, e demonstra a metodologia para
fabricação das amostras para realização dos ensaios de macrografia, ensaio
pelo método de líquido penetrante, ensaio de tração, alongamento percentual,
análise de acabamento superficial e estudos dos ensaios com processo TIG e
MIG.
- O capítulo 4 apresenta os resultados e as discussões referentes aos
experimentos e ensaios realizados com os processos de soldagem TIG e MIG.
- O capítulo 5 apresenta as conclusões apontadas ao longo do trabalho
desenvolvido e as sugestões para trabalhos futuros. O capítulo 6 finaliza
apresentando as referências bibliográficas que foram utilizadas durante o
desenvolvimento desta dissertação.
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2 - Revisão da literatura
2.1 - Alumínio
O alumínio é amplamente utilizado pela indústria de diversas maneiras.
Tal versatilidade se deve às suas propriedades e excelente desempenho na
maioria das aplicações. Suas técnicas de fabricação permitem a manufatura do
produto acabado a preços competitivos. Cada segmento utiliza o metal na
forma mais adequada às suas finalidades, de acordo com os diferenciais e
propriedades de cada produto.
As características do alumínio permitem que ele tenha diversas
possibilidades de aplicações. Por isso, o metal é um dos mais utilizados no
mundo todo. Material leve, durável e bonito, o alumínio mostra um excelente
desempenho e propriedades superiores na maioria das aplicações. Produtos
que utilizam o alumínio ganham também competitividade, em função dos
inúmeros atributos que este metal incorpora, como pode ser conferido a seguir:
representa menor consumo de combustível - característica essencial na
indústria de transportes- menor peso, mais eficiência e capacidade de carga.
No setor de alimentos traz funcionalidade e praticidade às embalagens por seu
peso reduzido em relação a outros materiais. A sua massa específica é de
cerca de 2,7 g/cm³, aproximadamente 35% da do aço e 30% da do cobre.
A menor densidade do alumínio, quando comparada com a do aço
(cerca de três vezes menor), não tem nenhuma relação direta com a soldagem.
Entretanto, a maior facilidade de manuseio das lâminas e subconjuntos antes e
após a soldagem é uma vantagem significativa que deve ser considerada
(ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO ALUMINIO, 1994).
2.1.1 - Vantagens do alumínio
O Alumínio e suas ligas constituem um dos materiais metálicos mais
versáteis, econômicos e atrativos para uma vasta série de aplicações. Sua
aplicação como metal estrutural só é menor que a dos aços.
Por não ser ferromagnético, o alumínio possui elevadas condutividades
térmicas e elétricas, e é não-tóxico. Outra vantagem é a sua resistência à
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oxidação progressiva, já que os átomos da sua superfície se combinam com o
oxigênio da atmosfera, que formam uma camada de óxido protetor impedindo a
progressão da deterioração do material. Além disso, o alumínio com
determinados tratamentos e/ou elementos de liga se torna resistente à
corrosão em meios mais agressivos. O alumínio também encontra aplicações
em peças decorativas, graças à sua superfície brilhante e refletiva (ALCAN,
2009).
2.1.2 - Classificação
A produção do Alumínio é dividida em duas partes: primária e
secundária. O alumínio primário é produzido, basicamente, pelo processo Hall-
Héroult, no qual a alumina (óxido de alumínio) obtida pelo refino da bauxita é
dissolvida num banho de criólitos e sais fluoretos, que tem a função de
controlar a temperatura, densidade e resistividade do banho, e a solubilidade
da alumina. O metal separado no processo é removido por sistemas de vácuo
ou sifão para dentro de cadinhos, que são então transferidos para unidades de
fundição, onde são refundidos ou transformados em lingotes. O alumínio
produzido por este método contém uma quantidade relativamente elevada de
impurezas, e para a obtenção de ligas com purezas mais elevadas outros
métodos de refino são utilizados, podendo resultar em índices de 99,999% de
pureza (ALCAN, 2009).
Já o alumínio secundário é produzido a partir da reciclagem de sucata e
constitui uma importante fonte de produção do metal. Esta atividade vem sendo
cada vez mais valorizada ultimamente, pois representa uma importante
economia de energia elétrica, item especialmente importante na produção do
metal.
2.1.3 – Qualidade
O alumínio possui uma boa conformabilidade e pode ser produzido em
uma série de formas diferentes. A tabela 1 mostra a distribuição da produção
de alumínio nos EUA, principal consumidor mundial.
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Tabela 1 – Distribuição da produção de alumínio nos Estados Unidos.
Produto Participação (%)
Chapas, Placas e Folhas 51,3
Lingotes 26,4
Tubos e extrudados 14,9
Condutores 3,0
Barras, arames e
fio-máquinas 2,7
Forjados 1,1
Pó 0,6
Fonte: (ALCAN,2009)
2.1.4 - Sistema de classificação
A tabela 2 mostra o sistema de classificação da The Aluminum
Association Inc., associação dos produtores norte-americanos.
Tabela 2 – Classificação do alumínio
Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga
1xxx Alumínio puro -
2xxx Cu Mg , Li
3xxx Mn Mg
4xxx Si -
5xxx Mg -
6xxx Mg , Si -
7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr
8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -
9xxx Reservado para uso futuro -
Fonte: (ALCAN,2009)
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2.1.5 - Aplicações.
A tabela 3 mostra as aplicações para cada tipo de série de alumínio.
Tabela 3 – Aplicações
Série Aplicações
1xxx Indústrias química e elétrica.
2xxx Aeronaves (graças a sua elevada resistência mecânica).
3xxx Aplicações arquitetônicas e produtos de uso geral.
4xxx Varetas ou eletrodos de solda e chapas para brasagem.
5xxx Produtos expostos à atmosfera marinha como cascos de barcos.
6xxx Produtos extrudados de uso arquitetônico.
7xxx Componentes estruturais de aeronaves e outras aplicações que
necessitam de elevados requisitos de resistência. Esta liga é a que
possui a maior resistência mecânica entre as ligas de alumínio.
Fonte: (ALCAN,2009)
2.1.6 - Ligas da série 6XXX Al-Mg-Si
Nas ligas da série 6XXX o magnésio e o silício combinam-se para formar
o composto intermetálico Mg2SI, que antes de atingir o equilíbrio no super
envelhecimento, é o responsável pelo endurecimento dessas ligas. A
solubilidade da fase Mg2SI (beta) na matriz rica em alumínio (alfa) aumenta
com a elevação da temperatura.
O tratamento de solubilização e envelhecimento artificial controlado
permite a precipitação da segunda fase (beta) a partir de uma solução sólida
supersaturada. Isso favorece a formação de precipitados finos e uniformemente
distribuídos, que acarretam um substancial aumento da dureza do material
(JORGE; MOSCIARO; COSTA; JUNIOR, 1987. LUCAS,1982).
O aumento da dureza com o tempo e a temperatura de envelhecimento
estão relacionados com o crescimento das partículas de segunda fase, desde
dimensões características de zonas de Guinier-Preston (AMERICAN
WELDING SOCIETY, 1991) até partículas com menor grau de coerência [I.I.W,
1977. STOL,1989). A queda de dureza, que ocorre para tratamentos térmicos
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em altas temperaturas e/ou longos tempos de envelhecimento, está
relacionada com o crescimento excessivo dos precipitados, favorecendo o
movimento das discordâncias quando de uma solicitação mecânica, o que
possibilita o amolecimento da liga, e que caracteriza o super envelhecimento
(I.I.W,1977).
Em temperaturas de envelhecimento da ordem de 200ºC a precipitação
nestas ligas tem uma cinética relativamente rápida. O processo inicia-se
através da formação de aglomerados (clusters) de átomos de silício, uma vez
que a solubilidade do silício no alumínio é menor do que a do magnésio. Esses
aglomerados estão distribuídos homogeneamente na matriz. As lacunas retidas
com o resfriamento rápido favorecem o aumento da difusividade dos átomos de
silício, acelerando o processo (STENBACKA, 1992. NEEDAHAM,1965). Aos
poucos, os átomos de magnésio difundem-se para esses aglomerados de
silício e ligando-se a estes formam as chamadas zonas de Guinier-Preston
(GP). A formação das zonas GP a 200ºC é rápida. Estas possuem formato
aproximadamente esférico e à medida que crescem, transformam-se em
precipitados com forma de agulhas, conhecidos na literatura como “beta"
(AMERICAN WELDING SOCIETY, 1991). Ao contrário dos precipitados
intermediários, as zonas GP não têm estrutura cristalina definida,
caracterizando-se por desordem interna (CASTNER, 1995). Essas zonas
podem atuar como núcleos para a formação de precipitados intermediários
(CASTNER, 1997. BOUGHTON, 1965).
Outros tipos de heterogeneidades como, discordâncias e contornos de
grão, podem favorecer a nucleação de precipitados (AMERICAN WELDING
SOCIETY, 1991). Enquanto alguns pesquisadores (JORGE; MOSCIARO;
COSTA; 1987) afirmam que o processo de precipitação é contínuo, outros o
consideram descontínuo, ou seja, que a formação de determinados tipos de
precipitados ocorreria a partir da dissolução dos precipitados anteriores. “Após
algum tempo de envelhecimento a 200ºC formam-se os precipitados beta”
(ALCAN, 1993. CASTNER, 1997. WANG, 1994). O precipitado de transição
desenvolve-se por um processo de ordenamento do espaçamento e do arranjo
atômico nos aglomerados de átomos de magnésio e silício (ALLUM, 1985).
“Ao se prolongar o envelhecimento a 200ºC surgem os precipitados β',
que se originam do crescimento e transformação dos precipitados β". Esses
23
dois precipitados são bem distintos: enquanto β" é totalmente coerente, β' é
semi-coerente, além das diferenças quanto ao tamanho (os precipitados β" são
bem menores que os β'), e forma (β" em forma de agulhas e β' em forma de
bastonetes). Os valores máximos de dureza obtidos nestas ligas Al-Mg-Si
estão associados à presença dos precipitados metaestáveis β" e β' (ALCAN,
2009). Para tempos de envelhecimento a 200ºC muito longos surge o
precipitado de equilíbrio b, completamente incoerente com a matriz. Este
precipitado, cuja composição química corresponde à relação estequiométrica
Mg2Si, possui forma de plaqueta e dimensões relativamente grandes. Sua
presença está associada ao amolecimento da liga acarretado pelo
superenvelhecimento. (JORGE; MOSCIARO; COSTA; JUNIOR, 1987).
2.1.7 Ligas da série 6XXX Al-Mg-Si-Cu
•Ligas Al-Mg-Si-Cu A introdução de elevados teores de cobre (da ordem de 0,7
a 1,0 %) nas ligas da série 6XXX ) estas ligas enriquecem com outros tipos de
precipitados endurecedores além de β" (em forma de agulhas) e β' (em forma
de bastonetes).
Foram identificados também, nestas ligas que contêm cobre,
precipitados em forma de ripas, ainda não identificados, mas que podem ser
precipitados intermediários da fase Q' (composição aproximada: Al4Cu
2Mg8Si7), da fase “theta" (Al2Cu) ou da fase S' (Al2CuMg). É possível que todas
essas fases estejam presentes nas ligas Al-Mg-Si-Cu (WIDGERY, 1986).
Pereira, (1995) afirma que, ao contrário das fases β", Q' e theta" é improvável,
do ponto de vista da termodinâmica, a presença das fases S' ou S (resultante
da transformação da fase S' mencionada em precipitados termodinamicamente
estáveis) nas ligas Al-Mg-Si-Cu, e que estas fases não poderiam coexistir com
as fases Q' e Q (analogamente proveniente da transformação da fase Q' em
precipitados de equilíbrio) presentes nas ligas com teor de silício
razoavelmente alto. A fase Q' teria a mesma morfologia (forma de ripas
alongadas) e estrutura cristalina da fase Q (hexagonal compacto: a = 1,04 nm e
c = 0,405 nm), diferenciando-se desta somente pelas menores dimensões e
pelo fato de ser coerente.
