Princípios básicos de soldagem

Uma solda pode ser definida como uma coalescência de metais produzida por aquecimento a uma temperatura adequada com ou sem aplicação de pressão e com ou sem o uso de material de enchimento.

Na soldagem por fusão, uma fonte de calor gera calor suficiente para criar e manter uma poça de metal fundido com o tamanho necessário. O calor pode ser fornecido por eletricidade ou por chama de gás. A soldagem por resistência elétrica pode ser considerada soldagem por fusão porque algum metal fundido é formado.

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Os processos em fase sólida produzem soldas sem derreter o material de base e sem adição de metal de adição. A pressão é sempre empregada e geralmente é fornecido algum calor. O calor friccional é desenvolvido na união ultrassônica e por fricção, e o aquecimento do forno é geralmente empregado na ligação por difusão.

O arco elétrico usado na soldagem é uma descarga de alta corrente e baixa tensão, geralmente na faixa de 10 a 2.000 amperes a 10 a 50 volts. Uma coluna de arco é complexa, mas, em termos gerais, consiste em um cátodo que emite elétrons, um plasma gasoso para condução de corrente e uma região anódica que se torna comparativamente mais quente que o cátodo devido ao bombardeio de elétrons. Geralmente é usado um arco de corrente contínua (CC), mas arcos de corrente alternada (CA) podem ser empregados.

O consumo total de energia em todos os processos de soldagem excede o necessário para produzir uma junta, porque nem todo o calor gerado pode ser utilizado de forma eficaz. As eficiências variam de 60 a 90 por cento, dependendo do processo; alguns processos especiais desviam-se amplamente deste valor. O calor é perdido por condução através do metal base e por radiação para o ambiente.

A maioria dos metais, quando aquecidos, reage com a atmosfera ou com outros metais próximos. Estas reações podem ser extremamente prejudiciais às propriedades de uma junta soldada. A maioria dos metais, por exemplo, oxida rapidamente quando fundidos. Uma camada de óxido pode impedir a ligação adequada do metal. Gotículas de metal fundido revestidas com óxido ficam presas na solda e tornam a junta quebradiça. Alguns materiais valiosos adicionados para propriedades específicas reagem tão rapidamente à exposição ao ar que o metal depositado não tem a mesma composição que tinha inicialmente. Esses problemas levaram ao uso de fluxos e atmosferas inertes.

Na soldagem por fusão, o fluxo tem um papel protetor ao facilitar uma reação controlada do metal e, em seguida, prevenir a oxidação, formando uma manta sobre o material fundido. Os fluxos podem ser ativos e auxiliar no processo ou inativos e simplesmente proteger as superfícies durante a união.

As atmosferas inertes desempenham um papel protetor semelhante ao dos fluxos. Na soldagem por arco metálico com proteção a gás e por arco de tungstênio com proteção a gás, um gás inerte - geralmente argônio - flui de um anel que envolve a tocha em um fluxo contínuo, deslocando o ar ao redor do arco. O gás não reage quimicamente com o metal, mas simplesmente o protege do contato com o oxigênio do ar.

A metalurgia da união metálica é importante para as capacidades funcionais da junta. A solda a arco ilustra todas as características básicas de uma junta. Três zonas resultam da passagem de um arco de soldagem: (1) o metal de solda, ou zona de fusão, (2) a zona afetada pelo calor e (3) a zona não afetada. O metal de solda é a parte da junta que foi derretida durante a soldagem. A zona afetada pelo calor é uma região adjacente ao metal de solda que não foi soldado, mas sofreu uma alteração na microestrutura ou nas propriedades mecânicas devido ao calor da soldagem. O material não afetado é aquele que não foi aquecido o suficiente para alterar as suas propriedades.

A composição do metal de solda e as condições sob as quais ele congela (solidifica) afetam significativamente a capacidade da junta de atender aos requisitos de serviço. Na soldagem a arco, o metal de solda compreende o material de adição mais o metal base que foi fundido. Após a passagem do arco, ocorre um rápido resfriamento do metal de solda. Uma solda de passe único tem uma estrutura fundida com grãos colunares que se estendem da borda da poça de fusão até o centro da solda. Numa soldadura multipasse, esta estrutura fundida pode ser modificada, dependendo do metal específico que está a ser soldado.

O metal base adjacente à solda, ou zona afetada pelo calor, está sujeito a uma série de ciclos de temperatura, e sua mudança na estrutura está diretamente relacionada ao pico de temperatura em qualquer ponto, ao tempo de exposição e às taxas de resfriamento. Os tipos de metal base são numerosos demais para serem discutidos aqui, mas podem ser agrupados em três classes: (1) materiais não afetados pelo calor da soldagem, (2) materiais endurecidos por mudanças estruturais, (3) materiais endurecidos por processos de precipitação.

A soldagem produz tensões nos materiais. Estas forças são induzidas pela contração do metal de solda e pela expansão e depois contração da zona afetada pelo calor. O metal não aquecido impõe uma restrição ao acima exposto e, como predomina a contração, o metal de solda não pode contrair-se livremente e uma tensão é acumulada na junta. Isto é geralmente conhecido como tensão residual e, para algumas aplicações críticas, deve ser removido por tratamento térmico de toda a fabricação. A tensão residual é inevitável em todas as estruturas soldadas e, se não for controlada, ocorrerá arqueamento ou distorção da soldagem. O controle é exercido pela técnica de soldagem, gabaritos e acessórios, procedimentos de fabricação e tratamento térmico final.