O Que é Zona Afetada pelo Calor (ZAC)?

A Zona Afetada pelo Calor (ZAC), também conhecida como ZTA – Zona Termicamente Afetada (que não é o termo mais adequado), refere-se à região de um material que sofre mudanças significativas em sua microestrutura e propriedades mecânicas devido ao calor gerado durante processos de soldagem, tratamento térmico ou até mesmo pelo processo de corte. Quando o calor é aplicado a um material, como durante a soldagem, uma área localizada é exposta à altas temperaturas, o que leva a gradientes térmicos e mudanças subsequentes na estrutura do material. A ZAC está localizada entre o cordão de solda fundido e o metal de base, conforme figura abaixo:

Entender a ZAC é crucial em processos de soldagem e tratamento térmico por várias razões:

• Integridade da Solda: A ZAC desempenha um papel crítico na determinação da resistência geral e integridade de uma junta soldada. Ela atua como uma zona de transição entre o material base e o metal de solda, e quaisquer mudanças em sua microestrutura e propriedades podem afetar o desempenho e durabilidade da estrutura soldada.
• Propriedades Mecânicas: A ZAC frequentemente exibe diferentes propriedades mecânicas em comparação com o material base devido aos ciclos térmicos que ocorrem durante a soldagem ou tratamento térmico. Essas mudanças podem incluir variações de dureza, tenacidade, ductilidade e tensões residuais. Controlar o tamanho e a intensidade da ZAC é necessário para garantir que o material resultante atenda às especificações necessárias e desempenhe conforme o previsto em projeto.
• Soldabilidade: A ZAC pode apresentar desafios em termos de soldabilidade. Ela é propensa a problemas como trincas, redução de resistência e distorção, o que pode afetar a qualidade e confiabilidade da junta soldada. Entender a ZAC ajuda na seleção adequada de processos de soldagem, parâmetros e materiais de adição para minimizar esses desafios.
• Efeitos do Tratamento Térmico: Em processos de tratamento térmico como recozimento, têmpera ou revenimento, a ZAC passa por ciclos térmicos que podem afetar a microestrutura e propriedades do material. O conhecimento da ZAC é essencial para controlar e otimizar o processo de tratamento térmico e alcançar as características desejadas do material.

Formação e Características da ZAC

Aporte de calor (ou também aporte térmico ou energia de soldagem) durante a soldagem e seus efeitos no material base

Durante a soldagem, uma quantidade significativa de calor é aplicada ao material base nas proximidades da junta, como podemos ver na figura abaixo, a qual ilustra um gráfico de temperatura durante a soldagem de uma chapa com o processo TIG. Podemos ver que tem regiões que passam de 2000K (1726ºC) para 800K (526ºC) em um período de tempo muito rápido.

O aporte de calor pode ser na forma de um arco elétrico, feixe de laser ou à chama, dependendo do processo de soldagem utilizado. A intensidade e a duração do aporte de calor dependem do processo de soldagem e dos parâmetros utilizados. O calor é necessário para fundir e solidificar o consumível e o metal de base para fazer a união soldada de uma junta, porém faz com que o material base também alcance temperaturas elevadas e taxas de resfriamentos rápidos, o que leva a vários efeitos térmicos como:

• Gradiente Térmico: O aporte de calor cria um gradiente térmico dentro do material, com as maiores temperaturas ocorrendo próximo à poça de fusão e diminuindo gradualmente em direção ao material base. O gradiente térmico resulta em uma taxa de resfriamento rápida na região adjacente à poça de fusão, formando assim a ZAC, levando a mudanças microestruturais nessa região.
• Transformações de Fases: As temperaturas elevadas na ZAC podem causar transformações de fases no material base. Por exemplo, em aços carbono, a ZAC pode induzir a formação de austenita (formada somente em alta temperaturas (acima de 712ºC) nesses aços), seguida por resfriamento rápido, faz com que a austenita se transforme em martensita e em distâncias maiores, que vai ter taxas de resfriamento menores, pode formar em bainita ou ferrita. Todas essas transformações podem ocorrer em diferentes taxas de resfriamento durante um ciclo térmico.

Diferentes regiões afetadas pelo calor de uma junta e alterações microestruturais

Para cada tipo de material, ocorrem transformações diferentes, mas para os aços carbono, as diferentes regiões da ZAC estão ilustradas na figura abaixo:

Metal de solda: Metal solidificado resultante do processo da soldagem.

Zona de crescimento de grãos: Zona em que ocorre o crescimento rápido do grão austenítico devido a exposição à temperaturas próximas ao ponto de fusão. Quanto maior for o grão austenítico, mais fácil ele pode se transformar em martensita, ou seja, maior dureza poderá chegar nessa região.