24
Para tempos de envelhecimento mais prolongados a tendência é o
aumento da presença da fase Q' quando comparada com a fase beta, que
predomina no início do envelhecimento (PEREIRA, 1995). Ao contrário da fase
“beta”, que apresenta seção reta circular, a fase Q' possui seção reta
retangular. O grande efeito de endurecimento por precipitação associado à
presença desta fase explicaria o ganho de dureza e de resistência mecânica
associado às adições de cobre às ligas Al-Mg-Si. A fase Q' e a Q também
podem ser encontradas em ligas Al-Cu-Mg (série 2XXX) com adições de silício.
Ao se considerar as regiões de estabilidade das diferentes fases
endurecedoras em função dos teores de magnésio, silício e cobre, verifica-se
que a composição da liga 6013, que possui um pequeno excesso de silício,
corresponde à presença das fases “beta", theta", Q' e Si (aglomerados de
átomos de silício) (PEREIRA, 1995).
Além do cobre, outro elemento importante nestas ligas é o manganês,
embora em teores mais baixos, da ordem de 0,3 a 0,6 %. Este elemento
combina-se com o ferro e o silício para formar as fases AlFeMnSi e Al15Mn3Si2
(WIDGERY, 1996, CHANDEL, 1990). Quando o teor de ferro é muito alto,
comparado com o teor de manganês, predomina a fase AlFeSi, que é tanto
mais grosseira quanto maior o teor de ferro. Nesse caso, esta fase é conhecida
como b-AlFeSi (WHITE, 1997). Quando o teor de ferro é mais baixo e o teor de
manganês relativamente baixo, ainda predomina a fase AlFeSi, embora esta se
apresente sob a forma de partículas bem mais finas, denominando-se então,
fase alfa-AlFeSi. Quando o teor de manganês é semelhante ao teor de ferro
prepondera a fase AlFeMnSi, uma vez que boa parte dos átomos de ferro são
substituídos por átomos de manganês (RADAJ, 1992).
Quando o teor de ferro é bem mais baixo que o teor de manganês
prepondera a fase AlMnSi, que se apresenta sob a forma de dispersóides finos
quando o teor de manganês é alto. O tamanho e a distribuição dessas fases
influem bastante sobre o comportamento da liga 6013 no que se refere à
recristalização. As partículas finas (dispersóides com maior teor de manganês)
atuam como obstáculos ao movimento dos contornos de grão, retardando a
recristalização e o crescimento de grão (WIDGERY, 1986. MASUBUCHI,
1980).
25
Por outro lado, as partículas grosseiras (mais ricas em ferro) favorecem
a recristalização, na medida em que, a região adjacente a estas partículas
grosseiras apresentam maior grau de deformação (maior densidade de
discordâncias) e, por isso, atuam como sítios mais eficazes para a nucleação
preferencial de grãos recristalizados (WIDGERY, 1986. MASUBUCHI, 1980).
Além disso, o livre caminho médio para a migração de contornos é maior entre
estas partículas mais grosseiras, que, portanto, não retardam de modo
significativo a recristalização. Deste modo, o material que contém partículas
grosseiras tem a recristalização acelerada em comparação ao que contém
partículas finas (WIDGERY, 1986. MASUBUCHI, 1980). Sendo assim, ao
passo que o cobre influi no endurecimento por precipitação da liga, o
manganês afeta a cinética de recristalização da mesma.
2.1.8 - Processamento e aplicações das ligas da sér ie 6xxx
As ligas da série 6xxx apresentam duas características que justificam o
seu uso mais frequente quando comparadas às demais ligas de alumínio: a
capacidade de endurecimento por precipitação (termicamente tratáveis) aliada
à facilidade de serem extrudadas. Estas ligas apresentam elevada ductilidade,
que permite o seu uso em operações que acarretam elevados graus de
deformação, como a extrusão. Por esse motivo, as ligas Al-Mg-Si representam
a maior parte do volume de ligas de alumínio extrudadas (SAMMONS, 2001).
Além da maior facilidade de serem trabalhadas, quando comparadas com as
demais ligas termicamente tratáveis (Al-Zn-Mg e Al-Cu), as ligas Al-Mg-Si
apresentam maior soldabilidade (PEREIRA, 2000) e maior resistência à
corrosão (ALCAN, 2009) do que as demais ligas termicamente tratáveis (Al-Zn-
Mg e Al-Cu). Assim, as ligas da série 6xxx são mais utilizadas comercialmente
que as demais séries de liga.
Com o objetivo de superar as limitações das ligas Al-Mg-Si, para
aplicações em que se exige níveis de resistência mecânica mais elevados,
foram introduzidas as ligas Al-Mg-Si-Cu: 6013, 6056 e 6111 (WIDGERY, 1986).
A adição de elevados teores de cobre permite obter resistência mecânica bem
mais alta que a das tradicionais ligas Al-Mg-Si sem cobre, atingindo valores
comparáveis às das ligas da série 2xxx, sem, contudo, prejudicar
26
sensivelmente as características que favorecem a sua utilização em processos
como extrusão e soldagem (WIDGERY, 1986. CHANDEL, 1990).
As ligas de alumínio da série 6xxx são utilizadas em uma ampla
variedade de aplicações, desde o uso em perfis de arquitetura - como é o caso
das ligas com menos elementos de liga e consequentemente de menor
resistência mecânica - como a 6063 e a 6060, até as chamadas ligas de
aplicação estrutural com maiores teores de elementos de liga e maior dureza,
como a 6061 e a 6351, com grande potencial de aplicação na indústria
automobilística (ZARUBA, 1970). Para aplicações na indústria aeronáutica
normalmente utilizam-se as ligas das séries 2xxx e 7xxx.
As novas ligas Al-Mg-Si-Cu podem não só substituir as tradicionais ligas
Al-Mg-Si de aplicação estrutural (como a 6061), mas, também ser usadas em
várias aplicações na indústria aeronáutica ainda reservadas às ligas Al-Cu e Al-
Zn-Mg (ALCAN, 2009). Entretanto, como a introdução destas ligas Al-Mg-Si-Cu
no mercado é ainda muito recente é muito importante uma investigação quanto
à microestrutura e propriedades para uma avaliação precisa de seu potencial,
uma vez que não há muitos dados disponíveis sobre este novo subgrupo de
ligas na literatura. Entretanto, a partir dos primeiros estudos, com ênfase na
análise de propriedades mecânicas como dureza e resistência à tração, já se
pode dizer que essas novas ligas poderão ser aplicadas em diversos
componentes do automóvel, como o chassi, carroceria, barra de direção, rodas,
painéis internos e externos entre vários outros (ALCAN, 2009).
2.1.9 - A Condutividade elétrica do alumínio.
A condutividade elétrica difere de metal para metal e para o alumínio de
liga para liga, ela tem pouca influência na soldagem por fusão. Entretanto, é
uma propriedade muito importante para os materiais que são soldados por
resistência. Quanto maior a condutividade elétrica do alumínio, correntes
maiores serão necessárias para produzir o mesmo efeito de aquecimento em
comparação com o aço. A condutividade térmica deste é uma das mais altas
encontradas entre os metais, e o ponto de fusão do alumínio é 660 ºC, mas
torna-se menor quando elementos de liga são adicionados e exerce uma
grande influência na soldabilidade, pois a condutividade térmica é cinco vezes
27
maior no alumínio que no aço, significando que o alumínio necessita de um
fornecimento de calor cerca de cinco vezes maior do que o requerido para aço
para uma mesma massa elevar sua temperatura localmente. Na prática, isso
significa o uso de uma fonte de calor com maior intensidade.
Numa primeira análise, devido ao ponto de fusão do alumínio ser menor
que o do aço, pode parecer que o calor requerido para solda do alumínio é
menor que o requerido para soldar o aço. Entretanto, a alta condutividade
térmica do alumínio compensa esta diferença entre a temperatura de fusão, e,
de fato, o alumínio necessita de pelo menos tanto quanto ou provavelmente
mais calor que o aço para ser soldado.
A alta condutividade térmica, o alto coeficiente de expansão linear e a
necessidade de maior aporte de calor, poderão causar consideráveis
distorções durante a soldagem se não forem utilizadas as velocidades de
trabalhos mais altas possíveis quando da soldagem do alumínio com fontes de
calor mais intensas.
Uma vantagem da alta condutividade térmica do alumínio sob o ponto de
vista do soldador é que ela proporciona uma rápida solidificação da poça de
solda, tornando a soldagem do alumínio mais rápida que a do aço.
Tentar soldar por fusão o alumínio sem primeiro remover o filme de
óxido, resulta na fusão do metal bem antes de o óxido fundir-se, e a
coalecência pode não ocorrer. Nos processos de soldagem a arco metálico
com proteção de gás inerte o oxido é removido pela ação do arco elétrico, e a
formação de um novo filme é evitada pela ação do campo de gás protetor.
O alumino puro é um metal que apresenta uma resistência mecânica
relativamente baixa, mas ductilidade elevada. Entretanto, por meio da adição
de um ou mais elementos de liga, a resistência pode ser substancialmente
aumentada, embora mantenha valores de ductilidade bastante aceitáveis.
O alumínio comercialmente puro tem uma resistência a tração de
aproximadamente 90 MPa. Por meio de deformação/transformação do metal,
por exemplo, na laminação a frio, sua resistência pode ser praticamente
dobrada. Aumentos maiores de resistência podem ser obtidos com pequenas
adições de outros metais como elementos de liga, tais como: manganês, silício,
cobre, magnésio, zinco, etc.
28
Como o alumínio puro, as ligas podem, também, ter suas resistências
aumentadas pelo trabalho a frio. Algumas ligas podem ainda apresentar
aumento de resistência através de tratamento térmico, tanto que, hoje, algumas
ligas de alumínio podem ter resistência à tração de aproximadamente 700
MPa.
O alumínio e suas ligas perdem parte de sua resistência a elevadas
temperaturas, embora algumas ligas conservem boa resistência em
temperaturas entre 200 e 260° C. Em temperaturas ab aixo de zero, entretanto,
sua resistência aumenta sem perder a ductilidade, tanto que o alumínio é um
metal particularmente utilizado em aplicações a baixas temperaturas.
Estas são as características que dão ao alumínio sua extrema
versatilidade. Na maioria das aplicações, duas ou mais destas características
entram em jogo, como por exemplo, baixo peso combinado com resistência em
aeronaves, vagões ferroviários, caminhões e outros equipamentos de
transportes. É fundamental aliar resistência à corrosão e a elevada
condutibilidade térmica em equipamentos para a indústria química e petrolífera,
já que essas propriedades combinam com a atoxidade em equipamentos de
produção alimentícia. Sua aparência atraente aliada às altas resistências e às
intempéries e baixos requisitos de manutenção, proporcionam uma vasta
utilização em todos os tipos de construção.
A alta refletividade, a excelente resistência às intempéries e seu baixo
peso são muito importantes em materiais de cobertura. Seu baixo peso
contribui facilitando o manuseio e os custos de transporte. Muitas aplicações
requerem extrema versatilidade que somente o alumínio possui. Diariamente,
as combinações de suas propriedades estão sendo trabalhadas de novas
formas.
Em face da infinidade de ligas de alumínio que existem e suas têmperas
uma classificação dessas ligas foi desenvolvidas pela “Aluminum Association”
(AA), que, atualmente, é seguida por toda a América do Norte e por muitos
outros paises do mundo, inclusive o Brasil.
A norma brasileira que classifica as ligas de alumínio é a “NBR ISO 209
2010”, que é compatível com a publicada pela “Aluminum Association”.
Dependendo de como essas ligas são produzidas, as ligas de alumínio são
divididas em dois grandes grupos, ligas fundidas e ligas trabalháveis:
29
- Ligas fundidas são aquelas cujos produtos são obtidos por meio de
vazamento de metal líquido em um molde para adquirir a forma desejada, as
ligas trabalháveis são aquelas em que, a forma final do produto é conseguida
através de transformações de um semimanufaturado. Podem ser em forma de
lâminas, chapas, folhas, perfis, vergalhões e forjados, obtido por transformação
mecânica a frio ou quente de um tarugo ou placa produzida pela solidificação
do metal líquido.
