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Aspectos metalúrgicos de soldas em materiais metálicos Prof. Dr. João Batista Fogagnolo
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Processos de soldagem Soldagem por pressão ou deformação
Soldagem por fusão
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Soldagem
calor pressão
fenômenos metalúrgicos
Alterações dos materiais na região daestruturais junta Forte influência nas propriedades mecânicas Comprometimento do desempenho http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Por que estudar processo de soldagem e a metalurgia envolvida nele?
Minimizar as alterações pela adequação do processo; Selecionar materiais menos sensíveis às alterações estruturais.
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Mecanismos de endurecimento •Deformação a frio •Formação de solução sólida •Formação de fases ou constituintes mais resistentes •Endurecimento por precipitação •Refino de grão Todos estes mecanismos são sensíveis à temperatura http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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FLUXO DE CALOR Fornecimento de calor a junta pela fonte de calor Energia de soldagem ou aporte térmico Dissipação do calor pela peça Condutividade térmica do metal base
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Energia de Soldagem ou Aporte Térmico (H ) Quantidade de energia (q ) gerada pela fonte de calor por unidade de comprimento (L) da junta
t = tempo de soldagem P = potência v = velocidade de soldagem http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Energia de Soldagem ou Aporte Térmico (H ) Considerando o arco como a única fonte de calor
H
η V I ⋅
=
⋅
v
η = eficiência térmica do processo
V = tensão no arco I = corrente de soldagem http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Ciclo térmico variação de temperatura experimentada por um determinado ponto do material localizado próximo à junta
Temperatura de pico Velocidade de resfriamento
Temperatura crítica Tempo de permanência acima da temperatura crítica http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
Retrado do tratamento térmico para um determinado ponto 9/103
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Ciclo térmico – temperatura de pico
T o = temperatura inicial H = energia de soldagem
= densidade do material c = calor específico r x = distância do ponto ao eixo da solda
ρ
h = espessura da peça y = distância do ponto à linha de http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
solda 10/103
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Ciclo térmico – velocidade de resfriamento importante na determinação da microestrutura em aços estruturais comuns ∆tT1/T2
∆t8/5
(Aços)
Intervalo entre 800 e 500oC.
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Ciclo térmico – velocidade de resfriamento
fluxo de calor bidimensional k = condutividade térmica do material
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Repartição térmica Variação de temperatura de pico com a distância ao centro do cordão de solda, na direção perpendicular ao cordão de solda.
Repartição térmica em soldas com diferentes energias de soldagem (H) http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
condutibilidade térmica do metal base geometria da junta
Ciclo térmico
espessura da junta energia de soldagem temperatura inicial de peça
Repartição térmica http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
condutibilidade térmica do metal base bons condutores de calor
Ciclo térmico
dissipam maior quantidade de calor dificultam a formação da poça de fusão pior aproveitamento da energia de
Repartição térmica
soldagem
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
condutibilidade térmica do metal base bons condutores de calor
pior aproveitamento da energia de Ciclo térmico
soldagem maus condutores de calor
melhor aproveitamento da energia de soldagem Repartição térmica http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
condutibilidade térmica do metal base maus condutores de calor
apresentam gradientes térmicos Ciclo térmico
mais abruptos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento ∆t8/5
Repartição térmica
chapas grossas
k = condutibilidade térmica do material
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
geometria da junta
Ciclo térmico
Repartição térmica http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
espessura da junta quanto mais espessa a junta melhor o escoamento do calor maior a taxa de resfriamento
Ciclo térmico
Espessura limite – acima da qual a velocidade de resfriamento independe da espessura Repartição térmica
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Variáveis que influenciam o ciclo e a repartição térmica
energia de soldagem temperatura inicial da peça
A velocidade de resfriamento diminui e a repartição térmica torna-
Ciclo térmico
se mais larga com o aumento destes dois parâmetros. Controle sobre velocidade de resfriamento daaregião da solda.
Repartição térmica
Controle da microestrutura e propriedades.
