fluxo termico na soldagem

7/18/2019 Fluxo Termico Na Soldagem

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Centro Universitário do Leste de Minas Gerais

Processos de Fabricação I

Fluxo de calor na soldagemFluxo de calor na soldagem

Prof. Reginaldo Pinto Barbosa



IntroduIntroduççãoão

Fluxo de calor na soldagem

Processos de soldagem a arco → arco é a única fonte de energia definida pela suaenergia de soldagem.

Transferência de calor da fonte para a junta causa alterações de temperatura na solda eregiões adjacentes do metal base.

Variações de temperatura → variações dimensionais e alterações microestruturais.

Podem levar a efeitos indesejáveis: Tensões residuais e distorções

Deterioração das propriedades mecânicas, físicas e químicas.

Formação de trincas

Condições térmicas controla os fenômenos metalúrgicos na soldagem.

Velocidade de resfriamento → influência direta na estrutura e propriedades do metal base.




Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão

Zona Fundida

(ZF)

Metal Base(MB)

Zona Afetada pelo Calor (ZAC)




Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão• Zona Fundida (ZF)

* Temperaturas máximas maiores que a temperatura de fusão

* Composição química final depende da diluição

“Diluição é a participação relativa do metal base na

constituição da zona fundida ”

D = [ A1 / (A1 + A2)] x 100

A1 = massa do metal base fundida

A2 = massa do metal de adição

A2

A1A1




Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler




Diagrama deDiagrama de BystramBystram




Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler ee BystramBystram

Utilizando o Diagrama de Schaefler, verifique qual das situações abaixo é a maisadequada para se realizar a soldagem de uma chapa de aço baixa liga com outra de

aço inoxidável austenítico. As composições das ligas e dos eletrodos sãoinformadas a seguir:

Material/ Eletrodo C Si Mn Cr Ni Mo N

Aço baixa liga 0,20 0,50 0,75 0,50 1,00 1,00 -Aço inoxidável 0,05 0,40 1,30 18,30 8,40 0,01 0,035

OK 67.62 0,05 0,80 0,50 24,00 12,50 - -OK 14.31 0,30 0,60 1,80 20,00 13,00 2,50 -

a) Soldagem por eletrodo revestido. Eletrodo OK 14.31. Diluição de25%.

b) Soldagem MIG. Eletrodo OK 67.62. Diluição de 20%.




Diagrama deDiagrama de Schaefler Schaefler ee BystramBystram




Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão• Metal Base (MB)

* Temperaturas máximas menores que a temperatura crítica

* Região mais distante do cordão de solda

* Não apresentam mudanças microestruturais

• Zona Afetada pelo Calor (ZAC)

* Temperaturas máximas superiores ä temperatura crítica

* Região não fundida

* Alteração da microestrutura e/ou propriedades mecânicas

* Sua microestrutura depende dos ciclos térmicos




Macroestruturas de Soldas por FusãoMacroestruturas de Soldas por Fusão

Regiões da Solda de um Aço Carbono

A - Região de Granulação

GrosseiraB - Região de Granulação

Fina

C - Região Intercrítica



Energia de soldagemEnergia de soldagem

Energia de soldagem (E) é a medida da quantidade de energia gerada pela fonte decalor por unidade de comprimento da junta:

E = energia absorvida pela peça (J/mm)L = comprimento da junta (mm)t = tempo de soldagem (s)P = potência gerada (energia/tempo)V = tensão do arco (V)

I = corrente de soldagem (A)v = velocidade de soldagem (mm/s)

A energia de soldagem (E) pode ser expressa em kJ/mm ou kJ/cm.


v

VI

v

P

t L

t q

L

q E ====



Rendimento tRendimento téérmicormico Somente parte da energia é transferida para a

peça sendo soldada.

A dissipação do calor ocorre principalmente por

condução na peça, das regiões aquecidas para orestante do material.