- As ligas de alumínio trabalháveis, para serem identificadas, requerem a
utilização de um sistema de números de quatro dígitos. O primeiro número
serve para indicar o grupo da liga de acordo com o elemento químico que
comparece em maior teor na composição da liga.
Os últimos dígitos identificam a liga de alumínio ou indicam a pureza do
alumínio. O segundo dígito indica modificações na liga original ou nos limites
de impurezas. Na Tabela 4, pode-se verificar a composição química e
aplicações das ligas de alumínio trabalháveis termicamente.
Praticamente todo o método de união pode ser aplicado ao alumínio –
rebitagem, soldagem, brazagem e colagem – uma grande variedade de
junções mecânicas do alumínio simplifica a montagem de muitos produtos.
Adesivos para colar peças de alumínio são largamente empregados,
particularmente em uniões de componentes aeronáuticos (ALCAN, 2009).
30
Tabela 4 – Composição química e aplicações das ligas de alumínio
trabalháveis, não trabalháveis e não tratáveis termicamente (ALCAN, 2009).
LIGA
COMPOSIÇÃO NOMINAL
Elementos de Liga- % em Peso
APLICAÇÕES TÍPICAS
Cu Si Mn Mg Zn Ni Cr
2011 5,5 0,4 - - - - - Usinagem de peças em torno automático.
2014 4,4 0,8 0,8 0,5 - - -
Peças forjadas com elevadas resistência
mecânica para aeronaves e automóveis.
Acessórios hidráulicos e estruturais.
2017 4,0 0,5 0,7 0,6 - - - Usinagem de peças com resistência
mecânica elevada.
2024 4,4 - 0.6 1,5 - - -
Elementos estruturais.
Chapas para construção de aeronaves,
normalmente recobertas (*CLAD*) para
melhorar a resistência a corrosão.
Rodas de carro de combate e locomotivas.
2036 2,6 - 0,2 0,4 - - - Carrocerias de automóveis.
2218 4,0 - - 1,5 2,0 - -
Liga para forjamento, cabeçotes de
cilindros e pistões.
Componentes que requerem resistência
mecânica e dureza em alta temperatura.
2219 6,3 - 0,3 - - - -
Estrutural, elevada resistência mecânica
em alta temperatura.
Tanques de aeronaves para
armazenamento de combustível.
Boa soldabilidade.
2519 5,8 - 0,3 0,2 0,06 - -
Estrutural, liga de alta resistência mecânica
utilizada na blindagem de veículos
militares.
2618 2,3 0,2 - 1,6 - 1,0 - As mesmas aplicações que a 2218
31
Tabela 4 – Composição química e aplicações das ligas de alumínio trabalháveis,
não trabalháveis e não tratáveis termicamente (ALCAN, 2009) (cont.).
6009 0.4 0.8 0.5 0.6 0.2 - 0.1 Carroceria de automóveis.
6010 0.4 1.0 0.5 0.8 0.2 - 0.1 Carroceria de automóveis.
6061 0,2 0,6 - 1,0 - - 0,2
Estrutural, automóveis, vagões,
ferroviários, embarcações.
Tubos, conexões, rebites.
Boa trabalhabilidade e soldabilidade e
resistência à corrosão.
6063 - 0,4 - 0,7 - - - Caixilharia e ornamentos. Tubos e grades.
6101 0,5 - - 0,6 - - - Estruturas elétricas com boa resistência
mecânica.
6262 0,3 0,6 - 1,0 - - 0,09 Usinagem de peças em torno automático.
6351 - 1,0 0,6 0,6 - - - As mesmas aplicações que a 6061.
7004 - - 0,4 1,5 4,2 - - Vagões ferroviários, perfis extrudados.
7005 - - 0,4 1,4 4,5 - 0,1 Vagões ferroviários, perfis extrudados.
7039 - - 0,3 2,8 4,0 - 0,2 Pontes militares e blindagem de veículos
militares.
7075 1,6 - - 2,5 5,6 - 0,2 Estruturas aeroespaciais de elevada
resistência.
Fonte: (ALCAN, 2009)
32
Podem-se notar na Tabela 5, os processos de soldagem utilizados para
cada liga de alumínio trabalhável e não tratável termicamente. A limpeza da
junta a ser soldada é um pré-requisito para se obter solda isenta de defeitos,
independentemente do processo de soldagem ou brazagem empregada. Para
se evitar a ocorrência de defeitos na solda, principalmente porosidade, fatores
como resíduos de óleo, graxa, pintura e humidade na peça a ser soldada
devem ser removidas antes da operação de soldagem.
O escovamento, como forma de limpeza, nunca deve ser feito sob uma
superfície oleosa ou gordurosa, porque ele tende a besuntar a gordura na
superfície e, além do mais, a escova fica completamente contaminada e logo
passa a não ser mais eficiente para a finalidade pretendida. Por isso, a regra
fundamental e desengraxar primeiro e em seguida escovar.
O escovamento da junta e das áreas ao seu redor com uma escova
manual ou elétrica é a ultima operação a ser feita antes da soldagem. A função
dessa operação é remover o filme de óxido que, embora volte a se formar
instantaneamente, é agora muito mais fino e não tem tempo de absorver algum
tipo de sujeira, humidade ou substâncias oleosas. As escovas devem ter
cerdas de aço inoxidável, que devem ser mantidas limpas.
33
Tabela 5 – Soldabilidade de ligas de alumínio trabalháveis – não
tratáveis termicamente (ALCAN, 2009)
PROCESSOS
LIGA SAMG Soldagem
a arco elétrico
com atmosfera
gasosa. / SATG
Soldagem a arco
tungstênio com
atmosfera
gasosa.
SPR Soldagem
a ponto por
resistência /
SCR Soldagem
de costura por
resistência.
B Brazagem SB
Solda Branda com fluxo
2014 C A X C
2017 C A X C
2024 C A X C
2036 C A X C
2218 C A X C
2219 A A X C
2618 C A X C
6009 A A A B
6010 A A A B
6061 A A A B
6063 A A A B
6070 A A C B
6101 A A A A
6201 A A A B
6951 A A A A
7004 A A B B
7005 A A B B
7039 A A C C
7075 C A X X
7178 C A X X
Fonte: ALCAN, 2009.
A: união pelo processo é fácil; B: união pelo processo é possível para a
maioria das aplicações, podendo requerer técnicas especiais ou testes
preliminares para estabelecer o procedimento e/ou desempenho; C: A união
pelo processo é difícil; X: A união pelo processo não é recomendada.
A união de todas as ligas pode ser feita através de: soldagem ultra-
sônica, colagem com adesivos ou fixada mecanicamente.
34
2.2 - Processo de soldagem TIG.
A soldagem a arco com eletrodo não consumível de tungstênio e
proteção gasosa GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) é um processo no qual a
união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento e fusão dessas,
através de um arco elétrico estabelecido entre o eletrodo de tungstênio, não
consumível, e as peças a unir. A proteção da poça de fusão e do arco contra a
contaminação pela atmosfera é feita por uma nuvem de gás ou mistura de
gases inertes que, geralmente, são Argônio e/ou Hélio.
A adição de metal de adição pode ou não ser feita. A Figura 1 ilustra o
processo, que também é conhecido pela sigla em inglês, TIG (Tungsten Inert
Gas):
1-Fonte de Energia 2-Unidade de alta frequência
3-Gás de proteção 4-Bocal de gás
5-Eletrodo 6-Arco elétrico
7-Peça
Figura 1 – Processo TIG
O equipamento de soldagem TIG consiste numa fonte de energia que
pode ser de corrente alternada ou continua. O uso do tipo de corrente depende
do tipo de material a soldar-se. Também, há uma tocha que contém o eletrodo
não consumível (Tungstênio), fonte de gás de proteção junto com uma válvula
reguladora de vazão, um sistema de refrigeração que pode ser a água ou gás.
A maioria das fontes de soldagem incorpora um sistema de ignição de alta
freqüência junto com um pedal que aciona ou desliga o fornecimento de
35
energia e do gás de proteção. A grande vantagem do processo GTAW é a
variedade de materiais que se pode soldar comparada com outros processos
de soldagem, pois se pode soldar a maioria dos aços, ligas de níquel como o
Monel® e o Inconel®, Titânio, Alumínio, Magnésio, Cobre, Latão, Bronze e,
inclusive, ouro. Esse processo pode também soldar materiais diferentes como
cobre e latão.
2.2.1 - Variáveis de Influência na soldagem
As variáveis que determinam basicamente o processo são a tensão do
arco, a corrente de soldagem, velocidade de avanço e a composição do gás de
proteção. Deve-se levar em consideração que as variáveis não agem
especificamente de forma independente havendo forte interação entre elas.
Muitos são os fatores que afetam o formato final do cordão, as condições
gerais de operação e características da solda. Algumas variáveis mostram uma
inter-relação e devem ser tratadas de maneira conjunta. Um exemplo do
relacionamento é dado pela velocidade de soldagem e a corrente, pois ambas
determinam a penetração do cordão. Se for escolhida uma velocidade muito
alta, pode-se não atingir a penetração requerida, sendo necessário o aumento
da corrente. E, se temos uma velocidade baixa e trabalhamos com chapas
finas, o processo de soldagem pode se converter em corte. Uma adequada
escolha nos parâmetros da soldagem pode alcançar as características
desejáveis e uma maior produtividade no processo de soldagem. Segundo
MODENESI (2005), algumas das principais variáveis da soldagem são:
- Nível de corrente;
- Tipo de corrente (corrente contínua com o eletrodo positivo, CC+, corrente
contínua com o eletrodo negativo, CC-, e corrente alternada, CA);
- Tensão de operação (ou de soldagem);
- Comprimento do arco;
- Velocidade de deslocamento;
- Diâmetro do eletrodo;
- Ângulo da tocha, ou eletrodo, em relação à peça;
- Tipo de gás de proteção.
36
A seleção das variáveis de soldagem para uma dada aplicação depende
de inúmeros fatores, entre eles:
- Disponibilidade de equipamentos e materiais;
- Considerações geométricas (espessura do componente, desenho da junta,
posição de soldagem, etc);
- Metalúrgicas (tipo de material de base e sua sensibilidade ao ciclo térmico e
às deformações associadas ao processo de soldagem);
- Econômicas (produtividade);
- Reduzir a chance de formação de descontinuidades (mordeduras, inclusões
de escória, falta de fusão, etc) no cordão de solda.
Assim, devido ao elevado número de variáveis envolvidas e à inter-
relação entre elas, o estabelecimento das condições ótimas de soldagem para
uma dada aplicação não é, em geral, fácil, podendo existir diferentes soluções.
Frequentemente, as condições de soldagem são selecionadas de uma forma
empírica, com base em experiência prática, e, às vezes, auxiliada com testes
prévios. Quando se observa o processo de soldagem, este parece de simples
execução, mas, esconde a quantidade de variáveis que influenciam a solda.
Nos parágrafos seguintes são detalhados os parâmetros mais importantes e
como eles contribuem para o resultado final da solda.
2.2.2 - Corrente e tensão
Na solda TIG a variável que talvez tenha maior influência é a corrente.
Há uma forte interação entre corrente e tensão. Para determinados valores de
corrente existe uma relação proporcional com a tensão. A corrente está mais
ligada à penetração da solda (MODENESI, 2001). Para um comprimento do
arco fixo, aumentando-se a corrente, aumenta-se a penetração, mas também a
tensão e, conseqüente, aumento da largura do cordão. Portanto, o resultado
final do aumento da corrente reflete um aumento do volume da poça de fusão.
A corrente pode ser alternada ou contínua. A corrente contínua é mais
utilizada na polarização direta. Nesta condição, maior energia é concentrada na
peça e a fusão do material é maior. Na polarização inversa, o sentido da
corrente muda, o calor fica mais concentrado no eletrodo. A tensão apresenta
uma fraca relação com a penetração, pois variações desta causam maiores
37
efeitos na coluna do arco cujo calor gerado é transmitido principalmente na
direção radial. Porém a tensão apresenta uma forte relação com a distância
entre eletrodo e a peça (stand-off).
