Tipos diferentes de solda | Resumos Engenharia Mecânica

Processo de soldagem aluminotérmico

Aluminotermia é um processo que produz a coalescência de metais, em outras palavras um

processo aluminotérmico consiste na redução dos óxidos metálicos a partir do alumínio para a

obtenção de respectivos metais. Em 1895 o alemão Hans Goldschmidt, patenteou o processo

aluminotérmico, no que consiste na oxidação do alumínio pelo óxido de outro metal, em geral

um óxido de ferro. A reação é exotérmica, portanto, uma vez iniciada, é autossustentável.

Atualmente a aplicação mais comum do processo é a soldagem de trilhos ferroviários em

comprimentos contínuos.

A reação aluminotérmica ocorre de acordo com a seguinte equação: óxido de metal +

alumínio(pó) + óxido de alumínio + metal + calor. A reação só é iniciada e completa, se a

afinidade do oxigênio com o redutor for maior do que a afinidade do oxigênio como o óxido do

metal a ser reduzido.

O calor gerado pela reação exotérmica resulta em um produto líquido constituído por metal e

óxido de alumínio, se a densidade da escória for maior do que a densidade do metal elas se

separam imediatamente.

Algumas reações e suas energias térmicas produzidas segundo AWS Welding Handbook – 2:

3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3 : H = 3350kj

3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3 : H = 880kj

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 : H = 850kj

3CuO + 2Al → 3Cu + Al2O3 : H = 1210kj

3Cu2O + 2Al → 6Cu + Al2O3 : H = 1060kj

A primeira das reações acima é a mais utilizada como base de misturas para a aluminotermia.

As proporções das misturas geralmente são de cerca de três partes em peso de óxido de ferro

a uma parte de alumínio, a temperatura teórica fornecida por esta reação é de cerca de 3100°

C. A adição de componentes não reativos e a perda de calor com o recipiente e por radiação,

reduzem a temperatura para cerca de 2400° C, ou seja, a temperatura máxima permitida pelo

fato do alumínio vaporizar a cerca de 2500° C, por outro lado, a temperatura não pode ser

menor porque a escória de alumínio (Al2O3) solidifica em 2040° C.

A reação aluminotérmica requer um pó de ignição especial, esse pó ira produzir calor

suficiente para elevar o pó de térmite em contato com a haste para a temperatura de ignição

que é cerca de 1200° C

As partes a serem soldadas devem ser alinhadas corretamente, as faces a serem unidas devem

ser livres de ferrugem, sujeiras, umidades e graxa. As partes devem ser alinhadas e, no

espaçamento entre as mesmas, o metal líquido, que escorre por gravidade em um molde

específico para a aplicação, tem em torno de duas vezes a temperatura de fusão do metal base

das peças, o que possibilita a soldagem em pouco tempo

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Processo de soldagem aluminotérmico Aluminotermia é um processo que produz a coalescência de metais, em outras palavras um processo aluminotérmico consiste na redução dos óxidos metálicos a partir do alumínio para a obtenção de respectivos metais. Em 1895 o alemão Hans Goldschmidt, patenteou o processo aluminotérmico, no que consiste na oxidação do alumínio pelo óxido de outro metal, em geral um óxido de ferro. A reação é exotérmica, portanto, uma vez iniciada, é autossustentável. Atualmente a aplicação mais comum do processo é a soldagem de trilhos ferroviários em comprimentos contínuos. A reação aluminotérmica ocorre de acordo com a seguinte equação: óxido de metal + alumínio(pó) + óxido de alumínio + metal + calor. A reação só é iniciada e completa, se a afinidade do oxigênio com o redutor for maior do que a afinidade do oxigênio como o óxido do metal a ser reduzido. O calor gerado pela reação exotérmica resulta em um produto líquido constituído por metal e óxido de alumínio, se a densidade da escória for maior do que a densidade do metal elas se separam imediatamente. Algumas reações e suas energias térmicas produzidas segundo AWS Welding Handbook – 2: 3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3 : H = 3350kj 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3 : H = 880kj Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 : H = 850kj 3CuO + 2Al → 3Cu + Al2O3 : H = 1210kj 3Cu2O + 2Al → 6Cu + Al2O3 : H = 1060kj A primeira das reações acima é a mais utilizada como base de misturas para a aluminotermia. As proporções das misturas geralmente são de cerca de três partes em peso de óxido de ferro a uma parte de alumínio, a temperatura teórica fornecida por esta reação é de cerca de 3100° C. A adição de componentes não reativos e a perda de calor com o recipiente e por radiação, reduzem a temperatura para cerca de 2400° C, ou seja, a temperatura máxima permitida pelo fato do alumínio vaporizar a cerca de 2500° C, por outro lado, a temperatura não pode ser menor porque a escória de alumínio (Al2O3) solidifica em 2040° C. A reação aluminotérmica requer um pó de ignição especial, esse pó ira produzir calor suficiente para elevar o pó de térmite em contato com a haste para a temperatura de ignição que é cerca de 1200° C As partes a serem soldadas devem ser alinhadas corretamente, as faces a serem unidas devem ser livres de ferrugem, sujeiras, umidades e graxa. As partes devem ser alinhadas e, no espaçamento entre as mesmas, o metal líquido, que escorre por gravidade em um molde específico para a aplicação, tem em torno de duas vezes a temperatura de fusão do metal base das peças, o que possibilita a soldagem em pouco tempo

