A maioria dos processos de soldagem utiliza calor como principal fonte de energia. O calor é elemento essencial para uniões de solda, e influencia diretamente nas transformações metalúrgicas e fenômenos mecânicos na zona de solda.
A transferência de calor da soldagem está relacionada com:
O rendimento térmico do arco elétrico é a fração da energia elétrica fornecida que é efetivamente transferida para a peça de trabalho durante o processo de soldagem. Esse rendimento varia dependendo do processo de soldagem utilizado, mas geralmente está na faixa de 60% a 90%. O restante da energia é perdida na forma de radiação, convecção e outros fatores.
O aporte de energia ou calor na junta soldada é a quantidade de energia térmica fornecida durante o processo de soldagem. Essa energia é responsável por fundir o metal de adição e o metal de base, formando a poça de fusão. O aporte de calor depende de fatores como a corrente de soldagem, a tensão do arco, a velocidade de soldagem e a eficiência térmica do processo.
O aporte térmico do processo influencia diretamente a qualidade da solda, a microestrutura da zona afetada pelo calor (ZAC) e as propriedades mecânicas do material soldado.
Nem sempre existe uma relação direta entre energia de soldagem e seus efeitos na peça, pois os parâmetros do aporte térmico afetam de modo diferente a intensidade do arco e o rendimento térmico do processo. Assim, embora utilizando o mesmo processo e energia de soldagem, é possível obter soldas de formatos completamente diferentes.
Depende dos seguintes parâmetros:
O calor é distribuído em um gradiente térmico de linhas isotermas ao longo do plano da chapa e da espessura, apresentando regiões com diferentes temperaturas.
O calor é distribuído em um gradiente térmico ao longo do plano da chapa. Na espessura o gradiente segue isotermas com temperaturas constantes.
A variação de temperatura durante a soldagem em um ponto da peça é descrita pelo seu Ciclo Térmico de Soldagem. Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico são:
Condutividade Térmica da Peça: Materiais de menor condutividade térmica dissipam o calor por condução mais lentamente, tendendo a apresentar gradientes térmicos curtos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento.
Espessura da Junta: Para uma mesma condição de soldagem, uma junta de maior espessura permite um escoamento mais fácil do calor por condução.
Geometria da Junta: Influencia a velocidade de resfriamento de uma solda de forma importante. A velocidade de resfriamento será maior na soldagem de juntas em T do que em juntas de topo.
Energia de Soldagem: A alta energia faz com que a velocidade de resfriamento da solda diminua, levando a tempo maiores.
Temperatura de Pré-aquecimento: Como a energia de soldagem, a utilização de pré-aquecimento causa uma diminuição na velocidade de resfriamento (principalmente em temperaturas mais baixas).
Alguns métodos experimentais que podem ser utilizados no estudo do fluxo de calor em soldagem:
Durante a realização de uma solda, regiões adjacentes do metal base são submetidas a ciclos térmicos cujas temperaturas de pico decrescem à medida que se afasta do eixo central da solda, podem-se esperar alterações microestruturais.
A ZTA promove mudanças diversas, podendo apresentar:
Na soldagem, os pontos da junta podem ser submetidos a ciclos térmicos múltiplos devido aos múltiplos passes.
Outros processo podem apresentar algumas dessas regiões ou regiões semelhantes. Exemplo: Soldagem por atrito - MB – Metal base, ZTA – Zona termicamente afetada, ZTMA – Zona termomecanicamente afetada e ZM – Zona mistura da regiões.
A zona fundida é formada por contribuições do metal base e do metal de adição, que são misturados, no estado líquido, na poça de fusão. O coeficiente de diluição (δ), é a proporção entre a massa fundida do metal base pela massa total do cordão de solda. O coeficiente de diluição pode variar entre 100% (soldagem autógena) e 0% (brasagem), dependendo do tipo de processo e configuração da junta.
Como em fundição, o crescimento do grão na zona de solidificação ocorre de forma PLANAR, CELULAR, CELULAR DENDRÍTICO, DENDRÍTICO E COM FORMAÇÃO DE NÚCLEOS EQUIXIAIS.
Valores altos de gradiente térmico a frente da interface, aliado a baixa velocidade da interface, baixo resfriamento e baixa concentração de elementos químicos promovera crescimento PLANAR.
A redução do gradiente térmico a frente da interface, aliada ao aumento dos outros fatores, irá proporcionar em outras estruturas de solidificação.
Nucleação e Crescimento: Na soldagem, de forma simplificada, pode acontecer a nucleação homogênea, no meio da poça de fusão devido a composição química e altas taxas de resfriamentos rápidos, ou o crescimento sem nucleação, a partir de grãos e direções cristalinas já existente no metal de base.
Crescimento Epitaxial: Durante a solidificação, ocorre o fenômeno de crescimento epitaxial, que se refere ao crescimento dos grãos da região fundida sobre os grãos pré-existentes do metal base adjacente. Esse crescimento competitivo entre os grãos ocorre porque os átomos tendem a se organizar em continuidade com a estrutura cristalina já presente, minimizando assim a energia livre necessária para a formação de novos núcleos.
Efeito da composição química e a nucleação: Quando a composição química da solda é sensivelmente diferente da composição do metal base e, principalmente, as estruturas cristalinas do metal base e a resultante na ZF durante a sua solidificação são diferentes, o crescimento epitaxial pode ser inibido e a solidificação, neste caso, pode se iniciar pela nucleação de novos grãos.
A poça de fusão pode ocorrer de forma elíptica ou em gota.
Poça de fusão elíptica: Ocorre baixas velocidades de soldagem. O crescimento ocorre na direção do gradiente de temperatura, em direção a poça de fusão. Os grãos encontram condições ótimas para o seu crescimento e um maior número de grãos terá condições de sobreviver durante a solidificação.
