Nesta unidade temática, você vai aprender

• Como funcionam os processo de soldagem a laser, feixe de elétrons, resistência, eletroescória, estado sólido, oxigás e aluminotérmica;

• Os defeitos de soldagem e como evitá-los;

• A metalurgia da soldagem.

Soldagem por Laser (SL)

Segundo Machado (1996), apesar da altíssima densidade de potência desse feixe, ele é de muito fácil manipulação, com utilizações variando da mais delicada cirurgia de olhos, à fusão dos metais. O feixe produzido é muito pouco divergente e altamente colimado e todas as ondas que o compõem possuem mesmo comprimento e estão em fase ou, em outras palavras, o mesmo é coerente. A energia referida acima se denomina laser, sigla formada pelas iniciais em inglês de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (ou Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação). O americano Theodore H. Maiman – trabalhando na Hughes Aircraft Research Laboratories – construiu o primeiro laser com cristal de rubi, o qual no início foi denominado MASER óptico, até que o nome atual se impôs. Por sua relativa simplicidade, é interessante analisar o funcionamento desse equipamento original. O mesmo consiste essencialmente de um potente flash eletrônico em forma de espiras envolvendo um cristal cilíndrico de rubi e dois espelhos laterais. 

Portanto, o flash produz uma intensa energia, o rubi absorve a mesma num tempo muito curto (milésimos de segundo) e a reemite, em parte sob a forma de luz, sendo o resto transformado em calor. Grande parte da emissão do rubi é de cor vermelha, que se propaga axialmente pelo cristal, sendo submetida a múltiplas reflexões entre os dois espelhos colocados no cilindro. 

Desde a sua invenção, os equipamentos laser a gás sofreram muitas modificações, mas mantêm em comum, ainda, os seguintes aspectos: 

Praticamente todos os materiais podem ser soldados ou cortados por laser, incluindo a maioria dos metais e suas ligas, com ou sem atmosfera protetora, mesmo aqueles de alta refletividade, desde que exista suficiente densidade de potência para iniciar a fusão, assunto que será analisado posteriormente. No presente, existem lasers comerciais a gás (CO) com potência alta, podendo soldar ou cortar aços, por exemplo, com mais de 250 mm de espessura. 

Outros tipos de laser têm tido aplicações comerciais, como:

Segundo Kiminami (2013), SL é um processo de soldagem por fusão no qual a união entre os metais é conseguida através do calor gerado por um feixe de luz potente, monocromática, colimada e coerente, que incide sobre a junta dos metais de base a serem unidos. Geralmente, é usada proteção gasosa com gás inerte para prevenir a oxidação da poça de fusão, assim como pode ser usado material de enchimento, conforme Figura 1.

Como fonte de laser, pode ser usada a fonte sólida, YAG (rubi) que gera um feixe de laser pulsado (com milissegundos de duração) que pode ser usado na soldagem por pontos em chapas finas. Também pode ser usada a fonte gasosa, CO, que gera um feixe de laser contínuo, indicado para soldagem de peças mais grossas como tubos com costura. Como o feixe de laser pode ser precisamente focado em regiões com diâmetros de 40 µm e sua densidade de energia é bastante alta, é possível realizar soldas profundas e muito estreitas, com razão de penetração-largura na faixa de 4 a 10. A velocidade de soldagem é alta, na faixa de 2,5 a 80 m/min em peças de até 25 mm de ligas de Cu, Ni, Fe, Al, Ti e Nb. 

Cuidados especiais devem ser tomados com materiais com alta refletividade e alta condutividade térmica, como ligas de alumínio e de cobre que podem ter a soldabilidade afetada, assim como com a taxa de resfriamento que é alta e, portanto, devem ser sempre observados os problemas de porosidade e fragilidade.

Solução

A melhor solução industrial é aquele equipamento que produz um feixe laser ajustável às operações de soldagem, corte e tratamentos térmicos superficiais para diversas espessuras e diferentes materiais. 

Entre os fatores mais importantes para alcançar esses objetivos, segundo Machado (1996), encontram-se os seguintes:

Portanto, há considerável interesse em laser com pequeno comprimento de onda. O tipo sólido Nd:YAG está sofrendo desenvolvimentos, sendo que já é disponível com boa potência no modo contínuo. Entretanto, aquele com monóxido de carbono (CO) oferece maior potência e eficiência do que o do tipo sólido. 

A cada momento surge um novo aperfeiçoamento na área do laser. Ele é, sem dúvida, o processo que mais tem evoluído nas últimas décadas devido ao constante aumento de potência de suas fontes e diminuição de seu valor comercial. É esperado que mais e mais avanços surjam nas áreas não só do corte, solda e metalurgia aditiva, mas em muitos outros setores de todas as atividade humanas devido a sua popularização.