Devido a essas características e lembrando-se que o arco elétrico
gerado apresenta a forma de cone, diz-se que a tensão reflete na largura do
cordão de solda. Quanto maior o stand-off, mais largo o cordão será, pois
maior será a área do arco projetada na peça a ser soldada.
2.2.3 - Gás de proteção
O gás de proteção é um importante fator para garantir a qualidade da
solda. Ele protege o ambiente da solda, que inclui eletrodo, poça de fusão e o
próprio arco de solda. A ausência dessa proteção faz com que os gases da
atmosfera reajam quimicamente com a solda. Geralmente são usados dois
gases para proteção, hélio e argônio. O tipo do gás se é puro ou uma mistura
entre eles, influi no perfil da solda (NORRISH, 1992).
2.2.4 – Eletrodo
Os eletrodos de tungstênio usados no GTAW são usualmente dopados
com uma pequena quantidade de tório ou cério de forma a melhorar a ignição
do arco e pela melhora de suas características emissoras. O ângulo de
apontamento do eletrodo também influencia no perfil da solda. Mais
informações podem ser encontradas no Handbook de TIG do fabricante Miller
(2006).
2.2.5 - O calor na soldagem.
Independentemente da sua origem, a energia utilizada para a soldagem
provoca alterações nos metais base e na solda. Um fluxo térmico é
estabelecido para fundir e também no resfriamento da peça e, sob a ótica desta
tecnologia, o mesmo exerce profunda influência sobre pelo menos os seguintes
aspectos da junta soldada (MACHADO, 1996):
- Macroestrutura de solidificação do metal de solda;
38
- Transformações microestruturais;
- Propriedades mecânico/metalúrgicas;
- Descontinuidades;
- Tensões residuais;
- Deformações.
O transiente térmico estabelecido pelo gradiente de temperatura elevado
causa uma expansão não uniforme, o que desenvolve esforços capazes de
gerar falhas na peça soldada. As dimensões da zona termicamente afetada –
ZTA - podem ser reduzidas se o calor gerado pelo arco de soldagem for
aplicado de forma muito rápida, diminuindo a possibilidade de prejuízo das
propriedades mecânicas do metal de base.
Durante um processo de soldagem, as elevadas temperaturas
produzidas pelo arco e as propriedades termodinâmicas, como a difusividade
térmica, causam enormes gradientes de temperatura que acontecem na
vizinhança da poça de fusão. Convecções na poça de fusão, a forma da poça e
a transferência de calor no metal sólido e líquido, determinam a distribuição de
temperatura na chapa e na superfície. Para uma solda ideal, com condições
estáveis, essas temperaturas superficiais poderiam apresentar padrões
repetíveis e regulares. As perturbações na penetração da solda poderiam ser
claramente identificáveis nas variações da distribuição da temperatura
superficial.
A soldagem a arco elétrico com a atmosfera gasosa e eletrodo não
consumível, ou mais comumente designada como soldagem TIG (“Tungsten
Inert Gas”), é um processo de soldagem em que o arco elétrico é estabelecido
entre um eletrodo não consumível e a peça, numa atmosfera de gás inerte.
No processo TIG, o arco elétrico pode ser obtido por meio de corrente
alternada (CA), corrente continua e eletrodo positivo (CC+), ou corrente
continua e eletrodo negativo (CC-). Entretanto, na indústria em geral o
processo TIG (CA) é o mais aplicado na soldagem das ligas de alumínio. Ele foi
desenvolvido antes do processo MIG, bem como, foi o primeiro processo de
soldagem com proteção de gás inerte adequado para soldar o alumínio.
Para a soldagem TIG (CA) do alumínio o argônio puro é o gás de
proteção mais utilizado. O argônio não só fornece uma abertura de arco estável
39
como propicia melhor ação de limpez que o gás hélio ou a mistura dos dois
gases.
A escolha de uma classificação do tipo e da bitola de um eletrodo, para
suportar uma corrente de soldagem, é influenciada pela espessura e pelo tipo
de liga do metal base. A capacidade dos eletrodos de tungstênio à passagem
da corrente é dependente de inúmeros outros fatores, tais como: tipo e
polaridade da corrente; gás de proteção empregado; tipo de equipamento
utilizado (com resfriamento a ar ou água); da extensão do eletrodo além do
anel suporte (fixação do eletrodo com luva ou tubo) e a posição da soldagem.
A soldagem TIG (CA) em alumínio pode ser feita com ou sem metal de
adição. A soldagem sem metal de adição, denominada de autógena, é limitada,
principalmente a materiais de espessura muito fina e ligas que não sejam
propensas as trincas a quente. O metal de adição minimiza a fissuração,
compensa variações na montagem da junta, e participa na elaboração de
soldas de filete e outras soldas, onde a deposição é necessária para realizar a
solda.
O comprimento do arco varia, porque depende do tipo e localização da
junta. Arcos mais curtos ajudam a obter maior penetração, evitam mordeduras
e propiciam um controle melhor da largura e do perfil do cordão. Como regra
pratica, o comprimento do arco deve ser aproximadamente igual ao diâmetro
do eletrodo de tungstênio.
Já o processo TIG pulsado é uma das variações do TIG convencional.
Para caracterizar a corrente pulsada podem ser utilizados diversos parâmetros
de pulso, entre eles: corrente de pico (Ip), corrente de base (Ib), tempo de pico
(tb), tempo de base (tb).
O processo de soldagem TIG pulsado apresenta melhor controle da
poça de fusão e da penetração em relação ao TIG convencional (JORGE;
MOSCIARO; COSTA JUNIOR, 1987), devido a estas características é
correntemente relacionado à soldagem de chapas finas. Parte dos estudos que
relacionam parâmetros de pulso à geometria do cordão leva em consideração,
entre outros aspectos geométricos, a penetração (LUCAS, 1982).
40
2.3 - Soldagem a arco elétrico com proteção gasosa MIG
Gas Metal Arc Welding – “GMAW” na Figura 2 é um processo de
soldagem a arco, que utiliza um arco entre uma alimentação contínua de metal
e a poça de fusão (MODENESI, 2000). Esse processo utiliza como proteção
para a poça de soldagem, contra contaminação do ar externo, uma fonte
externa de gás de proteção (BRACARENSE, 2003).
Figura 2 - Região do arco na soldagem GMAW (MODENESI, 2000)
A concepção básica do “GMAW” iniciou-se em 1920, entretanto,
somente se tornou comercial após 1948 (FORTES, 2004). Inicialmente, este
era considerado ser, fundamentalmente, um processo de alta densidade de
corrente, pequenos diâmetros de eletrodos de metal nú onde se utiliza um gás
inerte para proteção. Sua primeira aplicação foi na soldagem de alumínio. Por
causa dessa característica o processo era conhecido como Metal Inert Gas -
MIG, utilizando o calor de um arco elétrico entre um eletrodo nú alimentado
continuamente e o metal base para formar a solda. A proteção do arco e da
poça de solda vem inteiramente do gás. No caso do processo de soldagem
MIG o gás pode ser composto por: Argônio, Hélio, Argônio +1% de O2; Argônio
+ 3% de O2. Quando o gás utilizado não for inerte, o processo é chamado de
METAL ACTIVE GAS (MAG). Neste caso os gases utilizados podem ser: CO2;
CO2 + 5 a 10% de O2; Argônio + 15 a 30% de CO2; Argônio + 5 a 15% de CO2;
Argônio + 25 a 30% de N2. Evolução subsequente do processo incluiu às
soldagens com baixas densidades de corrente e corrente pulsada aplicação em
uma vasta faixa de materiais e emprego de gás ativo ou uma mistura de gases.
Este último desenvolvimento levou à aceitação formal do termo Gas Metal Arc
Tocha
Eletrodo
Poça de Fusão
Gás de Proteção
Solda Metal de Base
41
Welding (GMAW) para denominação do processo, devido aos gases inertes e
ativos utilizados. Uma variação do processo “GMAW” utiliza um eletrodo
tubular, onde pós-metálicos compõem o núcleo do arame. Tais eletrodos
requerem uma proteção de gás para proteger a poça de fusão da
contaminação atmosférica. O processo de soldagem por arame tubular é
considerado um segmento do processo de soldagem “GMAW” pela sociedade
americana de soldagem (AWS). Associações estrangeiras podem agrupar este
processo de forma diferente (BRACARENSE, 2003).
O processo de soldagem “GMAW” pode ser utilizado nos modos
automático, semi-automático e mecanizado. Todos os metais comercialmente
importantes, tais como aços carbono, aços de alta resistência e baixa liga, aço
inoxidável, alumínio, cobre, titânio e ligas de níquel podem ser soldados em
todas as posições de soldagem através da escolha apropriada de gás de
proteção, de eletrodos e das variáveis de soldagem (PEIXOTO, 2004).
Basicamente a soldagem a arco metálico (Gas Metal Arc Welding-GMAW) é
definida como um processo que envolve uma fonte de energia aliada a uma
sistema de alimentação contínua do eletrodo (arame de solda consumível), que
estabelece um arco elétrico entre a ponta do eletrodo e o material de base,
além de utilizar um sistema de proteção gasosa na região de soldagem,
podendo ser á base de gás inerte – MIG ( Metal Inert Gas) ou gás ativo – MAG
(Metal Active Gas).
Primeiramente, foi considerado para aliar, principalmente, altas
densidades de corrente de soldagem, diâmetro reduzido do eletrodo, eletrodo
nu (sem revestimento de proteção) e gás inerte (MIG) como proteção do arco
elétrico. Sua primeira aplicação destinou-se à soldagem do alumínio.
Subsequentes desenvolvimentos do processo incluíram operações com baixas
densidades de corrente e corrente pulsada direita, o que ampliou, largamente,
a faixa de aplicação para diversos tipos de matérias, bem como o advento do
uso do gás ativo CO2 (MAG) como proteção. Dessa forma, o processo passou
a ser definido de forma generalizada como GMAW, por envolver ambos os
tipos de proteção, inerte e ativa.
O processo GMAW pode ser executado de forma automática ou semi-
automática. Desde que todos os parâmetros (gás de proteção, tipo de eletrodo
e variáveis de soldagem) sejam escolhidos de forma apropriada, podem ser
42
soldados todos os tipos de metais de importância comercial. A Figura 3 mostra
um desenho esquemático do princípio básico do processo GMAW.
O processo GMAW incorpora a alimentação automática e contínua de
eletrodo consumível que é protegido por um suprimento externo de gás. Após o
estabelecimento dos parâmetros iniciais o equipamento proporciona auto-
regulagem das características elétricas do arco, o que requer do soldador, em
processos semi-automáticos, apenas o controle da velocidade, direcionamento,
e os parâmetros. Já o comprimento do arco e a corrente (velocidade do
eletrodo) são mantidos automaticamente.
Os equipamentos requeridos para o processo GMAW são ilustrados na
Figura 4. Basicamente se compõem de: tocha de soldagem, unidade de
alimentação do eletrodo, fonte de potência e sistema de suprimento de gás de
proteção.
De acordo com o Instituto Internacional de Soldagem (I.I.W.1977), os
principais modos de transferência metálica na soldagem a arco metálico com
atmosfera gasosa são por spray e por contato. Esses modos podem ser
subdivididos em curto-circuito, globular (gotas e repulsão), pulverização (axial e
rotacional) e explosão.
Figura 3 – Princípio de básico funcionamento do processo GMAW.
43
Figura 4 – Equipamento básico para o processo GMAW.
O tipo de transferência metálica é determinado por vários fatores, os
mais significativos serão listados a seguir:
- Intensidade e tipo de corrente (constante ou variável, pulsada);
- Diâmetro do eletrodo;
- Extensão do eletrodo (stick out), distância até a peça;
- Tipo de gás de proteção.
