processos de soldagem i_parte i_2009-2

Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

Docente: Sérgio R. Barra, Dr. Eng.2009.2

Disciplina: Processos de Soldagem I

Tópicos- IntroduIntrodu çção aos processos de fabricaão aos processos de fabrica ççãoão

-- Fundamentos dos processos de uniãoFundamentos dos processos de união

Índice (conteúdos abordados)

• Apresentação da disciplina e critérios de avaliação• Importância do estudo da Soldagem• Fundamentos dos processos de fabricação

industrial• Fundamentos dos processos de união• Classificação dos processos de soldagem• Conceitos básicos de soldagem• Barreiras à soldagem• Fundamentos da física do arco elétrico• Fontes de soldagem• Princípio da transferência metálica

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

ApresentaApresentaççãoão

�� Ementa:Ementa: A disciplina apresenta inicialmente conceitos gerais de soldageA disciplina apresenta inicialmente conceitos gerais de soldagem, permitindo a m, permitindo a compreensão da sua utilizacompreensão da sua utilizaçção em relaão em relaçção a outros processos de fabricaão a outros processos de fabricaçção, em especial aos ão, em especial aos processos união. Aborda e discute as diferentes conceituaprocessos união. Aborda e discute as diferentes conceituaçções encontradas na literatura sobre a ões encontradas na literatura sobre a definidefiniçção de soldagem. Mostra as diferentes formas de classificaão de soldagem. Mostra as diferentes formas de classificaçções dos processos de ões dos processos de soldagem. Apresenta as dificuldades fsoldagem. Apresenta as dificuldades fíísicas que impedem ou dificultam o processo de união. Em sicas que impedem ou dificultam o processo de união. Em seguida, introduz os conhecimentos pertinentes seguida, introduz os conhecimentos pertinentes àà ffíísica do arco elsica do arco eléétrico, mostrando as diferentrico, mostrando as diferençças as existentes nesta região em funexistentes nesta região em funçção dos diversos processos de soldagem ao arco elão dos diversos processos de soldagem ao arco eléétrico e as trico e as suas varisuas variááveis. Finalmente, apresenta os diferentes tipos de transferênciaveis. Finalmente, apresenta os diferentes tipos de transferência metmetáálica e discute os lica e discute os diferentes tipos de fontes de potência aplicados diferentes tipos de fontes de potência aplicados àà soldagem.. soldagem..

�� Referências:Referências:WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; MESSLER, R.. Principles of Welding: MESSLER, R.. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; MACHADO, Ivan. Soldagem e TMACHADO, Ivan. Soldagem e Téécnicas cnicas Conexas: Processos;Conexas: Processos; QUITES, Almir M., IntroduQUITES, Almir M., Introduçção ão àà Soldagem a Arco Voltaico; Soldagem a Arco Voltaico; ASM ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering; The James F. Lincoln AHandbook: Welding, Brazing and Soldering; The James F. Lincoln Arc Welding Foundation. rc Welding Foundation. Procedure HandbookProcedure Handbook; MARQUES, Paulo Villani, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia; Re; MARQUES, Paulo Villani, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia; Revista vista Soldagem & InspeSoldagem & Inspeçção; Revista ão; Revista WeldingWelding JournalJournal..

Consultas/dúvidas: [email protected]


�� AvaliaAvalia çções:ões:11ªª AvaliaAvaliaçção de aprendizagem ão de aprendizagem -- 17/09/0917/09/09 (Prova escrita individual)(Prova escrita individual)22ªª AvaliaAvaliaçção de aprendizagem ão de aprendizagem -- 29/10/0929/10/09 (Trabalho individual)(Trabalho individual)33ªª AvaliaAvaliaçção de aprendizagem ão de aprendizagem -- 03/12/0903/12/09 (Prova escrita individual)(Prova escrita individual)

Onde buscar informações sobre a área de soldagem?Associação Brasileira de Soldagem - ABS ( www.abs-soldagem.org.br )

American Welding Society - AWS ( www.aws.org/ )

Infosolda ( www.infosolda.com.br/ )

