Processos De Soldagem I_parte I_2009-2

Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

Disciplina: Processos de Soldagem I Tópicos - Introdução aos processos de fabricação - Fundamentos dos processos de união Docente: Sérgio R. Barra, Dr. Eng. 2009.2

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.

Apresentação
Ementa: A disciplina apresenta inicialmente conceitos gerais de soldagem, permitindo a compreensão da sua utilização em relação a outros processos de fabricação, em especial aos processos união. Aborda e discute as diferentes conceituações encontradas na literatura sobre a definição de soldagem. Mostra as diferentes formas de classificações dos processos de soldagem. Apresenta as dificuldades físicas que impedem ou dificultam o processo de união. Em seguida, introduz os conhecimentos pertinentes à física do arco elétrico, mostrando as diferenças existentes nesta região em função dos diversos processos de soldagem ao arco elétrico e as suas variáveis. Finalmente, apresenta os diferentes tipos de transferência metálica e discute os diferentes tipos de fontes de potência aplicados à soldagem..
Referências: WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia; MESSLER, R.. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; MACHADO, Ivan. Soldagem e Técnicas Conexas: Processos; QUITES, Almir M., Introdução à Soldagem a Arco Voltaico; ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering; The James F. Lincoln Arc Welding Foundation. Procedure Handbook; MARQUES, Paulo Villani, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia; Revista Soldagem & Inspeção; Revista Welding Journal.
Avaliações: 1ª Avaliação de aprendizagem - 17/09/09 (Prova escrita individual) 2ª Avaliação de aprendizagem - 29/10/09 (Trabalho individual) 3ª Avaliação de aprendizagem - 03/12/09 (Prova escrita individual)

Consultas/dúvidas: [email protected] Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

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/site/asm/) Edison Welding Institute - EWI (www.ewi.org/) Labsolda UFSC (www.labsolda.ufsc.br) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFMG (www.demet.ufmg.br) Graco – UnB (www.graco.unb.br/) Laprosolda – UFU (www.mecanica.ufu.br/Laboratorios/laprosolda/index.html) Welding and Joining Institute – Aachen (www.isf-aachen.de/eng/index_en.html)

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Considerações 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. Processamento Material (propriedade, disponibilidade e custo)

Inter-relação projeto x material x processo de fabricação

(Seleção de equipamento, custo, influência nas propriedades)

Projeto (custo, função, condição de operação, desenho)

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

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 fabricação - fundamentos Como se classificam os processos de fabricação? Base para classificação dos processos de fabricação: Relação entre manutenção de volume/forma x propriedades do material x forma de montagem

Processos de fabricação Atividade em grupo:

Fundição Conformação Usinagem Corte

Qual o processo? Conformação, Usinagem ou Soldagem?

União

Agrupar os processos de fabricação considerando: a) Aqueles que induzem mudança de volume/forma (com e sem remoção de material)

Processamento de polímeros / compósitos

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

Metalurgia do Pó (Sinterização)

c) Aqueles que permitem diferentes formas de montagem (níveis de permanência: não, semi e permanente) Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Prototipagem rápida

Efeitos da relação processo x microestrutura x propriedade

Processo de fabricação / condição

Efeito sobre a microestrutura

Efeito sobre as propriedades

Conformação / a frio

Encruada (alta densidade de discordâncias) Grãos alongados (orientados) Trinca / delaminação

Elevada resistência Aumento da dureza Baixa ductilidade Grande anisotropia

Conformação / a quente

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

Ausência de tensões residuais Moderada resistência Elevada ductilidade Pequena anisotropia

Usinagem

Tensão residual na superfície da peça Possibilidade de mudança de fase Possibilidade de trinca superficial Precipitação de fases (sensitização)

Grau de acabamento x resistência à fadiga Induz pequena anisotropia Redução de resistência à corrosão

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

Estrutura dendrítica Grãos colunares e/ou equiaxiais Baixa densidade de discordâncias Presença de segregação (zoneamento) Presença de tensões residuais Pode haver formação de poros e/ou ZTA Contração (rechupe)

Baixa resistência Moderada ductilidade Moderada anisotropia Variação de dureza

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Estudo de caso – definição de qual processo aplicar Exemplo 1: Construção/manutenção de nitroduto (transporte de HNO3) O que devemos levantar (é preciso conhecer as condições de projeto/operação)? a) Como funciona cada processo aplicável à união (parafusagem, soldagem ou colagem) ? b) Qual o material da tubulação (ferroso ou não ferroso)? c) Qual o grau de automatização (manual, semi ou automatizado)?; d) Qual o valor dos encargos (HH, impostos, outros)? e) Já houve aplicação similar do processo? f) Qual a pressão e temperatura de trabalho? g) Quais os tipos e níveis aceitáveis de defeitos? Rugosidade Superficial (µm)

