Soldagem-Fundamentos-e-Tecnologia-Alexandre-Bracarense-Paulo-Marque

Universidade Federal de Minas Gerais (teitor: Cléfio CampoSrta Diniz Wce-Rtitora: Rocksane de Carvalho Norton Editora UFMG Diretor: Wander Melo Miranda Vice-Diretor: Roberto Alexandre do Carmo Said Conselho Editorial Winder Melo Miranda (presidente) Ravio de Lemos Carsalade Hdocsa Marta Murgd Starfing M irdo Gomes Soares Maria das Grafas Santa Bárbara Marta Helena Damasceno e SSva Megale Paulo Sífgio Lacerda B erio Roberto Alexandre do Carmo Said Paulo Villani Marques Paulo José Modenesi Alexandre Queiroz Bracarense SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3a edição atualizada 1a reimpressão BELO HORIZONTE | EDITORA UFMG 2011 Coordenação Editorial Assistência Editorial Editoração de texto Revisão e normalização Revisão de provas Atualização ortográfica Projeto gráfico Formatação e capa Produção gráfica Danivia Wotff EBane Sousa e Euciídia Macedo Ana Maria de Moraes María do Carmo Leite Ribeiro Alexandre Vasconcelos de Melo Karen M. Chequer e Daniel 10 Silva Paulo Schmidt Warren Maniac Warren Marüac 2005, Paulo Vtllani Marques, Paulo losé Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense ©2005, Editora UFMG © 2007,2* ed. rev. e ampl. © 2009,3* ed. atual. 2011, l*reimpr. Este livro ou parte dele não pode ser reproduzido sem autorização escrita do Editor. M357s Marques, Paulo Villani Soldagem: fundamentos e tecnologia / Paulo Vilani Marques, Paulo José Modenesi, Ataundre Queroz Bracarense - 3* níçâo atuaüzada • Beto Horizonte: Etftora UFMG. 2009. 363 p.1- (Didática) Incfcn btfaSografta. IS8N: 978-85-7041-7480 1. Soldagem. 2. Solda e soldagem. I. Modenesi, Paulo José. II. Bracarense. Alexandre Queiroz. (II. Tttulo. COO; 621.791 ____________________________________________________________________________CDU: 621.791___________ Ficha catalogrifica elaborada pela CCQC - Central de Controle de Qualidade da CatalogaçSo da Biblioteca Universitária da UFMG Editora UFMG Av. Antônio Carlos, 6.627 - Ala direita da Biblioteca Central - térreo Campus Pamputha - CEP 31270-901 • Belo Horizonte/MG Tel.: +55 31 3409-4650 | Fax: +55 31 3409-4768 |edtora@ufmgi>r | wvweditora^fmgJjr SUMÁRIO PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO 13 PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES 14 APRESENTAÇÃO 15 PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM Capítulo 1 Introdução è Soldagem 1. Métodos de união dos metais 17 2. Definição de soldagem 18 3. Formação de uma junta soldada 19 4. Processos de soldagem 21 5. Comparação com outros processos de fabricação 23 6. Breve histórico da soldagem 25 7. Exercícios 27 Capítulo 2 Terminologia e Simbologia da Soldagem 1. Introdução 29 2. Terminologia da soldagem 30 3. Simbologia da soldagem 36 4. Exercício 41 Capítulo 3 Princípios de Segurança em Soldagem 1. Introdução 43 2. Roupas de proteção 44 3. Choque elétrico 45 4. Radiação do arco elétrico 46 5. Incêndios e explosões 48 6. Fumos e gases 48 7. Outros riscos 49 8. Recomendações finais 49 9. Exercícios 50 Capítulo 4 0 Arco Elétrico de Soldagem 1. Introdução 51 2. Características elétricas do arco 52 3. Características térmicas do arco 56 4. Características magnéticas do arco 57 5. Exercícios e práticas de laboratório 61 Capítulo 5 Fontes de Energia para Soldagem a Arco 1. Introdução 63 2. Requisitos básicos das fontes 63 3. Fontes convencionais 64 4. Fontes com controle eletrônico 72 5. Conclusão 79 6. Exercícios 80 Capítulo 6 ‘ Fundamentos da Metalurgia da Soldagem 1. Introdução 81 2. Metalurgia física dos aços 82 3. Fluxo de calor 88 4. Macroestrutura de soldas por fusão 92 5. Características da zona fundida 93 6. Características da zona termicamente afetada 98 7. Descontinuidades comuns em soldas 100 8. Exercícios e práticas de laboratório 112 Capítulo 7 Tensões Residuais e Distorções em Soldagem 1. Introdução 113 2. Desenvolvimento de tensões residuais em soldas 115 3. Consequências das tensões residuais 119 4. Distorções 121 5. Controle das tensões residuais e distorção 123 6. Exercícios 125 Capítulo 8 Automação da Soldagem 1. Fundamentos 127 2. Equipamentos 130 3. Programação de robôs para a soldagem 133 4. Aplicações industriais 134 5. Exercícios 135 Capítulo 9 Normas e Qualificação em Soldagem 1. Introdução 137 2. Normas em soldagem 139 3. Registro e qualificação de procedimentos e de pessoal 141 4. Exercícios 145 Capítulo 10 Determinação dos Custos de Soldagem 1. Introdução 151 2. Custo da mão de obra 152 3. Custo dos consumíveis 153 4. Custo de energia elétrica 155 5. Custo de depreciação 155 6. Custo de manutenção 156 7. Custo de outros materiais de consumo 156 8. Considerações finais 156 9. Exemplo 157 10. Exercício 159 PARTE 2 PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINS Capítulo 11 Soldagem e Corte a Gás A-Soldagem a gás 1. Fundamentos 161 2. Equipamentos 162 3. Consumíveis 167 4. Técnica operatória 170 5. Aplicações industriais 173 1. Fundamentos 174 2. Equipamentos 175 3. Consumíveis 176 4. Técnica operatória 177 5. Aplicações industriais 179 6. Exercícios e práticas de laboratório 180 B- Oxi-Corte Capítulo 12 Soldagem com Eletrodos Revestidos 1. Fundamentos 181 2. Equipamentos 183 3. Consumíveis 186 4. Técnica operatória 196 5. Aplicações industriais 202 6. Exercícios e práticas de laboratório 203 Capítulo 13 Soldagem TIG 1. Fundamentos 205 2. Equipamentos 206 3. Consumíveis 211 4. Técnica operatória 214 5. Aplicações industriais 217 6. Exercícios e práticas de laboratório 217 Capítulo 14 Soldagem e Corte a Plasma Soldagem 1. Fundamentos 219 2. Equipamentos 221 3. Consumíveis 223 4. Técnica operatória 225 5. Aplicações industriais 227 Corte 1. Fundamentos 228 2. Equipamentos 228 3. Consumíveis 230 4. Técnica operatória 230 5. Aplicações industriais 232 6. Exercícios 232 Capítulo 15 Soldagem MIG/MAG e com Arame Tubular A - Soldagem MIG/MAG 1. Fundamentos 233 2. Equipamentos 244 3. Consumíveis 248 4. Técnica operatória 252 5. Aplicações industriais 254 B- Soldagem com arames tubulares 1. Fundamentos 255 2. Equipamentos 256 3. Consumíveis 257 4. Técnica operatória 261 5. Aplicações industriais 261 6. Exercícios e práticas de laboratório 261 Capítulo 16 Soldagem a Arco Submerso 1. Fundamentos 263 2. Equipamentos 265 3. Consumíveis 268 4. Técnica operatória 272 5. Aplicações industriais 275 6. Exercícios e práticas de laboratório 275 Capítulo 17 Soldagem por Eletroescória e Eletrogás A - Soldagem por eletroescória 1. Fundamentos 277 2. Equipamentos 279 3. Consumíveis 281 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 283 287 B- Soldagem eletrogás 1. Fundamentos 288 2. Equipamentos 289 3. Consumíveis 289 4. Técnica operatória 290 5. Aplicações industriais 290 6. Exercícios 291 Capítulo 18 Soldagem por Resistência 1. Fundamentos 293 2. Equipamentos 296 3. Técnica operatória 300 4. Aplicações industriais 304 5. Exercícios 306 Capítulo 19 Processos de Soldagem de Alta Intensidade A - Soldagem a laser 1. Fundamentos 307 2. Equipamentos 309 3. Técnica operatória 310 4. Aplicações industriais 312 B- Soldagem com feixe de elétrons 1. Fundamentos 313 2. Equipamentos 313 3. Técnica operatória 314 4. Aplicações industriais 315 5. Exercícios 315 Capítulo 20 Outros Processos de Soldagem 1. Soldagem por fricção convencional 317 2. Variações recentes da soldagem por fricção 320 3. Soldagem por explosão 323 4. Soldagem por aluminotermia 326 5. Soldagem a frio 329 6. Soldagem por ultrassom 330 7. Soldagem por laminação 331 8. Exercícios 333 Capítulo 21 Brasagem 1. Fundamentos 335 2. Equipamentos 337 3. Consumíveis ' 338 4. Técnica operatória 346 5. Aplicações industriais 349 6. Exercícios 349 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 351 ÍNDICE ALFABÉTICO 353 SOBRE OS AUTORES 363 PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO Em uma era de constantes mudanças, quebras de paradigmas e crescente valorização do capital intelectual, a Universidade, através dos autores de Soldagem - fundamentos e tecnologia, transcende o conceito de Academia — baluarte da ciência pura — disponibili zando sólidos e modernos conhecimentos na área de soldagem. A tão cobrada e mencionada Responsabilidade Social está aqui perfeitamente demonstrada no pleno engajamento dos autores, pesquisadores renomados, difundindo ricos ensinamentos obtidos ao longo de anos de estudos e pesquisas. Com este livro, busca-se uma forma mais abrangente de divulgação, acessível a toda a sociedade, ao contrário das apostilas, que possuem um público limitado e exclusivo. A soldagem, tema caracterizado por alta complexidade, porém de importância e aplicação inquestionável em todos os setores da indústria, é aqui tomada fácil, de entendimento imediato, e perfeitamente ajustada às autênticas necessidades dos leitores. A sequência apresentada permite o entendimento do tema de forma gradativa e constante. Inicia-se pelos conceitos fundamentais e terminologias; introduz informações direcionadas sobre física do arco elétrico e eletricidade; define os equipamentos e dispositivos de soldagem, os riscos e a forma segura de operação. A metalurgia da soldagem é apresentada com uma linguagem clara e objetiva, permitindo a assimilação de sua dinâmica. O livro conclui a vasta caminhada pelos conhecimentos no assunto com uma ampla abordagem dos processos de soldagem. Todo o conteúdo é enriquecido com ilustrações de nítido caráter explicativo. As questões apresentadas ao final de cada capítulo permitem ao leitor avaliar o grau de entendimento e avançar além do texto, incitando-o a expor suas ideias. A adequação desta