Poça de fusão em gota: Ocorre para valores maiores da velocidade de soldagem. A solidificação tem uma orientação constante em relação à direção de soldagem, seguindo a linha de fusão até o centro da solda, caracterizando duas paredes, uma de cada lado do cordão.
Velocidade de solidificação: Em velocidades de solidificação mais lentas favorecem o crescimento epitaxial, resultando em grãos grosseiros e alongados na direção de extração de calor. Por outro lado, velocidades de solidificação maiores, tendem a suprimir o crescimento epitaxial, levando à formação de uma estrutura de grãos mais finos e equiaxiais.
Essa relação entre a velocidade de solidificação e a macroestrutura dos grãos é explicada pela teoria da solidificação. Em velocidades lentas, os grãos têm tempo suficiente para crescer de forma epitaxial, seguindo a orientação cristalográfica favorável dos grãos pré-existentes. No entanto, em velocidades mais rápidas, a taxa de nucleação aumenta, resultando na formação de múltiplos núcleos independentes que competem pelo crescimento, levando à formação de grãos mais finos e equiaxiais.
Na solidificação da poça de fusão ocorre alterações locais de composição química (segregação). Esta pode causar variações de propriedades mecânicas ao longo do material e, em casos mais graves, problemas de fissuração. Em soldagem, as formas mais comuns de segregação são:
Geralmente, a estrutura da zona fundida inclui inclusões, poros, descontinuidades e precipitados em uma matriz de grãos colunares e grosseiros. Em ligas instáveis, a estrutura de grãos colunares pode ser modificada.
Efeito da energia: Aumentar a energia de soldagem amplia a Zona Termicamente Afetada (ZTA) e prolonga o tempo de permanência, resultando em uma região de grãos mais grossos. Com maior energia de soldagem, a velocidade de resfriamento diminui, impactando a estrutura final de ligas transformáveis, como os aços.
Velocidade de Resfriamento: Uma velocidade de resfriamento alta (com baixa energia de soldagem) pode temperar a ZTA, formando martensita, enquanto uma menor velocidade (com alta energia de soldagem) forma produtos mais macios.
Pré-Aquecimento: O pré-aquecimento também reduz a velocidade de resfriamento, prevenindo trincas na ZTA em aços estruturais. A dureza e tenacidade da ZTA variam com a velocidade de resfriamento: alta velocidade forma martensita dura e frágil; baixa velocidade resulta em uma microestrutura grossa e tenacidade reduzida.
Ciclo térmico e Crescimento de grão: Alterações microestruturais na ZTA, causadas pelo ciclo térmico de soldagem, podem fragilizar a região. O crescimento de grão próximo à linha de fusão e a difusão de hidrogênio podem causar fragilização temporária em alguns materiais.
Oxigênio, Nitrogênio e Precipitação: A absorção de oxigênio e nitrogênio e a precipitação de fases em contornos de grão também contribuem para a fragilização. Esses problemas, junto com tensões de tração, podem levar à formação de trincas, consideradas indesejáveis em muitas aplicações.
As tensões residuais são tensões internas que permanecem em um corpo mesmo após a remoção de todas as cargas externas. Elas são frequentemente resultantes de variações não uniformes de temperatura, como as que ocorrem durante o processo de soldagem.
O desenvolvimento dessas tensões pode ser exemplificado por um arranjo de três barras de metal conectadas a blocos rígidos, que apresentação tensões de tração e compressão.
A tensão residual máxima geralmente atinge a resistência ao escoamento do metal de solda. As tensões residuais longitudinais e transversais variam ao longo da solda e são influenciadas por fatores como a geometria da junta e os processos de soldagem utilizados.
A distorção em soldagens ocorre devido à contração térmica e ao encolhimento de solidificação do metal de solda. Existem diferentes tipos de distorção, como encolhimento/contração transversal e longitudinal, distorção angular, e distorção em soldas de filete (flambagem e chapas finas, rotação devido a aporte térmico).
Fissuras, ou trincas, são consideradas um dos tipos mais graves de descontinuidade em uma junta soldada. Formam-se quando tensões de tração se desenvolvem em um material fragilizado, incapaz de se deformar plasticamente para absorver estas tensões.
Associada a presença de filme líquido, em temperaturas elevadas, próximo à ponte de fusão a durante a solidificação da solda.
Ocorrem em material no estado solido, geralmente associada a presença de hidrogênio e formação de fases frágeis, podendo ocorrer por:
A fissuração pelo hidrogênio está associada à formação de fases duras, como a martensita. Nessas regiões de alta tensão, o hidrogênio aprisionado tende a se difundir, aumentando a tensão local. Devido à baixa tenacidade da martensita, ocorre a trinca. Para reduzir esse inconveniente, o cálculo do carbono equivalente é necessário para avaliar a possibilidade de formação de martensita. Conforme a literatura, valores de carbono equivalente maiores que 0,4 podem gerar a formação de martensita. Dessa forma, é recomendado o uso de tratamento térmico pós-soldagem.
Outras falhas podem ocorrer devido ao ambiente: Fissuração por Corrosão sob Tensão, Falha por Fadiga, falha por corrosão intergranular (Cr23C6) e falha por corrosão por faca (Inox estabilizados ao Ti e Nb).
A metalurgia ainda engloba, influências diretas relacionadas a ligas, ao processo de soldagem e soldas de materiais dissimilares, englobando assuntos como: metalurgia e formação em ligas de aço, alumínio, titânio e cobre. Indice de basicidade, impactos do uso de fluxos, básicos, celulósicos e rutílicos, impacto do uso de gases ativos e inertes, impactos na composição química e permanência em temperaturas formadoras de precipitados.
A escória desempenha várias funções metalúrgicas essenciais: