Todos os materiais metálicos adequados aos processos de soldagem podem ser desempenados por chama, desde que sejam consideradas as propriedades específicas de cada um. São necessárias diferentes estratégias de desempeno por chama para os diversos tipos de materiais. Elas dependem das características do material, como os coeficientes de dilatação e de condutibilidade térmica e a qualidade superficial, bem como dos valores das propriedades metalúrgicas e mecânicas. Os parâmetros que devem ser considerados durante o desempeno por chama são a temperatura durante o processo, o tipo de resfriamento e o tamanho da tocha, bem como o ajuste adequado da mistura de acetileno e oxigênio e os tipos de restrições à dilatação térmica.

A dilatação térmica do material exerce uma influência particular sobre o resultado do desempeno por chama. Materiais com altos coeficientes de dilatação térmica sofrerão alongamentos muito altos durante a fase de aquecimento, os quais provocarão graus de restrição e recalque particularmente intensos. A contração subsequente apresenta intensidade correspondente. A figura 1 mostra essa situação de forma geral.

Fig. 1 – Características da dilatação térmica de diversos materiais

A partir dela, pode-se constatar que a temperatura de desempeno por chama exerce influência decisiva sobre a dilatação linear. Uma barra feita de aço não-ligado ou com baixa liga terá alongamento de 1,3 mm sob temperatura de 100°C, ao passo que ela apresentará dilatação linear de 9,1 mm ao alcançar a temperatura ótima de desempeno por chama, de 600 a 650°C. Quanto maior for o valor da dilatação linear absoluta, maior será o efeito da contração.

 Todos os materiais metálicos apresentam redução do seu módulo de elasticidade – e, junto com ele, da sua resistência mecânica – sob temperaturas crescentes. Por sua vez, sua ductilidade se eleva. O aquecimento de partes limitadas do componente na região plástica promoverá o escoamento do material, o qual sofre recalque devido à restrição à sua dilatação exercida pelas áreas circundantes mais frias. Quanto maior for a temperatura, mais plástica se tornará a região aquecida e, portanto, melhor será o efeito de desempeno. O valor da temperatura durante o desempeno por chama é limitado em razão das características metalúrgicas, uma vez que o superaquecimento do material pode levar a alterações das suas propriedades, danificando-o permanentemente. Portanto, diferentes materiais requerem temperaturas adequadas para o seu desempeno por chama (ver tabela 1).

 

Desempeno por chama de aços estruturais, estruturais com grão fino e laminados termomecanicamente

A temperatura para desempeno por chama situa-se na faixa entre 550 e 800°C, em que o aço se apresenta incandescente, sob a qual é possível evitar alterações microestruturais. Geralmente o resfriamento ocorre ao ar calmo. A aplicação de resfriamento rápido pode reduzir o tempo de desempeno no caso de chapas finas e menos sensíveis, mas esse procedimento não intensifica o efeito de desempeno. Aços com alta resistência mecânica, com limite de escoamento superior a 500 MPa, estão sendo cada vez mais usados na fabricação de guindastes, máquinas e pontes. Uma vez que esses materiais possuem altos níveis de resistência mecânica em razão de tratamentos térmicos, é necessário que o fabricante deles forneça diretrizes sobre o seu processo de desempeno por chama e a respeito da evolução exata de temperatura que deve ser observada.

Os fabricantes proíbem o desempeno por chama para alguns tipos de aço. Uma vez que a temperatura desse processo não pode ultrapassar 700°C, geralmente não se espera que ele prejudique as propriedades do material. No caso de aços estruturais com grão fino beneficiados, podem ser aplicadas temperaturas superiores às correspondentes ao tratamento de revenimento somente durante curtos períodos de tempo. Em todos os casos é necessário obter corpos de prova para o controle das condições de manufatura. O aporte e dissipação de calor na peça sob processamento precisam manter uma relação ajustada entre si. Para o desempeno por chama de aços estruturais, estruturais com grão fino e para caldeiras é preciso aquecer profundamente as regiões selecionadas do material, ou então efetuar o aquecimento de todas as regiões da peça. Nesses casos é conveniente trabalhar com o cone de chama “distante” (figura 2). Normalmente, a mão de obra especializada em desempeno por chama trabalha com esses aços usando um cone de chama “em contato”, ou seja, nesse caso, a ponta do cone de chama toca a superfície da peça (figura 2). O uso de um cone de chama “achatado” ocorre quando se deseja aquecer apenas a superfície. Dessa forma se melhora a transferência de calor em relação ao uso de cone de chama “em contato”. Deve-se observar que, ao se adotar o cone de chama “achatado”, o risco de fusão da superfície é muito alto.