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A curva de repartição térmica define as zonas em uma solda por fusão: Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
(ZF) Zona Fundida
As temperaturas de pico desta região foram superiores à temperatura de fusão do material base
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A curva de repartição térmica define as zonas em uma solda por fusão: Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
(ZTA) Zona Termicamente Afetada
As temperaturas as temperaturas de pico desta região foram superiores à temperatura crítica e inferiores à temperatura de fusão do material base
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A curva de repartição térmica define as zonas em uma solda por fusão: Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
(MB) Metal de Base
As temperaturas as temperaturas de pico desta região foram inferiores à temperatura crítica
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(ZF) Zona Fundida
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Formação: Pela fusão do material de base, em processos autógenos. Em processos a arco com eletrodo consumível, o metal de adição é transferido para a poça de fusão no estado líquido, em forma de gotas, a elevadas temperaturas.
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(ZF) Zona Fundida
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(ZF) Zona Fundida
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Partes mais quentes (abaixo do arco elétrico): intensa agitação mistura do metal base com o metal de adição intensa interação do metal fundido com gases e escoria
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(ZF) Zona Fundida
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Partes mais quentes (abaixo do arco elétrico): absorção de hidrogênio redução de óxidos – transferência de oxigênio para o metal transferência de elementos de liga para a escória volatilização de elementos de liga (Zn, Cd, Cr, Al)
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(ZF) Zona Fundida
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Região I: gota de metal de adição localizadas na ponta do eletrodo e no arco. Região II: parte anterior da poça de fusão e região localizada sob a raiz do arco. Região III: parte posterior da poça de fusão, localizada após o arco. http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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(ZF) Zona Fundida
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Região I intensas interações com o ambiente dissolução no metal fundido: gases (O, N, H, etc.) elementos existentes no arco elementos existentes na escória (Si, Mn, O, etc.)
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(ZF) Zona Fundida
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Região II diluição
mistura do metal base com o metal de adição
reações de incorporação de gases e de outros elementos (de forma menos intensa que na Região I) http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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(ZF) Zona Fundida
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Região III temperaturas menores e decrescentes até a solidificação da poça reações de evolução de gases dissolvidos na poça precipitação de compostos formação de escória e de inclusões solidificação da solda http://slidepdf.com/reader/full/aulametalurgia-da-soldagem
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(ZF) Zona Fundida
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Interações metal-gás Interações metal-escória Diluição e formação da zona fundida Solidificação da poça de fusão
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Interações metal-gás
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He, Ar: Insolúveis e não reagem com os metais líquidos. N2, O2, H2: Dissociam-se na forma atômica na superfície do metal líquido e são dissolvidos neste. CO, CO2, H2O, SO2: Também podem na poça de fusão.se dissociar e serem incorporados
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Interações metal-gás
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Implicações da absorção de gás pelo metal fundido: reações entre o gás e outros elementos da poça evolução de gás durante o resfriamento e a solidificação da poça permanência do componente em solução na solda após a solidificação
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Interações metal-gás
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Solubilidade do gás na poça de fusão
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Interações metal-gás
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Solubilidade do gás na poça de fusão alumínio
ferro
no líquido 0,69 ml/100g 27,7 ml/100g no sólido
0,04 ml/100g 7,8 ml/100g
No cordão deasolda de um na açotemperatura carbono, o ambiente, teor de H 2 pode chegar 27ml/100g após soldagem com eletrodo revestido rutílico ou celulósico
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Certos dissolvidos na deIII) fusão podem elementos reagir (particularmente napoça região formando um gás ou uma fase condensada. Formação de gás – porosidade →
2C + O 2
2CO
Formação de fase condensada – inclusões Si + O 2
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→
SiO 2
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Formação de gás – porosidade
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Porosidade fina – tolerada na maioria das aplicações Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
Porosidade grosseira – pode exigir a remoção da região afetada e o seu reparo
Poros formados um uma solda de alumínio feita com o processo GMAW
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Formação de fase condensada
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Si + O 2
→
SiO 2
Elementos desoxidantes utilizados em soldagem aços e ligas de ferro: manganês e silício cobre : fósforo ligas de cobre e níquel: alumínio e o titânio
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Formação de fase condensada
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Elementos candidatos a desoxidantes são
Diagrama de Ellingham
aqueles linhas localizamcujas abaixo dasse linhas dos elementos que não devem ser oxidados.