The International Institute of Welding - IIW ( www.iiw-iis.org/ )

University Cambridge ( www.msm.cam.ac.uk/ )

The Welding Institute and Welding & Joining Society - TWI (www.twi.co.uk/ )

PATON Eletric Welding Institute ( www.paton.kiev.ua/eng/inst/inst.html )

ASM (http://asmcommunity.asminternational.org/portal/sit e/asm/)

Edison Welding Institute - EWI ( www.ewi.org/ )

Labsolda UFSC ( www.labsolda.ufsc.br )

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materia is da UFMG ( www.demet.ufmg.br )

Graco – UnB ( www.graco.unb.br/ )

Laprosolda – UFU ( www.mecanica.ufu.br/Laboratorios/laprosolda/index.h tml )

Welding and Joining Institute – Aachen ( www.isf-aachen.de/eng/index_en.html )


ConsideraConsidera çções iniciaisões iniciais


Motivação para estudar os processos de fabricação?a) Compreender como o processo de fabricação influencia na qualidade final e no preço do produto;

b) Compreender as aplicações dos diferentes processos de fabricação e os possíveis empregos conjuntos (custo x produtividade x mão de obra x cliente);

c) Compreender os limitantes na relação material x processos de fabricação.

Projeto

(custo, função, condição de operação, desenho)

Material

(propriedade, disponibilidade e custo)

Processamento

(Seleção de equipamento, custo,

influência nas propriedades)

Inter-relação projeto x material x processo de

fabricação

Qual o conceito de processo de fabricação?São as operações empregadas para dar a forma desejada ao componente (envolvimento de diferentes fenômenos físicos: fusão, solidificação, remoção de material, deformação plástica, difusão, outros)

Atividade em grupo:

Relacionar cada um dos fenômenos físicos com os possíveis processos de fabricação onde os mesmos ocorrem.

Processos de fabricaProcessos de fabrica çção ão -- fundamentosfundamentos


Como se classificam os processos de fabricação?

Processos de fabricação

Fundição

Conformação

Usinagem

União

Metalurgia do Pó(Sinterização)

Prototipagem rápida

Processamento de polímeros / compósitos

CorteQual o processo?

Conformação, Usinagem ou Soldagem?

Base para classificaBase para classificaçção dos processos de ão dos processos de fabricafabricaçção:ão: RelaRelaçção entreão entre manutenmanutençção de ão de volume/forma x propriedades do material x volume/forma x propriedades do material x

forma de montagemforma de montagem

Atividade em grupo:

Agrupar os processos de fabricação considerando:

a) Aqueles que induzem mudança de volume/forma (com e sem remoção de material)

b) Aqueles que induzem mudança nas propriedades do material (tratamento térmico e acabamento superficial)

c) Aqueles que permitem diferentes formas de montagem (níveis de permanência: não, semi e permanente)


Grau de acabamento x resistência àfadigaInduz pequena anisotropiaRedução de resistência à corrosão

Tensão residual na superfície da peçaPossibilidade de mudança de fasePossibilidade de trinca superficialPrecipitação de fases (sensitização)

Usinagem

Baixa resistênciaModerada ductilidadeModerada anisotropia Variação de dureza

Estrutura dendríticaGrãos colunares e/ou equiaxiaisBaixa densidade de discordânciasPresença de segregação (zoneamento)Presença de tensões residuaisPode haver formação de poros e/ou ZTAContração (rechupe)

Fundição ou soldagem / sem tratamento térmico ou mecanismo de refino de grão

Ausência de tensões residuaisModerada resistênciaElevada ductilidadePequena anisotropia

Recristalizada (baixa densidade de discordância)Grãos refinados e equiaxiaisDescarburização / oxidação

Conformação / a quente

Elevada resistênciaAumento da durezaBaixa ductilidadeGrande anisotropia

Encruada (alta densidade dediscordâncias)Grãos alongados (orientados)Trinca / delaminação

