Definições e Conceitos Fundamentais em Soldagem

1. Defina soldagem com base em: a) Suas características operacionais e, b) Seus mecanismos de união. c) Dois blocos de gelo colocados em contato com uma pequena pressão são facilmente soldados, mas o mesmo não ocorre com dois blocos de cobre, por exemplo. Discuta essa situação e explique.

1. Operação que visa obter a união de duas ou mais peças por forças de ligação química e físicas, ocasionando a coalescência localizada na junta soldada, assegurando a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas.

1. Operação com finalidade de obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição.

1. c) Devido ao ponto de fusão do cobre ser mais elevado que a do gelo, para que o mesmo ocorra no cobre, são necessárias altas pressões entre os dois blocos de cobre, aumentando o atrito entre eles.

1. Defina: velocidade de soldagem, passe, raiz, face e margem de uma solda, taxa de deposição, eficiência de deposição e fator de ocupação.

1. Velocidade de soldagem: Velocidade de deslocamento do arco elétrico ao longo da junta, (mm/min).

1. Passe: Depósito de material obtido pela progressão sucessiva de uma só poça de fusão. Uma solda pode ser feita em único passe ou em vários passes.

1. Raiz: Abertura mínima que separa as peças a serem unidas.

1. Face de solda: Superfície exposta da solda.

1. Margem de solda: Junção entre a face de solda e o metal de base.

1. Taxa de deposição: Quantidade de material depositado na solda, sem escória, por unidade de tempo.

1. Eficiência de deposição: relação entre o peso do metal depositado e o peso do consumível utilizado, expressado em percentual.

1. Fator de ocupação: Porcentagem total do tempo de soldagem gasto efetivamente na realização da solda. É a razão entre o tempo de arco aberto e o tempo total da operação da soldagem (remoção de escória e respingos, troca de eletrodos, posicionamento de cabeçote, etc.).

1. Dois elementos fundamentais de um processo de soldagem por fusão são a fonte de calor e o meio de proteção. Quais são as características básicas de uma fonte de calor para soldagem por fusão? Cite e descreva rapidamente três fontes usualmente utilizadas na soldagem por fusão. Qual a função do meio de proteção? Cite os meios mais utilizados em soldagem.

Características das fontes de calor:

- Concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal base.

- Facilidade de controle.

- Baixo custo relativo do equipamento.

- Nível aceitável de riscos à saúde dos seus operadores.

Fontes de calor:

Fonte Química - O calor é gerado por reações químicas exotérmicas. Exemplo: a queima de um combustível (chama oxiacetilênica).

Fonte Elétrica - O calor é gerado pela passagem de corrente elétrica ou com a formação de um arco elétrico.

Fonte Radiante - O calor é gerado por radiação eletromagnética (laser) ou por um feixe de elétrons acelerados através de uma variação de potencial.

OBS. O arco elétrico é a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de materiais metálicos.

Função do meio de proteção:

- Facilita a passagem da corrente elétrica, dando origem a um arco estável.

- Proteger a área de soldagem da escória e gases atmosféricos (como O2 e Hidrogênio), evitando a redução da qualidade da solda.

Meios de proteção: Vácuo, com gás inerte, gás ativo, fluxo (escória).

1. Defina chanfro e explique o seu uso em soldagem. Desenhe chanfros em V e X (ângulos de chanfro 30° e abertura 2 mm) em juntas de topo de 25 mm de espessura e indique os símbolos correspondentes. Discuta a aplicação de cada chanfro.

Chanfro é um corte efetuado na junta para possibilitar/facilitar a obtenção de uma solda com a penetração desejada. É usado quando a espessura dos componentes da junta impede a obtenção da penetração desejada sem o chanfro. O uso de um chanfro diferente do tipo I implica na necessidade de se usar metal de adição. Para a soldagem na posição horizontal, um chanfro em Meio V ou em K tende a ser mais adequado que em chanfro em V, pois para o primeiro, existe uma menor tendência de poça de fusão escorrer sob a ação da gravidade. Quando é possível executar a soldagem dos 2 lados da junta, chanfros em X podem ser considerados, estes ainda têm a vantagem adicional de melhor equilibrar as tensões térmicas geradas durante a soldagem e apresentar, assim, uma menor distorção.

Chanfro em V - Quando as espessuras a soldar excederem os valores indicados para preparação em chanfro reto, recomenda-se a preparação em V, para espessuras de até 20 mm.

Chanfro em X - É recomendada para espessuras entre 15 e 40 mm, quando a junta for acessível de ambos os lados. Permite uma grande economia no volume de metal depositado, quando comparado à preparação em V (é reduzido quase à metade), bem como provoca uma compensação nas deformações angulares.

1. Indique as principais posições de soldagem e discuta a influência destas na operação de soldagem.

Horizontal: O eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face é inclinada.

Sobre cabeça (overhead): A soldagem é feita do lado inferior de uma solda de eixo aproximadamente horizontal.

Vertical: O eixo da solda é aproximadamente vertical.

A soldagem pode ser “para cima” (vertical-up) ou “para baixo” (vertical-down).