obra à realidade é perfeita. No momento em que o mercado exige, de forma contundente, profissionais abertos ao aprendizado permanente, alertas para captar tendências ou inventar técnicas apropriadas para contornar riscos e aproveitar oportunidades, Soldagem - fundamentos e tecnologia toma-se um recurso inestimável para se atingir um nível de excelência, cumprindo o seu papel de difundir ideias com elevada eficácia. Eng0. Helder Aguiar Neves PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES No momento em que nosso país discute o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), lançado pelo Governo Federal, e começa a trabalhar com a perspectiva de resolver seus graves problemas sociais ancorado no crescimento da economia, é mais que oportuno o lançamento de uma nova edição de um livro que traz tão importantes contribuições ao desenvolvimento científico e tecnológico. Soldagem é um dos mais importantes processos de fabricação e está presente no dia-a-dia de todos nós. É parte integrante dos currículos de cursos de Engenharia Mecânica, Nuclear e Metalúrgica em praticamente todas as Escolas de Engenharia, além de ser destacada área dos cursos técnicos em Mecânica e Metalurgia. Os Doutores Paulo Villani Marques, Paulo José Modenesi e Alexandre Queiroz Bracarense, professores da Escola de Engenharia da UFMG e pesquisadores de reconhecida competência, no Brasil e no exterior, tiveram a louvável iniciativa de produzir um texto didático genuinamente brasileiro para atender às necessidades de estudantes e de profissionais que trabalham nas áreas afins. * Os conceitos são apresentados com clareza e de forma didática, permitindo aos leitores um fácil entendimento dos conceitos e uma aprendizagem consistente dos mais modernos processos. Além disso, são apresentados os equipamentos e consumíveis utilizados através de desenhos de excelente qualidade. O cuidado dos autores na abordagem ampla e precisa dos diversos aspectos ligados a essa área salta aos olhos. Além dos aspectos técnicos, o livro dedica especial atenção aos princípios básicos, à história, à terminologia, à segurança, às normas técnicas è aos custos ligados à soldagem. Os diversos processos contemplados em capítulos específicos são apresentados de forma simples, direta e objetiva. A divisão uniforme dos capítulos em seções - Fundamentos, Equipamentos, Consumíveis, Técnica Operatória, Aplicações Industriais, Exercícios e Práticas de Laboratório - apresenta-se como ferramenta de fundamental importância para o entendimento dos processos. Destacam-se as práticas laboratoriais e os problemas propostos que complementam e criam as habilidades necessárias ao exercício desta atividade. Esta obra reflete os esforços de profissionais que além da competência técnica e científica demonstram excepcional espírito público e indiscutíveis qualidades didáticas. Não há dúvidas de que os leitores terão muito prazer na leitura deste livro e que inúmeros estudantes de Cursos Técnicos e de Engenharia se interessarão por esta área do conhecimento. Prof. Márcio Ziviani Diretor Executivo - Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa APRESENTAÇÃO Este texto surgiu do desejo e da necessidade de ampliar e atualizar uma obra anterior, publicada em 1991. Muitos foram os avanços obtidos no campo da soldagem desde então e, particularmente no Brasil, muitas novidades surgiram com a abertura do mercado, a partir de 1994. A oportunidade foi criada quando a PROGRAD - Pró-Reitoria de Graduação da UFMG lançou um edital para a seleção de projetos de produção de material didático para a graduação, em meados de 2003. Contudo, como esta não seria uma tarefa fácil, pois soldagem é um tema muito abrangente, convidei os colegas da UFMG Prof. Dr. Paulo José Modenesi e Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense para dividirem comigo esta empreitada. Tendo por base o texto de 1991, decidimos que esta nova obra seria dividida em 21 Capítulos, tendo cada um de nós assumido a produção de sete deles. O Prof. Modenesi se responsabilizou pelos Capítulos 1 ,2 ,4 ,5 ,6 ,7 e 9; o Prof. Bracarense pelos Capítulos 8, 16,17,18,19.20 e 21, e eu, pelos demais, isto é, os Capítulos 3,10,11,12,13,14 e 15. Esta divisão foi motivada por questões práticas e de afinidade com os temas abordados. Entre setembro e novembro de 2003, trabalhamos nos textos individualmente, mas procurando manter uma mesma orientação geral, através de reuniões periódicas. Os capítulos produzidos foram enviados a técnicos atuantes na área de soldagem em nível industrial e acadêmico, para revisão e críticas, o que foi feito nos meses de dezembro de 2003 e janeiro de 2004. Em fevereiro de 2004, após outras reuniões para ajustes de orientação e manutenção da unidade da obra, as críticas e sugestões dos revisores foram incorporadas, chegando-se ao texto final. Além de conhecimentos técnicos atualizàdos, procuramos colocar no texto experiên cias na área acadêmica e industrial obtidas no nosso trabalho em ensino, pesquisa e extensão na UFMG. Tentamos, também, oferecer alguma contribuição no que se refere à terminologia de soldagem usada no país, que é muitas vezes confusa e redundante, resultado da tradução livre, adoção e adaptação de termos de outras línguas e falta de normalização nacional. 1l ufil FUNOAMarmSE TECNOLOGIA Nesta edição, foram feitas pequenas alterações no texto de vários capítulos, para tornar mais claros alguns conceitos expressos, bem como foram corrigidos os erros da primeira edição, na linguagem, figuras e equações. Muitas pessoas e organizações contribuíram para que se chegasse a este resultado final. Em especial, agradeço aos Profs. Modenesi e Bracarense pela disposição em dividir o trabalho e pela sua dedicação a ele; ao Prof. Dr. Ronaldo Pinheiro da Rocha Paranhos, da UENF, pela contribuição nos Capítulos 3 e 10; ao Prof. Modenesi pelas ilustrações e fotos; aos Profs. Américo Scotti e Valtair Antônio Ferraresi, da UFU, pelos filmes sobre tranferência metálica; ao Prof. Paranhos, aos Engos. Carlos Castro. Francisco de Oliveira Filho, Gustavo Alves Pinheiro, Helder Aguiar Neves, José Roberto Domingues e Óder Silva de Paula Júnior e a minha esposa Maria das Victórias de Mello Villani Marques, pela revisão e sugestões; às empresas ESAB, RBG e SOLDAGERAIS, pela disponibilização de informações técnicas, fotos e equipamentos; à PROGRAD e ao DEMEC, da UFMG, pelo suporte financeiro e logístico, e a minha filha Paula de Mello Villani Marques, pela digitação. Finalmente, a todos que direta ou indiretamente tornaram possível a conclusão deste trabalho, gostaria de manifestar minha gratidão e agradecimentos e apresentar minhas desculpas pela incapacidade de citá-los nominalmente. Paulo Villani Marques PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À SOLDAGEM 1. Métodos de União dos Metais Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias prin cipais, isto é, aqueles baseados na ação de forças macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas — interatômicas e intermoleculares. No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebi tagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, a união é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, ou destes e de um material intermediário adicionado à junta, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a brasagem, a soldagem e a colagem. A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado indus trialmente. Este método de união, considerado em conjunto com a brasagem, tem importante aplicação desde a indústria microeletrônica até a fabricação de navios 1n tni nABfia FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA e outras estruturas com centenas ou milhares de toneladas de peso. A soldagem é utilizada na fabricação de estruturas simples, como grades e portões, assim como em componentes encontrados em aplicações com elevado grau de responsabilidade, como nas indústrias química, petrolífera e nuclear, e também na criação de peças de artesanato, joias e de outros objetos de arte. 2. Definição de Soldagem Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recupe ração de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo "SOLDAGEM". Classicamente, a soldagem é considerada como um processo de união, porém, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgasta das ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados com a soldagem são usados para corte de peças metálicas e em muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem. Na literatura, encontram-se algumas tentativas de definição da soldagem: • "Processo de união de metais por fusão." Deve-se ressaltar que não apenas os metais -são soldáveis e que é possível se soldar sem fusão. • "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas.” Nessa definição, o termo "continuidade" é utilizado com um significado similar ao adotado na matemática. Isto é. considera-se que. embora as propriedades possam variar ao longo de uma junta soldada, esta variação não apresenta quebras abruptas como ocorre, por exemplo, em uma junta colada na qual a resistência mecânica muda abruptamente entre um componente da junta e a cola. • "Processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de metais e não-metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição." Esta definição, adotada pela Associação Americana de Soldagem (American Welding Society-AWS), é meramente operacional, não contribuindo com o aspecto conceituai. Finaliza-se com uma última definição, esta baseada no tipo de forças responsáveis pela união dos materiais: • “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais, na região de ligação entre os materiais que estão sendo unidos." Esta última definição engloba também a brasagem (Capítulo 21), que pode ser considerada, neste contexto, como um processo de soldagem. CArtTUU) 1 INTRODUÇÃO SOIDAKM A 3. Formação de uma Junta Soldada De uma forma simplificada, uma peça metálica pode ser considerada como formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0, na qual a energia do sistema é mínima, como mostra a Figura 1. Figura 1 Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tenden do a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situação não se mantém, pois os átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto, um maior nível de energia do que os átomos no seu interior. Esta energia pode ser reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação de uma ligação permanente, uma solda entre as peças seria formada, como ilustrado na Figura 2. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo. Solda Figura 2 Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas, exceto em condições muito especiais. A explicação para isto está na existência de obstáculos que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordem de ro. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos: <q 19 SOLDAGEM rUNDAMENTOS E TECNOLOGIA • As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e submicroscópica. Mesmo uma superfície muito bem polida apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atômicas. Isto impede uma aproximação efetiva das superfícies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o número de ligações formadas é insuficiente para garantir qualquer resistência para a junta. • As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxido, umidade, gordura, poeira etc. (Figura 3), o que impede um contato real entre as superfícies, prevenindo a formação da solda. Estas camadas se formam rapidamente e resultam exatamente da existência de ligações químicas incompletas na superfície. Figura 3 Representação esquemática da estrutura de urna superfície metálica em contato com o ar. A- metal não afetado, B - metal afetado, C - camada de óxido, D - água e oxigênio absorvidos, E-gordura e F • partículas de poeira Para superar estes obstáculos, dois m étodos principais são utilizados, os quais originam os dois grandes grupos de processos de soldagem. O prim eiro consiste em deformar as superfícies de contato, perm itindo a aproximação dos átomos a distâncias da ordem de r0 (Figura 4). As peças podem ser aquecidas localmente de m odo a facilitar a deformação das superfícies de contato. S olda Figura 4 Soldagem poi pressão ou deformação CAPÍTULO 1 i o , INTRODUÇÃO Á SOLDAGEM *■ 1 O segundo m étodo se baseia na aplicação localizada de calor na região da junta até a fusão do metal de base e do metal de adição (quando este é utilizado). Como resultado desta fusão, as superfícies entre as peças são eliminadas e, com a solidi ficação do metal fundido, a solda é formada (Figura 5). M etal d e 1adição M etal de base t 7N / Solda .... (a) (b) Figura 5 (a) Representação esquemática da soldagem por fusão, (b) Macrografia de uma junta Uma maneira de classificar os processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois grandes grupos baseando-se no m étodo dom inante para produzir a solda: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deform ação) e (b) processos de soldagem por fusão. 4. Processos de Soldagem 4.1 - Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por forjamento, por ultrassom, por fricção, por difusão, por explosão, entre outros. 4.1.2 Processos de soldagem por fusão Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em subgrupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. Dentre estes, os processos de soldagem a arco (fonte de energia: arco elétrico) são os de maior im portância industrial na atualidade. Devido à ten dência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos 99 “ SOIOACQI FUUSAMOfTOSincmiDGtA processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações. A Tabela I mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características principais. Tabela I - Processos ds soldagem por fusão Processo Fonte de calor Tipo de Agente protetor corrente e polaridade Outras carcterísticas Aplicações Soldagem Aquecimento Contínua ou alternada por eletro- por resistên cia da escória escória liquida Escória Automática/Mecanizada. Junta na vertical. Arame alimentado mecanicamente na poça de fusão. Não existe arco elétrico. Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. espessura 2 50 mm. Soldagem de pe ças de grande espessura, eixos etc. Contínua ou alternada. Escória Automática/mecaniz. ou semiautomática. 0 arco arde sob uma camada de fluxo granular. Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. Espessura a 10 mm. Posição plana ou horizontal de peças estru turais, tanques, vasos de pressão etc. Escória e gases Manual. Vareta metálica recoberta por camada de gerados fluxo. Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro. metais preciosos, reativos ede baixo pomo de fusão. Usado na soldagem em geral. Soldagem a arco submerso Arco elétrico Soldagem com eletrodo revestido Arco elétrico Eletrodo + Contínua ou alternada. Eletrodo + ou - Soldagem Arco elétrico com arame tubular Soldagem M1G/MAG Arco elétrico Soldagem a plasma Arco elétrico Soldagem TIG Arco elétrico Contínua. Eletrodo + Contínua. Eletrodo + Continua. Eletrodo - Continua ou alternada. Eletrodo - Soldagem por feixe de elétrons Feixe de elétrons Contínua. Alta tensão. Peça + Escória e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO, Automático ou semiauto mático. 0 fluxo está contido dentro de um arame tubular de pequeno diâmetro. Automática/mecaniz. ou Argdnio ou Hélio. Argônio semiautomática. 0 arame + 0,. Argônio + é sólido. COr CO, Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga com espes sura & 1 mm. Soldagem de chapas, tubos etc. Soldagem de aços carbono, babe eattaBga. nãoferrosos, com espessura £1 mm. Soldagem de tubos, chapas etc. Qualquer posiçõo. Argônio. Hélio ou Argônio + Hidrogênio Manual ou automática. 0 arame é adicionado separada mente. Eletrodo não oonsumfvel de tungstônio. 0 arco é constríto por um bocal. Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espes sura de até 1.5 mm. Passes de raiz. Argônio. Hélio ou misturas destes Manual ou automática. Eletrodo não consumível de tungsténio. 0 arame é adicionado separadamente. Soldagem de todos os meais, exceto Zn. Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 mm. Sol dagem de não ferrosos e aços inox. Ftessede raizde soldasem tubulações. Soldagem de todos os metas, excetonoscasosde evoluçãode gases ou vaporização excessiva, em geral a partir de 25 mm de espessura. Indústria nuclear e aeroespadaL Vácuo (»10*mm Soldagem automática. Não usa, em geral, metal de Hg) adição. Feixe de elétrons permite uma elevada con centração de energia. Soldagem a laser Feixe de luz Argônio ou Hélio Soldagem automática. Nâo usa. em geral, metal de adição. Laser permite uma elevada concentração de energia. Soldagem de todos os metas, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporizaçãoexces siva. Indústria automobilística, nuclear e aeroespadaL Soldagem a gás Chama oxiacetüênica Gás (CO. Hy CO,. Manual. Arame adicionado H,0) separadamente. Soldagem manual de aço caibono. Cu. A). Zn, Pb e bronze. Sol dagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro. capítulo t ntroduçAo à s o u u k m Entre os processos de soldagem por resistência (Capítulo 18), alguns podem ser considerados como processos de soldagem por deformação. Outros são melhor caracterizados como processos de soldagem por fusão. Os processos de soldagem e afins podem ser classificados de diferentes formas alternativas. A Figura 6 mostra uma classificação segundo a AWS - American Welding Society, juntamente com as abreviações adotadas por esta associação para designar cada processo. Esta classificação e abreviações são muito utilizadas em diversos países do mundo. No Brasil, embora estas sejam usadas, designações de processo de soldagem de origem europeia são mais comuns. Além destas, abreviações baseadas no nosso idioma (como, por exemplo, SAER - Soldagem a Arco com Eletrodos Revestidos) foram propostas, mas tiveram uma aceitação muito restrita até o presente. A classificação dos processos de soldagem da AWS apresenta deficiências como qualquer outro sistema de classificação. Processos de soldagem e afins, segundo a AWS. Os nomes de diversos processos estão resumidos ou truncados por falta de espaço na figura 5. Comparação com Outros Processos de Fabricação A soldagem é hoje o principal processo usado na união permanente de peças metálicas, permitindo a montagem de conjuntos com rapidez, segurança e economia o« 9A " \ S01DA6EM FUNDAMENTOS E TIOtÔtOGlA de material. Por exemplo, a ligação de chapas metálicas com parafusos ou rebites exige que as chapas sejam furadas, causando uma perda de seção de até 10%, que deve ser compensada por uma espessura maior das peças. A utilização de chapas de reforço e os próprios parafusos e porcas ou rebites aumentam ainda mais o peso final da estrutura. Na união de tubos pode-se fazer considerações semelhantes ao se comparar juntas soldadas com juntas rosqueadas. Além disso, as juntas soldadas, desde que executadas corretamente, são por si mesmas estanques, não havendo necessidade de se recorrer a nenhum tipo de artifício para se prevenir vazamentos, mesmo sob