Processamento e Manufatura de Metais 1

Apresentação em tema: "Processamento e Manufatura de Metais 1"— Transcrição da apresentação:

1 Processamento e Manufatura de Metais 1
Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR

2 Metalurgia da soldagem Parte 2/2
Aula 23 Metalurgia da soldagem Parte 2/2 20/11/2018

3 Ementa Sumário da aula Metalurgia da soldagem

4 Processos de Soldagem Resumo dos processos

5 Processos de Soldagem Resumo dos processos

6 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem A metalurgia de soldagem visa estudar o efeito da operação de soldagem sobre a estrutura e propriedades dos materiais para Obter informações que auxiliem no desenvolvimento de novos materiais menos sensíveis à soldagem. Determinar os parâmetros operacionais de soldagem de maior influência nas alterações da estrutura e propriedades do material. Alternativamente, o desenvolvimento de operações complementares, seja para minimizar a degradação de propriedades, seja para reverter esta degradação, pode ser procurado.

7 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

8 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

9 Metalurgia da soldagem – técnicas usuais
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – técnicas usuais

10 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

11 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

12 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

13 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

14 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Aço acalmado (figura 2a): nele não se forma nenhuma quantidade de gás. Sua superfície superior é levemente côncava e, diretamente abaixo do topo, existe uma cavidade de rechupe interrompida intermitentemente. Em geral, estes aços são vazados em lingoteiras com cabeça quente de tipo refratário, para confinar a cavidade de rechupe ao massalote, que posteriormente é cortado.

15 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Aço semi-acalmado (figura 2b): nele evolui uma quantidade reduzida de gases, mas suficiente para compensar totalmente a contração de volume devida à solidificação. A pressão ferrostática exercida pelo aço líquido impediu a formação de bolhas na parte inferior do lingote.

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Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Aço capeado (figura 2c): a evolução de gás no início da solidificação foi muito intensa, mas a sua intensidade foi reduzida tapando-se a lingoteira e aumentando-se assim a pressão ferrostática.

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Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem Aço efervescente (figura 2d): a reação de efervescência ocorreu intensa e livremente e a sua contração de volume devida à solidificação foi compensada pela formação de bolhas. Superficialmente o lingote apresenta uma camada muito pura, entretanto o seu centro é caracterizado pela segregação mais intensa de elementos como o carbono, fósforo e enxofre.

18 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

19 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

20 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

21 Metalurgia da soldagem
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem

22 Metalurgia da soldagem – Dist. elementos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Dist. elementos

23 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem.

24 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Classe 1 - Campo γ aberto (figura 2.17a): Os principais elementos deste grupo são níquel e manganês, mas também fazem parte cobalto, ródio, ósmio, etc. Quando em altas concentrações, estes elementos tendem a estabilizar a austenita mesmo à temperatura ambiente. Estes elementos provocam um abaixamento das temperaturas de transformação A3 e A1.

25 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Classe 2 - Campo γ expandido (figura 2.17b): Carbono e nitrogênio são os elementos mais importantes deste grupo. O campo austenítico é expandido, mas sua faixa de existência é interrompida pela formação de compostos. Ouro, zinco e cobre também fazem parte deste grupo.

26 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Classe 3 - Campo γ fechado (figura 2.17c): Silício, alumínio, berílio fósforo e alguns elementos formadores de carboneto como Ti, V, Mo e Cr fazem parte deste grupo. Estes elementos aumentam a estabilidade da ferrita (CCC), tendendo a tornar os campos a e d contínuos.

27 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem. Classe 4 - Campo γ contraído (figura 2.17d): Fazem parte deste grupo elementos como B, Ta, Nb e Zr. A contração do campo austenítico é acompanhada pela formação de compostos.

28 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem.

29 Metalurgia da soldagem – influência elem.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – influência elem.

30 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos

31 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos

32 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos

33 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos

34 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos

35 Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Aspectos cinéticos Tratamentos térmicos Revenimento; Recozimento; Normalização; Alívio de tensões.

36 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor

37 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Variações de temperatura causam, além da fusão e solidificação do cordão de solda, variações dimensionais e alterações microestruturais localizadas que podem resultar em efeitos indesejáveis, tais como: Tensões residuais e distorção; Deterioração de propriedades mecânicas (dutilidade, tenacidade, resistência mecânica, etc); Formação de trincas devido a (a) e (b); Deterioração de propriedades físicas, químicas, etc.

38 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Energia de Soldagem, ou Aporte Térmico (H)

39 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Energia Líquida de Soldagem (HL) como: HL=ηH

40 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor

41 Metalurgia da soldagem – Balanço térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Balanço térmico Correndo o risco de simplificar demasiadamente o problema, pode-se considerar que os seguintes processos são os mais relevantes para a análise do escoamento de calor em soldagem: Entradas de calor: Fonte de calor utilizada (chama, arco, resistência de contato, etc); Reações metalúrgicas exotérmicas. Saídas de calor: Condução através da peça; Condução através do eletrodo; Perdas por radiação e convecção e Reações endotérmicas.

42 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor

43 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Em princípio, as variações de temperatura associadas com a operação de soldagem podem ser modeladas a partir de soluções adequadas da equação de balanço de energia: onde ρ é a massa específica do material, c é o calor específico, T é a temperatura, t é o tempo, v é a velocidade, k é a condutividade térmica e s é o calor gerado.