A posição da peça e do eixo da solda determinam a posição de soldagem. Mas existem limites de ângulos para cada posição e então muitas vezes não se consegue saber com exatidão a posição de soldagem exata que foi utilizada. Dentre as diferentes posições de soldagem, usualmente a posição plana é a que possibilita uma maior facilidade de execução e uma maior produtividade. Para as outras posições, a força da gravidade tende a dificultar o controle da poça de fusão e a transferência do metal de adição para a poça.

1. Discuta os riscos (perigos) que o arco elétrico coloca para o operador.

2. - Faíscas.

- Inalação de gases (produzidos e/ou da atmosfera protetora) e da escória, podem causar sérios danos à saúde.

1. - Choque elétrico.

2. - Exposição a radiações visíveis e ultravioletas, podendo causar queimaduras.

   1. Apresente e discuta as características dos dois tipos básicos de técnicas de soldagem (por deformação / por fusão). Discuta as principais características, aplicações e limitações de cada tipo.

Por fusão:

É a mais difundida por abarcar a maioria dos processos mais versáteis, baseia-se na fusão do material de base com ou sem material de adição por meio de elevadas temperaturas e sem pressão. É muito utilizada na indústria, na construção naval e civil. Uma de suas limitações é a dependência da habilidade do soldador, e uma de suas vantagens é a possibilidade de soldar em diversas posições.

Por deformação:

Baseia-se em aplicações de altas pressões na região a ser soldada, ocasionando elevadas temperaturas e facilitando a união do material. Uma de suas vantagens está na automatização do processo, e uma de suas desvantagens está no alto custo.

1. Classifique, quando aplicável, com base em: a) Fonte de calor, b) Meio de proteção, c) Posições de soldagem possíveis e d) Tipo de eletrodo (consumível ou não consumível), os seguintes processos de soldagem: eletrodos revestidos, TIG, arame tubular, eletro-escória e laser.

1. Cite/discuta as principais características ou funções de um fluxo (SAW) ou revestimento de eletrodo (SMAW). Indique as características de eletrodos de classes AWS E6010, E6013, e E7018.

SAW (Submerse Arc Welding)

O fluxo tem várias funções na soldagem por arco submerso; entre elas se destacam: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de solda, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação da atmosfera, minimizar impurezas no metal de solda e produzir escória com determinadas propriedades físicas e químicas que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de solda, sua destacabilidade e a ocorrência de defeitos.

SMAW (Shield Metal Arc Welding)

Tem as funções: estabilizar o arco, proteger quanto à ação da atmosfera, reduzir a velocidade de resfriamento do cordão de solda, refino metalúrgico (desgaseificação, desoxidação, dessulfuração, etc.), introduzir elementos de liga, etc.

revestimento oxidante- apresentam uma baixa penetração, o aspecto da soldagem produzida seja muito bom, não é o eletrodo adequado para aplicações de elevado risco. Atualmente, este tipo vem sendo cada vez menos utilizado.

revestimento ácido- fácil manipulação, penetração média ou baixa, escória abundante, porosa e de fácil remoção, cordão com aparência muito boa.

revestimento rutílico- penetração média e alta taxa de fusão, escória abundante, porosa e de fácil remoção, cordão com aparência muito boa, resistência à fissuração a quente é relativamente baixa.

revestimento básico- A penetração é média e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente em relação à tenacidade, são indicados para aplicações de alta responsabilidade, para soldagens de grandes espessuras e de elevado grau de restrição (dilatação e contração). Em razão de ser o mais higroscópico de todos, este tipo de revestimento exige cuidados especiais com o armazenamento e manuseio.

E6010 Eletrodo especial de aço carbono, com revestimento celulósico para soldagem de onde requer alta penetração em qualquer posição de soldagem, principalmente para solda de raiz.

E6013 Eletrodo especial de aço carbono, com revestimento rutílico para construção e soldagem de chapas finas e trabalhos que requerem baixa penetração.

E7018

Eletrodo especial básico de baixo hidrogênio para uniões de alta responsabilidade e para soldagem de aços sem ou de baixa liga.

1. Qual a função do ignitor de alta frequência na soldagem TIG? Por que na soldagem de ligas de alumínio com este processo, é usual manter este ignitor ligado?

A função do ignitor é ionizar o meio gasoso, dispensando a necessidade de tocar o eletrodo na peça para a abertura do arco (o que pode causar a mútua contaminação do eletrodo e do metal base).

As ligas de Al são recobertas por uma camada de óxido de elevado ponto de fusão, é importante que o metal base esteja ligado ao polo negativo da máquina, pois, nesta polaridade, a emissão de elétrons da peça para o arco permite a quebra e remoção da camada de óxido. Para garantir este efeito sem aquecer excessivamente o eletrodo, é comum se trabalhar com CA na soldagem desses materiais. Neste caso, como o arco tende a se apagar a cada inversão de polaridade de corrente, o ignitor de alta frequência deve operar continuamente para manter o arco aceso.

1. Compare e discuta os tipos de corrente e sua polaridade usuais na soldagem TIG e MIG/MAG. Na soldagem MIG de ligas de alumínio é necessário utilizar corrente alternada (como na soldagem TIG)? Explique.

TIG

MIG/MAG

1. Corrente contínua polaridade reversa - CCPR(+) – Utilizada para soldagem (é o tipo mais utilizado).
2. O processo apresenta um arco mais estável e uma maior penetração.