Considerando este aspecto, pode-se definir aEnergia Imposta de Soldagem ( E

ab) ou Aporte

Térmico como:


E E ab ⋅=η

onde η é o rendimento térmico do processodependendo do processo e das condições de soldagem

Processo Rendimento Térmico (η)

Arco Submerso (SAW) 0,85 – 0,98

MIG/MAG (GMAW) 0,75 – 0,95

Eletrodo Revestido (SMAW) 0,70 – 0,90

TIG CC- (GTAW) 0,50 – 0,80

TIG CC+ (GTAW) 0,20 – 0,50



Rendimento de fusão (ηf ) ou eficiência de fusão do processo: correlaciona a energia desoldagem absorvida com a energia efetivamente usada na fusão da solda.

Permite a determinação dos parâmetros de soldagem a partir da área de seção transversaldo cordão de solda


Rendimento de fusãoRendimento de fusão

PROCESSO ηηηηf (%) MATERIAL H (J/mm3)

Oxiacetelênico < 5 Aço Baixa Liga 10

TIG 20 Aço Inoxidável 10

ER 30 Níquel 10

MIG / MAG 40 Cobre 06

AS 50 Alumínio 03

ET 80

Plasma 90

Laser 100

η η

⋅⋅⋅

=q

v H S f



Rendimento de fusãoRendimento de fusão


ab

f

E

H S ⋅=η

ηf = rendimento de fusão

S = área de seção transversal ao cordão (mm2)H = energia necessária para aquecer e fundir o material (J/ mm3 )

q = calor por unidade de tempo (J/s)

:que temosE,Eab e ⋅== η

v

q E Como



Ciclos tCiclos téérmicos de soldagemrmicos de soldagem


A variação da temperatura durante a soldagem em um ponto da peças é descrita pelo seuCiclo Térmico de Soldagem.

O ciclo térmico representa as temperaturas que o ponto em estudo atinge em cada

instante do processo.

O ciclo térmico compreende:etapa de aquecimento do

material;

atingimento de umatemperatura máxima ou de pico,

etapa de resfriamento gradual.





Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico de soldagem são:

temperatura de pico (Tp), que é a temperatura máxima atingida no ponto. Tp diminuicom a distância ao centro da solda e indica a extensão das regiões afetadas pelo calorde soldagem;

Permite conhecer o ciclo térmico a que será submetido um determinado ponto da ZACde uma junta soldada, ou interpretar as transformações metalúrgicas em um ponto dometal de base próximo à região da solda.

ρ - densidade do material (g/mm3

),c - calor especifico (J/g.oC)e - espessura da chapa (mm)y - distância do ponto considerado à linha de fusão da solda (mm)Tf – temperatura de fusão (oC)

T0 – temperatura de pré aquecimento ou ambiente (oC)

00

113,41

T T E

yec

T T f ab p −+

⋅⋅⋅⋅=

− ρ





temperatura crítica (Tc), que é a temperatura mínima para ocorrer uma alteraçãorelevante como uma transformação de fase, por exemplo;

tempo de permanência acima de uma temperatura crítica (tp), que é o tempo em que o ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura crítica;

velocidade de resfriamento(R), que é importante na determinação da microestrutura

em materiais que podem sofrer transformações de fase durante o resfriamento.





À medida que nos distanciamos da fonte de energia, os ciclos térmicos assumemcaracterísticas importantes.

Com o aumento da distância ao centrodo cordão:

* a Tm decresce rapidamente

* cresce o tempo para se atingir Tm

* as velocidades de aquecimento eresfriamento diminuem.



Efeito dos Parâmetros de Soldagem sobre ados Parâmetros de Soldagem sobre a

Geometria da SoldaGeometria da Solda


• Para grandes gradientes de temperatura máxima, menor é a solda e ZAC formada.

• O tamanho da solda é controlado pela quantidade de energia imposta à peça, deforma que o mesmo pode ser variado em função dos parâmetros de soldagem.



