proli 2012 metalurgia da soldadura

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METALURGIA DA SOLDADURAMestrado em Eng. Mecnica Construes Mecnicas

METALURGIA DA SOLDADURA

METALURGIA DA SOLDADURAMetalurgia - designa um conjunto de procedimentos e tcnicas para extraco, fabricao, fundio e tratamento dos metais e suas ligas. Soldadura envolve muitos fenmenos metalrgicos como, por exemplo, fuso, solidificao, transformaes no estado slido, deformaes causadas pelo calor e tenses de contraco, que podem causar

METALURGIA DA SOLDADURA METALURGIA CONVENCIONAL METALURGIA DA SOLDADURA

METALURGIA DA SOLDADURAMETALURGIA CONVENCIONAL Solidificao por nucleao e crescimento; Velocidade de solidificao lenta (10 mm/min); Gradiente trmico total elevado; Interface lquido/slido muda progressivamente durante solidificao; Agitao pequena com gradientes baixos de tenso e de foras electromagnticas.METALURGIA DA SOLDADURA Solidificao praticamente apenas por crescimento; Velocidade de solidificao elevada (1000 mm/min); Gradiente trmico com a maior grandeza observada; Interface liquido/slido desloca-se continuamente com a forma do tanque liquido; Agitao muito elevada, logo maior gradiente de tenso superficial e foras electromagnticas.

METALURGIA DA SOLDADURAA metalurgia da soldadura estuda vrios itens, sendo os principais: Solidificao da poa lquida; Trincas em temperatura elevada e a frio; Tenses residuais; Transformao na zona fundida; Transformao na zona termicamente afectada (ZTA); Fluxo de calor.

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaModelo para a solidificao da zona fundida e para o crescimento epitaxial (Savage):

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaPara controlar o crescimento epitaxial no processo metalrgico, necessrio controlar a temperatura ao longo do tempo, ou seja, o ciclo trmico:

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaAssim, podemos obter as principais estruturas primrias durante o processo de solidificao:

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaSimulaes do crescimento do gro durante a solidificao:

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaProkhorov e Shirshov estabelecem que a composio qumica e as condies de soldagem tambm influenciam o modo como a estrutura se desenvolve:

METALURGIA DA SOLDADURASolidificao da poa lquidaM. Kato evidenciou tambm aparecimento de macroestruturas: o

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevada e a frioDefinio de trinca a quente e a frio segundo diversas normas:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevada (quente)So consideradas como um defeito que pode ocorrer escala microscpica ou macroscpica. Estas ocorrem:Nos contornos do gro, espao interdendrtico ou intergranular durante a solidificao; Devido concentrao de impurezas (segregaes) nestas regies durante a solidificao; Tenses geradas pela contraco da solda; Na zona do metal soldadura, na zona termicamente afectada do metal de base ou dos

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaMecanismo de formao da trinca segundo Pellini e Borland diz que a formao de microsegregaes e a formao de fases de baixo ponto de fuso, aumentam o tempo na etapa de formao do filme lquido:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaA origem e o aparecimento de trincas durante a solidificao devido a segregaes foi tambm proposto por Borland, Matsuda, Pumpherey e Jennings:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaOutros factores que influncia o aparecimento de trincas em temperatura elevada:

Conclui-se que a trinca de solidificao depende da composio qumica e dos parmetros de soldadura

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaO estudo exaustivo, por vezes leva a concluses sobre o modo de evitar as trincas durante o processo de soldadura:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaSimulao do aparecimento trincas em temperatura elevada: de

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaClassificao das trincas segundo Hemsworth:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas em temperatura elevadaVrios exemplos de trincas:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas a frioA trinca a frio no cmputo geral considerada como sendo das mais crticas, na medida que esta poder aparecer dias depois de se ter efectuara a operao de soldadura. A trica a frio aparece por presena de hidrognio, tenso residual de traco, microestrutura susceptvel e por baixa temperatura.