Conformação / a frio

Efeito sobre as propriedades

Efeito sobre a microestruturaProcesso de fabricação / condição

Efeitos da relação processo x microestrutura x propriedade

Estudo de caso Estudo de caso –– definidefini çção de qual processo aplicarão de qual processo aplicar


Exemplo 1: Construção/manutenção de nitroduto (trans porte de HNO 3)

O que devemos levantar (é preciso conhecer as condiç ões de projeto/operação)?

a) Como funciona cada processo aplicável à união (pa rafusagem, soldagem ou colagem) ? b) Qual o material da tubulação (ferroso ou não fer roso)? c) Qual o grau de automatização (manual, semi ou automatizado)?; d) Qual o valor do s encargos (HH, impostos, outros)? e) Já houve aplicação similar do processo? f) Qual a pr essão e temperatura de trabalho? g) Quais os tipos e níveis aceitáveis de defeitos?

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4

Tempo (Horas)

Rug

osid

ade

Su

perf

icia

l (µm

)

01 X

05 X

17 X

21 X



Exemplo 2: Fabricação e/ou recuperação de barramentos (â nodos de redução da Al 2O3)

Características do processo de união por explosãoDetalhe da região de ligação da união por

explosão

Problema: Necessidade de aliar resistência mecânica (aço) com condutividade elétrica (Al).

Processos envolvidos: Fundição, conformação, usinagem e soldagem.

Representação esquemática do processo de soldagem por explosão



Exemplo 2 – Recuperação: Trinca em ferro fundido (co mbinações de diferentes processos de fabricação)

Processos de fabricação 2 e 3

CONFORMAÇÃO e SOLDAGEM

Técnica: Metalock

Processo de fabricação 3

USINAGEM

Processo de fabricação 1

USINAGEM

Trinca em ferro fundido



Processos de uniãoProcessos de união

Quais os processos de união utilizados industrialmente ?- Soldagem (soldagem/brasagem);

- Colagem (adesão);

- União mecânica (fixação/união/ligação mecânica).

Observar que a escolha do processo de união será função da aplicação desejada.

Fonte: SuranareeUniversity ofTechnology


Importância e critImportância e crit éérios de selerios de sele ççãoão

Quais os critérios que definem os potenciais processos de união?

a) Funcional (grau de permanência, tipo de carga e resistência);

b) Técnico (tipo de material, projeto da junta e condições de operação);

c) Espacial (espessura, área, peso, complexidade de formas e posições de montagem);

d) Econômico (quantidade a ser produzida, facilidade de automação, disponibilidade do equipamento).

A montagem ou a manutenção de uma planta industrial demanda a aplicação de diferentes

processos de união.

O processo de união é aplicável sempre que a produção/recuperação de um componente não possa ser feita por um processo de fabricação “mais simples”

(laminação, forjamento, fundição, outros).É um processo indispensável às indústrias de manufatura, montagem, automobilistica,

naval, outras.


ConceituaConceitua çção de soldagemão de soldagem

E o que vem a ser soldagem?

-- UniãoUnião localizada de localizada de metais ou nãometais ou não--metaismetais, produzida ou , produzida ou pelo pelo aquecimentosaquecimentos dos metais atdos metais atéé a temperatura de a temperatura de soldagem, com ou sem a soldagem, com ou sem a aplicaaplicaçção de pressãoão de pressão, ou pela , ou pela aplicaaplicaçção de pressão somente, com ou sem uso de metal ão de pressão somente, com ou sem uso de metal de adide adiçção (AWS, 1987).ão (AWS, 1987).

-- Uma Uma coalescênciacoalescência localizada de localizada de metalmetal, onde a , onde a coalescênciacoalescência éé produzida pelo produzida pelo aquecimento aquecimento àà temperaturas convenientes, com ou sem a aplicatemperaturas convenientes, com ou sem a aplicaçção de pressão e ão de pressão e com ou sem a aplicacom ou sem a aplicaçção de metal de adião de metal de adiçção. O ão. O metal de adimetal de adiççãoão, ou possui , ou possui ponto ponto de fusãode fusão aproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fuaproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fusão são abaixo daquele dos metais mas acima de 800 abaixo daquele dos metais mas acima de 800 ººF (F (≈≈ 450 450 ººC) (AWS, 1958).C) (AWS, 1958).


