E RGEBNIS DER U NTERSUCHUNG UND S CHLUSSFOLGERUNG

Nem toda a energia gerada pelo arco elétrico é transmitida para o metal de base. Uma parte é dissipada por radiação e por convecção para o meio circundante. Por este motivo, define-se o rendimento térmico do processo de soldagem (η) como a razão entre a energia efetivamente transmitida (energia nominal) para o metal de base (EN) e a energia gerada pelo arco elétrico (Et).

TEMPERAT UR A DE PRECIPITAÇ ÃO (°c) TEMPO (h)

A energia de soldagem é um parâmetro cuja medida é simples, mas deve ser selecionada de forma correta, pois os parâmetros de soldagem (corrente, tensão e velocidade de soldagem) afetam de modo diferente a intensidade do arco e o rendimento térmico. A energia nominal (EN) pode ser definida pela

Equação 3.4

, sendo que U é a tensão da soldagem, I é a corrente de soldagem e Vs é a velocidade de soldagem: Vs I U EN . = Eq. 3.4

Processos de elevada densidade de energia, como feixe de elétrons, possuem algumas vantagens, como: alta produtividade, baixa contaminação, alta relação penetração/largura, reduzida tensão residual e distorção e a possibilidade de automação [14]. No entanto, as frações das fases são afetadas durante o processo de soldagem. Neste processo, o teor de ferrita é maior que 90% nas soldas no UNS S31803 [163]. CAPELLO et al. [164] verificaram que na soldagem a laser no UNS S31803 o balançeamento das fases é perdida devido à elevada velocidade de resfriamento, sendo que a estrutura original pode ser recuperada com tratamento térmico posterior. Isto pode ser realizado a uma temperatura de 1050ºC, além de diminuir as tensões residuais trativas [165].

O processo eletrodo revestido ainda é o mais utilizado no Brasil, sendo de baixo custo, versátil, podendo soldar em locais de difícil acesso e com presença de ventos, possuindo efeito metalúrgico, dentre outros. A eficiência térmica para o processo eletrodo revestido está entre 0,8 e 0,9 [166]. Esta dispersão de valores pode ser devida às diferenças nos arranjos e técnicas experimentais utilizadas. Alguns autores reportam que η diminui com o aumento da corrente de soldagem [167,168]. Este efeito pode ser explicado por uma perda maior de energia através da superfície da peça soldada. Por outro lado, uma diminuição no comprimento do arco acarreta em um aumento de η [169].

A história térmica de uma junta soldada é composta por uma repartição térmica e infinitos ciclos térmicos de soldagem. Esta é determinada pelas propriedades físicas do material, pela temperatura inicial do metal de base, pela geometria da junta, pela energia de soldagem líquida, pelo formato da fonte de calor, etc. O ciclo térmico representa a variação da temperatura com o tempo, para um dado ponto da junta soldada. Os principais parâmetros que descrevem o ciclo térmico são: a temperatura de pico (Tp), tempo de permanência (tc) e velocidade de resfriamento (Φ) acima da temperatura crítica (Tc). Tp é a temperatura máxima atingida em um dado ponto, sendo que indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais neste ponto. Depende das condições de soldagem, da geometria, propriedades térmicas da peça, temperatura inicial e da distância do ponto considerado à fonte de calor. Na Figura 3.16 é mostrada uma representação de ciclo térmico.

Figura 3.16.Representação esquemática do ciclo térmico em um passe [170].

O tempo de permanência acima de Tc pode ser um parâmetro importante para materiais em que a dissolução de precipitados e/ou crescimento de grãos pode ocorrer. Velocidade de resfriamento 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. O parâmetro Φ pode ser medido diretamente por termopares ou estimada através de modelos matemáticos. [170].

TERASAKI e GOOCH [171] verificaram que para os aços inoxidáveis duplex o tempo que contem a ferrita delta (δ) é considerado o de resfriamento no intervalo de temperaturas desde 1200°C até 800°C (t12/8), usando-se a mesma equação do t8/5. Nos aços duplex este t12/8 deve ser controlado de tal maneira que não seja tão curto, que iniba a transformação de ferrita em austenita, nem tão longo que favoreça a precipitação de fases intermetálicas.

Por repartição térmica entende-se a variação da temperatura máxima dos ciclos térmicos em função da distância ao centro do cordão de solda. Ela determina a extensão da zona afetada pelo calor (ZAC). Do ponto de vista de fluxo de calor, a região crítica de uma junta soldada é a poça de fusão. O fluxo de massa presente nesta região é suficiente para que o fluxo de calor por convecção seja estabelecido. Devido à complexidade dos fenômenos envolvidos no fluxo de calor na poça de fusão, os modelos que visam descrevê-los são bastante elaborados. Já para o estudo da ZAC, são geralmente usados modelos mais simples. A Figura 3.17 ilustra a repartição térmica para o caso de dois níveis de energia distintos, sendo que E representa a energia de soldagem.

Figura 3.17.Representação esquemática de repartição térmica [170].

No começo e no final da soldagem tem-se um regime térmico transiente. Em algum momento após o começo do processo e antes do seu final, a distribuição de temperaturas é estacionária, ou em equilíbrio térmico, em relação às coordenadas móveis com origem no centro da fonte de calor [172]. O calor é dissipado principalmente por condução, sendo que as perdas por radiação e convecção podem ser desprezadas em chapas finas [173]. As variações de temperatura associadas com a operação de soldagem podem ser modeladas a partir de soluções adequadas da equação de balanço de energia de acordo com a

Equação 3.5

:

Eq. 3.5 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.

ROSENTHAL [174] propôs diversas soluções para esta equação. Entre elas, destacam-se as dadas para o fluxo bidimensional, tridimensional e intermediário de calor, onde são desprezadas as perdas de energia por convecção e radiação através da superfície. Estas soluções permitem obter com uma boa aproximação as condições de fluxo de calor na soldagem de uma chapa, seja fina, média ou grossa. No caso de fluxo bidimensional, admite-se uma fonte de calor linear. Já para fluxo tridimensional ela é pontual. A solução é válida pra regime quase-estacionário. Com esta simplificação, o problema torna-se independente do tempo. O formato da peça é simplificado para uma chapa de comprimento, largura e, em alguns casos, espessura infinitos. Elimina-se, desta forma, a necessidade de se especificar condições de contorno nas bordas, o que dificultaria a solução do problema. A variação das propriedades físicas com a temperatura é desprezada, adotando-se valores médios.

L o c p q T T C d ( − ) =

ρ

τ

Eq. 3.6

Onde d é a espessura, ρ é a massa específica do material, Tc é a temperatura crítica, To é a temperatura de preaquecimento, qL é a energia líquida e Cp é a capacidade térmica.

A chapa é considerada grossa quando > 0.9 e fina para < 0.6. Na condição intermediária de 0.9 > > 0.6, o fluxo de calor muda de preponderantemente tridimensional em temperaturas elevadas, para bidimensional em temperaturas mais baixas. Uma divisão arbitrária entre chapa fina e grossa em = 0.75 não leva a erros superiores a 15% no cálculo das velocidades de resfriamento.

As condições de fluxo de calor na soldagem determinam os ciclos térmicos experimentados pelas diferentes regiões da junta soldada. Dependendo do material e do seu estado inicial, estes ciclos térmicos podem ocorrer diversas mudanças microestruturais, podendo acarretar modificações nas suas propriedades.

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