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Soldagem do Alumínio e Suas Ligas
A soldagem do alumínio e suas ligas apresenta algumas
peculiaridades em relação à soldagem dos aços, entretanto, é uma
prática já consideravelmente dominada. A principal dificuldade
associada à soldagem do alumínio e suas ligas esta relacionada à
presença de uma fina camada de óxido refratário que se forma na
superfície do metal e que lhe confere resistência à corrosão. A alta
condutibilidade térmica e elétrica do alumínio, bem como o seu alto
coeficiente de expansão linear, também influenciam significativamente
nos requisitos de soldagem.
Neste post abordarei os requisitos e cuidados que devem ser
considerados, durante a soldagem de alumínio e suas principais ligas
comerciais nos processo de soldagem GTAW (TIG).
O alumínio e suas ligas não são magnéticos (tenha sempre em sua oficina um imã, para testar antes da soldagem se o material é magnético ou não) e possuem características antifagulhantes, ou seja, se atritado com outro metal ou em uma superfície abrasiva (lixamento, por exemplo) não gera fagulhas.
Em seu estado puro, o alumínio possui alta flexibilidade e ponto de fusão de 660º C. Apesar de o ponto de fusão do alumínio e suas ligas ser relativamente baixo, a quantidade de calor necessária para fundi-los é igual, ou muitas vezes superior, àquela exigida para fundir o aço durante a soldagem. A elevada condutividade térmica provoca um alto escoamento do calor ao longo do material, dificultando o aumento da temperatura no local da soldagem. Por essa razão, em processos de soldagem por fusão, (TIG e MIG) por exemplo, é necessário um grande aporte de calor para que a fusão seja obtida.
O alumínio e suas ligas tem uma reação química com o oxigênio do ar atmosférico, que resulta na formação de óxidos do tipo Al 2 O 3 na superfície do
metal, quando esta é exposta a meios oxidantes. A camada de óxido
que se forma na superfície é muito fina, tenaz e refratária. A
alta tenacidade dessa camada dificulta sua ruptura pela ação das
tensões superficiais geradas durante sua própria formação. A camada
produzida é contínua e impermeável, o que torna o alumínio passivo
em meios oxidantes, ou seja, a camada de óxido age como uma
barreira ao meio, interrompendo o processo corrosivo. Mesmo quando
danificada ou removida, a proteção é ainda bastante efetiva, pois
a camada possui alto poder de regeneração, se recompondo muito rapidamente.
A camada, que é uma proteção contra a corrosão, é também uma barreira a ser vencida durante a soldagem, devido ao seu alto ponto de fusão. Enquanto o alumínio se funde a 660ºC, a camada de óxido só se funde quando a temperatura ultrapassa os 2.000ºC. Portanto, é importante estabelecer um mecanismo para retirada desse filme de óxido e, ao mesmo tempo, criar uma atmosfera que impeça a sua regeneração durante a operação de soldagem. Na soldagem ao arco elétrico com proteção gasosa (MIG e TIG), o
próprio arco elétrico pode atuar no sentido de remover a camada de óxido ( no
caso da soldagem TIG é a metade da polaridade positiva (+) da
corrente alternada, que remove o filme refratário), enquanto que a
atmosfera de gás inerte impede a penetração do oxigênio
e, consequentemente, a formação de óxidos para promover a
regeneração da camada.
Vamos conhecer um pouco do alumínio e suas ligas.
Classificação e Designação
As ligas de alumínio são encontradas em duas condições básicas: fundidas e trabalhadas. Independentemente do processo de fabricação, as ligas são basicamente designadas em função do principal elemento de liga presente. Os materiais trabalhados podem ser encontrados na forma de laminados planos, extrudados e forjados, enquanto que as ligas fundidas, na forma de lingotes ou peças acabadas.
O sistema de designação, apresentado pela Aluminum Association (AA), classifica as ligas de alumínio de acordo com os critérios apresentados a seguir
e resumidos na tabela 1:
- Os materiais trabalhados são indicados por quatro dígitos: o
primeiro classifica a liga pela série, segundo o principal elemento
adicionado; o segundo dígito, se diferente de zero,
indica modificação na liga básica; e o terceiro e quarto dígitos,
para o alumínio comercial (série 1000), indicam o teor mínimo
desse metal e, para as ligas, identificam composição específica.