9 8 7 6

01 X

5

05 X

4

17 X

3

21 X

2 1 0 -1

0

1

2 Tempo (Horas)

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

3

4

Estudo de caso – definição de qual processo aplicar Exemplo 2: Fabricação e/ou recuperação de barramentos (ânodos de redução da Al2O3) Problema: Necessidade de aliar resistência mecânica (aço) com condutividade elétrica (Al).

Características do processo de união por explosão

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Detalhe da região de ligação da união por explosão

Estudo de caso – definição de qual processo aplicar Representação esquemática do processo de soldagem por explosão

Processos envolvidos: Fundição, conformação, usinagem e soldagem.

Estudo de caso – definição de qual processo aplicar Exemplo 2 – Recuperação: Trinca em ferro fundido (combinações de diferentes processos de fabricação) Processo de fabricação 1 USINAGEM

Trinca em ferro fundido

Processos de fabricação 2 e 3 CONFORMAÇÃO e SOLDAGEM

Técnica: Metalock

Processo de fabricação 3 USINAGEM

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Processos de união Quais os processos de união utilizados industrialmente? -

Soldagem (soldagem/brasagem);

-

Colagem (adesão);

-

União mecânica (fixação/união/ligação mecânica). Fonte: Suranaree University of Technology

Observar que a escolha do processo de união será função da aplicação desejada. Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Importância e critérios de seleção 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.

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). Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

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

Conceituação de soldagem

E o que vem a ser soldagem? - Uma coalescência localizada de metal, onde a coalescência é produzida pelo aquecimento à temperaturas convenientes, com ou sem a aplicação de pressão e com ou sem a aplicação de metal de adição. O metal de adição, ou possui ponto de fusão aproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fusão abaixo daquele dos metais mas acima de 800 ºF (≈ 450 ºC) (AWS, 1958). - União localizada de metais ou não-metais, produzida ou pelo aquecimentos dos metais até a temperatura de soldagem, com ou sem a aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão somente, com ou sem uso de metal de adição (AWS, 1987).

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Conceituação de soldagem - Processo que visa a união localizada de materiais, similares ou não, de forma permanente, baseada na ação de forças em escala atômica semelhantes às existentes no interior do material e é a forma mais importante de união permanente de peças usadas industrialmente (Wikipédia). - Processo metalúrgico de união de metais ou ligas metálicas,devendo os materiais estarem em seu estado fundido ou pastoso. - Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas. - Processo de união de entre duas partes metálicas, usando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão (Wainer, 2002). - Ato ou efeito de soldar (Dicionário Aurélio). Welding is a joining process in which metals are heated, melted and mixed to produce a joint with properties similar to those of the materials being joined. Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Conceituação de solda O que se entende por solda (definição)? Região gerada pela operação de soldagem. Solda de materiais dissimilares

Solda de topo

Solda em ângulo Deposição multipasse Quais os requerimentos para a coalescência dos materiais?
Calor; Solda circunferencial

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.


Intimidade do contato (pressão ou não pressão).

Critérios envolvidos na construção de uma estrutura soldada Projeto de estrutura soldada – união/revestimento (critérios) 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. Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

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.

Aplicações Áreas de aplicação e importância econômica da indústria / setor de soldagem

Naval Off-shore

Química/Petroquímica

Montagem e/ou recuperação metálica

Construção civil Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Automobilística

Setores envolvidos Áreas de aplicação e importância econômica da indústria /setor de soldagem (continuação)

Vehicle Construction 50 Billion EUR Welding Industry 5 %

Metal Construction 55 Billion EUR Welding Industry 6 %

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Mechanical Engineering 60 Billion EUR Welding Industry 4 %

Aero Space and Aircraft Construction Shipbuilding 8 Billion. EUR Welding Industry 5 %

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

Por continente

Por processo Fonte: production.investis.com/charter/esab

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Perspectivas de utilização (tendências)

Perspectivas do consumo de eletrodos x processos

Fonte: ESAB

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Classificação Qual a área de conhecimento onde a tecnologia de soldagem é inserida e como se dividem os processos (taxonomia)? Explosão A frio