- De uma forma básica, as características de transferência do metal do eletrodo
para a chapa base, que são:
Transferência por curto-circuito
Abrange a mais baixa faixa de corrente de soldagem e os menores
diâmetros de eletrodo associados ao processo GMAW. Este tipo de
transferência produz poças de fusão de dimensões reduzidas com altas
velocidades de resfriamento, e é geralmente indicada na união de chapas de
44
fina espessura ou em soldagem fora da posição plana (vertical e sobre-
cabeça).
Transferência globular
Com o eletrodo positivo (cc+), ocorre em baixos valores de corrente,
independente do tipo de gás de proteção. Entretanto, com CO2 e He, este tipo
de transferência ocorre em todas as faixas utilizáveis de corrente de soldagem.
O destacamento da gota é caracterizado por forças eletromagnéticas que
promovem o “estrangulamento” do material fundido.
Transferência por “spray”
Ocorre com proteções ricas em argônio. É um tipo de transferência
altamente estável, livre de salpicos. Requer o uso de eletrodo positivo (CC+) e
níveis de corrente acima de um valor crítico, comumente definido como
corrente de transição “globular-spray”.
As variáveis listadas a seguir são as principais responsáveis pela
penetração, fusão, geometria dos cordões e em geral a qualidade da junta
soldada:
- Corrente de soldagem;
- Polaridade;
- Tensão de soldagem;
- Velocidade de soldagem;
- Extensão do eletrodo;
- Orientação do eletrodo;
- Posição de Soldagem;
- Diâmetro do eletrodo;
- Composição do gás de proteção e vazão.
O conhecimento e domínio dessas variáveis são essenciais na obtenção
de soldas com qualidade e custos satisfatórios. Esses parâmetros não são
completamente independentes e a mudança de um deles geralmente requer a
alteração de um ou mais fatores para obter os resultados desejados.
45
Segundo Stol (1989), a atual popularidade do processo GMAW está
baseada na sua alta produtividade, custo relativamente baixo dos
equipamentos, confiabilidade e simplicidade de operação. Porém, em muitas
aplicações, quando é desejável alterar determinados parâmetros, pois qualquer
combinação de tipo de eletrodo, fonte de potência, corrente de soldagem,
extensão do eletrodo, fonte de potência, corrente de soldagem, extensão do
eletrodo, a taxa de deposição não pode ser variada independentemente sem
afetar outras variáveis. Entretanto, o avanço nessa área tem proporcionado
grande operacionalidade e funcionalidade aos processos de soldagem em
especial o GMAW.
A vazão do gás deve ser ajustada corretamente para garantir proteção
eficiente e qualidade da junta soldada. Baixas vazões provocam porosidades,
oxidação, impurezas, instabilidade do arco e salpicos. Altas vazões dão origem
a turbulências e mistura com o ar da vizinhança, prejudicando a proteção
adequada da junta.
A pesquisa realizada por Stenbacka (1992) avalia os efeitos dos gases
de proteção com o uso de arame tubular. Conclui-se que o uso de gases de
proteção com um reduzido teor de CO2 reduz a incidência de salpicos, em
detrimento, porém, da diminuição da penetração. O potencial de oxidação dos
gases de proteção influencia tanto nas propriedades mecânicas quanto na
composição química do metal de solda, pois reduzindo o potencial de oxidação,
reduz-se também o teor de oxigênio do metal de solda, aumentando dessa
forma a recomposição da maioria dos elementos de liga, melhorando dessa
maneira a sua temperabilidade. Por final, com a redução do potencial de
oxidação aumenta-se o limite de escoamento do metal de solda bem como a
sua resistência à fluência.
Os consumíveis do processo GMAW são eletrodos e os gases de
proteção. A composição química do eletrodo, do metal de base e do gás de
proteção determina as propriedades e composição da junta soldada. Uma
escolha adequada dos consumíveis é determinada pelos seguintes fatores:
- Tipo de metal de base;
- Propriedades físico-químicas e mecânicas requeridas para a junta soldada;
- Condições de conservação, tratamento superficial e limpeza do metal de
base;
46
- Posição de soldagem;
- Modo de transferência metálica desejada.
Os eletrodos para GMAW são especificados segundo a AWS (1991),
cobrindo a grande maioria das especificações para metais de preenchimento
em processos de soldagem. Outras instituições de normalização também
estabelecem classificações de eletrodos para diversos fins específicos como a
indústria aeroespacial. Entretanto, a AWS publica o catálogo Filler Metal
Comparison Charts AWS (1991), com o objetivo de servir de guia de
comparação entre as diversas especificações encontradas no mercado.
A função primordial dos gases de proteção é oferecer uma atmosfera
controlada para se efetuar a solda em condições de boa qualidade. Isso se faz
necessário, pois a maioria dos metais quando aquecidos a temperaturas
próximas a ponto de fusão apresentam uma forte tendência à oxidação, que
provoca a formação de escória, defeitos na solda, porosidade e fragilidade do
material. A proteção gasosa também previne as contaminações por nitrogênio
e hidrogênio, grandes causadores de trincas pós-soldagem.
Além de promover um ambiente de proteção para a realização da solda,
os gases de proteção e sua vazão exercem significativa influência nos
seguintes parâmetros:
- Características do arco elétrico;
- Modo de transferência metálica;
- Penetração e formas do cordão de solda;
- Velocidade de soldagem;
- Propriedades mecânicas da junta soldada.
Os principais gases de proteção utilizados em GMAW são o CO2,
argônio hélio e misturas entre os mesmos. O uso de nitrogênio é uma exceção,
aplicada principalmente na soldagem do cobre.
Conforme Norrish (1989), o processo de seleção dos gases de proteção
deve ser baseado no conhecimento prévio das características de desempenho
das misturas gasosas, o que deve incluir as condições sobre os efeitos do gás
ou da mistura sobre a eficiência de proteção estabilidade do arco, geometria da
junta soldada e as propriedades mecânicas do metal de solda. Ressalta ainda
que, a escolha da proteção mais apropriada é mais bem alcançada pela
47
execução monitorada de testes comparativos, que permitem o conhecimento
de fatores como eficiência de proteção e seu custo/benefício.
O trabalho de Rhee (1992) avalia o efeito de diversos gases de
proteção em processo GMAW. Foi observado que o aumento do percentual de
CO2 presente no argônio geralmente eleva o valor da corrente de transição
“globular-spray”. A mistura que forneceu a menor corrente de transição é Ar-
95% / CO2 -5%. Isso pode ser atribuído à redução da tensão superficial com o
aumento de CO2. Já para o uso de CO2 puro e hélio, a freqüência de formação
de gotas aumenta vagarosamente com o aumento da corrente, não ocorrendo
corrente de transição. Foi constatado também que, em misturas de gases
contendo alta porcentagem de CO2 ocorreu aumento de salpicos.
Segundo a pesquisa realizada por Jackson (1960), pode-se confirmar o
fato de que o tipo de gás influencia sobremaneira o comportamento do arco
elétrico, principalmente propriedades com o potencial de ionização e
condutividades elétrica e térmica. Constatou-se que, em presença de hélio, a
fusão do metal ocorre mais rapidamente do que com argônio, devido ao seu
alto potencial de ionização e alta condutividade térmica, porém, a estabilidade
do arco só é mantida devido à formação de vapor de ferro que aumenta
significativamente a condutividade elétrica.
A Soldagem com arco pulsado ou Gás Metal Arc Welding with Pulsed
Current (GMAW-P) é uma variação do GMAW convencional, na qual a
transferência metálica ocorre periodicamente controlada pela pulsação da
corrente de soldagem. Uma corrente de menor valor (corrente de base) é
utilizada para manter o arco a fim de fundir o eletrodo e promover a limpeza
catódica do metal de base. Posteriormente, pulsos de alta corrente são
sobrepostos para permitir a transferência do metal. O resultado dessa técnica é
um processo no qual a transferência ocorre pela técnica em “spray”, porém,
com correntes de soldagem media enormemente reduzida (normalmente
inferior à corrente mínima para que ocorra a transferência em “spray” para um
dado diâmetro de eletrodo em soldagem convencional).
Segundo Needaham (1965), a principal característica da técnica com
corrente pulsada é que os níveis de corrente usados para se obter as mesmas
taxas de deposição do material do eletrodo obtidas em corrente contínua são
bem menores, o que permite menores aportes térmicos, melhor qualidade.
48
As vantagens desse método são listadas a seguir:
- Condições de arco mais estáveis;
- Transferência por “spray” em níveis de corrente média que é normalmente
associado à transferência globular, consequentemente menor aporte térmico;
- Controle sobre a poça de fusão;
- Em consequência dos itens anteriores o processo aplica-se a soldagem de
chapas finas e juntas fora da posição plana com excelentes resultados;
- Redução do nível de porosidade devido ao fluxo de metal líquido da poça de
fusão e de sua movimentação;
- Melhor aparência do cordão de solda;
- Baixo nível de distorções – custo final da operação mais baixo.
Segundo o trabalho realizado por Castner (1997), a geração de fumos
tóxicos é menor para o uso de corrente pulsada do que com corrente continua.
Percebeu-se, também, que existe uma faixa determinada de tensão para cada
velocidade de alimentação do eletrodo (ou corrente) que minimiza a emissão
de fumos tóxicos. Pode-se concluir que o simples uso da corrente pulsada não
é suficiente para reduzir a emissão de fumos, porém a otimização dos
parâmetros de pulso é capaz de reduzir esses valores significativamente. É
importante salientar que os parâmetros que permitem a minimizar a emissão de
fumos também produzem soldas de boa qualidade.
Um estudo realizado por Castner (1997) mostrou que os níveis de ruído
dependem do tipo de transferência metálica, tipo de onda e intensidade de
corrente e tensão de soldagem. Foi constatado que os ruídos produzidos em
processos GMAW e GMAW-P possuem intensidades próximas para
transferência globular ou “spray”, porém os ruídos obtidos para GMAW-P
encontrou-se dentro de limites menos nocivos ao ouvido humano. A otimização
dos parâmetros de pulso tende a melhorar o ruído emitido durante a soldagem.
Norrish (1988), afirma que o sistema a arco pulsado oferece claras
vantagens, incluindo estabilidade em baixos valores médios de corrente,
particulamente na soldagem de alumínio e aço inoxidável devido á maior
possibilidade de controle do aporte térmico, além da aplicabilidade em chapas
finas nas diversas posições.
49
Para se ter uma soldagem estável, é essencial manter o comprimento de
arco constante, o qual é conseguido igualando-se a taxa de alimentação do
arame com taxa de fusão. Outra condição é que a transferência do metal para
a poça de soldagem do tipo “spray” e o diâmetro das gotas sejam
aproximadamente iguais ao do arame.
Com a operação em corrente contínua, a primeira condição pode ser
executada em toda a faixa de velocidade de alimentação (ou corrente),
enquanto que a transferência por “spray” só pode ser alcançada com níveis de
corrente acima de um valor crítico. Para uma faixa de corrente menor ocorre a
transferência globular (inadequada) e, portanto restringe a aplicação de baixas
correntes, as quais são necessárias para se soldar materiais delgados, juntas
na posição vertical ou sobre-cabeça, e as ligas sensíveis ao aporte térmico
elevado, inerente à soldagem com transferência por “spray”.
O processo GMAW-P põe fim às limitações impostas pela transferência
globular. Nesta técnica, uma determinada corrente que normalmente
proporciona a transferência globular é modulada a fim de gerar um formato de
onda de corrente onde a mesma é comutada de um nível alto (corrente de pico)
para um nível mais baixo (corrente de base). A corrente de base serve
principalmente para manter o arco aberto, mas é insuficiente para fazer com
que ocorra a transferência do metal. Já a corrente de pico é estabelecida a fim
de exceder o valor crítico, e assim promover a transferência do metal em gotas
muito pequenas.
Além disso, seu valor e seu tempo de duração é tal que a cada pulso
ocorre o destacamento de uma discreta gotícula de diâmetro igual ou menor do
que o do eletrodo. Então, a técnica que utiliza a corrente pulsada produz uma
série de gotículas que resulta numa transferência metálica do tipo “spray”, a
qual se dá por uma corrente média que normalmente produziria transferência
globular.