ConceituaConceitua çção de soldagemão de soldagem

-- Processo que visa a Processo que visa a união localizadaunião localizada de materiais, de materiais, similares ou não, de formasimilares ou não, de forma permanentepermanente, baseada na a, baseada na açção ão de de forforçças em escala atômicaas em escala atômica semelhantes semelhantes ààs existentes no s existentes no interior do material e interior do material e éé a forma mais importante de união a forma mais importante de união permanente de pepermanente de peçças usadas industrialmente (Wikipas usadas industrialmente (Wikipéédiadia)). .

Welding is a joining process in which metals are he ated, melted and mixed to produce a joint with properties similar to those of the materials being joined.

-- Processo metalProcesso metalúúrgico de união de rgico de união de metaismetais ou ou ligas ligas metmetáálicaslicas,devendo os materiais estarem em seu estado ,devendo os materiais estarem em seu estado fundidofundido ou ou pastosopastoso..

-- OperaOperaçção que visa obter a união de duas ou mais peão que visa obter a união de duas ou mais peçças, as, assegurando na junta a assegurando na junta a continuidade das propriedadescontinuidade das propriedadesffíísicas e qusicas e quíímicas.micas.

-- Processo de união de entre Processo de união de entre duas partesduas partes metmetáálicas, usando uma fonte de licas, usando uma fonte de calor, com ou sem aplicacalor, com ou sem aplicaçção de pressão (Wainer, 2002).ão de pressão (Wainer, 2002).

-- Ato ou efeito de soldarAto ou efeito de soldar (Dicion(Dicionáário Aurrio Auréélio).lio).


ConceituaConceitua çção de soldaão de solda

O que se entende por solda (definiO que se entende por solda (defini çção)?ão)?Região gerada pela operaRegião gerada pela operaçção de soldagem.ão de soldagem.

Solda de topo Solda em ângulo

Solda de materiais dissimilares

Deposição multipasse

Solda circunferencial

Quais os requerimentos para a Quais os requerimentos para a coalescênciacoalescência dos materiais?dos materiais?

�� Calor;Calor;

�� Intimidade do contato (pressão ou Intimidade do contato (pressão ou não pressão).não pressão).

CritCrit éérios envolvidos na construrios envolvidos na constru çção de uma estrutura ão de uma estrutura soldadasoldada


Projeto de estrutura soldada Projeto de estrutura soldada –– união/revestimento (critunião/revestimento (crit éérios)rios)Objetivos:a) Executar funções almejadas;b) Garantir segurança e confiabilidade;c) Garantir capacidade de fabricação (configuração) , inspeção, transporte e

operação com menor custo.

Por sua vez, o custo final do componente compreende :

i. Custo do Projeto;

ii. Custo dos Materiais;

iii. Custo da Fabricação;

iv. Custo da Montagem;

v. Custo da Operação;

vi. Custo da Inspeção;

vii. Custo de Manutenção;

viii. Custo de Reparo.

Observação: Um conjunto soldado deve apresentar um formato apropriado para transferir a aplicação das cargas, resistir ao meio e permitir fabricação por um determinado processo de soldagem.

AplicaAplica ççõesões


Áreas de aplicação e importância econômica da indústr ia / setor de soldagem

NavalOff-shore Química/Petroquímica

AutomobilísticaConstrução civil

Montagem e/ou recuperação metálica


Setores envolvidosSetores envolvidos

Aero Space andAircraft Construction

Shipbuilding8 Billion. EUR

Welding Industry 5 %

Áreas de aplicação e importância econômica da indústr ia /setor de soldagem (continuação)

Vehicle Construction50 Billion EUR


Mechanical Engineering60 Billion EUR


Metal Construction55 Billion EUR



Estimativa de demanda mundial por metal de adição e por processo de soldagem ao arco elétrico

Por continente Por processoFonte: production.investis.com/charter/esab

Perspectivas de utilização (tendências)


Perspectivas do consumo de eletrodos x processos

Fonte: ESAB

Classificação


Qual a área de conhecimento onde a tecnologia de so ldagem é inserida e como se dividem os processos ( taxonomia )?