1. Corrente contínua polaridade direta - CCPD(-) – Normalmente não utilizada (transferência instável).
2. Pode ser utilizada para aumentar a velocidade de deposição. Utilizada em revestimento. A penetração é baixa.

1. A corrente alternada não é utilizada.

Para a soldagem MIG, recomenda-se o uso de CC+, pois, nesse caso, o próprio consumível é o eletrodo, motivo pelo qual o mecanismo de emissão eletrônica é alterado, não sendo necessário o uso de CA.

1. Por que na soldagem TIG de alumínio, é comum uso de corrente alternada?

As ligas de Al são recobertas por uma camada de óxido de elevado ponto de fusão, é importante que o metal base esteja ligado ao polo negativo da máquina, pois, nesta polaridade, a emissão de elétrons da peça para o arco permite a quebra e remoção da camada de óxido. Para garantir este efeito sem aquecer excessivamente o eletrodo, é comum se trabalhar com CA na soldagem desses materiais.

1. A norma AWS A5.18 especifica arames de aço carbono para soldagem MIG/MAG (GMAW). Nesta norma os arames E70S3 (0,06% a 0,15% C; 0,90 a 1,40% Mn; 0,45 a 0,70% Si) e E70S6 (0,07% a 0,15% C; 1,40% a 1,85% Mn; 0,80% a 1,15% Si) são indicados, respectivamente, para a soldagem com proteção de mistura Ar-CO₂ e com CO₂ puro. Explique as diferenças de composição química dos dois arames levando em consideração as diferenças de potencial de oxidação do gás de proteção de cada caso. Indique possíveis consequências nas propriedades mecânicas da solda ao se utilizar um arame E70S2 com CO₂ puro.
2. Discuta a influência do gás de proteção no formato do cordão e na estabilidade do processo nas soldagens TIG e MIG/MAG.

O Ar misturado ao CO2 melhora sensivelmente a estabilidade do arco elétrico. Quando a baixa fluidez da poça de fusão na soldagem com o uso do Argônio puro é um inconveniente, utilizam-se misturas Ar + CO2 ou Ar + O2, cujo objetivo é melhorar essa característica, além de proporcionar maior condutividade elétrica. O O2 nunca é utilizado sozinho, sempre compõe as seguintes misturas: Ar + O2 (binária) ou com o Ar + CO2 + O2 (tríplice).

O CO₂ é utilizado na forma pura ou com adições de oxigênio e/ou argônio. É usado exclusivamente para soldagem de aços carbono e aços de baixa liga. Comparado ao hélio e o argônio possui: baixo custo, penetração e velocidade de soldagem elevadas. Por outro lado, possui excesso de respingos, pode causar porosidade caso o eletrodo não contenha desoxidante, A adição de argônio melhora a aparência do cordão, diminui os respingos e diminui a temperatura do arco (para chapas finas).

1. Quais as formas usuais de transferência de metal de adição na soldagem MIG/MAG? Por que neste processo, é fundamental controlar a forma de transferência de metal? Por que este problema é menor na soldagem com eletrodos revestidos?

curto-circuito (short arc); globular (globular); aerossol (spray arc)

É importante, pois afeta muitas características do processo como: estabilidade do arco, quantidade de gases absorvida pelo metal fundido, aplicabilidade do processo em determinada posição de soldagem e o nível de respingos gerados. Os fatores que determinam o modo de transferência de metal são a corrente de soldagem, o diâmetro do arame, o comprimento do arco (tensão), as características da fonte e o gás de proteção.

O modo de transferência metálica dos eletrodos revestidos é essencialmente uma função da composição do revestimento, visto que esta determina quais os parâmetros de soldagem a serem utilizados.

16. O que é um arame tubular “autoprotegido” (self-shielded)? Indique aplicações típicas para este tipo de arame.

- Self-Shielded Arc Welding / SSAW ou Self-Shielded Flux Cored Arc Welding / SS-FCAW

Sem a proteção externa de gás ou autoprotegido. Seu desenvolvimento foi estimulado pela dificuldade do manuseio dos gases em ambientes abertos e expostos a correntes de ar. Neste caso, a proteção do metal depositado ocorre principalmente pela ação dos desoxidantes/desnitretantes (Mn, Al, Ti, Si, Mg, etc.), que por terem grande afinidade pelo oxigênio e pelo nitrogênio, combinam-se facilmente com estes elementos evitando a formação de porosidade e a degradação das propriedades mecânicas da solda.

Atualmente a utilização de Arames Tubular autoprotegido tem tido grande interesse em consequência da sua versatilidade e possibilidade de aplicação em ambientes sujeitos a intempéries como, na fabricação de plataformas de prospecção de petróleo, estaleiros navais, locais de difícil acesso e condições de trabalho, onde até então era absoluto o domínio do processo de soldagem por eletrodos revestidos, assim como vem aumentando sua utilização em estações de trabalho automatizadas e ou robotizadas.

17. Explique a soldagem por eletro-escória e indique aplicações desse processo.

Soldagem por eletroescória (Eletroslag Welding, ESW) é um processo de soldagem por fusão que utiliza a passagem de uma corrente elétrica através de uma escória condutora fundida para gerar o calor necessário à fusão localizada da junta e do metal de adição. A escória também protege a poça de fusão e o metal de adição da contaminação pelo ambiente.

Aplicações:

- União de duas ou mais peças (em geral, de grande espessura) em um único passe com a soldagem sendo feita na posição vertical ascendente.