Segundo Wang (1994), o processo GMAW-P está se tornando aplicável
nos sistemas de fabricação e soldagem devido ao seu ótimo desempenho e
boa adaptabilidade. Acredita-se que o fator predominante para esse sucesso é
determinado pelo modo de transferência em que é formada apenas uma gota
de metal fundido em cada pulso, sendo o mais favorável
a boas condições de soldagem. Este tipo de transferência é determinado
50
principalmente pelos parâmetros de pulso, quando os consumíveis são
devidamente selecionados.
O trabalho realizado por Boughton (1965) vem a comprovar que o
controle do modo de transferência, que é permitido com a soldagem com arco
pulsado, fornece inúmero atrativo, dentre os quais: soldagem livre de salpicos,
penetração constante, redução da formação de “cratera” no final do cordão de
solda, possibilidade de soldagem em todas as posições.
Allum (1985), afirma que os sistemas modernos a arco pulsado podem
ser utilizados em grande variedade de aplicações em juntas de espessuras
maiores que 50 mm. Tanto materiais ferrosos e não-ferrosos podem ser unidos
por esse processo, abrangendo uma vasta gama de materiais, incluindo
alumínio e muitas outras ligas, aços ao carbono-manganês e inoxidáveis.
De forma geral, a variação independente de cada parâmetro de pulso
provoca alterações com relação aos efeitos sobre a soldagem, podendo ser
resumidos da seguinte maneira:
A) Aumento da corrente de pico
- Aumenta a taxa de deposição do material do eletrodo, afetando diretamente o
comprimento do arco;
- Aumenta levemente a corrente média;
- Aumenta levemente o aporte de calor.
B) Aumentando a corrente de base
- Aumenta o comprimento do arco;
- Aumenta a corrente média;
- Aumenta o aporte de calor e a penetração;
- Aumenta a fluidez da poça de fusão.
C) Aumentando o tempo (largura) do pulso
- Aumenta o comprimento do arco;
- Aumenta o aporte de calor e a penetração;
- Aumenta a largura do arco (cone de tocha);
- Aumenta a corrente média.
51
D) Aumentando a frequência de pulso
- Aumenta o comprimento de arco;
- Aumenta a corrente média;
- Aumenta o aporte de calor na peça e a penetração.
Segundo Norrish (1992), o termo “MIG sinérgico” foi primeiramente
utilizado pelo The Welding Institute, em meados da década de 1970, para
descrever um método específico de controle para o processo MIG pulsado.
Após este fato muitos fabricantes de equipamentos de soldagem produziram
sistemas Sinérgicos e então o termo alcançou caráter mais amplo.
De forma geral, segundo Wainer (1992), o controle sinérgico visa facilitar
o ajuste dos múltiplos parâmetros de pulso, de forma a otimizar as condições
de soldagem, minimizando o número de controles (botões) na máquina de
soldagem. Através de um único controle, todos os parâmetros de pulso
estariam regulados.
Atualmente, devido aos benefícios alcançados com essa técnica, existe
uma tendência de se utilizar esse tipo de controle em outros processos que não
o GMAW-P.
O controle sinérgico pode ser basicamente por duas maneiras:
Controle sinérgico propriamente dito: a alimentação do eletrodo controla a
corrente média;
Controle auto-regulado: a tensão de soldagem controla a corrente média;
Norrish (1992) ressalta que o controle sinérgico, em especial MIG
sinérgico, é primariamente um método para simplificar a operação com
corrente pulsada. O seu uso acarreta em benefícios econômicos, permitindo
uma melhor aplicabilidade da soldagem com arco pulsado. O sucesso do seu
uso está relacionado com a perfeita escolha dos modos de operação, dos
equipamentos disponíveis e do treinamento adequado dos operadores.
Allum (1985) acrescenta que o MIG sinérgico tem sido pesquisado por
uma vasta faixa de indústrias como (nuclear, soldagem de tubos, reparos e
manutenção em sistemas hiperbáricos, etc.) e exemplos de uso nas linhas de
produção já existem em larga escala.
A taxa de deposição, em processo, é a massa do material depositada
por unidade de tempo. A taxa de deposição depende dos parâmetros de
52
soldagem como diâmetro do eletrodo, composição, extensão e corrente de
soldagem.
A eficiência de deposição é a razão entre a massa do material
depositada na peça e a quantidade de eletrodo consumida.
O artigo de Widgery (1986), que trata das eficiências e taxas de
deposição em procedimentos de soldagem propõe um método de cálculo
baseado nas proposições acima.
O trabalho de Chandel (1990), mostra a variação do efeito do processo
com a corrente, voltagem, comprimento do eletrodo e diâmetro do eletrodo.
Pode-se perceber que há um aumento da eficiência de deposição com o
aumento da extensão do eletrodo e da corrente e com o decréscimo da
voltagem e diâmetro do eletrodo. Para um mesmo parâmetro a eficiência de
deposição é alta quando a polaridade do eletrodo é negativa. Uma relação
similar pode ser observada para o GMAW.
Os resultados dessa pesquisa também indicaram que a proteção do
gás na GMAW também tem um efeito na eficiência de deposição. A eficiência
do GMAW cresce com o aumento da corrente de soldagem, voltagem e
diâmetro de eletrodo, e decresce com o aumento da extensão do eletrodo.
Segundo Norrish (1992), é bastante complexa a tarefa para a seleção de
parâmetros que possam ser adequados às necessidades de estabilidade de
arco, vantagens econômicas, qualidade e propriedades mecânicas da solda.
Perreira (2000) verificou que um dos principais parâmetros, testados no
processo de soldagem MIG pulsada automatizada, que apresentou influência
na minimização da instabilidade do cordão foi o comprimento do arco.
Em pesquisas realizadas por Amin (1983), Stret (1990), para que o
processo de transferência seja estável, apenas uma gota deverá ser transferida
a cada pulso de corrente, ou seja, para cada material haverá uma relação entre
velocidade de alimentação do arame, intensidade de corrente e tempo de
pulso.
Segundo Chen (1997), apesar das inúmeras vantagens, do ponto de
vista térmico e metalúrgico, do uso do arco pulsado é importante salientar que
o GMAW-P introduz mais variáveis que influem diretamente no controle e
consequências do processo. Tal complexidade operacional exige o uso de
53
modelos matemático-computacionais capazes de processar em tempo hábil e
de forma eficiente todas as condições de contorno envolvidas.
Essa tendência do uso de sistemas mecatrônicos e informados é uma
consequência tecnológica natural e pode ser evidenciado por inúmeros
trabalhos na área, principalmente em ramos como redes neurais e modelagem
por elementos finitos. Pesquisas como as de (WHITE, CHEN, 1997; WANG,
1994), entre outros, confirmam essa tendência.
2.4 Tensões e deformações decorrentes de operações de soldagem
Em cada operação de soldagem o arco elétrico pode ser considerado
como uma fonte de calor pontual, que se desloca ao longo da junta a soldar.
Essa fonte de calor fornece à peça uma quantidade de energia ou calor que se
espalha pelo material com uma velocidade que depende da condutibilidade
térmica do mesmo, criando na peça, campos isotérmicos. No local onde se
encontra o arco elétrico, a temperatura se eleva o suficiente para fundir o
material, e essa área é a poça fundida, que se desloca acompanhando a
velocidade de soldagem ao longo da linha de solda.
Os metais se dilatam com o aumento da temperatura e se contraem
com sua diminuição, portanto, as deformações e as tensões são
consequências do ciclo térmico da soldagem.
As características físicas do metal em questão são fundamentais no
processo de dilatação, contração, velocidade de deslocamento das isotermas,
etc. Todo esse processo dinâmico só termina quando a temperatura da peça se
estabiliza, ou seja, quando atinge a temperatura ambiente. Após isso, podem-
se encontrar os efeitos causados por essa atividade, que podem ser as
deformações, as tensões residuais e, às vezes, trincas.
Durante a solidificação da poça fundida que avança pela junta, tensões
de contração, devida a essa solidificação, começam a agir sobre a parte já
soldada da junta. Enquanto o material depositado está ainda líquido e vai
diminuindo a sua temperatura, as tensões de contração são inexistentes no
local, mas à medida que se solidifica e vai resfriando ainda mais, começa a
exercer tensões de contração cada vez maiores e que são acompanhadas, em
parte, por deformações plásticas da própria solda e deformações elásticas
54
crescentes, que dão origem às tensões residuais que passam a agir sobre o
metal de base adjacente e sobre a própria solda solidificada. Essas tensões, se
não forem acompanhadas de deformações geométricas da junta soldada,
podem atingir e ultrapassar o limite de escoamento do material de base da
solda, fissurando-o ou deformando na região plástica.
A distorção que uma peça soldada apresenta no final, quando fria, é
resultante de contrações longitudinais, contrações transversais e contrações
angulares. Como em geral, uma peça soldada pode ter sido composta por
soldas de topo e soldas de filetes, com direções, comprimentos e volumes
diversos, a resultante final da distorção é complexa de se determinar.
Existem variadas maneiras de se controlar as distorções, diminuindo o
seu efeito. Pode-se agir antes, durante e depois da soldagem ou mesmo nas
três etapas mencionadas de uma mesma peça.
Há a ação antes, quando se protege a peça a ser soldada procurando
localizar os cordões de solda de uma forma simétrica, que se auto-equilibrem
após soldado escolhendo os chanfros mais convenientes, que diminuam as
deformações inevitáveis escolhendo processos de solda mais convenientes,
que possam causar a menor deformação para o caso específico a soldar, ou
ainda projetando pré-deformação que se corrigem ao serem deformadas pela
operação de soldagem.
Há a ação durante a soldagem, quando se adota uma sequência de
soldagem mais conveniente para procurar o equilíbrio de tensões, escolhendo
os diâmetros de eletrodos em função de sua maior ou menor tendência a
contrações longitudinais ou transversais, fazendo o martelamento entre passes
de solda, ou travamento da peça para impossibilitar sua deformação durante a
soldagem. E, após a soldagem completa, quando se calibra mecanicamente
através de distensões ou de encolhimentos localizados, criteriosamente
escolhidos de maneira a recuperar a forma ideal projetada.
Guan (1999) desenvolveu uma técnica de controle da tensão e
deformação durante a soldagem Low stress non-distortion (LSND). Esta técnica
consiste em resfriar a área próxima do cordão de solda, circulando um líquido
refrigerante bem próximo à linha da solda, e aquecendo ao longo das laterais
da linha de solda, isso diminuirá a variação da temperatura durante a
soldagem, controlando as tensões e deformações.
55
Três mudanças fundamentais de dimensões ocorrem durante o processo
de soldagem causando distorções em estruturas montadas:
1 - Contração transversal, perpendicular à linha de solda;
2 - Contração longitudinal, paralelo à linha de solda;
3 - Distorção angular (rotação em volta a linha de solda).
Estas mudanças de dimensões são classificadas por seu surgimento:
Tipos de distorção da solda.
A) - Contração transversal. Contração perpendicular a linha de solda.
B) - Mudança angular (distorção transversal). A distribuição térmica não
uniforme na direção da espessura causa distorções da junta (mudança
angular) na linha de solda.
C) - Distorção rotacional. Distorção angular da face da chapa devido à
expansão térmica.
D) - Contração longitudinal. Contração em direção a linha da solda.
E) - Distorção longitudinal. Distorção na face em toda linha de solda e
perpendicular a chapa.
F) - Empenamento. Forças de compressão térmica causam instabilidade
quando as chapas são finas.
O empenamento é um tipo de deformação que normalmente ocorre na
soldagem de chapas finas, devido à ação de tensões de compressão atuantes
em regiões afastadas da solda.
O empenamento de uma peça soldada só ocorrerá quando o seu
comprimento exceder a um comprimento crítico, função de suas dimensões e
espessura.