METALURGIA DA SOLDADURATrincas a frio (Presena de Hidrognio)Modelo de fragilizao por hidrognio proposto por Granjon:

METALURGIA DA SOLDADURATrincas a frio (Microestrutura Susceptvel)A ocorrncia deste tipo de trinca, esta ligada fragilizao da martensite aps tmpera, caracterstica que aumenta com o teor de carbono do ao e com a sua dureza. Com recurso ao Carbono Equivalente, poder-se- relacionar estes dois fatores e tentar evitar ou minimizar a presena de martensite atravs do clculo da temperatura de pr aquecimento.

METALURGIA DA SOLDADURATrincas a frio (Microestrutura Susceptvel)A temperatura da chapa influncia na medida que se esta for pr aquecida, a velocidade de arrefecimento diminui, podendo-se reduzir a quantidade de martensite na ZTA, introduz tambm uma modificao na microestrutura final e diminui as tenses residuais.

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisPodem existir tenses num determinado componente sem que existam cargas externas; Podem surgir a qualquer momento do ciclo de vida do componente; Surgem sempre que este seja submetido a um processo de fabrico, fundio, maquinagem, laminagem, soldadura, etc

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisPodem ser introduzidas intencionalmente de forma a reforar o componente, embora possam reduzir o a sua durabilidade; Embora o componente no parta apenas pelas tenses residuais, estas somadas com as cargas externas podem constituir graves problemas. Apresentam-se como tenses de traco e de compresso;

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisA tenso residual na ZTA depende de vrios factores, tais como: Grau de restrio da junta soldada; Espessura da chapa; Do tipo de junta; Falta de fuso ou falta de penetrao; Concentrao de tenses.

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisRepresentao das tenses de traco e de compresso com a evoluo do cordo de soldadura A alta temperatura provoca a dilatao do material, que origina tenses de compresso e o arrefecimento provoca compresso que origina tenses de traco.

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisDevido ao acentuado desnvel de temperaturas durante a soldadura, para, por exemplo um ao com 0,2% de carbono, o material muda de microestrutura 4 vezes, o que implica o aparecimento de tenses residuais

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisComo evitar o aparecimento tenses residuais? Escolha dos materiais; Sequencia de soldadura; Tcnicas de soldadura; Parmetros adequados. de

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisO aparecimento desta aps o processo de soldadura, tendem a que exista um: Diminuir a resistncia do material; Aumentar a propagao de trincas e fissuras; Contribuir para o aparecimento da corroso; Fadiga; Etc

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisAlta velocidade favorece o aparecimento de tenses que promovem o aparecimento de trincas

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisComo detectar a presena de tenses na zona de soldadura? Utilizao de equipamentos de difraco de raios X; Por processos destrutivos, que causam sempre problemas, especialmente quando o componente a analisar nico; Por clculos numricos, embora seja extremamente difcil;

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisExemplo de difraco de raios X: equipamentos de

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisExemplo de clculos numricos de tenses residuais:

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisNecessidade de alivio de tenses residuais aps a realizao de uma soldadura: Materiais com elevado limite elstico; Aos temperados e revenidos; Quando a espessura do material a soldar elevada. IMPORTANTE: Se a condio for grande rigidez, recomendada o alivio de tenses.

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisAlivio trmico de tenses a tenso de limite elstico (assim como a tenso de ruptura) diminui com a temperatura, o que significa que o material pode ser deformado em menores nveis de tenso:

METALURGIA DA SOLDADURATenses residuaisAlivio mecnico de tenses Quando se aquece um material cuja tenso residual se situa prxima do limite elstico, esta tenso ultrapassa este limite, deformando o material e aliviando-o de tenses residuais:

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaA microestrutura final do metal de solda depende de: Teores de elementos de liga; Concentrao, composio qumica e distribuio de tamanho de incluses no metlicas; Microestrutura de solidificao; Tamanho de gro da austenite anterior; Ciclo trmico da soldadura.

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaSimulao do aparecimento deslocamento de uma incluso: e

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaAs transformaes do metal de soldadura, ocorrem em condies fora do equilbrio e com arrefecimentos elevados. Este arrefecimento contnuo, podendo ocorrer mudana de morfologia, modo de crescimento (ver modelo de Savage), etc.. Como consequncia, as curvas de TTT (Tempo, Temperatura e Transformao) e os Diagrama de

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaMicro constituintes da zona fundida segundo o IIS (Internatiol Institute of Welding so: Ferrita primria (PF); Ferrita acicular (AF); Ferrita com fase secundria (FS); Agregado Ferrita/Carboneto (FC); Martensite (M).

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaSeguindo o fluxograma, ser possvel efectuar uma metalografia quantitativa dos diversos constituintes presentes no metal de soldadura (a microscopia nem sempre consegue distinguir os microconstituintes).

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaCada micro constituinte estudado, definidas a sua estrutura cristalina, fases e o modo como interage com outras estruturas formadas. A Ferrita Acicular, a microestrutura mais desejvel na junta pois possui uma excelente combinao entre resistncia e tenacidade reduzindo o risco da propagao de trincas.

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaA Ferrita Acicular estudada pela metalurgia da soldadura sendo demonstrada: A caracterizao da mesma (densidade, tamanho mdio, temperaturas de formao, etc); O mecanismo de nucleao da mesma; O efeito da quantidade nas propriedades mecnicas; Os factores que condicionam a formao

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona fundidaFarrar e Harinson estudaram a variao da tenso de limite elstica com a % de Ferrita Acicular:

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectadaA zona termicamente afectada pelo calor estudada devido ao facto da ligao a ser efectuada, empregar aos com teores de carbono e elementos de liga que no podem mudar a sua composio, com o intuito de que as propriedades mecnicas no sejam tambm modificadas. O metal de base tem curvas de arrefecimento prprias, assim como o metal de soldadura, logo, a sua interaco deve ser verificada.

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectada Harrison e Farrar identificam vrias zonas e defendem que cada uma tem velocidades de arrefecimento distintas. As regies so: Regio de crescimento de gro (1500 a 1100C); Regio de refino de gro (1100 a 900C); Regio parcialmente transformada (900 a 750C); Regio de coalescimento de carbonetos

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectada Regies da zona termicamente afectada:

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectada Curvas de arrefecimento contnuo em funo das regies (Harrison e Farrar) :

Ferrita primria (PF); Ferrita acicular (AF);

Ferrita com fase secundria (FS); Agregado (FC);

Ferrita/Carboneto

Martensite (M)

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectada Ferrita de Widmansttten:

Ferrita primria (PF);Ferrita acicular (AF);

Ferrita com fase secundria (FS); Agregado (FC);

Ferrita/Carboneto

Martensite (M)

Salienta-se que alm dos vrios tipo de ferrita descritos existe uma designada por Ferrita de Widmansttten

METALURGIA DA SOLDADURATransformao na zona termicamente afectada Caractersticas de cada regio da ZTA: ZCG As propriedades mecnicas dependem do crescimento do gro em conjunto com a quantidade de austenite formada no arrefecimento; ZRG Zona com elevada resistncia e ductibilidade; ZPT Regio que poder ter propriedades mecnica piores do que o metal de base. REC Diminuio da resistncia mecnica;

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calorDurante a soldadura por fuso a interaco entre o metal de base e a fonte de calor leva a um rpido aquecimento das partes envolvidas, fuso das mesmas e a uma circulao de metal fundido efectuada com vigor. No tanque liquido a circulao do metal est controlado por agitao, gradientes de tenso superficial e por foras electromagnticas.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calorA transferncia de calor e o fluxo de fluido afectam a distribuio de temperaturas no metal de base, na forma e tamanho de gro, na forma e tamanho do tanque liquido, no processo de solidificao, velocidades de arrefecimento, nas transformaes at ao estado slido do metal de soldadura e na zona trmica afectada (ZTA).