- Fabricação de peças pesadas, principalmente de aço estrutural.

18. Descreva os processos de soldagem por explosão e por fricção. Cite possíveis aplicações para estes processos de soldagem.

A SOLDAGEM POR EXPLOSÃO é um processo de soldagem no estado sólido a partir da deformação plástica superficial de metais, motivada pela colisão de uma peça lançada em alta velocidade contra outra, por detonação calculada de um explosivo. As aplicações da soldagem por explosão variam de chapas de grandes dimensões a pequenos componentes eletrônicos. Sua maior aplicação é para o revestimento ou "clad" de chapas de até 6 metros de comprimento.

A SOLDAGEM POR FRICÇÃO é um processo de soldagem no estado sólido, que visa unir partes metálicas através de caldeamento, obtido pelo calor gerado, através do atrito provocado por movimento das superfícies em contato, e aplicação de pressão. Aplicação em estruturas que precisam suportar choques mecânicos muito fortes, peças que necessitam de dureza maior e outros fatores a partir da deformação plástica superficial de metais, motivada pela colisão de uma peça são satisfeitas como este método, cuja maioria das aplicações aumentam a resistência mecânica do cordão de solda.

19. Compare a brasagem com soldagem convencional. Indique as principais formas de brasagem.

Segundo definição da AWS-Associação Americana de Soldagem, a brasagem reúne um grupo de processos de união que liga metais pelo aquecimento adequado e pelo uso de um metal de adição com temperatura de fusão mais baixa do que a temperatura "solidus" do metal de base; o metal de adição preenche a junta por capilaridade. Neste tipo de união, o metal de base nunca se funde e é este fato que diferencia a brasagem de outros processos de soldagem por fusão.

Principais formas de brasagem:

Brasagem propriamente dita ou “brasagem forte” (Brazing, B) - Utiliza metais de adição de temperatura de fusão superior a 450°C;

Brasagem fraca (Soldering, S) - Utiliza metais de adição de baixa temperatura de fusão (inferior a 450°C);

Solda-brasagem - Utiliza metais de adição similares ao da brasagem, mas cujo projeto da junta é similar ao usado na soldagem por fusão convencional.

20. Cite os principais processos de corte térmico de metais e compare-os.

Corte a oxigênio (Oxyfuel Gas Cutting, OFC)

É um processo de corte térmico que utiliza um jato de oxigênio puro para oxidar o metal de base e remover a mistura, no estado líquido, de óxidos e do material de base da região de corte. O processo é usado basicamente para ligas de ferro, principalmente aços carbono e aços de baixa liga, podendo ser usado, também, para ligas de titânio.

- O processo é usado, para aços de baixo carbono, para cortar chapas de até 300 mm de espessura. Técnicas especiais permitem o corte de espessuras acima de 1 m.

- Equipamento básico para operação manual é de baixo custo.

- Equipamento manual pode ser portátil e de fácil uso para trabalho no campo.

- Tolerância dimensional do corte OFC é pior do que a de vários processos mecânicos.

- Processo é essencialmente limitado ao corte de aços.

Corte a plasma (Plasma Arc Cutting, PAC)

- Corte a plasma é realizado com um jato de plasma quente de alta velocidade.

- Um fluxo suplementar de gás (CO2, ar, nitrogênio, oxigênio) ou, mesmo, de água pode ser usado para resfriar e aumentar a constrição do arco.

- O processo pode cortar praticamente todos os metais e peças de pequena espessura de aço de baixo carbono podem ser cortadas mais rapidamente do que OFC.

- Adicionalmente, o processo pode iniciar o corte imediatamente, não necessitando do pré-aquecimento inicial até a temperatura de ignição como no processo de corte a oxigênio.

- Contudo, este processo é ainda mais comum em instalações de grande porte para corte mecanizado ou automático.

- O elevado custo do equipamento e alto nível de ruído, de fumaça e de radiação gerados são limitações deste processo.

Corte a laser (Laser Beam Cutting, LBC)

- De forma similar que a soldagem a laser, o corte a laser é baseado na ação de um feixe de luz coerente concentrado sobre a peça.

- A elevada densidade de energia utilizada possibilita a fusão e vaporização do material na região sendo atingida pelo laser o que leva à remoção de material e à ação de corte.

- O processo pode ser utilizado para cortar todos os metais além de certos materiais não metálicos como cerâmicas.

- A elevada velocidade de corte, a alta precisão do corte e o excelente acabamento da superfície de corte têm levado a uma utilização crescente deste processo de corte para a produção de peças de formato complicado que, muitas vezes, não necessitam de um acabamento posterior.

- Espessura de corte e região afetada pelo calor do corte mais finas do que qualquer outro processo de corte térmico.

- Elevadas velocidades de corte.

- Equipamento de elevado custo (US$ 100.000 a US$ 1.000.000).

OBS. Corte com eletrodo de grafite (Não fala desse, diz que os três primeiros são mais relevantes).

21. Descreva em linhas gerais, o corte por oxigênio. Por que este processo de corte é basicamente aplicável, de forma direta, para aços de baixo carbono?