pressão elevada. Comparando-se a soldagem à fundição, como processo de fabricação, constatase que a soldagem apresenta características interessantes, como: possibilidade de se terem grandes variações de espessura na mesma peça e inexistência de uma espessura mínima para adequado preenchimento do molde com o metal fundido, possibilidade de se usarem diferentes materiais numa mesma peça, de acordo com as solicitações de cada parte, maior flexibilidade em termos de alterações no projeto da peça a ser fabricada e menor investimento inicial. A soldagem é muito versátil em termos dos tipos de ligas metálicas e das espes suras que podem ser unidos. A disponibilidade de um grande número de processos de soldagem permite a união da maioria das ligas metálicas comumente utilizada. Pode-se unir, através dos diferentes processos de soldagem, desde peças com espessura inferior a 1mm (joias, componentes eletrônicos etc.) até estruturas de grandes dimensões (navios, vasos de pressão etc.). A soldagem pode ser utilizada tanto no chão de fábrica, com condições de tràbalho bem controladas, como no campo, em diferentes ambientes (como, por exemplo, no alto de estruturas elevadas ou debaixo d'água). Finalmente, a soldagem pode atender, a um custo competitivo, diferentes requisitos de qualidade, tornando a sua utilização economicamente viável tanto em trabalhos simples, que não apresentam uma grande responsabilidade (por exemplo, na fabricação de grades e de peças de decoração), como em situações em que ocorrem solicitações extremas e existe o risco de grandes danos no caso de uma falha do componente soldado (por exemplo, em navios e outras estruturas marítimas e em vasos de pressão). Por outro lado, algumas limitações da soldagem devem ser consideradas. Como a solda é uma união permanente, ela não deve ser utilizada em juntas que necessitam ser desmontadas. Praticamente todos os processos de soldagem são baseados na aplicação, na região da junta, de energia térmica e mecânica, o que tende a causar uma série de efeitos mecânicos (aparecimento de distorções e de tensões residu ais) e metalúrgicos (mudanças de microestrutura e alteração de propriedades) nas peças. Estes efeitos, juntamente com a formação de descontinuidades como poros e trincas na solda, podem prejudicar o desempenho dos componentes soldados e causar a sua falha prematura. As consequências de uma falha de um componente soldado podem ser ampliadas devido à natureza monolítica deste. Isto é, enquanto a fratura de uma peça em uma estrutura rebitada fica confinada somente à peça que falhou, em uma estrutura soldada, a fratura pode se estender por toda a estrutura devido à eliminação da separação entre as peças. Diversos acidentes com estas características já ocorreram, destacando-se. por exemplo, os navios de transporte durante a Segunda Guerra Mundial, fabricados por soldagem nos Estados Unidos da América. CAPÍTULO 1 o c WTKOOUÇÍOÀ SOLDAGEM 6. Breve Histérico da Soldagem Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cerca de 100 anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas desde épocas remotas. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 a. C. O ferro, cuja fabricação se iniciou em torno de 1500 a. C., substituiu o cobre e o bronze na confecção de diversos artefatos. O ferro era produzido por redução dire ta ^ conformado por martelamento na forma de blocos com uma massa de poucos quilogramas. Quando peças maiores eram necessárias, os blocos eram soldados por forjamento, isto é, o material era aquecido ao rubro, colocava-se areia entre as peças para escorificar impurezas e martelava-se até a soldagem. Como um exemplo da utilização deste processo, cita-se um pilar de cerca de sete metros de altura e mais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Dehli (índia). A soldagem foi usada, na Antiguidade e na Idade Média, para a fabricação de armas e outros instrumentos cortantes. Como o ferro obtido por redução direta tem um teor de carbono muito baixo (inferior a 0,1 %), este não pode ser endurecido por têmpera. Por outro lado, o aço. com um teor maior de carbono, era um material escasso e de alto custo, sendo fabricado pela cementação de tiras finas de ferro. Assim, ferramentas eram fabricadas com ferro e com tiras de aço soldadas nos locais de corte e endurecidas por têmpera. Espadas de elevada resistência mecânica e tenacidade foram fabricadas no oriente médio utilizando-se um processo seme lhante, no qual tiras alternadas de aço e ferro eram soldadas entre si e deformadas por compressão e torção. O resultado era uma lâmina com uma fina alternância de regiões de alto e baixo teor de carbono. Assim, a soldagem foi, durante este período, um processo importante na tecno logia metalúrgica, principalmente, devido a dois fatores: (1) a escassez e o alto custo do aço e (2) o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por redução direta. Esta importância começou a diminuir, nos séculos XII e XIII, com o desenvolvi mento de tecnologia para a obtenção, no estado líquido, de grandes quantidades de ferro fundido com a utilização da energia gerada em rodas d'água e, nos séculos XIV e XV, com o desenvolvimento do alto-forno. Com isso, a fundição tornou-se um processo importante de fabricação, enquanto a soldagem por forjamento foi subs tituída por outros processos de união, particularmente a rebitagem e parafusagem, mais adequados para união das peças produzidas. A soldagem permaneceu como um processo secundário de fabricação até o sé culo XIX, quando a sua tecnologia começou a mudar radicalmente, principalmente, a partir das experiências de Sir Humphrey Davy (1801-1806) com o arco elétrico, da descoberta do acetileno por Ednhund Davy e do desenvolvimento de fontes pro dutoras de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de soldagem por fusão. Ao mesmo tempo, o início da fabricação e utilização do aço 1 Neste processo, o minério de ferro era misturado com carvão em brasa e soprado com ar. Durante esta operação, o óxido de ferro era reduzido pelo carbono, produzindo-se ferro metálico sem a fusão do material. I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA na forma de chapas tornou necessário o desenvolvim ento de novos processos de união para a fabricação de equipam entos e estruturas. A primeira patente de um processo de soldagem, obtida na Inglaterra por Nikolas Bernados e Stanislav Olszewsky, em 1885, foi baseada em um arco elétrico estabele cido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada (Figura 7). Figura 7 Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carvão de acordo com a patente de Bernados Por voita de 1890, N. G. Slavianoff, na Rússia, e Charles Coffin, nos Estados Unidos, desenvolveram independentem ente a soldagem a arco com eletrodo metálico nu. Até o final do século XIX, os processos de soldagem por resistência, por aluminotermia e a gás foram desenvolvidos. Em 1907, Oscar Kjellberg (Suécia) patenteia o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Em sua form a original, este revestimento era constituído de uma camada de cal, cuja função era unicamente estabilizar o arco. Desenvolvimentos posteriores tornaram este processo o mais utilizado no mundo. Nesta nova fase, a soldagem teve inicialm ente pouca utilização, estando restrita principalmente à execução de reparos de emergência até a eclosão da primeira grande guerra, quando a soldagem passou a ser utilizada mais intensam ente com o processo de fabricação. Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem têm utilização industrial e a soldagem é o mais im portante m étodo para a união permanente de metais. Esta importância é ainda mais evidenciada pela presença de processos de soldagem e afins nas mais diferentes atividades industriais e pela influência que a necessidade de uma boa solda bilida de tem no desenvolvim ento de novos tipos de aços e outras ligas metálicas. CAPÍTULO t í 9 7 INTRODUÇÃO Á SOLDAGEM | 7. Exercícios a) O que é soldagem? b) Por que é possível se soldar dois blocos de gelo por aproximação? c) Quais as principais vantagens e desvantagens da soldagem? d) Que outros ramos da ciência e da tecnologia contribuem para o desenvolvimento da soldagem? e) Que tipos de materiais, além dos metais, podem ser soldados? f) Existem produtos impossíveis de serem fabricados sem a utilização da soldagem? Cite alguns, se for o caso. g) Em que casos a soldagem não é recomendada como processo de união? CAPÍTULO 2 TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEM 1. Introdução Muitos são os termos com um significado particular quando aplicados à soldagem. Definir todos estes termos tornaria este capítulo tedioso e extenso. Assim, preferiu-se colocar algumas ilustrações e indicar alguns termos utilizados com frequência em soldagem, de modo a tornar o restante do texto compreensível. Para definições mais completas e precisas pode-se recorrer à literatura indicada no final do livro. De qualquer forma, a própria militância no campo da soldagem se encarregará de tomar estes termos familiares. Quanto à simbologia, serio abordados resumidamente os símbolos usados em soldagem e seu significado, bem como sua utilização em desenhos técnicos, por meio de algumas ilustrações. Da mesma forma, pode-se consultar a bibliografia indicada para um estudo mais completo. Oni 0 U i SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 2. Terminologia da Soldagem Como se viu no Capítulo 1, soldagem é uma operação que visa obter a união de peças, e solda é o resultado desta operação. O material da peça, ou