As diversas fontes de laser podem ser usadas não só para soldar, mas para cortar, como nas Figura 2 e 3. Após o metal ser fundido pelo raio laser, ele é expulso de onde se encontrava por um jato de ar ou gás, resultando em um corte no material. 

Na opção por qualquer processo, sempre se deve considerar os prós e contras. Portanto, a seguir são discriminadas algumas vantagens e desvantagens do laser, segundo Machado (1996).

Um exemplo de gravação a laser é mostrado na Figura 4. 

A Figura 5 mostra outro processo, que usa os mesmos princípios da soldagem, que é a metalurgia aditiva, onde um jato de pó metálico é fundido sobre a camada anterior, assim se sucedendo para que camada após camada, se produza uma peça inteira. 

Soldagem por Feixe de Elétrons (SFE)

Segundo Kiminami (2013), SFE é um processo de soldagem por fusão no qual a união entre os metais é conseguida através do calor gerado por um feixe concentrado de elétrons em alta velocidade, que colide com a junta dos metais de base a serem unidos.

A Figura 6 apresenta esquematicamente um equipamento para SFE que consiste em sistema especial para focar o feixe de elétrons na peça e requer vácuo. O equipamento pode ser de alto vácuo ou médio vácuo e isso tem forte influência na penetração: quanto melhor for o vácuo, maior será essa penetração. Para um restrito número de materiais, o uso de vácuo pode ser dispensado.

Esse processo é aplicado para união de materiais similares ou também dissimilares, sendo aplicado em peças de pequenas espessuras, como fitas com algumas centenas de microns, assim como em placas com espessuras de até 150 mm.

As particularidades desse processo, que o torna especial, é a penetração profunda e o cordão de solda extremamente estreito, alcançando razão penetração/largura de 10 a 30. A velocidade de soldagem é bastante alta, alcançando até 12 m/min, com alta eficiência energética, provocando distorção e contração mínimas na área da solda e com excelente qualidade.

Usado onde se necessita alta precisão, tal como caixa de câmbio e de transmissão na indústria automobilística, em tubos de parede fina e em vários componentes das indústrias aeronáutica, nuclear, eletrônica e automotiva.

Esse processo é ideal para soldagem de materiais dissimilares ou similares de metais refratários (W, Nb, Mo, Ta) e metais altamente reativos (T, Zr, Be, U), ligas resistentes ao calor, aços ao cromo, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e suas ligas.

Esse processo apresenta muito alta densidade de energia, sendo a mesma resultante do impacto de elétrons que foram acelerados no sentido da superfície de trabalho. Dessa forma, o feixe interage com os átomos da matéria, convertendo a energia cinética dos elétrons em calor ou energia de excitação atômica e molecular. Além de na soldagem, essa técnica é empregada desde no Microscópio Eletrônico de Varredura – onde possibilita aumentos de dezenas de milhares de vezes, com grande profundidade de foco – até na remoção de material, fusão, evaporação de filmes para revestimentos, radiação na medicina, tratamentos superficiais de materiais e implantação iônica, entre outras aplicações.

Na soldagem, a junta – que usualmente não necessita nenhum tipo de preparação – é fundida em toda sua espessura, geralmente sem metal de adição, formando a solda. Com a atual tecnologia, o metal base pode ser tão fino quanto uma folha de papel ou até aproximadamente 150 mm em cobre: 250 mm em aço e 450 mm em ligas leves, com a solda apresentando excelentes características mecânicas-metalúrgicas, segundo Machado (1996).

Soldagem por Resistência por Ponto (SRP), por Costura (SRC) e por Projeção (SRPR)

Segundo Kiminami (2013), SRP, SRC e SRPR são processos de soldagem por resistência nos quais a união dos metais é produzida em superfícies sobrepostas pelo calor gerado pela resistência da peça à passagem de corrente elétrica. Forças são geralmente aplicadas antes, durante e depois da aplicação da corrente com o objetivo de manter o contato entre as superfícies sobrepostas e, em alguns casos, para criar uma força suficiente para provocar um processo de "forjamento", ou seja, deformação plástica a quente do metal durante o período pós-aquecimento.

Soldagem por Resistência por Ponto (SRP)

A Figura 7 apresenta a ilustração esquemática das etapas sequenciais do processo de SRP. Nesse processo, as pontas de dois eletrodos são colocadas em contato com as superfícies externas de duas chapas sobrepostas e o calor gerado pela resistência à passagem da corrente gera a formação de um ponto de solda, que tem até 10 mm de diâmetro na interface entre as duas chapas. O processo é controlado pela corrente, pressão e tempo em que há fluxo de corrente. A corrente aplicada é na faixa de 3.000 a 4.000 A, dependendo do material e da espessura das peças, sendo que a resistência mecânica do ponto de solda depende da rugosidade e limpeza das duas superfícies que serão unidas. Esse processo é utilizado principalmente para unir chapas de até 3 mm de espessura, aplicado na fabricação de componentes de carro, cabines e móveis, em chapas de aço ao carbono e inoxidáveis, alumínio, cobre e suas ligas, segundo Kiminami, 2013.