Corte a oxigênio (Oxyfuel Gas Cutting, OFC)

É um processo de corte térmico que utiliza um jato de oxigênio puro para oxidar o metal de base e remover a mistura, no estado líquido, de óxidos e do material de base da região de corte. O processo é usado basicamente para ligas de ferro, principalmente aços carbono e aços de baixa liga, podendo ser usado, também, para ligas de titânio.

Este processo de corte é basicamente aplicável para aços baixo carbono, porque elementos de liga tendem, de uma forma geral, a dificultar o corte por promover a formação de um óxido refratário (por exemplo, cromo, alumínio e silício) ou por reduzir a temperatura de fusão do metal de base (carbono, por exemplo) tornando o corte mais grosseiro.

22. Compare o arco elétrico com um fio metálico em termos de seu comportamento frente a passagem de uma corrente elétrica. Explique, baseado na estrutura do arco, por que este é uma fonte de energia muito eficiente para soldagem por fusão.

Em um fio metálico percorrido por um dado valor de corrente, a tensão elétrica varia uniformemente ao longo de seu comprimento (x) pois:

U = Ri e R = r x / A , e, portanto:

U = (r i / A)x = k x

onde r é a resistividade elétrica do fio e A é a área de sua seção transversal.

O mesmo não acontece ao longo do arco elétrico, existindo quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos (ânodo e cátodo) que atingem entre 1 e 20 V. A variação da tensão ao longo do arco sugere que este pode ser dividido em, pelo menos, três regiões principais:

· Zona de Queda Catódica,

· Coluna de Plasma, e

· Zona de Queda Anódica.

O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada através de um gás ionizado, a alta temperatura, conhecido como plasma, podendo produzir energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, pela fusão localizada das peças a serem unidas. É a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de materiais metálicos, pois apresenta uma combinação de características, incluindo uma concentração adequada de energia de fusão localizada do metal de base, facilidade de controle, baixo custo relativo de equipamento, um nível aceitável de risco à saúde dos operadores.

23. O que é jato de plasma? Explique sua formação na soldagem a arco e discuta a importância deste na soldagem e o efeito da polaridade de corrente neste.

É um dos responsáveis pela penetração do cordão de solda e que pode ser considerado um condutor elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a corrente por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico em seu eixo e ele se comporta como um condutor colocado em um campo magnético; dessa maneira surgem forças de Lorentz na região do arco, que têm sentido de fora para dentro.

Os pólos do arco elétrico não se comportam de maneira igual. O bombardeio a que os elétrons sujeitam o ânodo (eletrodo positivo) é mais eficiente que o bombardeio dos íons no cátodo em função da energia cinética de cada elétron ser muito maior que a de cada íon, bem como pelo fato da saída dos elétrons do cátodo consumir energia, enquanto a chegada ao ânodo se faz com entrega de energia. Isto significa sempre que a temperatura do ânodo é maior que a do cátodo.

24. Explique a formação do sopro magnético e discuta a importância desta soldagem e o efeito da polaridade de corrente neste.

É um fenômeno que ocorre na soldagem a arco elétrico com corrente contínua. Consiste no desvio do arco de soldagem de sua posição normal (encurva-se e pode até se extinguir), influenciado pela não simetria na distribuição das forças eletromagnéticas devido às variações bruscas na direção da corrente elétrica. Pode ser causado também pelo arranjo assimétrico de material ferromagnético em torno do arco.

Provoca defeitos como falta de fusão, falta de penetração e instabilidade do arco.

25. Porque o conhecimento dos modos de transferência de metal de adição é fundamental para um uso mais adequado do processo de soldagem MIG/MAG? Cite, para cada um dos principais modos de transferência observados neste processo de soldagem, as principais forças responsáveis pela transferência.

A transferência de metal de adição influencia as características operacionais, como: estabilidade, nível de respingos, formato do cordão e a capacidade de fundir o metal de base.

Existem 3 tipos de transferências:

Transferência por curto-circuito -> Tensão superficial e forças eletromagnéticas.

Transferência globular -> O metal de adição se destaca basicamente por ação de seu peso.

Transferência por spray -> Forças eletromagnéticas do arco e independe da ação da gravidade.

26. Considere a soldagem MIG/MAG com arame de baixo carbono (AWS E70S6, por exemplo) de 1,2 mm de diâmetro. a) Indique e justifique um gás (ou mistura) de proteção e um valor de corrente para soldar com este arame com transferência spray (goticular). b) Estime para esta condição, a velocidade de alimentação (em m/min) necessária para se trabalhar com uma distância do bico de contato da tocha à peça de 20 mm e um comprimento do arco de 5 mm. c) Calcule para o resultado anterior, se as contribuições relativas (em %) do aquecimento do eletrodo por efeito Joule (ou resistivo) e pelo arco. Gases: He puro, Ar puro, Ar - 4% CO₂, Ar - 25% CO₂, CO₂ puro.

27. Apresente de forma simplificada o funcionamento de uma máquina de soldagem rotativa e de uma máquina estática convencional. Discuta a aplicação de cada um destes tipos de máquinas.

Zona fundida: região onde o material fundiu-se e solidificou-se durante a soldagem;

ZTA: região do metal de base que não fundiu, porém teve sua microestrutura/propriedades alteradas pelo ciclo térmico da soldagem;

Metal de base: região que não foi afetada pelo processo de soldagem.