peças, que está sendo soldada é o m etal de base. Frequentemente, na soldagem por fusão, um material adicional é fornecido para a form ação da solda, este é o m etal de adição. Durante a soldagem, o meta! de adição é fundido pela fon te de calor e m isturado com uma quantidade de metal de base tam bém fundido para formar a poça de fusão. A Figura 1 ilustra estes conceitos. Figura 1 Metal de base, de adiçáo e poça de fusão Chama-se ju n ta a região onde as peças serão unidas por soldagem. A Figura 2 mostra os tipos básicos de junta com um ente usados. O posicionamento das peças para união determ ina os vários tipos de junta. Entretanto, muitas vezes, as dimensões das peças, a facilidade de se movê-las e as necessidades do projeto exigem uma preparação das peças para soldagem, na forma de cortes ou de uma conform ação especial da junta. Estas aberturas ou sulcos na superfície da peça ou peças a serem unidas e que determ inam o espaço para conter a solda recebem o nome de chanfro. ) \ Topo . ----------- ( ) Aresta Â ngulo í- 1 L _ __ Canto ^ i— Sobreposta Figura 2 Tipos de junta Os tipos de chanfro mais comuns usados em soldagem de juntas de topo são mostrados na Figura 3. A Figura 4 ilustra a aplicação destes chanfros em diferentes tipos de juntas. CAPÍTULO 2 TERMINOLOGIA E SiMBOLOGlA DA SOLDAGEM □xitzn F i 1 /^ 1 . meio v X I■ \Â J 1 Duplo J D uplo U Figura 3 Tipos de chanfro Figura 4 Chanfros usados geralmente com os diferentes tipos de junta O tipo de chanfro a ser usado em uma condição de soldagem específica é esco lhido em função do processo de soldagem, espessura das peças, suas dimensões e facilidade de movê-las, facilidade de acesso à região da junta, tipo de junta (Figura 4), custo de preparação do chanfro etc. Chanfros em I são utilizados quando as con dições de soldagem perm item obter a penetração desejada (ver definição a seguir) O9 ° L I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA sem a abertura de um outro tipo de chanfro, sendo esta situação particularm ente com um na soldagem de juntas de pequena espessura. Como não necessitam de uma usinagem ou corte mais elaborado, este tipo de preparação tende a ser a de m enor custo. Quando não é possível obter a penetração desejada desta forma, torna-se necessário usar um outro tipo chanfro, sendo os tipos mais com uns os chanfros em V ou m eio V. Quando a espessura da junta que precisa ser soldada se torna m uito grande, estes chanfros podem se tornar pouco interessantes, pois necessitam de um grande volum e de metal de adição para o seu enchim ento, o que pode aumentar o tem po necessário para a soldagem e o seu custo. Neste caso o uso de um chanfro em U ou J pode ser mais interessante, embora estes possam ter maior custo de preparação. Quando é possível executar a soldagem dos dois lados da junta, chanfros em X, K, duplo U ou duplo J podem ser considerados. Estes ainda têm a vantagem adicional de melhor equilibrar as tensões térm icas geradas durante a soldagem e apresentar, assim, uma m enor distorção. Na escolha de um tipo de chanfro, deve-se ainda considerar a posição de soldagem (ver definição a seguir). Por exemplo, para a soldagem na posição horizontal, um chanfro em meio V ou K tende a ser mais adequado que um chanfro em V, pois, para o prim eiro, existe uma m enor tendência da poça de fusão escorrer sob ação da gravidade. Um chanfro é definido por seus elem entos ou características dim ensionais. Os principais elementos de um chanfro são (Figura 5): • Face da raiz ou nariz (s): Parte não chanfrada de um componente da junta. • Abertura da raiz, folga ou fresta (f): Menor distância entre as peças a soldar. • Ângulo de abertura da junta ou ângulo de bisel (p): Ângulo da parte chanfrada de um dos elementos da junta. • Ângulo de chanfro (a): Soma dos ângulos de bisel dos componentes da junta. Figura 5 Características dimensionais de chanfros usados em soldagem (s - nariz, f - fresta, r - raio do chanfro, a - ângulo do chanfro e (5 - ângulo do bizel) Os elementos de um chanfro são escolhidos de forma a atender os requisitos do projeto e, em particular, perm itir um fácil acesso até o fundo da junta, minimizando, contudo, a quantidade de metal de adição necessária para o enchim ento da junta. CAPÍTULO 2 I q TERMINOLOGIA E S1VBOLOQA DA SOLDAGEM ! J \ V.V, Çh i y a ' ," V ' Existe um grande número de term os para definir o form ato e as características técnicas dos cordões de solda. Neste capítulo, apenas alguns destes term os serão apresentados. A Figura 6 mostra alguns destes term os para uma solda de topo e uma solda em ângulo (filete). Convexidade Face da solda Largura | Garganta, ■A* o ' Penetração da junta Penetração da raiz Figura 6 Dimensões e regiões de soldas de topo (a) e de filete (b) A Figura 7 mostra a seção transversal de uma solda e suas diversas regiões. Neste caso, é mostrada também uma peça colocada na parte inferior da solda (raiz), cha mada de co b re -ju n ta ou m ata-jun ta , que tem por finalidade conter o metal fundido durante a execução da soldagem. Terminada a soldagem, o mata-junta pode ou não ser removido da junta. 0 mata-junta pode ser de um material similar ao que está sendo soldado, de cobre ou de material cerâmico. No primeiro caso, o mata-junta, em geral, passa a fazer parte da junta soldada, podendo, terminada a soldagem, ser removido da peça (por corte) ou não. Nos outros casos, o mata-junta não se torna parte da junta soldada e é rem ovido ao final da soldagem. Zona fundida (ZF) Zona term icam ente afetada (ZTA) Metal de base (MB) Mat3 - jui ua Figura 7 ^ ; ^ Seção transversal de uma solda de topo por fusão (esquemática) A zona fu n d id a (ZF) de uma solda é constituída pelo metal de solda, que é a soma da parte fundida do metal de base e do metal de adição. A região do metal de base que tem sua estrutura e/ou suas propriedades alteradas pelo calor de soldagem é chamada de zona term ica m en te afetada (ZTA). A zona fundida pode ser constituída por um ou mais passes depositados segundo uma sequência de deposição (Figura 8) e organizados em camadas (conjunto de passes localizados em uma mesma al tura no chanfro). Cada passe de solda é form ado por um deslocamento da poça de fusão na região da junta (Figura 1). Em diversas situações, o termo cordão é usado, significando, em alguns casos, a solda e, em outros, o passe. o/l SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 8 Execução de uma solda de vários passes A posição da peça a ser soldada e do eixo da solda determ ina a posição da soldagem , que pode ser plana, horizontal, vertical ou sobrecabeça. Estas são mostradas para soldas de topo, filete e soldas circunferenciais em tubulações, nas Figuras 9, 10 e 11. A soldagem na posição vertical pode ser executada na direção ascendente ou descendente. Em tubulações fixas, a posição de soldagem muda durante a operação (Figura 11). A posição de soldagem tem uma forte influência sobre o grau de dificuldade da sua execução e na sua produtividade, sendo a sol dagem na posição plana, em geral, a mais fácil de ser executada e a que possibilita uma maior produtividade. Sobre cabeça Vertical (descendente) Figura 9 Posições de soldagem para soldas de topo Plana Sobre cabeça Vertical (ascendente) Figura 10 Posições de soldagem para soldas de filete CAPÍTULO2 I o c TERMINOLOGIA ESIVISOLOGIA DA SOLDAGEM | 0 0 Plana Horizontal Circunferencial Figura 11 Posições de soldagem para soldas em tubulações As posições de soldagem são designadas pela ASME - American Society of Mechanical Engeneers por um dígito seguido de uma letra. Assim, as posições plana, horizontal, vertical e sobrecabeça são designadas, respectivamente, por 1G, 2G. 3G e 4G nas juntas da Figura 9 e, por 1F, 2F, 3F e 4F, nas juntas da Figura 10. No caso de soldas em tubulações (Figura 11), as designações seriam 1G, 2G e 5G, respectivamente. Essa form a de indicar as posições de soldagem é amplamente usada na indústria. De acordo com a forma em que é executada, a soldagem pode ser classificada em: • Manual: toda a operação é realizada e controlada manualmente pelo soldador. • Sem iautom ática: soldagem com controle automático da alimentação do metal de adição, mas com controle manual pelo soldador do posicionamento da tocha e de seu deslocamento. • Mecanizada: soldagem com controle automático da alimentação do metal de adição, controle do deslocamento do cabeçote de soldagem pelo equipamento, mas com o posicionamento, acionamento do equipamento e supervisão da operação sob res ponsabilidade do operador de soldagem. • Automática: soldagem com controie automático de praticamente todas as operações necessárias. Muitas vezes, a definição de um processo como mecanizado ou auto mático não é clara, em outros, o nível de controle da operação, o uso de sensores, a possibilidade de programar o processo indicam claramente um processo de soldagem automático. De uma forma ampla, os sistemas automáticos de soldagem podem ser divididos em duas classes: (a) sistemas dedicados, projetados para executar uma operação específica de soldagem, basicamente com nenhuma flexibilidade para mudanças nos processos e (b) sistemas com robôs, programáveis e apresentando uma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo. Alguns destes term os, embora de uso consagrado na soldagem, têm significado diverso do indicado acima para o pessoal envolvido com área de automação. Este aspecto será discutido no Capítulo 8 deste livro. o c ° ü SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3. Simbologia da Soldagem A sim bologia da soldagem consiste de