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calorO controlo e o clculo de temperaturas, velocidades de circulao do fluido e de arrefecimento, so essenciais para assegurar uma boa soldadura, geometrias adequadas, composio qumicas e microestruturas ideais, assim como baixas tenses residuais e distores.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calorO estudo da transferncia de calor durante a soldadura recai sobre: Influncia do fluxo de calor no fluxo de fluido; Importncia relativa da conduo e conveco; Efeitos da conveco; Efeitos da conduo; Controlo da vaporizao; Pr e Ps-Aquecimento.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (A transferncia de calor)Transporte de calor em funo do tempo, que se efectua por conduo e conveco. Expressa pela equao baseada na conservao da energia (com recurso mesma ser possvel estabelecer valores para as importantes variveis parametrizadas para uma soldadura).

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (A transferncia de calor)

Calor contido na pea

Trocas de calor por conveco

Tocas de calor por conduo

Gerao de calor interno

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (A transferncia de calor)Para uso desta equao ter de ser contabilizada: Energia conduzida caracterizado pela relao entre a potncia do arco e a velocidade de soldadura; Energia absorvida depende da natureza do material, do tipo de fonte de calor e dos parmetros do processo utilizado; Perdas e rendimentos dos componentes intervenientes no processo.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Fluxo de calor / Fluxo de fluido)Um fluxo de calor caracteriza a forma, tamanho e a circulao do material fundido no tanque lquido. O fluxo de calor influncia a agitao do mesmo, estabelece os gradientes de tenses superficiais e foras electromagnticas. A macro e a microestrutura do material, assim como a soldabilidade dependem da conjugao destes

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Conduo e conveco)A importncia relativa no processo global de troca de calor destes fenmenos pode ser estimada atravs do nmero de Peclet (Pe). Parmetro adimensional funo: velocidade da densidade; do calor especifico; comprimento caracterstico; condutividade do metal fundido.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Conduo e conveco)Quando o valor muito superior unidade o transporte de calor produz-se fundamentalmente por conveco. Para materiais com alta condutividade trmica, a velocidades baixas e tanques de liquido pequenos este muito menor do que 1.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conveco)Os efeitos da conveco recaem sobretudo na variao: coeficiente de temperatura da tenso superficial; do fluxo convectivo no interior do tanque lquido; na forma ou geometria do tanque lquido.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conveco)A tenso superficial pode ser expressa em funo do coeficiente de temperatura e da percentagem de oxignio:

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conveco)Variao do fluxo convectivo no tanque lquido:

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conveco)Variao na forma ou geometria do tanque liquido:

(a) 0.75 mm

s1,

Temperature and velocity fields under different welding speeds for high and low oxygen contents. 80 ppm; (b) 2.5 mm s1, 100 ppm; (c) 4 mm s1, 100 ppm; (d) 0.75 mm s1, 20 ppm; (e) 2.5 mm s1, 20 ppm; (f) 4 mm s1, 20 ppm.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conduo)Durante o processo de fuso existem gradientes de temperatura tanto na direco da espessura, como nas direces paralelas e transversais direco da soldadura. Para determinao deste fluxo de calor na perspectiva bidimensional ou tridimensional resultante de uma fonte de calor em movimento utiliza-se a soluo analtica de Rosenthal.

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conduo)Fluxo de calor bidimensional: Fluxo de calor tridimensional:

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conduo)Aplicao Rosenthal: da soluo analtica de

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conduo)Fluxo de calor bidmensional: Fluxo de calor tridmensional:

METALURGIA DA SOLDADURAFluxo de calor (Efeitos da conduo)Utilidade da soluo analtica de Rosenthal: Determinao das curvas de velocidade de arrefecimento do material de soldadura; Distribuio da temperatura durante o processo; Temperatura de pico; Dimenso da zona trmica afectada; Tempos de solidificao;

METALURGIA DA SOLDADURAEfeitos da conduo (Vel. Arrefecimento)Velocidade de arrefecimento em chapas grossas: Velocidade de arrefecimento em chapas finas:

Definio de chapa grossa e fina Espessura relativa >0,9 Chapa grossaO,6