A Figura 8 mostra um esquema da soldagem por costura, onde os eletrodos são na forma de rolos e controladores eletrônicos modificam o processo para obter solda convencional, pontos ou contínua. 

A solda por centelhamento é mostrada na Figura 9, onde a aplicação de um curto circuito rápido de alta intensidade é aplicado e após as peças são forçadas uma contra a outra para efetuar a união metalúrgica. 

Processos De Soldagem No Estado Sólido

A Soldagem por Fricção é um processo de soldagem no estado sólido no qual a união dos metais é obtida pelo calor gerado através do atrito causado pelo movimento relativo dos metais e da pressão aplicada, provocando deformação plástica, como visto na Figura 10

O processo apresenta uma série de vantagens, tais como: alta velocidade de produção, automático, não há envolvimento de gases e baixo consumo de energia. Uma desvantagem é o alto custo do equipamento.

A base teórica desse processo de soldagem, conforme Machado (1996), é a lei física que estabelece ser a força de fricção proporcional à carga normal aplicada sobre as superfícies, com o coeficiente de proporcionalidade (ou de fricção) constante sob qualquer carga. Entretanto, conforme os óxidos e contaminantes superficiais são destruídos pelo atrito e pontos salientes, sofrem elevado aquecimento e os princípios gerais aceitos para esse fenômeno não são mais aplicáveis, pois o calor é gerado por deformação plástica numa espessura finita e o coeficiente de fricção não se mantém constante, mas varia de uma forma complexa com a velocidade. Portanto, no primeiro estágio do aumento da temperatura, a destruição da camada de impurezas superficiais causa um aumento do coeficiente de fricção com consequente elevação da temperatura, o que é acompanhado por ligações locais entre as superfícies, emperrando o deslocamento relativo das mesmas e criando uma resistência tangencial. Além desses fatos, o tipo do filme de óxido superficial existente afeta diferentemente o coeficiente de fricção, sendo que aquele fino e duro reduz seu valor, enquanto o espesso e dúctil o aumenta. Uma superfície grosseira também eleva esse coeficiente, bem como uma muito lisa, devido às forças interatômicas. 

Brasagem ou Solda Branda com Oxigás

Existem pelo menos três métodos distintos de união dos materiais, os quais utilizam como fonte de energia a chama resultante da combustão de um gás com o comburente oxigênio. Esses métodos são empregados principalmente nas seguintes formas:

Aparentemente, a história desse processo começa com o desenvolvimento da chama oxi-hídrica em torno de 1850, seguido pelos estudos da oxiacetilênica por Le Chatelier, em 1895. Entretanto, o uso econômico da combustão como fonte de calor para corte e solda de metais somente foi possível a partir de 1893, quando Linde desenvolveu e iniciou na Alemanha a fabricação em larga escala do oxigênio obtido através de ar líquido. Dessa forma, estava disponível o essencial, mas a implementação prática da soldagem se deve aos franceses Fouche e Picard, que em 1903 inventaram um dispositivo ("tocha") para a mistura do oxigênio com o acetileno, o qual permitia razoável controle da vazão dos gases e precisão da operação, segundo Machado (1996).

A brasagem é processo de soldagem em que a união ocorre pela adição de um metal fundido na região interfacial entre as partes a serem unidas, metal esse que tem temperatura de fusão acima de 450 C. Nesse processo, as partes a serem unidas não se fundem, conforme Figura 11.

Soldagem por Aluminotermia (SAL)

SAL é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através do preenchimento da interface de junção com metal líquido superaquecido, cuja energia é originária de uma reação química entre óxido metálico e alumínio. A Figura 12 apresenta uma ilustração do processo, sendo aplicado para junção de vergalhões espessos na indústria civil ou para a junção de trilhos de trem.

Metalurgia da soldagem 

Uma das coisas mais importantes na metalurgia da soldagem é entendermos o que acontece metalurgicamente com o cordão de solda e suas adjacências. A Figura 13 mostra simplificadamente a ZAC ou ZTA, Zona Afetada pelo Calor ou Zona Termicamente Afetada. Ela se localiza entre o metal base e o metal de solda e possui diferentes partes, como mostrado na Figura 14:

Na maioria dos processos de soldagem e especialmente naqueles por fusão, as juntas soldadas apresentam várias zonas distintas, conforme exemplificado na Figura 14. 

O que fazer para minimizar a zac?

Defeitos na soldagem