31. Desenhe esquematicamente a curva de repartição térmica de uma solda a partir de sua linha de fusão (T_P = T_fusão). Mostre o efeito nesta curva, de um aumento na energia de soldagem e discuta o resultado nas dimensões da ZTA de uma solda.

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33. Considerando a distribuição de tensões residuais, discuta o comportamento de uma solda de uma liga, de elevada ductilidade durante o aquecimento e resfriamento uniforme da estrutura. Discuta a influência das tensões residuais na estabilidade dimensional de um componente a ser usinado. Por que um tratamento térmico pode reduzir o nível de tensões residuais?

a) Se um objeto for aquecido e resfriado de modo uniforme e não existirem restrições às suas variações dimensionais, estas não resultam em efeitos mecânicos importantes no objeto, isto é, após o ciclo térmico, o objeto não deverá apresentar nem tensões residuais nem distorções. Contudo, se a variação de temperatura não for uniforme ao longo da peça ou se esta não puder se expandir ou contrair livremente durante o ciclo térmico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver.

b) Quando um componente soldado é usinado ou submetido à outra operação de remoção de material, o balanço de forças devido às tensões residuais deixa momentaneamente de ser satisfeitas. Para restaurar o equilíbrio de forças e de momento, o componente tende a sofrer pequenas distorções que causam uma redistribuição das tensões residuais dentro do componente. Isto é similar ao que ocorre durante a medição de tensões residuais pelo método da relaxação de tensões. No presente caso, contudo, esta instabilidade pode ser uma dificuldade. Por exemplo, na usinagem de uma peça com tensões residuais, a distorção que ocorre durante o processo torna difícil atingir com precisão a forma final desejada.

c) No caso do uso de métodos térmicos, a elevação da temperatura leva a uma redução do limite de escoamento do material facilitando a sua deformação plástica. Além disto, dependendo da temperatura e do tempo de tratamento, deformação por fluência pode ocorrer no material e contribuir para o alívio de suas tensões residuais.

Exemplos: Recozimento para alívio de Tensões (Inaplicável para grandes estruturas e difícil de ser executado no campo. Custo elevado), Recozimento a alta temperatura (Inaplicável para grandes estruturas e difícil de ser executado no campo. Custo muito elevado) e Alívio de tensões a baixas temperaturas (O alívio de tensões é baixo).

34. Explique: a) A formação de porosidade em uma solda de aço carbono devido à absorção, na poça de fusão de 1) nitrogênio. 2) oxigênio. B) Discuta a influência de existência de porosidade no desempenho de uma solda.

A porosidade é um defeito volumétrico, geralmente aceito pelas normas de qualificação de procedimentos e soldadores até uma determinada quantidade, tamanhos e distribuição.

A porosidade é causada principalmente pela presença de gases na poça de fusão que não puderam sair para a atmosfera; esta ocorrência tanto pode estar relacionada a procedimentos de soldagem quanto a variações na composição química do metal de base e do metal de adição.

Os gases mais comuns encontrados na soldagem são o nitrogênio, o oxigênio e o hidrogênio. O nitrogênio e oxigênio podem ser introduzidos através da contaminação da poça de fusão com o ar atmosférico. O oxigênio pode vir também através das oxidações superficiais das chapas.

O nitrogênio no aço solidificado reduz a ductilidade e a tenacidade da solda e pode causar fissuração. Em grandes quantidades o nitrogênio pode causar também porosidade. O oxigênio em excesso no aço combina-se com o carbono e forma o monóxido de carbono (CO), que pode ser aprisionado no metal, causando porosidade. Além disso, o oxigênio em excesso pode se combinar com outros elementos no aço e formar compostos que produzem inclusões no metal de solda — o manganês (Mn) e o silício (Si), por exemplo.

35. Discuta a influência do oxigênio e nitrogênio nas propriedades mecânicas da zona fundida de um aço carbono.

Gases diatômicos simples (N2, O2, H2, etc.): Em condições usuais podem se dissociar na forma atômica na superfície do metal líquido e ser dissolvidos neste.

Estas interações podem resultar na absorção e dissolução do gás na poça de fusão e, como consequência, na formação de descontinuidades (particularmente porosidade) e/ou na degradação de propriedades. É, assim, vital minimizar o contato do metal fundido (e, na soldagem de ligas de titânio, do metal base superaquecido) com estes gases, através de um meio de proteção adequado, ou adotar medidas que reduzam os seus efeitos negativos (por exemplo, pelo uso de elementos capazes de reagir com as contaminações e “prendê-las”).

36. Fluxos e eletrodos básicos são recomendados para a soldagem de estruturas de aço de grande espessura e que tenham elevada responsabilidade em serviço. Explique:

Os eletrodos e fluxos básicos são indicados para aplicações de alta responsabilidade, para soldagens de grandes espessuras e de elevado grau de restrição, isto é, dificuldade de dilatação e de contração da peça. A escória gerada por esses tipos de fluxos e eletrodos exerce uma função benéfica sobre a solda dessulfurando-a e reduzindo os riscos de trincas de solidificação. Com o correto armazenamento, produz soldas com baixos teores de hidrogênio minimizando fissuração e fragilização induzidos por esse elemento químico. O cordão também apresenta boas propriedades mecânicas, principalmente em relação à tenacidade.