As propriedades metalúrgicas de material determinam em cada uma das
regiões da peça soldada (soldas, zona de transição, metal de base), uma
estrutura diferente. Cada estrutura reage, contudo, de maneira diferente as
tensões de contrações. As tensões de contração que se produzem nas
estruturas duras, tais como na martensita, são tensões elevadas; enquanto que
nas zonas vizinhas, mais aptas a deformações plásticas (por exemplo, a ferrita)
essas tensões são menores.
56
O aquecimento da peça depende estreitamente do processo de
soldagem. Por exemplo, a soldagem com o maçarico oxiacetileno exige uma
quantidade de calor que é o dobro da exigida para soldagem ao arco elétrico.
Existe igualmente uma relação entre velocidade de soldagem e o
aquecimento da peça. Para uma potência de arco, o aporte de calor para a
peça será tanto menor quanto maior for a velocidade de soldagem, o que se
traduz por tensões e contrações menores.
2.5 Geometria e acabamento superficial
A geometria do cordão de solda é característica operacional que pode
ser definida através dos seguintes parâmetros: largura e reforço.
Para Kobayashi (1987), a penetração da solda é tanto maior quanto
maior for a concentração e intensidade de energia e, também, quanto maior a
ação de cratera ou de escavação do arco.
A concentração de energia é função do diâmetro do arco e esse
diâmetro é tanto menor:
- Quanto maior a condutividade térmica dos gases presentes no arco.
- Quanto menor o comprimento do arco.
- Quanto menor o diâmetro do eletrodo.
Já a intensidade de energia aumenta à medida que:
- Aumenta a corrente de soldagem.
- Diminui a velocidade de soldagem.
- Aumenta a temperatura da gota.
De acordo com Lancaster (1984), é frequentemente assumido que a
penetração na soldagem resulta da pressão exercida sobre a poça fundida, que
comprime a superfície líquida para uma penetração profunda; portanto essa
característica é provocada pela força do arco. Essa força pode ser devida
inércia de um fluxo de gotas metálicas ou um jato de gás colidindo com a
superfície da poça de solda, ou, ainda, à combinação dos dois mecanismos.
57
A largura do cordão de solda é tanto maior quanto maior for o diâmetro
do arco elétrico, e de acordo com Lancaster, na soldagem, a forma do reforço é
determinada:
- Pela largura da poça fundida.
- Pelo volume de metal adicionado na poça fundida.
- Pela pressão hidrostática sobre o cordão fundido.
- Em altas temperaturas, pela velocidade com a qual o metal flui na direção da
poça de solda.
O reforço do cordão de solda é aumentado à medida que, o diâmetro do
arco diminui, a área adicionada da solda aumenta, e as propriedades, como
tensão superficial e viscosidade, aumentam.
As características do acabamento superficial são determinadas pela
quantidade de salpicos e pela aparência do cordão de solda.
De acordo com Jackson (1960), existem quatro fontes de salpicagem na
soldagem com eletrodos consumíveis e gás inerte:
- Evolução de gases na gota - causando a explosão da gota - ou da poça de
solda - resultando a ejeção da mesma;
- Efeito de contato ou de fusível, devido ao curto-circuito ou desintegração
explosiva da conexão fina entre eletrodo-gota;
- Instabilidade globular, devido ao tamanho excessivo resultando a
desintegração da gota;
- Efeito pendular causado pelo movimento oscilatório dos pontos catódicos e
anódicos, produzindo uma transferência errática ou de multi-partíulas.
Para Zaruba (1970), as causas mais importantes dos salpicos são o
superaquecimento do metal líquido pela alta corrente de curto-circuito e a
explosão da fina conexão entre eletrodo e gota líquida. Esse mesmo autor
propõe que a mesma pode ser reduzida pela soldagem sem curto-circuito,
conseguida pela seleção apropriada das condições de soldagem. Outra
proposição feita por esse pesquisador é que os salpicos podem se quase
inteiramente eliminados, se somente parte da corrente ou nenhuma flua
através da conexão eletrodo-gota e se o calor necessário para fusão da
conexão for fornecido pelo arco. Neste caso, não existe a possibilidade de
explosão elétrica da conexão, ou sua energia é sensivelmente reduzida. Mas,
se os pontos ativos (catódicos e anódicos) são bem definidos e concentrados
58
sobre a gota, não existirão desvios, a corrente romperá a conexão eletrodo-
gota. Outra possibilidade é ajustar a indutância da fonte de modo que a taxa de
crescimento da corrente no momento do curto-circuito seja tal que não haja o
crescimento violento da temperatura.
Segundo Kobayashi (1987), com relação à aparência do cordão de
solda, ela pode ser influenciada por muitos fatores e, entre eles, pode-se citar:
- Tensão superficial do metal de solda: quanto mais alta, pode causar
mordeduras;
- Pontos ativos excessivamente móveis; pode ocasionar um arco errático e
uma transferência de metal da mesma forma;
- Variação do comprimento do arco.
2.6 - Princípios básicos do DOE (Design of Experime nts)
Pelo projeto estatístico de experimentos, utiliza-se o processo de
planejamento do experimento com dados adequados, que podem ser
analisados por métodos estatísticos, resultando em conclusões válidas e
objetivas. A abordagem estatística para projeto experimental é necessária para
tirar conclusões significativas a partir dos dados. Quando o problema envolve
dados que estão sujeitos a erros experimentais, a metodologia estatística é a
única abordagem para análise objetiva. Assim, existem dois aspectos para
qualquer problema experimental: o desenho do experimento e a análise
estatística empregada durante o experimentos. Os três princípios básicos do
projeto experimental são aleatorização (randomização), replicação e técnicas
de blocos (MONTGOMERY, 1991).
A replicação consiste na repetição de um ensaio sob condições
preestabelecidas. Esta técnica permite obter-se uma estimativa de como o erro
experimental afeta os resultados dos ensaios e se esses resultados são
estatisticamente diferentes. Também permite verificar qual a influência de uma
determinada variável sobre o comportamento de um processo, quando a
comparação é feita pela média das amostras.
A aleatorização ou randomização é uma técnica de planejamento
experimental puramente estatística em que a sequência dos ensaios é aleatória
59
e a escolha dos materiais que serão utilizados nesses ensaios também é
aleatória. Uma das exigências do uso da metodologia estatística para o
planejamento experimental e para a análise dos resultados é que as variáveis
estudadas e os erros experimentais observados apresentem um caráter
aleatório, o que é conseguido pelo emprego desta técnica. Estes métodos
estatísticos determinam que as observações (ou erros) são variáveis aleatórias
independentemente distribuídas.
A técnica dos blocos permite realizar a experimentação com uma maior
precisão, reduzindo a influência de variáveis incontroláveis. Um bloco é uma
porção do material experimental que tem como característica o fato de ser mais
homogêneo que o conjunto completo do material analisado. O uso de blocos
envolve comparações entre as condições de interesse na experimentação
dentro de cada bloco. Na análise com blocos, a aleatorização é restringida à
seqüência de ensaios interna dos blocos e não ao conjunto total de ensaios.
60
3 - MATERIAIS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL
O presente trabalho aborda a avaliação dos processos de soldagem
GMAW (Gas Metal Active Welding) e GTAW (Gas Tungstein Active Welding)
de alumínio aplicados em torres, plataformas, sistemas de palcos, barricadas,
estruturas para sonorização, prateleiras, “pallets”, “geo túnel”, “top tenda”, etc.
O trabalho experimental consistiu de uma sequência de atividades, que
incluiu a seleção das matérias-primas, análise no software Minitab, preparação
das amostras, macrografia, ensaio de líquido penetrante, ensaio de tração.
Para facilitar a compreensão do texto é apresentado o fluxograma do presente
trabalho, esquematizado na Figura 5.
61
Figura 5 – Representação esquemática do fluxograma dos ensaios realizada
no trabalho.
3.1 Materiais
Foram utilizados materiais específicos para fabricação de estruturas de
alumínio: tubos e perfis com a liga 6351-T6, conforme norma NBR ISO
209:2010, com classificação das temperas “T6” que são solubilizadas e
envelhecidas artificialmente, conforme Tabela 6. Estes materiais e corpos de
14 AMOSTRAS DO PROCESSO DE SOLDAGEM TIG
1 - MÉTODO DE ENSAIO2 - RELATÓRIO DE ENSAIO
14 AMOSTRAS DO PROCESSO DE SOLDAGEM
MIG
3.4 ENSAIO DE MACROGRAFIA
3.5 ENSAIO PELO METODO DE
LIQUIDO PENETRANTE
3.6 ENSAIO PELO METODO DE TRAÇÃO
3.7 ALONGAMENTO
PERCENTUAL
ESTUDO DOS ENSAIOS COM
PROCESSO DE SOLDAGEM TIG E MIG
1 - MÉTODO DE ENSAIO2 - RELATÓRIO DE ENSAIO
1 - MÉTODO DE ENSAIO2 - RELATÓRIO DE ENSAIO
1 - MÉTODO DE ENSAIO2 - RELATÓRIO DE ENSAIO
3.3 - DEFINIÇÃO DOS PARAMETROS TIG E
MIG
ANALISE PELO METODO DE DOE
3.8 ANALISE ACABAMENTO
SUPERFICIAL DA SOLDA
1 - MÉTODO DE ENSAIO2 - RELATÓRIO DE ENSAIO
62
prova foram fornecidos pela empresa Feeling Structures e possui boa
trabalhabilidade, soldabilidade, e resistência à corrosão.
Foram utilizados para o ensaio dos corpos de provas tubos redondos
44,4mm x 1/8” e 2” x 1/8”; chapa L 100 mm x 34 mm x 9,5mm; e barra chata
10”x ¼”.
Tabela 6 – Propriedades físicas e químicas, especificadas e utilizadas nos
componentes das estruturas de alumínio (NBR ISO 209:2010).
Analise Liga MP Propriedades mecânicas Composição Química (%) LE
(Mpa) LT
(Mpa) Along..
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 50 mm
Especificado 6351-
T6
Chapa e
Tubo
255 Máx
300 Máx 10 mm
0,7-1,3 0,5 0,10
0,4-0,8
0,4-0,8 -- 0,20 0,20
Para a soldagem dos componentes das estruturas de alumínio foram
utilizados os processos “GTAW” e “GMAW”, usando como material de adição
para o processo GTAW a vareta ER 4043 com diâmetro de 2,35 mm, e para o
processo GMAW o arame ER 4043 com diâmetro de 1 mm, conforme Tabela 7.
Sendo a liga do material de adição a predileta da maioria dos soldadores,
porque tem melhor fluidez e, é menos sensível ao fissuramento da solda com
metal de base 6351-T6. Também proporciona um acabamento de solda
superficialmente mais brilhante e com menos fuligem. O gás de proteção
utilizados nos dois processos foi o Argônio.
Tabela 7 – Composição química nominal dos metais de adição (AWS 5.10)
Análise Liga
Tipo do
Metal de
Adição
Composição Quimica (%)
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti
Especificado ER-4043
Arame 4,5-6,0
0,8 0,3 0,05 0,05 0,10 0,20
Especificado ER-4043 Vareta 4,5-
6,0 0,8 0,3 0,05 0,05 0,10 0,20
3.2 Equipamentos
O equipamento utilizado na soldagem processo TIG foi uma máquina
Merkle Insquare W 300, que também pode ser utilizado na soldagem com
eletrodo revestido, com corrente continua ou alternada, com capacidade de
63
310A para 100% de fator de serviço, podendo chegar a 420A à 30%. Foi
utilizada uma tocha simples, conforme a Figura 6.
Figura 6 - Máquina de solda TIG
Os equipamentos do processo MIG, modelo MB 350 K, proporciona uma
excelente estabilidade do arco elétrico em baixas correntes, ideal para
soldagens de estruturas de alumínio, e uma produtividade excepcional em
soldagens pesadas de até 350 A, a mesma é recomendada para a soldagem
de seguintes materiais:
• Aço de baixa liga em soldagem MIG e MAG
• Aço de alta liga em soldagem MIG
• Alumínio e as respectivas ligas em soldagem MIG
A máquina possui uma fonte transformadora de alta durabilidade, com
curva característica de tensão constante (CP) e regulagem precisa de 20
posições, conforme a Figura 7.