Fig. 2 – Distância e configuração do cone de chama

 

Desempeno por chama de componentes zincados a quente

Componentes zincados a quente podem ser desempenados por chama sem que seja prejudicada a proteção à corrosão promovida pela camada superficial de zinco. Também nesse caso a temperatura mais adequada a ser aplicada durante esse processo é a mesma em que o aço se apresenta incandescente, com cor vermelho escuro. Contudo, no caso de componentes zincados a quente, é difícil saber quando tal temperatura foi alcançada. O processamento fica mais fácil ao se aplicar o metal de adição-fluxo para brasagem forte do tipo FH 10, conforme a norma técnica DIN EN 1045. Dessa forma, obtém-se uma melhor indicação da temperatura verdadeira em razão da faixa de temperaturas de trabalho desse material, protegendo simultaneamente a superfície contra a oxidação. Investigações mostraram que a camada de zinco aquecida e protegida por esse fluxo tornou-se mais espessa e apresentou melhor união com o metal-base. A chama de acetileno-oxigênio utilizada possibilitou a sua incidência sobre a superfície da peça sob menores velocidades.

 

Desempeno por chama de aços austeníticos ao cromo-níquel

O desempeno por chama de aços austeníticos ao cromo-níquel não altera a morfologia microestrutural do material desde que a temperatura aplicada durante esse processo corresponda à faixa em que o aço se apresente incandescente. Consegue-se rapidamente bom grau de recalque e efeito de desempeno em razão da menor condutibilidade e da maior dilatação térmica desse material. Um resfriamento rápido, por exemplo, com água ou neve de dióxido de carbono, influencia positivamente as propriedades e a resistência à corrosão desses aços.

Aços austeníticos ao cromo-níquel frequentemente são desempenados por chama mantendo-se uma pequena distância entre o cone da chama e a superfície da peça, além de excesso de oxigênio (figura 2). Sob tais condições é possível evitar a exposição de carbono no ponto de desempeno pelo estabelecimento de uma chama com zona de trabalho neutra. A exposição de carbono poderia levar à formação de carbonetos de cromo nos contornos de grão, caso a chama atuasse durante prolongados períodos de tempo sob temperaturas de desempeno acima do valor máximo permissível (1.000°C). Essa formação de carbonetos colocaria em risco a resistência à corrosão do material, pois favoreceria o início da corrosão intercristalina.

Há uma regra empírica para o desempeno por chama de aços austeníticos ao cromo-níquel: o aquecimento e resfriamento devem ocorrer da forma mais rápida possível. Teores mais altos de carbono no aço reduzem o tempo de aquecimento. Após o processo de desempeno por chama, os óxidos formados na superfície precisam ser removidos ou minimizados por decapagem, polimento ou uso de atmosfera de purga para que seja suprimida com segurança a ocorrência de corrosão. Durante o desempeno a quente são necessários os mesmos cuidados normalmente adotados durante a soldagem.

As regras a seguir devem ser observadas durante o desempeno por chama de aços austeníticos ao cromo-níquel:

1 – Limpeza da superfície: não deve haver nenhuma impureza ou resíduo sobre a superfície, já que eles poderão se queimar durante o processo;

2 – Restringir a dilatação térmica: esta regra é particularmente importante durante o desempeno de aços austeníticos altamente ligados, uma vez que eles apresentam maiores coeficientes de dilatação térmica, o que faz com que ocorram significativas deformações durante o aquecimento;

3 – Usar tochas com tamanho reduzido: uma vez que os aços austeníticos de alta liga apresentam baixa condutibilidade térmica, o uso de tochas menores evita a ocorrência de superaquecimento nos pontos de desempeno;

4 – Ajustar a chama com excesso de oxigênio (de 30 a 50%): nunca deve ser usada uma chama com excesso de acetileno durante o desempeno desses materiais, uma vez que isso aumenta o risco de precipitação de carbonetos nos contornos de grão e de corrosão intercristalina;

5 – Aquecimento rápido: o material poderá sofrer degradação após longos períodos de aquecimento. Ao invés disso, é melhor aplicar calor por múltiplos períodos de tempo de curta duração;

6 – Observar a faixa recomendada de temperaturas: podem ocorrer alterações microestruturais em razão da interação entre tempo de permanência e temperatura aplicada. Quanto menor for a temperatura máxima, menor será o tempo de resfriamento e, dessa forma, haverá redução do período de tempo em que poderá ocorrer alterações microestruturais. A faixa de temperatura recomendada para o desempeno a quente é de 650 a 800°C;

7 – Rápido resfriamento para cada ponto de desempeno: não há risco de aumento da dureza do material, mesmo no caso de resfriamento rápido. Podese usar água para acelerar o arrefecimento. Quando isso não for possível, o resfriamento pode ser feito com ar comprimido ou neve de dióxido de carbono. Durante o processamento de chapas perfuradas pode-se controlar a taxa de resfriamento usando uma contra-chapa espessa.