37. Mostre a macroestrutura usual de uma peça fundida e compare-a com a de uma solda. Discuta a influência do formato da poça de fusão na macroestrutura da solda.

a) A macroestrutura de uma peça fundida possui características semelhantes à macro estrutura de uma peça soldada, com a divisão entre zona coquilhada, zona coluna e zona equiaxial, como pode ser visto na figura abaixo:

38. Desenhe esquematicamente a poça de fusão de uma solda a arco e indique nesta, os locais nos quais a solidificação do cordão de solda se inicia e onde a velocidade de solidificação é máxima. Compare o início de solidificação na poça de fusão com o de uma peça fundida.

Nesta, na linha ADB, ocorre a fusão do metal base e, na linha ACB, ocorre a solidificação da solda. Na condição mais simples, isto é, na execução de um cordão autógeno com penetração total sobre uma chapa fina, o problema é essencialmente bidimensional e a velocidade de solidificação em um ponto da frente de solidificação é dada por: Módulo (R) = Módulo(v) × cos q, onde R é a velocidade de solidificação, v é a velocidade de soldagem e q é o ângulo entre a normal à frente de solidificação no ponto considerado e o vetor velocidade de soldagem. Segundo esta expressão, a velocidade de solidificação na poça de fusão varia de zero, nas bordas da poça (pontos A e B), até v, no centro do cordão (ponto C).

39. Cite as principais formas de segregação na poça de fusão e explique sua formação.

Segregação intercelular e interdendrítica:

Este tipo de segregação ocorre dentro dos grãos com uma certa periodicidade que depende do espaçamento intercelular ou interdendrítico. O seu mecanismo é o mesmo que ocorre em fundição ou lingotamento e, em todos os casos, a segregação é mais pronunciada quando o modo de solidificação for dendrítico.

Segregação em contornos de grão:

Esta forma de segregação é mais intensa do que a anterior e ocorre entre os grãos que se solidificam.

Segregação central:

Esta segregação ocorre no centro do cordão, podendo ser particularmente intensa quando resulta do encontro de duas frentes de solidificação, como ocorre em uma poça de fusão em gota.

Segregação na cratera:

A solidificação final do cordão ocorre em sua cratera de uma forma similar ao que acontece em uma pequena peça fundida, com uma região de segregação final e, às vezes, com a formação de um pequeno “rechupe” (vazio formado pela contração associada com a solidificação das últimas porções de líquido).

Bandeamento transversal:

Esta forma de segregação é característica da soldagem, sendo observada em processos tanto manuais como automáticos, com ou sem metal de adição. O bandeamento transversal é formado por regiões sucessivas ao longo do cordão, enriquecidas e empobrecidas em soluto e parece associado com ondulações periódicas na superfície da solda, observadas mesmo quando processos automáticos são utilizados. Esta forma de segregação é associada com um deslocamento intermitente da frente de solidificação devido à necessidade de evolução periódica de calor latente, a variações periódicas da fonte de energia e as pulsações da poça de fusão.

40. Descreva a constituição da Zona Termicamente Afetada (ZTA) de aços carbono com: a) 0,2%. b) 0,8%. c) 1,0%

41. Cite três descontinuidades estruturais de uma solda e indique causas operacionais na soldagem a arco para formação destas.

- Mordedura

Uma porção do metal de solda se funde.

Causas: Amperagem excessiva, comprimento de arco muito longo, movimento excessivo de trancamento, velocidade de soldagem rápida, ângulo de eletrodo muito inclinado para a face.

- Sobreposição

Quando o metal de base se espalha além dos limites do chanfro sobre a superfície do metal de base sem a ocorrência de fusão.

Causas: Velocidade de soldagem incorreta, ângulo de eletrodo incorreto. Tamanho de eletrodo muito grande, amperagem muito baixa.

- Inclusão de escória

Compostos, tais como óxidos, fluxo e material do revestimento dos eletrodos são aprisionados no metal de solda.

Causas: Não realização da limpeza da superfície dos cordões entre passes, quantidade de gás insuficiente.

42. Cite e descreva um método de ensaio não-destrutivo capaz de detectar uma trinca interna localizada na ZTA de uma solda.

Radiografia, esta consiste na exposição de uma peça a uma fonte de radiação penetrante onde se obtém uma imagem radiográfica devido a diferenças de intensidade de radiação recebida entre a trinca e o restante da peça.

43. Defina soldabilidade, cite os principais problemas da mesma em aços de baixo carbono e aços baixa liga, utilizados em aplicações estruturais.

Soldabilidade está relacionada com a facilidade com que o material pode ser soldado, empregando um determinado processo para obtenção da junta soldada. É afetada por variáveis existentes no processo, tais como: restrição da junta, qualidade superficial do material, particularidades de montagem, tensões de serviço e aspectos metalúrgicos do material.

Os aços de baixa liga perdem muito de sua resistência a altas temperaturas. Para evitar essa situação, são adicionadas pequenas quantidades de cromo ou de molibdênio.

Tanto para os aços de baixa liga quanto para os aços de baixo carbono, o hidrogênio fica retido no metal de solda caso a temperabilidade do metal de solda seja superior ou quando a estrutura for austenítica. O que pode causar vários problemas à junta soldada, pois o hidrogênio tem alta mobilidade na rede cristalina dos metais quando comparada à de outros átomos.