64
Figura 7 - Máquina de solda MIG
3.3 Metodologia experimental
3.3.1 Metodologia de DOE
Com o propósito de realizar um experimento baseado em variáveis com
uma abordagem quantitativa, explorando todas as possibilidades para a
otimização do processo de soldagem TIG e MIG, visando obter um processo
otimizado para soldagem em estruturas de alumínio, com qualidade e
produtividade, utilizou-se o método DOE, investigando-se simultaneamente os
efeitos de múltiplas variáveis em uma variável de saída (resposta). Esses
experimentos consistem em uma série de ensaios, ou testes, nos quais são
feitas alterações intencionais nas variáveis de entrada ou fatores e os dados
são coletados em cada ensaio. A ferramenta DOE é utilizada para identificar as
condições do processo e os componentes do produto que influenciam a
qualidade, para então determinar as configurações de variáveis de entrada
(fatores) que maximizem os resultados.
65
3.3.2 Planejamento dos ensaios experimentais
O planejamento dos ensaios experimentais tem por objetivo desenvolver
o esquema e a teoria necessária para verificação da hipótese científica. O
campo da estatística fornece princípios e metodologias para coletar, resumir,
analisar e interpretar dados e para extrair conclusões com base nos resultados
das análises. A estatística pode ser usada para descrever dados e fazer
inferências, o que pode auxiliar a tomada de decisões e a melhoria de
processos e produtos, permitindo a elaboração de conclusões objetivas, além
de minimizar o número de ensaios a serem realizados e maximizar a
quantidade de informações extraídas, tendo em vista que o número de ensaios
deve ser adequado de modo a minimizar os erros experimentais.
Na investigação dos parâmetros do processo de soldagem de estruturas
de alumínio com os processos TIG e MIG foi utilizada a ferramenta de
planejamento de experimentos (DOE) fatorial, utilizando o software “Minitab”
para obter-se a quantidade de amostras e a composição das variáveis de cada
amostra.
3.3.3 Escolha dos fatores
Para os experimentos foi estabelecido um conjunto inicial de duas
variáveis independentes de cada processo de soldagem, totalizando uma
quantidade de 14 amostras por processo. A técnica adotada nos experimentos
foi a de uso de réplicas que consiste na repetição de um ensaio em condições
preestabelecidas, permitindo obter-se uma estimativa de como o erro
experimental afeta os resultados dos ensaios, e averiguar se esses resultados
são estatisticamente diferentes. Essa técnica também permite verificar qual a
influência de uma determinada variável sobre o comportamento de um
processo, quando a comparação é feita pela média das amostras.
Nos experimentos com a solda em junta de ângulo foi utilizada a
ferramenta DOE do software Minitab para determinar a quantidade de corpos
de prova para o ensaio macrografia, tanto no processo MIG como no processo
TIG, conforme Tabela 8.
66
Tabela 8 (Parâmetros de solda em ângulo TIG e MIG).
Numero do CDP
Processo TIG Numero do
CDP
Processo MIG
Amperagem
Vazão
Amperagem Voltagem
1 145 14 1 150 22 2 165 12 2 108 22 3 165 12 3 192 22 4 185 10 4 150 22 5 165 12 5 150 28 6 185 14 6 150 16 7 145 10 7 150 22 8 165 12 8 150 22 9 165 9 9 180 18 10 165 12 10 150 22 11 193 12 11 180 26 12 165 12 12 150 22 13 165 15 13 120 18 14 137 12 14 120 26
3.4 - Metalografia: preparação de amostras e análise qual itativa
O teste macrográfico consistiu no exame do aspecto de uma superfície
plana de uma peça ou corpo de prova preparada adequadamente por
lixamento e polimento. Aplicou-se um produto químico denominado reativo, que
reage com a superfície polida revelando detalhes macrográficos de sua
estrutura.
O exame é realizado com ampliação de até 10 vezes com auxílio de
uma lupa ou mesmo a olho nu como neste experimento.
O termo ‘macrografia’ designa também os documentos gerados como,
fotografias, impressões, entre outros.
A preparação das amostras para análise metalográfica para
determinação das características da solda será descrita a seguir:
3.4.1 – Corte
Foi utilizado uma cortadora com disco abrasivo de SiC para cortes de
materiais e refrigeração na superfície a ser analisada. A escolha da secção de
corte foi a transversal junta solda (CARAM, 2004).
Os cortes foram feitos conforme figura 8 e 9.
67
Figura 8: Corpo de prova solda ângulo processo TIG
Figura 9: Corpo de prova solda ângulo processo MIG
3.4.2 – Lixamento
As amostras foram lixadas gradativamente na sequência de lixas com
granulometria cada vez mais fina: #220, #320, #400, #600 e #1000. Em cada
lixa a amostra deve ser passada no mesmo sentido, sendo que na lixa seguinte
deve-se alternar em 90º o sentido de lixamento, como mostra a Figura 10. O
tempo de lixamento em cada lixa é o tempo suficiente para que desapareçam
os riscos deixados pela lixa anterior. Finalmente, segue-se uma lavagem
cuidadosa, geralmente uma limpeza e secagem (CARAM, 2004).
68
Figura 10 - Rotação da amostra a cada mudança de lixa (CARAM, 2004)
3.4.3- Polimento
O polimento foi realizado em politrizes mecânicas com, panos, abrasivos
especiais e lubrificantes:
a) Polimento grosso: Pano de nylon, pasta de diamante de 6 µm e lubrificante
especial para polimento ou álcool. A superfície da amostra é passada em todos
os sentidos até que todos os riscos de lixa sejam eliminados e a superfície
comece a se tornar espelhada. Lavagem cuidadosa e secagem.
b) Polimento final: Pano macio (tipo camurça) e pasta de diamante 1 µm. A
amostra é passada em todos os sentidos, diminuindo a pressão no estágio
final, durante o tempo necessário para eliminar todos os riscos do polimento
grosso e ficar ainda mais espelhada. Lavagem final ainda mais cuidadosa,
secagem após passar por álcool ou acetona utilizando ar quente. Neste estágio
a amostra não deve ficar com manchas de secagem.
3.4.4- Ataque químico
O ataque químico foi realizado para revelar ou realçar detalhes da
microestrutura. Cada material necessita de um determinado tipo de ataque
químico para revelar os detalhes de sua microestrutura ou os defeitos. Muitas
vezes, faz-se necessária uma consulta bibliográfica para a escolha mais
adequada dos reagentes.
No caso específico da presente análise foi utilizado Keller com tempo de
exposição ao ataque de 10 a 15 segundos. Efetuou-se uma lavagem em água
corrente para eliminar resíduos do ataque, lavagem em álcool ou acetona e
secagem em ar quente (COUTINHO, 1924).
69
3.4.5- Análise qualitativa
Para análise qualitativa da solda foi utilizado um microscópio
metalográfico, marca Olympus, modelo SZ-CTV, ampliação de 11x Figura 11.
Figura 11 – Estereoscópio da marca Olympus
3.5 - Análise pelo ensaio de líquido penetrante.
3.5.1 – Finalidade do ensaio.
O ensaio por líquido penetrante presta-se a detectar descontinuidades
superficiais que sejam abertas na superfície, tais como, trincas, poros, dobras,
mordeduras etc. Podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não
sejam porosos ou com superfície muito grosseira.
É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio,
aço inoxidável austenítico, ligas de titânio e zircônio. É também aplicado em
cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.
70
3.5.2 – Princípios básicos
O método consiste em fazer penetrar um líquido na abertura da
descontinuidade.
Após remoção do excesso de líquido da superfície, faz-se sair da
descontinuidade o líquido retido através de um revelador. A imagem da
descontinuidade fica então desenhada sobre a superfície.
Podemos descrever o método em seis etapas principais no ensaio, quais
sejam:
A) Preparação da superfície – limpeza inicial.
Antes de se iniciar o ensaio a superfície deve ser limpa e seca. Não
deve existir água, óleo ou outro contaminante.
Contaminantes ou excesso de rugosidade, ferrugem, etc., tornam o
ensaio não confiável.
B) Aplicação do penetrante.
Consiste na aplicação de um líquido penetrante, geralmente de cor
vermelha, de tal maneira que forme um filme sobre a superfície e que por ação
do fenômeno chamado capilaridade penetre na descontinuidade. Deve ser
dado certo tempo para que a penetração se complete, conforme figura 12 e 13.
Figura 12: Aplicação de líquido penetrante
10 mm
71
Figura 13: Aplicação de líquido penetrante
C) Remoção do excesso de penetrante.
Consiste na remoção do excesso de penetrante da superfície, através de
produtos adequados, condizentes com o tipo de líquido penetrante aplicado,
devendo a superfície ficar isenta de qualquer resíduo na superfície.
D) Revelação.
Consiste na aplicação de um filme uniforme de revelador sobre a
superfície. O revelador é usualmente um líquido branco que pode ser aplicado
em suspensão em alguns líquidos. O revelador age absorvendo o penetrante
das descontinuidades e revelando-as. Deve ser previsto um determinado
tempo de revelação para sucesso do ensaio, conforme figura 14 e 15.
10 mm
72
Figura 14: Aplicação de revelador
Figura 15: Aplicação de revelador 3.6 - Análise pelo ensaio de tração
3.6.1 – Objetivo.
Apresentar os vários tipos de testes mecânicos para verificação e
avaliação das propriedades físicas dos materiais aplicados em construção de
equipamentos metálicos utilizando métodos padronizados.
10 mm
10 mm
73
3.6.2 – Parâmetros de soldagem da junta de topo.
Para os ensaios de tração foi estabelecido um conjunto inicial de duas
variáveis independentes de cada processo de soldagem. Após o ensaio de
macrografia e visual foi definido os melhores parâmetros do processo MIG e
TIG, totalizando uma quantidade de cinco corpos de prova de junta de topo
pelo processo TIG e cinco corpos de prova de junta de topo com o processo
MIG.
Para a realização da solda de topo com processo TIG e MIG foram
fixados os parâmetros conforme mostrado na Tabela 9:
Tabela 9 (Parâmetros de solda de topo TIG e MIG).
Processo Tipo de Junta Corrente Voltagem Vazão
MIG Junta de Topo 170 A 23 V 12 l/Min.
TIG Junta de
Topo 180 A 19 V 12 l/Min.
3.6.3 – Teste de tração
Esse método destina-se a verificar as propriedades mecânicas que
devem ser pré-estabelecidas para os materiais utilizados em construção
metálica.
O teste é realizado utilizando elementos e dimensões padronizadas
conforme AWS D1.2, denominados de corpos de prova, conforme figura 16.
Figura 16 – Corpo de prova para ensaio de tração
74
O corpo de prova é testado sendo fixado nas garras da máquina de teste
de tração pelas extremidades (Cabeça).
Os metais em suas diversas formas possuem características físicas
variadas quanto à orientação de retirada dos corpos de prova. Como análise
prática utilizou-se uma seta no corpo de prova indicando o sentido da
laminação.
3.6.4 – Realização do teste de tração
Com a utilização de uma máquina de teste de tração para aplicação da
força crescente axial em um corpo de prova obtém-se um gráfico de tensões e
deformações, onde em suas diversas regiões determinam-se as características
físicas do produto.
A força aplicada é fornecida pelo dinamômetro da máquina de teste e a
deformação é obtida por meio de um extensômetro.
Em seguida, foram retirados corpos-de-prova transversais ao sentido de
laminação do material e ao cordão de solda para ensaios de tração, mostrados
na figura 17 e 18.
Figura 17: Corpos de Provas para ensaio de tração do processo de solgagem TIG
10 mm
75
Figura 18: Corpos de Provas para ensaio de tração do processo de solgagem MIG
3.7 – Alongamento percentual
O alongamento é o acréscimo de comprimento de referência medido após a ruptura em relação ao comprimento inicial.
Є = L-L0 X100 L0
Fórmula para determinação do alongamento percentual.
10 mm
98
6 - REFERÊNCIAS
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Alumínio, vol. 2), 1ª Ed. São Paulo, 1994.
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