uma série de símbolos, sinais e números, dispostos de uma forma particular, que fornecem informações sobre uma determ i nada solda e/ou operação de soldagem. Estes elem entos, que podem ou não ser usados numa situação particular, são, segundo a norma AWS A 2.4: a) Linha horizontal de referência b) Seta c) Símbolo básico da solda d) Dimensões e outros dados e) Símbolos suplementares f) Cauda - Especificação do processo de soldagem ou outra referência. O elem ento básico de um sím bolo da soldagem é a linha de referência colo cada sem pre na posição horizontal e próxima da junta a que se refere. Nesta linha são colocados os sím bolos básicos da solda, sím bolos suplementares e outros dados. A seta indica a junta na qual a solda será feita, e na cauda são colocados os dados relativos ao processo, procedim ento ou outra referência quanto à forma de execução da soldagem. Quando existe a possibilidade de se chanfrar uma peça ou outra, uma seta quebrada (formada por duas-linhas) indica qual peça deve ser necessariamente chanfrada. A Figura 12 mostra a localização dos elem entos de um símbolo de soldagem. Rimhnln de rnn tn m n Símbolo de acabamento Comprimento da solda ' Dist. centro a centro (soldas interm itentes) / Soldagem no campo ioldagem em todo o contorno Linha de referência Figura 12 Localização dos elementos de um símbolo de soldagem O sím bolo básico indica o tipo de solda desejado. Cada sím bolo básico é uma representação esquem ática da seção transversal da solda a que se refere. Se o sím bolo básico é colocado sob a linha de referência, a solda deve ser feita do mes mo lado em que se encontra a seta. Caso o sím bolo básico esteja sobre a linha de referência, a solda deve ser realizada do lado oposto à seta. A Figura 13 mostra os sím bolos básicos mais com uns segundo a norma AWS A 2.4. A Figura 14 apresenta exem plos de soldas em chanfro e seus símbolos. Mais de um símbolo básico pode ser usado de um ou dois lados da linha de referência. CAPÍTULO 2 | Q 7 TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA OA SOLDAGEM ! ^ ' Soldas em chanfro ’...li... V . / .V......AL. 'N.r em I (Bordas paralelas) em V o uX 1/2VouK U ou duplo U J ou duplo J V flangeado A r ... 1/2 Vflangeado Outros n . j z z l ..O ... .3 2 ;. .-=-0 . ..... l i . . Soldas de aresta Solda de filete Solda de tampão Solda de ponto Figura 13 Tipos básicos de soldas e seus símbolos Figura 14 Sete variações de soldas em chanfro e seus símbolos Solda de costura Solda de reverso Solda de revestimento o OI ^ 0 I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Vários números, que correspondem às dim ensões ou outros dados da solda, são colocados em posições específicas em relação ao sím bolo básico. O tamanho da solda e/ou sua garganta efetiva são colocados à esquerda do símbolo. Em soldas em chanfro, se estes números não são colocados, subentende-se que a penetração deve sertotal. A abertura de raiz ou a profundidade de soldas do tip o "plug" ou "s lo t" é colocada diretam ente dentro do símbolo básico da solda. À direita do sím bolo podem ser colocados o com prim ento da solda e a distância entre os centros dos cordões, no caso de soldas intermitentes. Os símbolos suplementares são usados em posições específicas do sím bolo de soldagem, quando necessários. Estes sím bolos são mostrados na Figura 15. Além destes, existem sím bolos de acabamento, que indicam o m étodo de acabam ento da superfície da solda. Estes símbolos são: • C - rebarbamento (chipping) • G - esmerilhamento (grinding) • H - martelamento (hammering) • M - usinagem (machining) • R - laminação (rolling) S o ld a re m tod o o contorno it o m o d a Solda S olda r no cam po Fusão no : ’V . : rp w p r q n w\ Plano - Figura 15 Símbolos suplementares As Figuras 16 a 19 ilustram o que foi apresentado. C o nve xo C ôncavo ' \ Figura 16 Exemplos de soldas de filete e seus símbolos m E X D ___ EZEZl___ r± ~ i _____________■ li— ., I- VT»-. fpyfS? V - ui'RÏ SÉ _J\wo. [/'MB rdár fr — m bí S , i l 1 ‘JÉS?8 S 3 ■j ■ fvKÜ V/i Hf Figura 17 Exemplos de soldas de filete intermitente 3 1 \ a r» ^ U SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 10(13) / \ 60° 1/4(3/8) 3/8(112) Figura 18 Exemplos de símbolos de soldas em chanfro Figura 19 Exemplos de diversos tipos de solda e seus símbolos CAPÍTUtO 2 TERMINOLOGIA E SIMBOLOGtA DA SOLDAGEM 4. Exercício Desenhe o sím bolo ou a solda desejada, conform e o caso. I I CAPÍTULO 3 PRINCÍPIOS DE SEGURANÇA EM SOLDAGEM 1. Introdução Considerações sobre segurança são importantes em soldagem, corte e opera ções relacionadas a estas práticas, pois os riscos envolvidos nestas atividades são numerosos e podem provocar sérios danos ao pessoal, equipamentos e instalações. Neste capítulo serão estudados os principais riscos das operações de soldagem e afins e as práticas usuais para se evitar ou minimizar a ocorrência de acidentes. Além dessas práticas, as recomendações e instruções dos fabricantes de equipamentos e produtos devem ser rigorosamente observadas. /) Um componente fundamental da segurança em soldagem e outras práticas industriais é o apoio, orientação e envolvimento direto das chefias e gerências, que devem estabelecer claramente os objetivos e o Plano de Segurança da empresa. Este deve considerar a seleção das áreas para operações de soldagem e corte, exigências de compra de equipamentos de soldagem e equipamentos de segurança devidamente aprovados, estabelecimento e fiscalização de normas de segurança internas, execução de programas de treinamento no uso do equipamento de trabalho e de segurança, procedimentos em caso de emergências ou acidentes, utilização de sinais de advertência para os perigos de cada área específica e a inspeção e manutenção periódica dos equipamentos e instalações. Como diversas outras operações industriais, a soldagem e o corte de materiais apresentam uma série de riscos para as pessoas envolvidas. Os principais riscos incluem a possibilidade de incêndios e explosões, de recebimento de choque elétrico, de exposição à radiação gerada pelo arco elétrico e a fumos e gases prejudiciais à saúde. As principais causas destes riscos serão 'apresentadas em cada caso, bem como as formas de preveni-los. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A A H4 ! 2. Roupas de Proteção As operações de soldagem e corte envolvem a m anipulação de m ateriais a tem peraturas elevadas, a exposição a uma quantidade considerável de luz e a outras formas de radiação eletrom agnética e o contato com partículas m etálicas incandescentes projetadas em alta velocidade (respingos). Os soldadores, expostos diretam ente a estes riscos, necessitam de vestimentas e equipam entos próprios para a proteção do corpo, da cabeça e dos olhos. Estes devem perm itir liberdade de m ovim entos e ao m esm o tem po cobrir e proteger adequadamente as diversas partes do corpo para minimizar a chance de queimaduras e outras lesões. Roupas de raspa de couro são as mais adequadas ao soldador, devido à durabi lidade e resistência ao fogo. Tecidos sintéticos ou de algodão devem ser evitados, pois podem fun dir ou pegar fogo quando expostos a calor intenso. As roupas de vem ser mantidas livres de graxa e óleo, pois estas substâncias podem pegar fogo e queimar com o seu aquecim ento excessivo e, em particular, na presença de uma concentração elevada de oxigênio. Dobras em luvas e calça podem reter fagulhas ou metal quente e possibilitar a ocorrência de queimaduras. As pernas das calças devem sob rep or às botas (e não ser colocadas dentro destas) para evitar que partículas quentes caiam dentro das botas. O soldador deve usar botas de couro, de cano alto e com biqueira de aço. As principais peças de vestuário usadas pelo soldador para a sua proteção incluem vários itens m ostrados na Figura 1. Além destas, é im portante o uso de óculos de proteção por baixo do capacete. j Figura 1 Vestuário de proteção típico a ser usado por um soldador: (1) Avental de couro. (2) manga de couro. (3) luva de couro, (4) perneiras de couro, (5) sapatos de segurança. (6) capacete de proteção, (7) óculos de segurança. (8) ombreira de couro CAPÍTULO3 , C miNCiPIOS ÜE SEGURANÇA EM SOLDAGEM 3. Choque Elétrico Acidente por choque elétrico é um risco sério e constante nas operações de soldagem baseadas no uso da energia elétrica, particularmente na soldagem a arco. O contato com partes metálicas "eletricam ente quentes" pode causar lesões ou até morte, devido ao efeito do choque elétrico sobre o corpo humano, ou pode resultar em uma queda ou em um outro acidente devido à reação da vítima ao choque. A gravidade de um choque elétrico não está relacionada com a tensão da fon te que o provoca, mas sim com a intensidade da corrente que passa pela vítima, ao seu percurso no corpo do acidentado e à sua duração. A Tabela I apresenta os efeitos e sensações experimentadas por uma pessoa normal quando submetida a correntes de diferentes intensidades. Uma corrente acima de cerca de 80 mA, passando pela região torácica da vítima, pode ser fatal, provocando um fenôm eno chamado "fibrilação do coração" e a consequente perda de capacidade deste de bombear o sangue. Tabela I - Efeitos fisiológicos do choque elétrico I n t e n s id a d e d a c o r r e n t e Ef e it o Até 5 mA Formigamento fraco 5 até 15 mA Formigamento forte 15 até 50 mA Espasmo muscular 50 até 80 mA Dificuldade de respiração até desmaios 80 mA até 5 A Fibrilação do ventrículo do coração; parada cardíaca; queimaduras de alto grau Acima de 5 A Morte certa A resistência interna do corpo humano é relativamente baixa (cerca de 500 Cl), sendo a resistência da pele, quando seca, muito mais elevada (da ordem de 105Í2). Este valor pode, contudo, ser grandem ente reduzido quando a pele está úmida, aumentando o risco de choques m esm o para tensões relativamente baixas (em torno de 100 V). A cidentes com choque elétrico podem ser divididos em duas categorias diferen tes: choque com a tensão de entrada (isto é, 230, 440 V) e choque com a tensão secundária, ou seja, o circuito de soldagem (60-100 V). No primeiro caso, o choque tende a ser mais forte e perigoso. Pode ocorrer, por exemplo, ao se tocar um fio dentro de um equipam ento de soldagem quando a alimentação de energia está conectada e ao m esm o tempo tocar na carcaça da máquina ou outra parte metálica. Mesm o com a máquina desligada, energia elétrica pode estar armazenada em dispositivos com o bancos de capacitores no interior da máquina. Assim, apenas técnicos capacitados devem fazer reparos no equipamento se este não estiver funcionando adequadamente, e a carcaça da máquina deve ser adequadamente aterrada. ‘ ♦O AP souMsai HOl RmOAHBnCSETECNOtUOA Choque com a tensão secundária ocorre quando se toca uma parte do circuito do eletrodo ao mesmo tempo em que outra parte do corpo está em contato com a peça metálica que está sendo soldada. O uso de luvas secas e de roupas de proteção para se isolar do circuito de soldagem minimiza o risco de choques neste caso. ^ As precauções que devem ser tomadas para se evitar o choque elétrico são: ater rar todo o equipamento elétrico, trabalhar em ambiente seco. manter as conexões elétricas limpas e bem ajustadas, usar cabos de dimensões corretas, evitar trabalhar sobre circuitos energizados e usar roupas, luvas e calçados secos. Em caso de choque elétrico, o circuito deve ser imediatamente interrompido e, caso isto não seja possível, a vítima deve ser afastada do contato. Não se deve to car o acidentado diretamente, mas com um material isolante, como um pedaço de madeira ou tecido seco. A respiração artificial (boca-a-boca) deve ser imediatamente iniciada após retirar a vítima do circuito elétrico, caso se constate parada respiratória, e continuada até a chegada de socorro médico. 4. Radiação do Arco Elétrico O arco elétrico é formado em gases ionizados a uma temperatura muito elevada e capaz de gerar radiação eletromagnética intensa .na forma de infravermelho, luz visível e ultravioleta. Chamas e metal quente também emitem radiação, mas com uma intensidade muito menor. É essencial proteger os olhos da radiação do arco, pois esta pode causar a queima da retina e catarata. Mesmo uma pequena exposição à radiação do arco pode causar uma irritação dos olhos conhecida como "flash do soldador”. Normalmente ela só é sentida várias horas após a exposição, causa grande desconforto e provoca inchaço dos olhos, secreção de fluidos e cegueira temporária. O flash do soldador é tempo rário, mas exposições prolongadas ou repetidas podem levar a lesões permanentes nos olhos. C A radiação do arco pode também causar queimaduras na pele, ofuscamento, fadiga visual e dor de cabeça. A proteção deve evitar a exposição do soldador e de terceiros tanto à radiação direta quanto à indireta (isto é, resultante da reflexão da radiação). Individualmente, o soldador deve se proteger com o uso de roupas opacas e máscaras com filtros de luz adequados. A máscara, usada junto com o capacete, protege ainda a região da cabeça contra calor, respingos, chamas e choques. Os filtros de proteção contra a radiação são especificados por números que indicam a sua capacidade de filtrar a radiação (Tabela II). A proteção de terceiros pode ser proporcionada com o uso de biombos e cortinas não refletoras. r cAFfnjun A-j FHNCiTOSDESEGtfiUNÇABtSOUlASa« Tabela II - Lentes de proteção para operadores de soldagem e corte Soldagem a arco elétrico Operação Eletrodo revestido Di&metro do Eletrodo (mm) Corrente de soldagem (A) proteção minima <2.5 <60 7 - 2 .5 -4 .0 6 0 -1 6 0 8 10 4 .0 -6 .4 160 - 250 10 12 >6.4 2 5 0 -5 5 0 11 14 <60 7 - 6 0 -1 6 0 10 11 MIG-MAG Arame tubular TIG Goivagem - nitro para Filtro sugerido para conforto 160 - 250 10 12 250 - 500 10 14 <50 8 10 5 0 -1 5 0 8 12 1 5 0 -5 0 0 10 14 <500 10 12 500-1000 11 14 - Soldagem e corte oxtacetltònico Operação Soldagem Corte Espessura da chapa (mm) Filtro sugerido para conforto Leve <3.2 4 ou 5 Média 3.2-12.7 5 ou 6 Pesada >12,7 6 ou 8 Leve <25,4 3 ou 4 Médio 2 5 -1 5 0 4 ou 5 Pesado >150 5 ou 6 Nos anos 1990, surgiram máscaras eletrônicas, baseadas na tecnologia de cristal líquido. Este tipo possui um visor que é claro quando não há arco aberto e permite enxergar normalmente. Quando um arco é iniciado e há emissão de radiação, o visor escurece em milésimos de segundo, oferecendo assim uma proteção adequada, sem que haja necessidade de nenhuma ação do soldador. Existem disponíveis no mercado diferentes modelos deste equipamento que permitem, por exemplo, ajuste manual ou automático do <jrau de escurecimento do visor, desligamento automático quando não há emissão de radiação por um certo período de tempo e célula solar para recarga da bateria interna. O custo das máscaras de cristal líquido é ainda relativamente elevado, mas com tendência de queda, com o aumento da demanda. Hl An I S01MEEM HOl FUKiMMBnasEncMOiaou 5. Incêndios e Explosões Para que se inicie um incêndio são necessários três elementos atuando conjuntamente: uma fonte de calor, um material combustível e oxigênio. Na maioria das operações de soldagem e corte, o oxigênio estará presente no ar que circunda a solda. Além disso, oxigênio puro existirá em cilindros ou em ins talações centralizadas de armazenamento deste gás. O arco elétrico, a chama de soldagem ou os respingos atuam como fontes de calor. Assim sendo, é fundamental controlar e, se possível, evitar a presença de materiais combustíveis próximos à área de operação de soldagem para se prevenir incêndios. b Nos ambientes industriais, inúmeros são os materiais combustíveis presentes. Estes podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Muitas vezes, materiais inflamáveis, como tintas, solventes, graxas e óleos, são utilizados nas imediações de áreas de soldagem. Assim, todo o cuidado deve ser tomado para manter estes materiais em recipientes adequados, tampados e afastados da área de soldagem e corte. Estopas, panos e papéis embebidos em solventes e outros líquidos inflamáveis devem ser retirados da área antes de se iniciar quaisquer dessas operações. É evidente que a limpeza e a organização da área de soldagem são fundamentais para a segurança. Na soldagem de manutenção de tanques de combustível ou recipientes que armazenavam combustíveis ou materiais inflamáveis, muitas vezes há a formação de vapores explosivos. Antes de se iniciar a soldagem ou corte, estas peças devem ser rigorosamente limpas ou lavadas. É recomendável que sejam preenchidas par cialmente com água de forma conveniente a não prejudicar a soldagem. Na soldagem a gás, pode ocorrer o fenômeno conhecido como "engolimento de chama", que será visto no Capítulo 11. que também pode ser causa de incêndio ou explosão. Este risco é minimizado pelo uso de válvulas de fluxo de sentido único. 6. Fumos e Gases As operações de soldagem podem gerar fumos e gases que podem ser prejudiciais à saúde por diversos motivos. Por exemplo, vapores de zinco podem causar dor de cabeça intensa e febre, enquanto que vapores de cádmio podem ser fatais. Os gases de proteção usados em alguns processos de soldagem (argônio, C 02 e misturas), não são tóxicos, mas deslocam o ar, pois são mais pesados que este e podem causar asfixia e morte, se forem usados em ambientes fechados. Assim, as operações de soldagem e corte devem ser efetuadas em locais bem ventilados e, se necessário, devem ser usados ventiladores e exaustores. Quando isto não for possível, o soldador deve usar uma máscara contra gases ou equipa mentos de proteção respiratória. CAPÍTULO 3 PRINCÍPIOS OE SEGURANÇA EM SOIDAGEM O soldador deve ficar atento para a direção tomada pela coluna de fumos gerados durante a soldagem e tentar se posicionar de forma a se manter afastado desta. Sistemas de exaustão de gases podem ser acoplados às tochas de soldagem, mas isto encarece o custo do equipamento e aumenta o peso que o soldador precisa sustentar durante a operação. 7. Outros Riscos ( ò Outros riscos comuns em áreas de soldagem e operações afins são: quedas de objetos e ferramentas, quando da soldagem acima do nível do solo, queda de pes soal trabalhando em andaimes e plataformas ou locais elevados e movimentações de cargas no nível do solo ou elevadas. Capacetes de segurança devem sempre ser usados nestes casos, e cintos de segurança são recomendados quando se trabalha em locais elevados. Oj Fagulhas e partículas frias ou aquecidas podem ser lançadas durante o esmerilhamento, limpeza e goivagem em áreas de soldagem. Acesso restrito e uso de biombos, óculos de segurança e proteção auricular devem ser imple mentados. [> Cuidados especiais devem ser tomados com os cilindros de gás. Estes podem conter gases a pressão muito elevada (de até cerca de 200 atm), podendo se tornar projéteis pesados caso o gás escape deforma descontrolada (no caso da ruptura de sua válvula, por exemplo). Apenas cilindros contendo o gás de proteção adequado para o processo de soldagem em uso e reguladores de pressão próprios para este gás e sua pressão devem ser usados. As mangueiras e suas conexões devem ser adequadas para a aplicação e estar em boas condições de uso. Os cilindros devem ser mantidos em pé e presos a um suporte de forma que não possam cair. O seu transporte deve ser sempre feito com a proteção da válvula. 