Zona Afectada pelo Calor (ZAC)
A Zona Afectada pelo Calor (ZAC) é a região do metal de base que, sem ter atingido a fusão, sofre alterações microestruturais irreversíveis em consequência do ciclo térmico imposto pelo processo de soldadura. A sua extensão e características determinam, em grande medida, a integridade mecânica da junta soldada.
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1. O Ciclo Térmico de Soldadura
Cada ponto da ZAC é sujeito a um ciclo térmico específico — aquecimento rápido seguido de arrefecimento — cuja intensidade depende da distância à linha de fusão e dos parâmetros operatórios.
O parâmetro fundamental é o aporte térmico efectivo (ET_ef):
$$ET_{ef} = \frac{\eta \times U \times I}{v}$$
onde:
- η = eficiência térmica do processo (ex.: 0,80 para GMAW; 0,65 para GTAW)
- U = tensão de arco (V)
- I = intensidade de corrente (A)
- v = velocidade de soldadura (mm/s)
A unidade é J/mm. Este valor rege a temperatura máxima atingida em cada ponto, o tempo de permanência a alta temperatura e a velocidade de arrefecimento.
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2. Temperatura de Pico — Fórmula de Rykalin
Para a soldadura de chapas, Rykalin (1953) estabeleceu a relação entre a temperatura de pico (T_p) e a distância (y) à linha de fusão:
$$\frac{1}{T_p - T_0} - \frac{1}{T_f - T_0} = \frac{ET_{ef}}{4{,}13 \times \rho c \times t \times y^2}$$
Parâmetros:
- T₀ = temperatura inicial da peça (°C)
- T_f = temperatura de fusão do material (≈ 1500 °C para aços C-Mn)
- ρc = capacidade calorífica volumétrica (≈ 0,0044 J/mm³·°C para aço)
- t = espessura da chapa (mm)
- y = distância à linha de fusão (mm)
Exemplo numérico
Dados: ET_ef = 720 J/mm; T₀ = 20 °C; T_f = 1500 °C; t = 10 mm; y = 1,5 mm.
$$T_p \approx 20 + \frac{1}{0{,}000845} \approx \mathbf{1204\ °C}$$
A 1,5 mm da linha de fusão, o metal atinge cerca de 1200 °C — temperatura suficiente para grosseirização significativa do grão austenítico.
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3. Sub-zonas da ZAC
| Sub-zona | T_p (°C) | Microestrutura típica | Propriedades |
|---|---|---|---|
| Grão grosseiro (CGHAZ) | 1100–1500 | Grão austenítico muito grande; martensite ou bainite superior | Resistência elevada; tenacidade reduzida |
| Grão fino (FGHAZ) | 900–1100 | Grão austenítico refinado | Tenacidade aceitável |
| Intercrítica (ICHAZ) | 723–900 | Transformação parcial; heterogeneidade local | Dureza variável; risco de fragilização |
| Recozimento subcrítico (SCHAZ) | 200–723 | Sem mudança de fase; alívio de tensões | Ligeira redução de resistência |
A sub-zona de grão grosseiro é a mais crítica: a austenite dissolve os carbonetos a alta temperatura, permite crescimento ilimitado do grão e, após arrefecimento rápido, produz microestruturas frágeis (martensite de alto carbono, bainite superior).
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4. Velocidade de Arrefecimento e Espessura Crítica
Chapa fina (fluxo bidimensional): $$\frac{dT}{dt} = \frac{2\pi \times \lambda \times (T-T_0)^3}{ET_{ef}^2 \times \rho c}$$
Chapa espessa (fluxo tridimensional): $$\frac{dT}{dt} = 2\pi \times \lambda \times \rho c \times \left(\frac{T - T_0}{ET_{ef}}\right)^2$$
Espessura de transição: $$h_t = 0{,}9 \times ET_{ef}\sqrt{\frac{\rho c}{\lambda \times (T_c - T_0)}}$$
O Δt₈/₅ obtido compara-se com as curvas CCT do aço para prever a microestrutura final.
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5. Equivalente de Carbono — EN 1011-2
$$CE = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
| CE | Risco de fendilhamento a frio | Acção recomendada |
|---|---|---|
| < 0,35 | Baixo | Sem pré-aquecimento |
| 0,35–0,45 | Moderado | Pré-aquecimento 75–150 °C |
| 0,45–0,60 | Elevado | Pré-aquecimento 150–300 °C |
| > 0,60 | Muito elevado | Pré-aquecimento > 300 °C |
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6. Soldadura Multipasso
Cada cordão successivo reaquece a ZAC anterior. Este reaquecimento pode refinar o grão grosseiro (melhoria de tenacidade), originar zonas intercríticas locais (risco em aços de alto carbono) ou temperar martensite do passe anterior. A sequência e a temperatura entre passes devem ser definidas no WPS conforme EN ISO 15614-1.
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7. Medidas de Controlo Práticas
- Aporte térmico — Respeitar os limites do WPS.
- Pré-aquecimento — Fundamental quando CE > 0,35.
- Temperatura entre passes — Manter dentro dos limites do WPS.
- TTPS — Alívio de tensões a 550–650 °C para aços C-Mn.
- Consumível de baixo hidrogénio — HD ≤ 5 ml/100 g de metal depositado.
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Referências
- EN 1011-2:2001 — *Welding. Recommendations for welding of metallic materials. Part 2: Arc welding of ferritic steels.* CEN, Brussels.
- Lancaster, J.F. — *Metallurgy of Welding.* 6th ed. Abington Publishing, Cambridge, 1999.
- Chiaverini, V. — *Tecnologia Mecânica: Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas.* Vol. 1. McGraw-Hill, São Paulo.
- Rykalin, N.N. — *Berechnung der Wärmevorgänge beim Schweissen.* VEB Technik, Berlin, 1953.