Engenharias / Tecnologia

Ultra-som Atrito

Estado sólido A quente

Difusão

Ciências térmicas Ciências dos materiais

Aluminotermia

Metrologia

Feixe de elétrons Resistência elétrica

Projetos mecânicos Vibrações e acústica Processos de Fabricação Fundição

Fusão

Laser

Arco elétrico

Conformação Metalurgia do pó

Proteção de escória

Brasagem

Plasma MIG MAG Arame tubular Arame tubular Eletrodo revestido

Brasagem (solda branda) Soldabrasagem

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

TIG

Eletrodo Não-consumível Proteção gasosa Eletrodo consumível

Sem proteção

Usinagem

Soldagem

Eletroescória Resistência

Prisioneiro

Arco submerso

Comparação entre os diferentes processos de soldagem

Características gerais dos processos de soldagem por fusão.

Joining process Shielded metal-arc

Operation Manual

Submerged arc

Automatic

Gas metal-arc

Semiautomatic or automatic Manual or automatic Semiautomatic or automatic Manual

Gas tungsten-arc Flux-cored arc Oxyfuel

Electron-beam, Semiautomatic Laser-beam or automatic * 1, highest; 5, lowest.

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Advantage Portable and flexible High deposition Most metals Most metals High deposition Portable and flexible Most metals

Skill level required High

Welding position All

Current type ac, dc

Distortion* 1 to 2

Cost of equipment Low

Low to medium Low to high Low to high Low to high High

Flat and horizontal All

ac, dc

1 to 2

Medium

dc

2 to 3

All

ac, dc

2 to 3

Medium to high Medium

All

dc

1 to 3

Medium

All

—

2 to 4

Low

Medium to high

All

—

3 to 5

High

Terminologia básica relacionada a soldagem Metal de base (MB)

Zona termicamente afetada (ZTA)

Linha de fusão Zona regenerada Cordão de solda

Zona fundida (ZF) ou metal de solda

Soldagem multipasse 1ª camada

1º passe (raiz)

2º e 3º passes (enchimento)

2ª camada .

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Passe Cordão de solda Camada

. Enésima camada

Soldagem simples deposição

4º passe (acabamento)

Seqüência da deposição (passes)

Terminologia básica relacionada a soldagem 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.

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Terminologia básica relacionada a soldagem Geometria do chanfro?

A

B

1G welding position

groove angle

A

B

A

B

wall thickness

B

A

root face

root opening

• • • • •

Abertura da raiz: mínima distância que separa os componentes (A-B) a serem unidos por soldagem ou processos afins Ângulo do chanfro: ângulo total formado entre as bordas preparadas dos componentes (A-B) Ângulo do bisel: ângulo formado entre a borda preparada do componente (A ou B) e um plano perpendicular à superfície deste componente Bisel: borda do componente (A ou B) a ser soldado preparada na forma angular Face da raiz ou altura do nariz: parte da face do chanfro adjacente à raiz da junta

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

B A

B

A

Terminologia básica relacionada a soldagem Chanfro: Abertura devidamente projetada, entre os componentes a serem unidos, para permitir o acesso e adequado preenchimento formação da junta.

Tipos: • Chanfro em V • Chanfro em duplo V ou X • Chanfro em meio V • Chanfro em duplo meio V ou K • Chanfro em J • Chanfro em duplo J • Chanfro em U • Chanfro em duplo U • Chanfro reto

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Terminologia básica relacionada com a soldagem Exemplos de preparação do chanfro em função da espessura “e” da chapa

a) Chapa fina

Atividade em grupo a) Chapa grossa

Definir os requisitos que definem o tipo e a geometria do chanfro. a) Espessura b) Tipo de material c) Acesso d) Carga (solicitação) Onde: e (polegada)

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

Conceitos e grandezas físicas relacionadas com a soldagem • 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)

1F

1G

2F

2G

Chapa

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

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

3F

1G

4F

4G

1G

2G 6G

5G

Tubo

Elementos básicos que compõem um processo de soldagem ao arco elétrico Manômetros

Misturadores de gás

Cabeçote alimentador de arame

20

20

Eletrodo revestido

Rolo de arame

10

10

1

1

Fluído refrigerante Condutor

Condutor Gás

Arame

300 A 25 V

Vs

Cilindros de gás de proteção

Bocal

CO2 O2

Ar

Fonte de soldagem

Bico de contato Eletrodo consumível

(+)

Gás de proteção

MIG/MAG

Poço de fusão

Arame Tubular

Arco Metal de solda

(-) Metal de base

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.

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?

Prof. Sérgio R. Barra, Dr. Eng.