44. Descreva o fenômeno da sensitização em aços inoxidáveis austeníticos e relacione com a possibilidade de ocorrência de corrosão intergranular na ZTA destes aços.

Sensitização é a precipitação de carbonetos de cromo, preferencialmente nos contornos de grão. A faixa de temperaturas em que a sensitização ocorre nos aços austeníticos é de 450ºC a 850ºC.

O aço austenitizado fica susceptível à corrosão intergranular, pois as regiões adjacentes aos contornos de grão ficam pobres em Cr e, por isso, ficam preferencialmente anódicas.

45. Cite os principais problemas de soldabilidade dos aços inoxidáveis ferríticos.

Estes aços apresentam coeficiente de expansão térmica similar aos aços doces, tendo, portanto, menor tendência à distorção. Apresentam, contudo, sérios problemas de ductilidade, tenacidade e resistência à corrosão na região da solda, devido à formação de uma estrutura de granulação grosseira, à precipitação de carbonetos e nitretos, e à formação de uma rede de martensita ao longo dos contornos de grãos de ferrita. Estes problemas limitam, para a maioria dos aços ferríticos, a utilização da soldagem para aplicações de pequena responsabilidade.

46. Cite os principais problemas de soldabilidade dos ferros fundidos.

- Alto teor de carbono (pois na zona termicamente afetada pelo calor da solda, a formação de martensita deixará uma zona dura, frágil e com fortes tensões internas) e, em geral, de fósforo e enxofre.

- Tendência à formação de cementita na região de solda devido às velocidades de resfriamento relativamente elevadas associadas com a soldagem.

- Baixa condutividade térmica (podem trincar após a soldagem como resultado das tensões desenvolvidas pelo elevado gradiente térmico durante a operação de soldagem).

- Baixa ductilidade do metal base e de sua zona termicamente afetada (incapacidade para aliviar plasticamente as tensões geradas durante a soldagem).

- Estrutura porosa dos ferros fundido cinza, maleável e nodular favorece a absorção de graxas e outras sujeiras durante o seu uso.

47. Quais as principais vantagens e desvantagens da soldagem? Que outros ramos da ciência e da tecnologia contribuem para o desenvolvimento da soldagem?

Vantagens:

- Juntas de integridade e eficiência elevadas;

- Grande variedade de processos;

- Aplicável a diversos materiais;

- Operação manual ou automática;

- Pode ser altamente portátil;

- Juntas podem ser isentas de vazamentos;

- Custo, em geral, razoável;

Desvantagens:

- Não pode ser desmontada;

- Pode afetar a microestrutura e propriedades das partes;

- Pode causar distorções e tensões residuais;

- Requer considerável habilidade do operador;

- Pode exigir operações auxiliares de elevado custo e duração (ex. tratamento térmico).

Dois dos ramos que contribuem para o desenvolvimento da soldagem são a Engenharia Elétrica e a Metalurgia (uma vez que estão sendo criados novos materiais e ligas, logo à medida que vão sendo criados esses novos materiais as técnicas de soldagem têm que se desenvolver para conseguir soldar tais materiais).

48. Que tipos de materiais, além dos metais podem ser soldados?

Aço, bronze, alumínio, latão, níquel, zinco, cobre, prata.

49. Existem produtos impossíveis de serem fabricados sem a utilização da soldagem? Cite alguns se for o caso.

Sim. Vasos de pressão e equipamentos da indústria química, por exemplo.

50. Em que casos a soldagem não é recomendada como processo de união?

Não é recomendado o uso de solda em estruturas espaciais e cobertura para grandes áreas (pois a dilatação térmica da estrutura prejudicaria todo o trabalho).

51. Que equipamentos de proteção individual são recomendados para a segurança de soldadores?

Avental, manga, ombreiras, luvas e polainas de couro, sapato e óculos de segurança, touca de proteção, capacete, máscara, filtro de proteção para solda.

52. Cite medidas de segurança para a proteção de instalações e equipamentos de soldagem.

- Cabos bem isolados.

- Ambiente não deve conter líquidos inflamáveis, gases inflamáveis ou sólidos combustíveis.

- Realizar aterramento.

- Nunca operar equipamentos defeituosos.

- Sempre conservar as mangueiras e conexões de gás em boas condições de trabalho.

- Os cilindros de gás devem sempre ser mantidos em posição vertical.

53. Qual o efeito da tensão e amperagem no processo de soldagem?

São eles que causam a movimentação dos elétrons e, com isso, propicia a formação do arco elétrico.

54. Quais as fontes de energia utilizadas no processo de soldagem, porque a necessidade da mesma?

Elétrica, para que ocorra a movimentação dos elétrons, e Mecânica, para que ocorra o atrito ou a pressão.

55. Qual o efeito da polaridade no processo de soldagem?

Quando o eletrodo está com o polo negativo oferece uma maior taxa de fusão, e quando em polo positivo, resulta em uma maior penetração no cordão de solda.

56. Qual a relação do comprimento do arco elétrico e a amperagem utilizada com o diâmetro do eletrodo revestido utilizado?

O diâmetro do eletrodo é o fator limitante da faixa útil de corrente de soldagem, pois determina a densidade de corrente elétrica por unidade de área.

O diâmetro máximo produz corrente mínima, abaixo da qual se verifica a instabilidade do arco.

Quanto maior o diâmetro maior a taxa de deposição.