8 – Remover carepas e cores de revenimento: a qualidade da superfície nos pontos de desempeno pode ser restaurada por decapagem, jateamento com esferas de vidro ou esmerilhamento. Geralmente, também é feita a limpeza do lado posterior ao ponto de desempeno. Caso esse não seja acessível, recomenda-se o uso de gás de purga durante a execução do desempeno por chama.

Devem ser utilizadas apenas ferramentas feitas de aço inoxidável austenítico ou que apresentem superfície cromada.

 

Desempeno por chama de alumínio e suas ligas

O coeficiente de dilatação térmica das ligas de alumínio é o dobro do correspondente aos aços não-ligados ou com baixa liga. Portanto, nesse grupo de materiais as distorções decorrentes da aplicação de processos de soldagem mostram-se de forma particularmente intensa. No caso do alumínio e de algumas de suas ligas macias, essas distorções podem ser efetivamente remediadas por estiramento do cordão de solda ou pelo uso de prensa. O desempeno por chama de ligas à base de alumínio deve ser feito usando-se chama neutra ou com ligeiro excesso de acetileno (abaixo de 1%). A superfície da peça sofre reação ao se utilizar chama com excesso de oxigênio. A consequência disso é o surgimento de coloração cinza permanente na região aquecida. Pequenos excessos de acetileno não prejudicam a qualidade da superfície.

A distância entre o cone da chama e a superfície da peça sob processamento deve ser maior em relação à observada com os aços austeníticos, levando-se em consideração o menor ponto de fusão das ligas de alumínio (figura 2). Em função da alta condutibilidade térmica, são usadas tochas maiores no caso das ligas de alumínio, em comparação com as utilizadas no processamento de aços não-ligados ou com baixa liga. Em muitos casos, a dilatação térmica muito alta faz com que seja necessário restringir o alongamento que ocorre durante o aquecimento por meio de dispositivos mecânicos.

Dependendo da liga de alumínio, a temperatura de desempeno situa-se se entre 150 e 450°C. Não é possível identificar cores de áreas revenidas de forma consistente no caso delas. Contudo, dentro da faixa de 250 a 280°C (região do marrom claro) é possível controlar a temperatura de desempeno por chama de forma rápida e simples por meio de aparas de madeira ou usando bastões especiais cuja cor varia com a temperatura (chamados de bastões Thermocolor). Não é recomendado o uso de termômetros eletrônicos de contato em razão da inércia que ocorre na leitura deles. Os pirômetros são igualmente excluídos devido à necessidade de se ajustar os valores corretos de emissividade sob as condições industriais específicas.

As seguintes regras devem ser observadas durante o desempeno por chama do alumínio e suas ligas:

1 – Limpeza da superfície: a superfície deve ser limpa com acetona após escovação ou esmerilhamento;

2 – Restrição da dilatação térmica: o alumínio apresenta coeficientes de dilatação térmica que são o dobro dos relativos aos aços não-ligados ou de baixa liga;

3 – Usar tochas de maior tamanho: é necessário usar tochas maiores em razão da maior condutibilidade térmica do alumínio. Em geral, para chapas com espessura a partir de 3 mm, são usadas tochas com tamanho um número maior do que o normalmente observado para os aços não-ligados ou com baixa liga;

4 – Adaptar as condições da chama conforme a peça que está sendo processada: normalmente se usa chama neutra. Para desempenar chapas finas (com espessura de até 1,5 mm) deve ser usada chama com excesso de acetileno (abaixo de 1%). O uso de chama com excesso de oxigênio causará reação na superfície da peça e, consequentemente, a região aquecida apresentará coloração cinzenta permanente. O ligeiro excesso de acetileno não prejudica a superfície;

5 – Aquecimento rápido até a temperatura correta: no caso de ligas de alumínio não há como saber se foi atingida a temperatura para desempeno por chama sem o uso de meios auxiliares que possibilitem determinar esse parâmetro. Uma vez que não ocorre alteração das cores da superfície associadas à temperatura que ela apresenta, pode ocorrer uma rápida fusão da superfície da peça. Outro aspecto problemático é o estreito intervalo entre a temperatura de desempeno por chama e a temperatura de fusão. Os meios auxiliares utilizados para determinar temperaturas no intervalo de trabalho do desempeno por chama de ligas de alumínio são aparas de madeira, bastões e sensores térmicos, bem como fluxos para brasagem que apresentem temperatura definida de trabalho;

6 – Manutenção da temperatura correta: a temperatura do desempeno por chama depende do tipo de liga de alumínio. A faixa de temperaturas é de 150 e 450°C.