44 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor A solução é válida para um estado quasi-estacionário. Neste, supõe-se que a distribuição de temperaturas se mantém inalterada para um sistema de coordenadas que se move junto com a fonte de calor, como mostrado na figura 3.2. Com esta simplificação, o problema torna-se independente do tempo. Em várias situações reais, condições em que o este estado pode ser uma suposição razoável são obtidas para soldas relativamente curtas. Em particular, esta suposição é razoável para soldas realizadas a uma velocidade aproximadamente constante, sem movimento de tecimento, em peças relativamente grandes e de baixa difusidade térmica desde que o instante inicial (quando as temperaturas em torno do eletrodo aumentam) e final (após a extinção do arco) da soldagem sejam desprezados.

45 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor

46 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor A forma da fonte de calor é simplificada para um ponto na superfície da chapa ou uma linha que atravessa a chapa de um lado a outro (figura 3.3). A primeira suposição é aplicável na deposição de um cordão de solda na superfície de uma chapa relativamente espessa e A segunda na soldagem de uma chapa fina com penetração total.

47 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor

48 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Devido a simplificações que são adotadas, as soluções obtidas fornecem somente uma representação aproximada da distribuição de temperatura em uma solda. Estas soluções permitem, entretanto, obter uma ideia geral das características do fluxo de calor em soldagem para muitos casos de interesse.

49 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor Para a soldagem com uma fonte de calor pontual (figura 3.3a) a distribuição de temperatura, considerando-se um sistema de coordenadas retangulares, com o eixo x paralelo à direção de soldagem (figura 3.2), é dada por

50 Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Fluxo de calor A figura 3.4 mostra um exemplo de uma distribuição de temperatura baseada neste modelo.

51 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico A variação de temperatura durante a soldagem em um ponto da peça é descrita pelo seu Ciclo Térmico de Soldagem. Cada ponto é submetido a um ciclo térmico particular que depende, entre outros fatores, da localização deste ponto em relação à solda

52 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Temperatura de Pico (Tp): é a temperatura máxima atingida em um dado ponto. A temperatura de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais neste ponto. Depende das condições de soldagem, da geometria e propriedades térmicas da peça, sua temperatura inicial e da distância do ponto considerado à fonte de calor.

53 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Tempo de Permanência (tc) acima de uma Temperatura Crítica (Tc): Este parâmetro pode ser de interesse para materiais em que a dissolução de precipitados e/ou crescimento de grãos pode ocorrer.

54 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Velocidade de Resfriamento (φ): Este parâmetro é importante na determinação da microestrutura em materiais como os aços estruturais comuns, que podem sofrer transformações de fase durante o resfriamento. Em uma dada temperatura, a velocidade de resfriamento é dada pela inclinação da curva de ciclo térmico nesta temperatura.

55 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico A velocidade de resfriamento ao longo do eixo da solda (para y e z nulos) para uma fonte de calor pontual na superfície de uma chapa grossa é dada por:

56 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico

57 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Para chapas finas com penetração total e fluxo de calor bidimensional, tem-se:

58 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Como já discutido, os termos chapa grossa e chapa fina aqui usados não têm um significado absoluto, dependendo das condições de soldagem. Assim, nem sempre é muito claro quando as equações são aplicáveis. Para isto, pode-se definir a “espessura relativa” (τ) da junta como:

59 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Para a primeira equação τ > 0,9; A segunda equação τ < 0,6; A divisão arbitrária entre chapa grossa e fina em τ = 0,75 não leva a erros superiores a 15%

60 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Um parâmetro alternativo é o tempo de resfriamento entre duas temperaturas determinadas (ΔtT1/T2, figura 3.13), comumente entre 800 e 500ºC ou 700 e 300ºC (Δt8/5 ou Δt7/3). Δt éinversamente proporcional à velocidade de resfriamento, isto é, Δt cresce para menores velocidades de resfriamento.

61 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Influência dos parâmetros operacionais: Condutividade Térmica da Peça:

62 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico Influência dos parâmetros operacionais: Espessura da Junta: quanto mais espessa mais rápido irá resfriar

63 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico

64 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico

65 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico

66 Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Ciclo térmico

67 Metalurgia da soldagem – Medidas experim.
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Medidas experim.

68 Metalurgia da soldagem – Microestrutura
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura Macroestrutura de Soldas por Fusão Zona Fundida (ZF): região onde o material foi fundido durante a soldagem e caracterizado por temperaturas de pico superiores à sua temperatura de fusão. Zona Termicamente Afetada (ZTA): região não fundida do metal base, mas cuja microestrutura e/ou propriedades foram alteradas pelo ciclo térmico de soldagem. As temperaturas de pico são superiores a uma temperatura crítica (Tc) característica do metal base. Metal Base (MB): Regiões mais afastadas da solda que não foram alteradas pelo ciclo térmico. Suas temperaturas de pico são inferiores a Tc.

69 Metalurgia da soldagem – Microestrutura
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura

70 Metalurgia da soldagem – Microestrutura
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura

71 Metalurgia da soldagem – Microestrutura
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura

72 Metalurgia da soldagem – Microestrutura
Processos de Soldagem Metalurgia da soldagem – Microestrutura

73 Presença Cobrança da presença