Soldagem

Estado sólido

Fusão

Brasagem

A frio

A quente

Explosão

Ultra-somAtrito

Difusão

Aluminotermia

Feixe de elétrons

Laser

Resistência elétrica

Arcoelétrico

Brasagem(solda branda)

Soldabrasagem

EletroescóriaResistência

Proteçãogasosa

Proteçãode escória

Sem proteção

Arametubular

Eletrodorevestido

Arcosubmerso

MIGMAG

Arametubular

Plasma

TIGEletrodo

Não-consumível

Eletrodoconsumível

Prisioneiro

Engenharias / TecnologiaEngenharias / Tecnologia

Ciências térmicas

Ciências dos materiais

Metrologia

Projetos mecânicos

Vibrações e acústicaProcessos

de Fabricação

Fundição

Conformação

Usinagem

Metalurgia do pó


ComparaCompara çção entre os diferentes processos de soldagemão entre os diferentes processos de soldagem

Joining process Operation Advantage Skill level required

Welding position

Current type Distortion*

Cost of equipment

Shielded metal-arc Manual Portable and flexible

High All ac, dc 1 to 2 Low

Submerged arc Automatic High deposition

Low to medium

Flat and horizontal

ac, dc 1 to 2 Medium

Gas metal-arc Semiautomatic or automatic

Most metals Low to high

All dc 2 to 3 Medium to high

Gas tungsten-arc Manual or automatic

Most metals Low to high

All ac, dc 2 to 3 Medium

Flux-cored arc Semiautomatic or automatic

High deposition

Low to high

All dc 1 to 3 Medium

Oxyfuel Manual Portable and flexible

High All — 2 to 4 Low

Electron-beam, Laser-beam

Semiautomatic or automatic

Most metals Medium to high

All — 3 to 5 High

* 1, highest; 5, lowest.

Características gerais dos processos de soldagem por fusão.


Terminologia bTerminologia b áásica relacionada a soldagemsica relacionada a soldagem

Zona fundida (ZF) ou metal de solda

Metal de base (MB)

Zona termicamente afetada (ZTA)

Zona regenerada

Soldagem multipasse

Soldagem simples deposição

1º passe (raiz)

2º e 3º passes (enchimento)

4º passe (acabamento)

1ª camada

2ª camada

.

.

Enésima camada

Cordão de solda

Passe

Cordão de solda

Camada

Seqüência da deposição (passes)

Linha de fusão



Metal de base

Amanteigamento – camada depositada de material com composição química intermediária aos materiais dissimilares a serem unidos, com objetivo de isolar o material menos nobre (efeito da diluição).Revestimento – camada depositada de material com composição química e propriedades mecânicas adequadas para resistir a solicitação de serviço (desgaste, corrosão, outros).

Exercício de fixação

Com base nas informações obtida a partir da macrografia do corpo de prova soldado ( figura ao lado), identificar as diferentes regiões que compõem a união.



•• Abertura da raizAbertura da raiz : m: míínima distância que separa os nima distância que separa os componentes (componentes (AA--BB) a serem unidos por soldagem ou ) a serem unidos por soldagem ou processos afinsprocessos afins

•• Ângulo do chanfroÂngulo do chanfro : ângulo total formado entre as : ângulo total formado entre as bordas preparadas dos componentes (bordas preparadas dos componentes (AA--BB) )

•• Ângulo do biselÂngulo do bisel : ângulo formado entre a borda : ângulo formado entre a borda preparada do componente (preparada do componente (A ou BA ou B) e um plano ) e um plano perpendicular perpendicular àà superfsuperfíície deste componente cie deste componente

•• BiselBisel : borda do componente (: borda do componente (A ou BA ou B) a ser soldado ) a ser soldado preparada na forma angular preparada na forma angular

•• Face da raiz ou altura do narizFace da raiz ou altura do nariz : parte da face do : parte da face do chanfro adjacente chanfro adjacente àà raiz da juntaraiz da junta

A B

A

B

A Broot face

root opening

groove angle

wall thickness

1Gwelding position

AB

ABGeometria do chanfro?