 

Desempeno por chama de cobre e suas ligas

Componentes e estruturas feitos de cobre e suas ligas podem ser desempenados por chama. A propriedade mais importante do cobre é a sua alta condutibilidade térmica, que é seis vezes superior à do aço. Uma vez que durante o desempeno por chama deve haver o menor fluxo possível de calor através do material circundante, é necessário aquecer a peça sob altos aportes térmicos. A dilatação térmica é significativamente maior em relação à do aço. Isso requer uma cuidadosa restrição nos pontos de desempeno. A faixa de temperaturas usada no desempeno por chama de cobre é de 600 a 800°C. O ajuste da chama da tocha é neutro (sem excesso de oxigênio). O ponto de desempeno deve ser resfriado com água. Eventualmente, a camada de óxido deve ser retirada.

 

Resfriamento adequado após o desempeno por chama

A seleção do meio de resfriamento a ser aplicado após o desempeno por chama deve ser feita em função do tipo de material e da espessura da peça que está sendo processada. Um resfriamento adequado após o desempeno por chama proporciona uma extração compatível de calor desde a periferia até o centro da zona de aquecimento. Em nenhuma hipótese o arrefecimento deve ocorrer imediatamente em toda a região aquecida (figura 3).

A aplicação do resfriamento com água ou ar comprimido não contribui para o sucesso do desempeno por chama. Contudo, o processo se torna mais rápido. Já o resfriamento adicional das regiões circundantes em relação aos pontos onde ocorrerá desempeno por chama, durante a fase de aquecimento, influencia positivamente o recalque e aumenta o efeito de desempeno de forma correspondente. No caso de aços estruturais (S235) o arrefecimento forçado geralmente não causa problemas. No caso de aços estruturais com grão fino, já a partir do S355, deve-se evitar resfriamentos bruscos. Aqui se aplicam as mesmas recomendações da soldagem (ver a ficha de material Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 088). Deve-se observar, entre outros aspectos:

• O surgimento de tensões inadmissíveis;
• O surgimento de microestrutura temperada;
• Velocidades críticas de resfriamento para chapas com espessura superior a 25 mm;
• Distorções adicionais no caso de resfriamento heterogêneo; • Solicitações na região de trabalho provocadas pelo uso de água.

No caso de aços austeníticos ao cromo-níquel o calor precisa ser extraído rapidamente da peça sob processamento, de forma a restringir a precipitação de carbonetos que pode prejudicar sua resistência à corrosão. Não ocorrem transformações microestruturais ou surgimento de microestrutura de têmpera no caso desse aço. Em princípio, os componentes feitos com aços austeníticos ao cromo-níquel podem ser resfriados com água em abundância ou na forma de névoa. Também ficou comprovado que o uso de neve de gás carbônico constitui um meio de resfriamento efetivo. Nesse caso, é necessário que haja suficiente ventilação ou a utilização de dispositivos adequados para garantir a segurança dos trabalhadores. Componentes feitos de alumínio e suas ligas podem ser resfriados de forma e ficiente com água, névoa úmida ou ar comprimido.

Fig. 3 – Resfriamento após o desempeno por chama

 

As “regras de ouro” do desempeno por chama

Efetuar medições: primeiramente é necessário caracterizar a distorção para que seja possível efetuar um desempeno por chama adequado. É possível determinar as deformações a partir das medições dos desvios de medida em termos do formato e tamanho do componente. Devem ser marcados pontos de referência, sendo os resultados das medições anotados sobre o componente.

Examinar o lado longo: a ação do aporte de calor faz com que regiões do componente apenas se encurtem. As juntas soldadas já são curtas. Portanto, elas não devem ser aquecidas de forma direta. Regiões que já foram aquecidas durante a soldagem devem ser evitadas, uma vez que a zona termicamente afetada da junta soldada já se encontra sob recalque.

Restrição da dilatação térmica: durante o aquecimento o componente se alonga nas regiões aquecidas. Para se obter a máxima eficiência do desempeno, o alongamento precisa ser restrito durante o aquecimento para que se consiga o grau de recalque necessário das regiões aquecidas.