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Formação de fase condensada Se a fase condensada ATINGE a superfície antes de sua solidificação da poça escória Se a fase condensada NÃO ATINGE a superfície antes de sua solidificação da poça inclusões não metálicas na solda
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Inclusões não metálicas na solda Papel fundamental na formação da microestrutura de soldas de aço estrutural. Presença em grande quantidade pode afetar as propriedades mecânicas da solda, particularmente a sua ductilidade.
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Interações metal-gás 5/11/2018
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Evolução de gás formação de porosidade inclusões não metálicas Hidrogênio dissolvido trincas a frio degradação de propriedades
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Controle da absorção de gases
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uso de proteção gasosa limpeza da junta uso de eletrodos com o revestimento em boas condições físicas e adequadamente secos execução da soldagem com parâmetros corretos execução da soldagem em locais protegidos contra correntes de ar
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(ZF) Zona Fundida 5/11/2018
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Interações metal-gás Interações metal-escória Diluição e formação da zona fundida Solidificação da poça de fusão
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Interações Metal Escória 5/11/2018
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Principais processos que utilizam fluxo e produzem escória: SMAW (eletrodo revestido) – fluxo no revestimento
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Interações Metal Escória 5/11/2018
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Principais escória: processos que utilizam fluxo e produzem FCAW (arame tubular) - fluxo no centro do eletrodo
Interações Metal-Escória
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Principais processos que utilizam fluxo e produzem escória: SAW (arco submerso) – fluxo sobre a junta
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Funções do fluxo 5/11/2018
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formação de escória gerar gases fornecer elementos de liga remover contaminações do metal líquido fornecer elementos estabilizadores de arco aumenta a estabilidade do arco facilita o controle do processo permite a soldagem com corrente alternada. aumenta a intensidade do arco
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Tipos de fluxo 5/11/2018
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Fluxos de sais halogênicos Fluxos de sais halogênicos e óxidos Fluxos de óxidos
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Tipos de fluxo 5/11/2018
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Fluxos de sais halogênicos 2-NaF CaF CaF2-BaCl2 KCl-NaCl-Na3AlF6
BaF2-MgF2-CaF2-LiF isentos de oxigênio soldagem de não ferrosos
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Tipos de fluxo
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Tipos de fluxo 5/11/2018
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Fluxos de sais halogênicos e óxidos 2-CaO-Al2O3 CaF CaF2-CaO-SiO2 CaF2-CaO-Al2O3-SiO2
CaF2-CaO-MgO-Al2O3 ligeiramente oxidantes soldagem de aços de alta liga
Tipos de fluxo
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Fluxos de óxidos 2 MnO-SiO FeO-MnO-SiO2 CaO-TiO2-SiO2
fortemente oxidantes soldagem dos aços carbono e de baixa liga
Índice de basicidade do fluxo
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B < 1,0
Fluxo ácido 1,0 < B < 1,5 Fluxo neutro B > 1,5
Fluxo básico Índice de basicidade Teor de oxigênio na solda Propriedades da solda
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Tipos de escória
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Protetora (inativa) Envolve a poça de fusão Baixa permeabilidade à passagem de gases Viscosa – restringir o escorrimento do metal líquido na poça de fusão Fluxante” (reativa) Efeito ativo durante a soldagem Remoção das camadas superficiais de óxido e de outras contaminações que dificultam a soldagem
A escória em contato com a poça de fusão pode
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controlar as características do movimento de metal líquido na poça de fusão a afetar o formato do cordão. Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
TIG
ATIG
chapas de aço inoxidável AISI304 de 5mm de espessura
(ZF) Zona Fundida
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Interações metal-gás Interações metal-escória Diluição da zona fundida Solidificação da poça de fusão
Diluição da zona fundida
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Coeficiente de diluição (δ) .