AB


Tipos:Tipos:


•• Chanfro em VChanfro em V

•• Chanfro em duplo V ou XChanfro em duplo V ou X

•• Chanfro em meio VChanfro em meio V

•• Chanfro em duplo meio V ou KChanfro em duplo meio V ou K

•• Chanfro em JChanfro em J

•• Chanfro em duplo JChanfro em duplo J

•• Chanfro em UChanfro em U

•• Chanfro em duplo UChanfro em duplo U

•• Chanfro retoChanfro reto

Chanfro: Chanfro: Abertura devidamente projetada, entre os componentes a Abertura devidamente projetada, entre os componentes a serem unidos, para permitir o acesso e adequado preenchimento serem unidos, para permitir o acesso e adequado preenchimento formaformaçção da junta.ão da junta.


Terminologia bTerminologia b áásica relacionada com a soldagemsica relacionada com a soldagem

Exemplos de preparaExemplos de prepara çção do chanfro em funão do chanfro em fun çção da espessura ão da espessura ““ ee”” da chapa da chapa

Onde: e (polegada)

a) Chapa fina

a) Chapa grossa

Atividade em grupo

Definir os requisitos que definem o tipo e a geometria do chanfro.

a) Espessura

b) Tipo de material

c) Acesso

d) Carga (solicitação)

Conceitos e grandezas físicas relacionadas com a sold agem


Observação: Não há a utilização das posições 3G ou 4G para a soldagem de tubulação.

Chapa

Tubo

1F 1G

2F 2G

3F 1G

4F 4G

1G 2G

5G

6G

• Corrente elétrica ou corrente de soldagem (A)

• Tensão elétrica ou tensão de soldagem (V)

• Vazão de gás (l/min)

• Velocidade de soldagem ou deslocamento da tocha/eletrodo (cm/min)

• Espessura, largura, diâmetro e/ou comprimento do metal de base (mm ou pol)

• Tipo de corrente (CA ou CC)

• Tipo de polaridade (CC+ ou CC- – sempre em relação ao eletrodo)

• Posições de soldagem (plana, vertical, horizontal e sobre cabeça ou topo – 1G a 6G e filete – 1F a 4F)

• Deslocamento da tocha (à direita, à esquerda, ascendente e descendente)

Elementos básicos que compõem um processo de soldagem ao arco elétrico


Eletrodo revestido

Cilindros de gás de proteção

Metal de solda

Eletrodoconsumível

Bico de contato

Bocal

Gás

Arame

Fluído refrigerante

CondutorCondutor

Cabeçote alimentador de arame

Rolo de arame

Misturadores de gás

Manômetros

Gás de proteção

Poço de fusão

Arco

Fonte de soldagem

Metal de base

Vs300 A 25 V

1 1

10 10

20 20

CO2ArO2

(-)

(+)

MIG/MAG

Arame Tubular

Exercícios de fixação


a) Quais os principais processos de fabricação empregados industrialmente?

b) Quais processos que compõem o “grupo dos processos de união”?

c) Baseado nos conhecimentos trabalhados em sala, crie um conceito para soldagem e para solda.

d) É possível relacionar o grau de desenvolvimento industrial de um país ou região a partir dos processos de soldagem empregados?

e) Quais os critérios que definem os potenciais processos de união?

f) Dê exemplos de processos de fabricação que: (I) induzem mudança de volume/forma, (II) induzem mudança nas propriedades do material e (III) permitam diferentes formas de montagem.

g) Quais os principais processos de soldagem empregados em sua região (estado)?

h) Quais as áreas de aplicação dos processos de união/revestimento por soldagem?

i) Qual o custo médio associado a uma obra que utilize união/revestimento por soldagem?

processos de soldagem i_parte i_2009-2

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