Gás combustível (acetileno): não é possível executar o desempeno por chama sem usar a chama gerada por acetileno e oxigênio. A mistura de gás combustível/oxigênio durante o desempeno precisa atingir a superfície da peça sob processamento na forma de fluxo com alta velocidade de incidência e alta densidade de fluxo de calor. Gases que se queimam lentamente, como propano ou gás natural, precisam de mais tempo para o aquecimento global, em razão das suas características de queima em relação ao acetileno; além disso, devido aos valores mais altos de suas razões de mistura com o oxigênio, eles formam chamas mais volumosas. Dessa forma ocorre o aquecimento das regiões circundantes em relação aos pontos a serem desempenados por chama. A consequência disso é a ocorrência de abaulamento da região aquecida. O grau de desempeno obtido será insatisfatório.

Escolha da tocha: o tamanho da tocha deve ser escolhido em função do tipo de material e espessura da peça a ser processada.

Duração do aquecimento localizado: somente se consegue um desempeno a quente adequado quando a duração do aquecimento localizado é adequadamente dimensionada. A região aquecida deve ser pequena. A opção por múltiplas e diminutas regiões aquecidas proporciona o desempeno mais eficaz que a escolha por uma única região aquecida. Devem ser aplicadas cunhas aquecidas, esbeltas e agudas, sobre a peça a ser desempenada, as quais deverão apresentar razão entre largura e altura igual a 1:3.

Recalque por deformação plástica: o aporte de calor deve ser dimensionado de forma tal que o ponto a ser desempenado por chama alcance o limite de plastificação (acima do limite de escoamento). O material “escoa” quando se encontra na região plástica pela restrição à dilatação térmica. Isso ocorre por meio do recalque da região aquecida. Durante o resfriamento essa região se contrai conforme a fração de material que sofreu recalque; além disso, a restrição à dilatação térmica perde sua razão de ser. Isso pode ser verificado durante a progressão do resfriamento; por exemplo, as cunhas ou “macacos”, usados para restringir a dilatação térmica, se afrouxam e param de aplicar a força anteriormente ajustada. A peça sob processamento sofreu deformação.

Contração até a temperatura ambiente: a peça sob processamento se contrai até atingir a temperatura ambiente ou até ocorrer equalização de temperatura entre a zona de desempeno e as regiões circundantes.

Medição: a medição do grau de desempeno somente pode ser feita no componente resfriado. Só então deverão ser identificados novos pontos para desempeno, caso não tenha sido alcançada a tolerância requerida.

Treinamento: o desempeno por chama requer prática, persistência e treinamento adequado.

 

Treinamento de mão de obra especializada no desempeno por chama

Um desempeno por chama adequado requer treinamento e prática intensivos. O treinamento de mão de obra especializada no desempeno por chama, de acordo com a diretriz DVS 1145 “Mão de Obra Especializada em Desempeno por Chama pela D.V.S.” (editada pela Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados – Deutscher Verband für Schweiβen und verwandt Verfahren), proporciona o conhecimento necessário. Esse treinamento é oferecido de forma modular e reúne, num mesmo centro de formação, o curso e suas avaliações. Ele é constituído por três módulos:

Módulo 1

Aulas sobre conhecimentos básicos do desempeno por chama de perfis laminados feitos de chapas finas e grossas, e estruturas soldadas feitas com aços não-ligados e de baixa liga;

Módulo 2

Aulas sobre conceitos aprofundados acerca do desempeno por chama com uso de gás de purga em perfis laminados feitos de chapas finas e grossas, e estruturas soldadas feitas com aços austeníticos ao cromo-níquel e aços estruturais de grão fino;

Módulo 3

Aulas sobre conhecimentos avançados de desempeno por chama de perfis laminados feitos de chapas e de estruturas soldadas feitas de ligas de alumínio.

Após aprovação em exame efetuado ao término do módulo, o participante obtém um certificado de especialização em desempeno por chama para o respectivo campo de aplicação. A mão de obra submetida a treinamento bem-sucedido conforme a diretriz DVS 1145, “Especialistas em Desempeno por Chama pela DVS” (DVS – Flammrichtfachkraft), deve estar em condições de atuar de forma profissional em:

• Identificar e reparar distorções;
• Aplicar corretamente os meios auxiliares durante o desempeno;
• Selecionar a tocha certa;
• Selecionar o sistema de alimentação de gás necessário à tarefa;
• Atender às normas de segurança em vigor;
• Aplicar os conhecimentos sobre o material e seu comportamento.