Perdas normais de calor causam a solidificação do metal e a coalescência ocorre, completando-se o processo. Para peças grandes, é necessário um pré-aquecimento, dentro do molde, para secá-lo e colocá-lo à temperatura adequada. Tal processo guarda uma similaridade com a fundição, mas difere principalmente pela alta temperatura envolvida no mesmo. Um espaçamento apropriado deve ser fornecido entre as faces, o tamanho dependerá da largura da junta, logo é necessário um molde que pode ser construído sobre as peças ou pré – fabricado e é colocado em torno da junta a ser soldada. Para fabricar uma junta de topo as faces devem ser pré – aquecidas e alguns requisitos devem ser levados em conta como, eliminar os defeitos típicos que aparecem em peças fundidas, fornecer um fluxo apropriado de aço fundido e evitar a turbulência quando o metal flui para dentro da junta. Aplicações Uma aplicação da soldagem aluminotérmica é a soldagem ferroviária em comprimentos contínuos, o processo é muito eficaz, pois, elimina o número de juntas parafusadas na estrutura das vias. A soldagem de trilhos de transporte de carvão ajuda a minimizar a manutenção e reduzem o derramamento excessivo de carvão causado por faixas irregulares. Trilhos de guindaste são soldados e minimizam a manutenção conjunta e a vibração do guindaste que passa sobre a articulação. Para soldagem de trilhos são empregados atualmente três métodos tecnologicamente equivalentes, cuja principal diferença consiste no modo de conduzir o calor às extremidades dos trilhos. Primeiro método: Processo de soldagem com nervura chata. Neste processo as pontas dos trilhos são envolvidas com formas pré-fabricadas e preaquecidas até uma temperatura de aproximadamente 1000°C. O tempo de pré-aquecimento depende do perfil do trilho, durando em média de 5 a 9 minutos. A característica deste processo é a vantagem econômica, quando à disposição dos intervalos de trens são maiores de que 25 minutos. Segundo método: Processo de soldagem com pré-aquecimento curto. Neste processo para a característica e a soldagem em linhas com tráfego denso, o processo com pré-aquecimento curto apresenta, mesmo com um custo mais elevado devido ao uso de maiores porções da mistura, é interessante pela economia de tempo de execução. O pré-aquecimento curto, de

Equipamentos e Segurança Para a execução do processo de soldagem aluminotérmico são necessários os seguintes equipamentos, cadinho, molde, coletores de escória e algumas vezes podem ser utilizadas lixadeiras especiais para trilhos de trens. A presença de umidade no cadinho ou sobre as peças a serem soldadas pode levar a uma formação rápida de vapor. A pressão do vapor pode causar uma ejeção violenta do metal fundido. Por isso devemos armazenar todos os matérias e equipamentos em lugar seco. A área onde será realizada a soldagem deve estar isenta de qualquer combustível que possa ser inflamado por faíscas ou pequenas partículas de metal fundido. O controle de qualidade da solda feita no processo aluminotérmico para aplicações em ferrovias limita-se, geralmente, ao exame dos indicadores superficiais de qualidade, tais como, alinhamento do boleto e da borda de rolamento, aparência da solda, isenta de fissuras, porosidade ou inclusão de escória na sua superfície. Em casos específicos podem ser executados, na via, determinações de dureza, usando-se instrumentos portáteis. Para testes não destrutivos, introduziu-se nos últimos anos o ultrassom, por constituir-se num método rápido e relativamente simples na detecção de falhas em ligações soldadas. Em outras ocasiões pode ser requisitado um ensaio de fadiga. Para averiguar-se a resistência estática, o ensaio de ruptura é o mais importante e indicado, por permitir que o rompimento da solda ocorra no seu ponto mais frágil, revelando eventuais imperfeições da solda após a ruptura. O ensaio de ruptura é realizado numa prensa. O trilho é assentado com o patim sobre dois apoios distanciados de 1 metro, de forma que o martelo da prensa aja sobre o boleto no centro da solda. A carga é aplicada lentamente, aumentando-se gradativamente até a ruptura. Os valores significativos deste ensaio são a carga de ruptura e a flecha existente no instante da ruptura. Outros indicadores importantes da qualidade são a localização e o aspecto da ruptura. O ensaio de ruptura não só é o teste mais importante na comprovação da qualidade de uma solda, mas também é uma exigência que a maioria das ferrovias do mundo impõe para o recebimento das porções dentro dos padrões pré-estabelecido.

Conclusão Uma das maiores vantagens do processo é a facilidade de trabalho, o custo dos equipamentos são relativamente baixo, e uma mão de obra especializada não é requerida para uma rotina simples de trabalho. Outros aspectos positivos do processo aluminotérmico para soldagem destacam-se a flexibilidade para soldagem no campo, um tempo de execução pequeno, a dispensa do uso de energia elétrica, a não necessidade de complexos aparatos e equipamentos. Outro fator é facilidade das soldas poderem ser feitas com as peças praticamente em qualquer posição, desde que a cavidade do cadinho tenha paredes suficientemente verticais para o metal escorrer rapidamente. Dentre os aspectos negativos destaco aqueles que em comparação com outros. Um deles é a necessidade de cuidados especiais quanto à segurança do operador e do local, a necessidade de moldes específicos para cada tipo de aplicação. Para grandes aplicações a necessidade de peças grandes e é necessário um pré-aquecimento, além de ser necessário muita mistura para o preenchimento do espaço entre as partes, aumentando o custo da operação. Longe de ser considerado um processo obsoleto a soldagem aluminotérmica tem grande aplicação em um campo onde seu domínio é visível.

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