- Os materiais fundidos são designados com três dígitos, um ponto(. ) e um quarto digito: o primeiro dígito indica a liga pela série, segundo o principal elemento adicionado; o segundo e terceiro dígitos caracterizam
tratamento mecânico (deformação plástica). Como os tratamentos termomecânicos são muito importantes na determinação das propriedades finais do material, existe um sistema complementar indicando a condição de têmpera, isto é, o grau de endurecimento do material obtido por tratamento mecânico e/ou térmico. O sistema de designação é alfanumérico e posicionado após a designação referente à composição química (por exemplo: 2024 T4). As letras usadas são F, O, H, W e T, que representam as seguintes condições:
■ F - como fabricado: aplica-se aos produtos trabalhados que não
tiveram controles especiais relacionados com tratamentos
térmicos e/ou mecânicos.
■ O - recozido: utilizada para os produtos trabalhados que foram recristalizados e encontram-se na condição de menor dureza. ■ H - encruado: aplicada aos produtos trabalhados endurecidos por tratamento mecânico (deformação plástica) com ou sem tratamento térmico posterior para controle do grau de endurecimento. Essa letra é seguida de até três dígitos para indicar a condição específica de tratamento. O primeiro dígito indica a combinação específica de operações básicas, o segundo dígito indica a condição final de endurecimento, enquanto que o terceiro dígito designa variantes específicas (tabela 2). ■ W - solubilizado: corresponde a um tratamento térmico no qual ocorre completa solubilização das partículas e precipitados pelo aquecimento acima da temperatura de solubilização. Em seguida realiza-se um resfriamento brusco para manter, a temperatura ambiente, uma solução sólida supersaturada. Essa condição é indicada apenas para as ligas suscetíveis ao envelhecimento natural. ■ T - tratado termicamente: aplicada aos produtos para obter uma situação estável da microestrutura (além da condição O ou F ) e pode ser ou não seguida de tratamento mecânico; a letra T recebe um ou mais dígitos conforme indicado na tabela 2.
Tabela 2 - Sistema de classificação das ligas de alumínio em função do tratamento termomecânico.
Subdivisão para a têmpera H H1 - encruado somente H2 - encruado e parcialmente recozido H3 - encruado e estabilizado HX2 - 1/4 duro HX4 - 1/2 duro HX8 - duro HX9 - extra duro
Subdivisão para a têmpera T T1 - trabalho a quente + envelhecimento natural
T2 - trabalho a quente + encruamento + envelhecimento natural T3 - solubilização + encruamento + envelhecimento natural T4 - solubilização + envelhecimento natural T5 - trabalho a quente + envelhecimento artificial T6 - solubilização + envelhecimento artificial T7 - solubilização + estabilização (superenvelhecimento) T8 - solubilização + encruamento + envelhecimento artificial T9 - solubilização + envelhecimento artificial + encruamento T10 - trabalho a quente + encruamento + envelhecimento artificial TX51 - alívio de tensões por deformação TX52 - alívio de tensões por compressão TX53 - alívio de tensões por tratamento térmico
O alumínio e suas ligas, também como outros metais, não conseguimos saber qual é o seu tipo de liga, somente olhando para o metal. Na tabela nº 3 abaixo, de acordo com o equipamento a possivel liga de alumínio utilizada.
Tabela 3 - Principais aplicações das ligas de alumínio.
ÁREA DE ATUAÇÃO APLICAÇÕES
INDUSTRIA
AUTOMOTIVA
- trocadores de calor, rodas, eixos (ligas 6061),
- eixos de comando (liga 6061 forjada ou extrudada por impacto),
- motores (ligas A356, A380, A319),
- componentes de pára-choques, batentes e suportes (ligas 5052, 6009, 7021, 7004, 7021, 7029 para barras de face, ligas 6009, 6061, 7003, 7004, 7021, 7029 para reforços, e ligas 6009, 7021 para suportes),
- acentos de eixos (ligas 2036 e 6010 para revestimento, ligas 6010, 7003, 7004, 7129 para pistas de rolamento),
- piso de cargas (ligas 2036, 5182, 5754, 6009),
- chassis e componentes estruturais (ligas 6009, 6061, 6063, 6082, 6005, 7005),
- carroçaria (ligas 2036, 3004, 5052, 5182, 5754, 6009, 6010, 6022, 6111, 2008, 2010),
- defletores de ar (liga 6463),
- pistões,
- cabeçotes (ligas A356, A380, A319)
- molas (ligas 5454, 6061, A356.0)
- elementos de suspensão (6061 forjado)
INDÚSTRIA
AEROESPACIAL
- estruturas (ligas 2219, 2014, 2024, 7075, 2090),
- mísseis (liga A357),
- turbinas (liga 711.0),
- equipamentos aeroespaciais (ligas 6061, 6013),
- aeronaves (liga 355.0).