δ
= 100% - soldagem sem metal de adição
δ
= 0% - brasagem
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Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ) 5/11/2018
.
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Presença de chanfro diminui a diluição
Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ)
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Condições de soldagem
Fatores que influenciam o coeficiente de diluição (δ)
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Espessura da chapa
Diluição da zona fundida
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Importância: Soldagem dissimilares Deposição de de materiais revestimentos especiais Soldagem de materiais de composição desconhecida (soldagem de manutenção) Soldagem de materiais com alto teor de .
carbono e enxofre.
(ZF) Zona Fundida
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Interações metal-gás Interações metal-escória Diluição da zona fundida Solidificação da poça de fusão
Solidificação da poça de fusão
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Ocorre na parte posterior da poça de fusão
Dá origem ao cordão de solda Determina sua macro e microestrutura Importante efeito sobre as propriedades da solda
Solidificação da poça de fusão
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A taxa de resfriamento e velocidade de solidificação da poça é significativamente maior do que as geralmente encontradas em peças fundidas Depende da velocidade de soldagem e pode atingir até 103mm/s. Gradientes térmicos podem atingir 102 ºC/mm.
Solidificação de um lingote de fundição em coquilha
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Solidificação da poça de fusão
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Não ocorre super-resfriamento
A parede da poça está aquecida a temperaturas muito próximas de seu ponto de fusão Não se forma a zona coquilhada O metal líquido molha perfeitamente os grãos do metal base
Solidificação da poça de fusão
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Crescimento epitaxial O metal líquido molha perfeitamente os grãos do metal base
Os grãos na ZF se formam como um prolongamento dos grãos do metal base
aço inoxidável ferrítico
Não há a nucleação de novos grãos
Formato da poça de fusão
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elíptico
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gota
Velocidade de soldagem Condutibilidade térmica da liga Formato da poça de fusão
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elíptico
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baixas velocidades de soldagem a orientação da frente de solidificação muda progressivamente da linha de fusão até o centro do cordão grão encontrará sempre condições ótimas para o seu crescimento
Formato da poça de fusão
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gota
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altas velocidades de soldagem a frente de solidificação tem uma orientação relativamente constante em relação à direção de soldagem favorece o crescimento somente dos grãos inicialmente melhor orientados a solidificação se desenvolve como duas paredes, que se deslocam e se encontram no meio do cordão. Transição de forma da poça de fusão
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de elíptica para gota
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Parte posterior da gota gradiente térmico mínimo velocidade de solidificação máxima alta quantidade de calor latente tende a ser gerada condições favoráveis para dissipar o calor latente
Transição de forma da poça de fusão
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de elíptica para gota
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• liga com baixa condutibilidade térmica • ou alta velocidade de soldagem • e alta velocidade de solidificação impossível dissipar o calor latente a frente de solidificação torna-se instável areduz alteração paradeamáxima forma degeração gota a região de calor a um ponto
(ZF) Zona Fundida
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(ZTA) Zona Termicamente Afetada
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Análise dos efeitos do calor na ZTA em função do tipo de mecanismo de endurecimento: •
Ligas endurecidas por solução sólida
• •
Ligas endurecidas por encruamento Ligas endurecíveis por precipitação
•
Ligas transformáveis (aços)
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Ligas endurecidas por solução sólida principal alteração: crescimento de grão Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
temperaturas alcançadas tempo de permanência nestas temperaturas
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Ligas endurecidas por solução sólida
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ligas CCC aumento de sua temperatura de transição dútil-frágil diminuição da tenacidade à temperatura ambiente aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos precipitação de carbonetos e, eventualmente, nitretos em contornos de grão sensibilidade à problemas de corrosão na ZTA
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Ligas endurecidas por encruamento região de recristalização
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região de granulação grosseira
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Ligas endurecidas por encruamento
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região de recristalização região de granulação grosseira
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Ligas endurecíveis por precipitação
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NOTA: Para o entendimento da influência do calor na ZTA dedevem uma liga endurecida por precipitação, vocês REVER tratamento térmico de solubilização e envelhecimento – caso do tratamento térmico de ligas de alumínio.
