TRABALHO TERMODINAMICA DA SOLDAGEM

1. - Termodinâmica da Soldagem: Calor, temperatura, gases e fluxo.

A soldagem é um processo de união de materiais para isso o estudo dos fenômenos termodinâmicos é importante para o processo de soldagem.

O calor gerado no processo de soldagem pode ser um potencial gerador de problemas ou até mesmo dificuldades para a união das duas peças mesmo porque o calor exerce grande influencia nas características metalúrgicas do produto.

Sabemos que os processos de soldagem utilizando-se de um eletrodo forma-se um arco elétrico que é divida por três principais partes:

• Na forma de calor irradiante (na atmosfera);
• Na forma de convecção (no meio gasoso);
• A que de fato é usada no processo de soldagem;

Ao longo desse processo, ocorrem algumas perdas de energia no processo de soldagem, essas perdas nada mais são do que o calor que é perdido ao longo do processo de soldagem que pode ser medido através do parâmetro chamado “eficiência do arco” (ea) que é definido pela seguinte equação:

[pic 1]

Descrevendo a equação acima temos:

ea = Eficiência do arco em porcentagem;

Ql = Energia liquida disponivel (W);

V = Tensão do Arco (Volts);

I = Corrente de soldagem (A).  

Ainda temos a energia total (Qr) fornecida ao arco que é dado pela seguinte equação:

[pic 2]

Há também o aporte de energia simbolizado pela letra H, que nada mais é do que uma relação entre a quantidade de energia disponível para soldagem com a velocidade do avanço (v) do eletrodo que no caso é nossa fonte de calor. Temos assim a seguinte equação que nos define abaixo:

[pic 3]

[pic 4]

O Resultado dessa equação (valor do HT) é o aporte de energia total (J/cm). Já o (valor de HL) é o aporte de energia liquido (J/cm)

Fatores importantes de acordo com Taniguchi (2015, p. 359) devem ser considerados no estudo de transferência de calor em juntas soldadas tais como:

• Aporte de calor ou de energia à junta soldada, denominado também como insumo de calor ou energia;
• Rendimento térmico do arco elétrico;
• Distribuição e picos de temperatura durante a soldagem;
• Velocidade de resfriamento da zona de solda.

Para que a solda seja considerada ideal deve ter seu resfriamento controlado, pois assim as regiões que são afetadas pelo calor, apresentam um equilíbrio estrutural metalúrgico, o que garante a termodinâmica do processo.

1. – Soldagem de ligas metálicas.

1. Ligas Ferro Carbono:

O carbono é um elemento químico que possui uma grande influencia na soldagem de ligas metálicas, sendo que quanto maior o teor de carbono, mais difícil é a realização da solda. A solda afeta a dureza da liga Fe-C, a temperatura de fusão é maior em aços com elevado teor de carbono.

Podemos exemplificar as ligas ferrosas conforme abaixo:

• Todos os aços com teores de carbono de até 2,0% são considerados ligas ferrosas;
• Todos os aços com teores de carbono acima de 2,0% e abaixo de 4,5% são considerados ferro fundido.

Existe o calculo do carbono equivalente CE que é empregado para fazer a relação entre a temperabilidade do aço e a sua soldabilidade. A definição de (WAINER ET AL, 2015, p. 423) nos mostra que quanto maior o valor de carbono, mais temperavel será o aço e pior a soldabilidade.

Com base nesse calculo, é recomendado para muitas ligas calcular o carbono equivalente (CE) para estimarmos quais os cuidados necessários para realização da Solda. A expressão usada para elaborar o calculo do carbono equivalente (CE) é a seguinte:

[pic 5]

Devemos observar que a expressão é valida de preferência para os aços ligados. Existem outras maneiras de elaborar o calculo do carbono equivalente, porem a escolha da formula mais apropriada depende um pouco da experiência do profissional alem de que se deve levar em conta a composição química do aço quanto ao teor de carbono e seus elementos de liga.

Uma pratica muito aplicada é a realização de um pré-aquecimento do material a ser soldado ou até mesmo um tratamento térmico prévio. Isso ocorre em casos em que se é necessário estimar cuidados especiais para a solda, nesses casos recomenda-se o seguinte:

Para CE< 0,40, consideramos aços facilmente soldáveis;

Para CE> 0,60, é recomendado utilizar um pré-aquecimento para juntas acima de 20 mm.

Para CE> 0,90, é extremamente necessário pré-aquecer o material a uma temperatura elevada em todos os casos, exceto no caso de juntas de espessuras muito pequenas.

Um exemplo do excesso de carbono ocorre no ferro fundido. A soldagem neste tipo de metal possui algumas particularidades que tornam a soldagem difícil conforme exemplos a seguir:

• Elevado teor de carbono e de elementos como fósforos e enxofre;
• Formação do microconstituinte cementita (Fe3C) na região da solda;
• Baixa ductilidade;
• Estrutura porosa (em especial ferros fundidos cinzento, maleável e nodular), nesses casos potencializa a absorção de impurezas;
• Ferros fundidos brancos não são soldáveis devido a sua elevada fragilidade.

A tabela abaixo demonstra as temperaturas de pré-aquecimento recomendadas para aços e ferro fundido antes da realização do processo de soldagem:

[pic 6]

O Portal Brasileiro de Soldagem (INFOSOLDA) nos mostra que a soldabilidade de aços carbono de baixa e media liga está muito associada à presença de trincas a frio induzida por hidrogênio. As trincas são determinadas pela composição química do material e quanto maior for à temperabilidade do aço, maior a probabilidade de ocorrer essas trincas. Quem define isto é o percentual de carbono existente na liga, quanto menos carbono, menor será o cuidado para realizar a solda no aço em questão.