INDÚSTRIA NAVAL
- estruturas (ligas 6061, 5086, 5083),
- equipamentos sujeitos a atmosfera marítima (ligas 518.0, 535.0)
- revestimentos (ligas 5052, 5086, 6061, 5083),
armazenamento e manuseio desse material, de modo a evitar a sua contaminação. Prevenindo a contaminação durante o armazenamento e o manuseio, reduz-se o esforço e o custo associado à descontaminação previamente à soldagem.
A melhor recomendação para o trabalho com as ligas de alumínio consiste na designação de uma área física específica e exclusiva para esse material, com ferramentas e acessórios adequados. A limpeza nesse local deve ser um item de especial atenção, pois muitos contaminantes são oriundos do ambiente de fabricação industrial comum (óleo, graxa, partículas de abrasivos, limalhas de ferro etc.). O ambiente para armazenamento deve ser coberto, seco e com temperatura uniforme para evitar a exposição e condensação de água na superfície do material.
O alumínio é muito suscetível à formação de porosidade durante a soldagem. O maior responsável por essa ocorrência é o hidrogênio, normalmente introduzido na forma de hidrocarbonetos (óleos e graxas) e umidade (água). A condensação de água na superfície do material é particularmente indesejável, pois a água acumulada entre as chapas produz uma fina camada de óxido hidratado, que além de ser uma fonte de hidrogênio para formação de porosidade, é uma barreira dielétrica que produz instabilidade no arco elétrico. Portanto, quando houver necessidade de armazenar chapas de ligas de alumínio por um longo período, sugere-se que elas sejam protegidas com uma cobertura impermeável.
Na preparação para soldagem, as etapas seguintes são as que envolvem o corte e a preparação do chanfro. As ligas de alumínio são cortadas e conformadas pelos processos tradicionalmente empregados para essas operações, excluindo-se os processos oxi-combustíveis, que não se aplicam devido ao ponto de fusão dessas ligas ser inferior à temperatura de ignição da reação de oxidação. O corte mecânico é uma alternativa muito utilizada devido à boa qualidade da superfície obtida, havendo a possibilidade, entretanto, de ocorrer deformações, principalmente nas bordas, dependendo do método de corte mecânico empregado. O corte plasma e o laser são alternativas que estão crescendo, face à maior disponibilidade desses processos e à sua alta flexibilidade para cortar geometrias complexas com grande precisão e de forma muito rápida.
A última etapa preliminar à montagem para soldagem é a limpeza dos componentes da junta. Essa etapa é requerida para retirar os contaminantes acumulados nas etapas anteriores e a camada de óxido que existe na superfície das ligas de alumínio. Quanto menor for a quantidade de contaminantes presente, menores serão o custo e o tempo para uma limpeza efetiva.
A limpeza deve ser efetuada tão próximo do momento da soldagem quanto possível, pois a camada de óxido começa a se regenerar imediatamente após a sua remoção. Existem dois métodos diferentes de limpeza: química e mecânica. A limpeza química pode variar desde a simples aplicação de um solvente (acetona ou álcool) até um ataque químico com solução de soda caústica e/ou ácido nítrico para (acetona ou álcool) até um ataque químico com solução de soda caústica e/ou ácido nítrico para decapagem da superfície do material. No caso da limpeza por ataque químico, se a soldagem for executada logo após essa limpeza, pode-se dispensar a limpeza mecânica. No caso da limpeza com solvente, a limpeza mecânica previamente à soldagem é recomendada. A limpeza mecânica é, em geral, efetuada com uma escova de aço inoxidável, exclusiva para a limpeza de peças de alumínio.
Pré aquecimento - Em alguns casos, nos quais se vai soldar peças muito espessas, o pré-aquecimento é recomendado para evitar que o calor aportado pelo processo de soldagem escoe através do material sem produzir a fusão localizada. O pré-aquecimento deve ser estabelecido e controlado criteriosamente, pois pode modificar sensivelmente as propriedades do metal base. Deve-se portanto, optar por processos de soldagem com alto aporte de calor para evitar a necessidade de pré-aquecimento em peças não muito espessas. Para selecionar a temperatura de pré-aquecimento deve-se considerar a liga que está sendo soldada, o processo e parâmetros de soldagem, a espessura do material e a configuração da junta. Em geral, a temperatura de pré-aquecimento situa-se na faixa de 100ºC a 150ºC, não devendo exceder o limite de 200ºC. O tempo de pré-aquecimento deve ser o mínimo possível para evitar maior deterioração das propriedades mecânicas da junta soldada.
Metais de adição
A Tabela abaixo - mostra a seleção dos metais de adição em função
dos metais base para a soldagem do
alumínio.