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Ligas endurecíveis por precipitação
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(B) região de solubilização - mais macia que o metal base - pode apresentar uma granulação grosseira - tratamento de envelhecimento pós soldagem pode restaurar as propriedades mecânicas
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Ligas endurecíveis por precipitação
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(C) região super-envelhecida - ocorre algum super-envelhecimento - perda de dureza - tratamentos de solubilização e envelhecimento são necessários para restaurar as propriedades
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Medidas para em minimizar a diminuição de propriedades soldagem de liga endurecível por precipitação: Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
Tratar termicamente toda a estrutura (solubilização e envelhecimento). •
medida mais efetiva em termos de recuperação de propriedades mecânicas
• •
difícil e de alto custo impossível no caso de estruturas de grande porte.
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Submeter a junta apenas a um tratamento de envelhecimento. •
recupera parte da resistência da região solubilizada
•
não afeta a região super-envelhecida.
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Soldar a peça na condição solubilizada e envelhecer toda a peça após a soldagem. •
a região super-envelhecida permanecerá com menor resistência.
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Prever a perda de resistência e compensá-la aumentando a espessura da peça na região •
da solda. raramente justificável devido aos altos custos envolvidos na usinagem e perdas de material
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Utilizar processos que permitam a execução da junta com uma menor energia de soldagem e, portanto, com uma menor ZTA.
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Ligas transformáveis
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Região interdendrítica Região de refino de grãos Região de crescimento de grãos
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Ligas transformáveis Região de crescimento de grãos (GGZTA) Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
Região mais próxima ao cordão de solda – temperaturas acima de 1.200oC •Crescimento de grãos da estrutura austenítica. Grãos austeníticos maiores menor quantidade de contornos de grãos dificuldade de nucleação da ferrita aumento da temperabilidade do aço fenômeno acentuado para aços com maior teor de C
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Ligas transformáveis Região de crescimento de grãos (GGZTA) Aula_metalurgiaDaSoldagem-slidepdf.com
Estrutura final:
- estrutura grosseira - ferrita em forma de placas - presença de bainita
Para aços com maior teor de C - martensítica. estrutura completamente
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Ligas transformáveis
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Região interdendrítica Região de refino de grãos Região de crescimento de grãos
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Ligas transformáveis Região de refino de grãos (GFZTA)
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Região aquecida a temperaturas usadas na normalização de aços. – temperaturas entre 900 a 1.200oC Estrutura final:
- estrutura fina de ferrita e perlita
Esta região não problemática na maioria dos casos.
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Ligas transformáveis
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Região interdendrítica Região de refino de grãos Região de crescimento de grãos
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Ligas transformáveis Região interdendrítica (ICZTA)
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Região aquecida a temperaturas que levam a transformação parcial da ferrita em austenita. temperaturas entre 727oC e a linha que separa os campos da ferrita e austenita. Em alguns casos, especialmente na soldagem com vários passes, constituintes de elevada dureza e baixa tenacidade podem se formar.
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Ligas transformáveis
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Região interdendrítica Região de refino de grãos Região de crescimento de grãos
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Ligas transformáveis Região subcrítica (SCZTA) Temperaturas de pico inferiores a A1.
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Pequena esferoidização da perlita. Aços temperados e revenidos -super-revenimento nas regiões da ZTA aquecidas acima da temperatura original de tratamento - perda de resistência mecânica.
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Ligas transformáveis
energia de soldagem temperatura de pré-aquecimento
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variáveis procedimento de soldagem que mais facilmentedopodem ser alteradas para se controlar o fluxo de calor em soldagem
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Ligas transformáveis
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energia de soldagem extensão da ZTA
tempo de permanência região de granulação grosseira tamanho de grão
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energia de soldagem velocidades de resfriamento
formação de produtos mais frágeis na ZTA
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alta velocidade de resfriamento • • •
microestrutura tende a ser predominantemente martensítica dureza elevada tenacidade baixa
baixa velocidade de resfriamento • • •
microestrutura grosseira na ZTA formação de produtos de baixa dureza a tenacidade pode ser tornar baixa
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