Diagrama FeDiagrama Fe--CC




Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento


A velocidade de resfriamento pode ser afetada por algumas variáveis de uma operaçãode soldagem.

Tipo de metal base, relativamente a sua condutividade térmica, pois quanto maiora condutividade térmica do metal, maior sua velocidade de resfriamento.

Geometria da junta (uma junta em T possui três direções para o escoamento decalor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas; por isso juntas em Tresfriam-se mais rapidamente que juntas de topo para as mesmas condições desoldagem;

A etapa de resfriamento é caracterizada pelo valor da velocidade de resfriamento a umadeterminada temperatura T, ou pelo tempo t necessário para o ponto resfriar de umatemperatura T1 a outra T2.





Espessura da junta: a velocidade de resfriamento aumenta com a espessura até umaespessura limite; acima desse limite, a velocidade de resfriamento independe daespessura;.

Energia de soldagem e pr é aquecimento, a velocidade de resfriamento diminuicom o aumento do aporte térmico e da temperatura inicial da peça;





Espessura limite dependeda energia de soldagem.

Para os aços baixa liga, aespessura limite éaproximadamente igual àenergia de soldagem emkJ/cm.





A velocidade de resfriamento no início do cordão é maior do que ao longo do mesmo.Esta velocidade de resfriamento alta pode gerar problemas na qualidade da solda.

Quanto mais alta for a temperatura máxima num ponto, maior será a velocidade deresfriamento..

Na cratera, a velocidade de resfriamento também é alta devido ao fato de inexistirarco durante a solidificação nesta região, bem como, devido ao calor voltar a fluir em

várias direções. Na cratera ocorrem rechupes, cujo interior é irregular devido à formação de dendritas,

implicando em pontos de concentração de tensões e de heterogeneidade química,devido à segregação de impurezas.

Soluções para evitar rechupe na cratera* soldar a mais e cortar o excesso* retornar o arco antes de apagá-lo e aquecer o final* refundir a cratera* fazer a “unha”do cordão





A equação a ser utilizada depende se trata-se de chapa fina ou chapa grossa. Estavariável é definida em função da espessura limite (τ), que depende da energia desoldagem.

Espessuras menores que a espessura limite caracterizam as chapas finas e as maiores, aschapas grossas.

ab E

T T ce

)( 0−⋅⋅⋅= ρ

τ

τ > 0,75 → chapa espessa

τ < 0,75 → chapa fina





A velocidade de resfriamento ao longo do eixo da solda para uma fonte de calor pontualna superf ície de uma chapa grossa é dada por:

ab E

T T k R

20 )(2 −⋅⋅

= π

Para chapas com penetração total, tem-se:

30

2

)(2 T T

E

eck R

ab

−

⋅⋅⋅⋅= ρ π

Para ambas as equações acima, k é a condutividade térmica do material, T é atemperatura na qual se deseja calcular a velocidade de resfriamento. tem-se:





Determinação dos tempos de resfriamento nas temperaturas entre 500 e 800oC.

Considera a energia equivalente absorvida pela peça em função da eficiência do processo e geometria da junta.

O diagrama de IRSID tem como abcissa a energia equivalente transferida e comoordenada, a espessura da peça.

Determinação dos parâmetros de soldagem

Diagrama de IRSID



Diagrama de IRSIDDiagrama de IRSID




Tratamentos TTratamentos Téérmicosrmicos


Pré aquecimento

O pré aquecimento consiste em aquecer o metal base acima da temperatura ambiente antes dasoldagem.

Metais são bons condutores de calor

O calor na região de soldagem é rapidamente escoado por toda a massa envolvida no processo, acarretando um resfriamento relativamente rápido.

Em alguns metais esse resfriamento rápido pode contribuir para a formação de

microestruturas prejudiciais na região de soldagem.

Tem como objetivo a prevenção de nucleação de trincas na ZF e na ZAC. É uma maneira dereduzir a taxa de resfriamento do metal.

Os principais efeitos do pré aquecimento são:

Menor tendência à formação de martensita;

Redução da dureza da ZAC;

Diminuição das tensões e distorções residuais;

Permitir a difusão do hidrogênio.





Pré aquecimento

Temperatura de pré aquecimento pode variar de 50 a 540ºC (mais aplicada na faixa de 150 a

200ºC).

O pré aquecimento aumenta a temperatura do metal adjacente à solda de forma que o gradientede temperatura entre a solda e a vizinhança fique reduzido, diminuindo a velocidade deresfriamento.

A necessidade do pré aquecimento aumenta com:

Teor de carbono e de ligas do metal base;

Tamanho da peça;

Rigidez da junta; Diâmetro do consumível





Como determinara a temperatura de pré aquecimento

A composição do metal base deve ser conhecida para se escolher a temperatura de pré aquecimentocorreta. Ela controlada pelo teor de carbono e de ligas do metal base.

Quanto maior for o teor de carbono do material de base, maior será a temperatura de préaquecimento requerida.

A temperatura de pré aquecimento pode ser determinada em função do carbono equivalente (teoraproximado de outros elementos de liga que produzem a mesma dureza que 1% de carbono).

Quanto maior for o carbono equivalente, maior será a temperatura de pré aquecimento requerida.

A espessura do componente é outro fator importante para se determinar a temperatura de préaquecimento de uma solda..





Pós aquecimento

Aquecimento da junta soldada imediatamente após a solda ter sido realizada. Raramente é aplicado de forma isolada, sempre quase sempre conjugado com o pré aquecimento.

Tem a mesma função do pré aquecimento.

Mantém a temperatura da peça num nível suficientemente elevado de tal forma que a junta

soldada resfrie lentamente. Resulta numa ductilidade maior na região da solda.

Mais freqüentemente empregado em aços altamente temperáveis, podendo ser empregado em aços

menos temperáveis se for difícil a aplicação de um pré aquecimento adequado devido à dimensãodas peças..





Alívio de Tensões

Consiste em aquecer uniformemente a peça de maneira a que o limite de escoamento do material

fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais.

As tensões residuais em juntas soldadas são causadas pela contração da junta quando esta éresfriada após a soldagem.

Tipicamente o alívio de tensões consiste no aquecimento da peça até em torno de 600°C e em

sua manutenção por uma hora para cada 25 mm de espessura, seguido de resfriamento ao ar até300ºC.





Normalização

Consiste no aquecimento da peça a uma temperatura acima da zona crítica (usualmente em torno de

60ºC acima da temperatura A3), seguida de resfriamento ao ar. O objetivo é a obtenção de microestrutura mais fina e uniforme.

Os constituintes que se obtem da normalização do aço carbono são ferrita + perlita fina ou cementita+ perlita fina.

As tensões internas são aliviadas, porém a solda não fica com a mesma ductitidade e baixa durezaobtidas com o recozimento pleno.





Recozimento Pleno

O recozimento pleno leva a peça soldada a uma condição sem tensões e assegura ductilidade e

baixa dureza da ZF e ZAC. O recozimento consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica durante o tempo necessário

para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento muito lento,normalmente dentro do forno.

A microestrutura obtida nos aços carbono é a ferrita + perlita grossa.

Para os aços a temperatura de recozimento é de cerca de 840 a 1000ºC.

Fl d l ld





Têmpera e revenimento

A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica seguido de resfriamento rápido.

O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica resultando, portanto, o aumento da

dureza e a redução da tenacidade da peça.

O revenimento é o tratamento térmico que acompanha a têmpera.

O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas inferiores à temperatura crítica,manter a essa temperatura durante um intervalo de tempo e resfriar até a temperatura ambiente.

Produz um diminuição da dureza e o aumento da tenacidade.

A microestrutura resultante chama-se martensita revenida..

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