Zona de refinamento de grão: é uma região expostas a temperaturas onde há transformação em austenita, mas não tem temperatura suficiente para estes grãos crescerem, então diminui a chance de formar martensita e consequentemente tem pouca chance de ter alteração na dureza.

Zona de transformação parcial: Zona em que a temperatura chegou em patamares que transformou somente uma parcela da microestrutura em austenita fina e o restante manteve a fase em ferrita revenida.

Metal de base: A temperatura não foi suficiente para ter alterações no metal de base.

Todas essas transformações devem ser verificadas pelo diagrama de fases da liga em que se vai trabalhar, para poder prever as transformações que podem ocorrer nos materiais, no exemplo dado neste artigo foi o do aço carbono, então devemos analisar o diagrama Fe-C ilustrado na figura a seguir:

Propriedades da ZAC

Como cada região da ZAC tem microestruturas diferentes, estas também apresentam propriedades físicas e mecânicas distintas em comparação com o material base, podendo ocorrer:

Variação de Dureza: A ZAC frequentemente mostra um gradiente de dureza, com a maior dureza ocorrendo adjacente à zona de fusão e diminuindo gradualmente em direção ao material base. Essa variação na dureza é principalmente atribuída às mudanças na microestrutura e à formação de diferentes fases.

Resistência e Tenacidade: A ZAC pode ter resistência e tenacidade reduzidas em comparação com o material base, especialmente se experimentar taxas de resfriamento rápidas. Isso pode ser atribuído a fatores como crescimento de grãos, microestrutura alterada e a presença de fases potencialmente frágeis.

Tensões Residuais: Os ciclos térmicos e o resfriamento não uniforme na ZAC podem resultar no desenvolvimento de tensões residuais. As tensões residuais podem ter implicações para a estabilidade dimensional do material, distorção e susceptibilidade a trincas.

Fragilização: A ZAC pode se tornar frágil (perca de ductibilidade, ou resistência ao impacto) dependendo da composição da liga, aporte de calor e taxa de resfriamento, que podem ocorrer formações de fases que fragilizam o material.

Resistência a corrosão: As alterações microestruturais também podem formar fases indesejadas como fase sigma e outros precipitados em aços inoxidáveis e duplex, que comprometem a resistência a corrosão da liga.

Fatores que afetam o tamanho e as propriedades da ZAC

O aporte de calor, como visto anteriormente é o responsável pelas alterações na ZAC, e esta energia é quantificada pela multiplicação da corrente de soldagem com a tensão e dividida pela velocidade de soldagem, então é possível dizer que:

• Quanto maior a corrente da soldagem, maior é o aporte de calor.
• Quanto maior a tensão de soldagem, maior é o aporte de calor.
• Quanto maior for a velocidade de soldagem, menor é o aporte de calor.

Conhecendo isso, conseguimos parametrizar o processo de soldagem para que possamos controlar o tamanho da ZAC, na qual quanto maior o aporte de calor, maior a ZAC devido a gradientes térmicos mais elevados e maior exposição a temperaturas elevadas.

Conhecendo os efeitos do aporte de calor e das transformações da ZAC, consegue-se entender que para aços carbono:

• Aporte de calor alto: Maior ZAC, menor dureza e a resistência ao impacto pode ser comprometida
• Aporte de calor baixo: Menor ZAC, maior dureza e melhor resistência ao impacto. Pode ocorrer falta de fusão durante a soldagem devido à baixa energia de soldagem.

Então precisamos trabalhar em uma faixa de aporte de calor que fique em uma faixa adequada para o material, onde nao vai estar tão baixa e nem tão alta para garantir a qualidade de uma junta soldada.

Estratégias para minimizar problemas relacionados à ZAC

• Parâmetros de soldagem otimizados: A seleção de parâmetros de soldagem adequados, como aporte de calor (tensão, corrente e velocidade de soldagem adequada), pode ajudar a controlar o tamanho e os efeitos térmicos na ZAC. Isso inclui encontrar um equilíbrio entre garantir uma fusão suficiente e minimizar a extensão dos gradientes térmicos e mudanças microestruturais associadas.
• Entender sobre o material a ser soldado para conhecer as alterações que podem ocorrer durante a soldagem.
• Pré-aquecimento e pós-aquecimento: A aplicação de pré-aquecimento e/ou pós-aquecimento, podem ajudar a mitigar tensões residuais, reduzir a suscetibilidade a trincas à frio (ou por hidrogênio) e também diminui a taxa de resfriamento da ZAC, diminuindo a dureza nesta região.

Tratamento térmico após soldagem (TTPS): Os tratamentos térmicos pós-soldagem, como alívio de tensões, recozimento ou revenido, podem aliviar tensões residuais, melhorar a microestrutura da ZAC e suas propriedades mecânicas.

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