8. Recomendações Finais 0 A segurança em instalações industriais é uma tarefa coletiva. Todos devem ser engajados na prevenção de acidentes e conscientizados que só se consegue um resultado favorável na medida em que cada indivíduo se comprometa efetivamente com a segurança. A maior regra de segurança continua sendo PENSE ANTES DE AGIR E AJA SEMPRE COM BOM SENSO. A perseverança é fundamental. Regras de segurança passam a ser negligenciadas e relegadas a um segundo plano com o passar do tempo. Somente a ATENÇÃO e ALERTA constantes podem minimizar o risco de acidentes. J .Q cn «om M Bi ÜU RmMBITOSETECNnOeU 9. Exercícios a) Que equipamentos de proteção individual são recomendados para a segurança de soldadores e operadores de soldagem? b) Cite medidas de segurança para a proteção de instalações e equipamentos de solda gem. c) Qual a diferença entre segurança pessoal e de terceiros? d) Por que a segurança é uma tarefa coletiva? e) Por que esforços individuais são pouco efetivos na prevenção de acidentes? CAPÍTULO 4 0 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM 1. Introdução O arco elétrico é a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de mate riais metálicos, pois apresenta uma combinação ótima de características, incluindo uma concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal de base, facilidade de controle, baixo custo relativo do equipamento e um nívet aceitável de riscos à saúde dos seus operadores. Como consequência, os processos de solda gem a arco têm atualmente uma grande importância industrial, sendo utilizados na fabricação dos mais variados componentes e estruturas metálicas e na recuperação de um grande número de peças danificadas ou desgastadas. Este capítulo apresenta uma descrição geral das características do arco elétrico, em particular aquelas impor tantes para a sua aplicação em soldagem. A ênfase aqui será nos fenômenos físicos que controlam a soldagem a arco e não nos aspectos tecnológicos, industriais ou metalúrgicos da soldagem. Apesar de muito estudado, o arco elétrico é bastante complexo e os conhecimentos obtidos até agora permitem um entendimento apenas parcial dos fenômenos envolvidos. Algumas dessas informações serão apresentadas neste capítulo, de forma simplificada. O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada através de um gás ionizado, a alta temperatura, conhecido como plasma, podendo produzir energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, pela fusão localizada das peças a serem unidas. Atribui-se a primeira observação do arco elétrico em condições controladas a Sir Humphrey Davy, no início do século XIX. O termo arco foi aplicado a este fenômeno em função de sua forma característica resultante da convecção dos gases quentes gerados pelo mesmo. O limite superior de corrente em um arco elétrico não é bem definido, podendo atingir dezenas ou centenas de milhares de ampéres em certos circuitos. Para a soldagem a arco, correntes acima de 1000 A rn ! 3 L j SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA são utilizadas no processo a arco subm erso (Capítulo 16) e da ordem de 1 A ou inferiores são usadas na soldagem com m icroplasm a (Capítulo 14). Os valores mais com uns, contudo, são da ordem de 101 a 102A. Em soldagem, o arco, em geral, opera entre um eletrodo plano, ou aproxim a damente plano (a peça), e outro que se localiza na extrem idade de um cilindro (o arame, vareta ou eletrodo), cuja área é m uito m enor do que a do primeiro. Assim , a maioria dos arcos em soldagem tem um form ato aproxim adam ente cônico ou "de sino", com o diâmetro junto da peça m aior do que o diâm etro próximo do eletrodo (Figura 1). Exceções podem ocorrer nos processos de soldagem a plasma (Capítulo 14) e a arco submerso. No prim eiro, um bocal de constrição na tocha restringe o arco, tornando-o aproximadamente cilíndrico. Na soldagem a arco submerso, o arco ocorre dentro de uma câmara cujas paredes são form adas pelo fluxo fundido que se expandem e contraem periodicam ente. Na soldagem com eletrodo revestido (Capí tulo 12), o arco pode se mover rápida e de form a errática na superfície do eletrodo em associação com o m ovim ento de líquidos na extrem idade deste. 1 1 mm Figura 1 Imagem do arco elétrico observado entre um eletrodo de tungsténio e um bloco de cobre em uma atmosfera de argônio 2. Características Elétricas do Arco Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre suas extrem idades e pela corrente elétrica que circula por este. A queda de potencial ao longo do arco elétrico não é uniform e, distinguindo-se três regiões distintas, com o ilustrado na Figura 2. ro CAPÍTULO« 0 ARCO ELÉTWCO DE SOLDAGEM | 3 J D istâ n cia Figura 2 Regiões de um arco de soldagem (esquemáticas): (a) Zona de Queda Catódica, (b) Coluna do Arco e (c) Zona de Queda Anódica. Ia- Comprimento do arco As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térm icos e elétricos, da ordem de 106 °C/mm e de 103 a 105 V/mm, respectivamente, e as somas das quedas de potencial nessas regiões é aproximadamente constante, independentem ente das condições de operação do arco. A parte visível e brilhante do arco constitui a coluna de plasma, que apresenta gradientes térm icos e elétricos bem mais baixos que as regiões anteriores, da ordem de 103oC/mm e 1 V/mm, respectivamente. A diferença de potencial nesta região varia de form a aproximadamente linear com o com prim ento do arco. Assim, para um dado valor de corrente de soldagem, a diferença de potencial entre o eletrodo e a peça é, em uma primeira aproximação, dada por (ver Figura 2): (Eq.1) A diferença de potencial entre as extrem idades do arco, necessária para manter a descarga elétrica, varia com a distância entre os eletrodos, chamada de comprimento do arco (la), com a form a, tamanho e material dos eletrodos, com posição e pressão do gás na coluna de plasma e corrente que atravessa o arco, entre outros fatores. A Figura 3 mostra a variação da tensão.no arco elétrico com a corrente de solda gem, para três diferentes com prim entos de arco e com outros parâmetros, com o a composição do gás de proteção, m antidos fixos. Esta curva é conhecida como "característica estática do arco". A curva característica do arco difere da curva de uma resistência comum, para a qual vale a Lei de Ohm (V = fí.l), que tem o formato de uma reta passando pela origem. Por sua vez, a curva do arco passa por valor mínimo M u iusai RJWJMiams Eiaaouw* de tensão para valores intermediários de corrente e aumenta tanto para maiores còmo menores valores de correntes. O aumento da tensão para os valores elevados de corrente é similar ao observado em uma resistência comum. O comportamento encontrado para baixos valores de corrente é próprio do arco elétrico e reflete o fato de que. neste, a condução da corrente elétrica é feita por (ons e elétrons gerados por ionização térmica. Quando a corrente é baixa, existe pouca energia disponível para o aquecimento e ionização do meio em que o arco ocorre, resultando em uma maior dificuldade para a passagem da corrente e. como consequência, em um aumento da tensão elétrica do arco. Corrente (A) Figura 3 Curvas características estáticas do arco entre um eletrodo de tungsténio e um anodo do cobre para diferentes comprimentos de arco A Figura 4 mostra esquematicamente uma curva de variação da queda de tensão ao longo do arco com o seu-comprimento para dois valores de corrente. Observa-se uma relação aproximadamente linear entre a tensão e o comprimento do arco e que, quando este último torna-se muito curto, o valor da tensão não tende para zero, o que está de acordo com a equação 1. CAFfTUUX e c OARCOaÉrmCODESOMGEM I 3 3 O »CO CO c .03 2 4 6 Comprimento do Arco (mm) figura 4 Variação da diferença de potencial entre as extremidades de um arco de soldagem com a distância de separação entre elas. para diferentes níveis de corrente (dados da figura anterior) 0 plasma é constituído por moléculas, átomos, íons e elétrons. Destes, os dois últimos são os responsáveis pela passagem da corrente elétrica no arco. Assim, a estabilidade do arco está intimamente ligada às condições de produção de elétrons e íons, em grande quantidade. Elétrons e íons são produzidos, na coluna de plasma, por choques entre os constituintes desta coluna que ocorrem nas elevadas tempe raturas existentes nesta. Contudo, devido à sua massa muito menor, a velocidade dos elétrons tende a ser muito superior à dos outros constituintes e mais de 90% da corrente elétrica do arco de soldagem pode ser transportada pelos elétrons. Desta forma, para manter a neutralidade elétrica do arco, elétrons adicionais precisam ser gerados junto ao eletrodo negativo (cátodo). Quando o material do cátodo tem um elevado ponto de fusão (por exemplo, tungsténio ou carbono), neste pode-se atingir temperaturas suficientemente altas (acima de cerca de 3.500 K) para que ocorra a emissão termiônica dos elétrons. Esta forma de emissão é caracterizada por uma tensão de queda catódica (Vc) relativamente baixa (cerca de 5 V) e por uma região de contato do arco com o eletrodo (ponto catódico) relativamente difusa e estática. Quando o material do cátodo tem uma menor temperatura de fusão (por exem plo, aço, alumínio e cobre), a temperatura da região catódica fica abaixo de 3.500 K, sendo insuficiente para gerar uma quantidade suficiente de elétrons por emissão termiônica. Assim, processos alternativos precisam operar. Na soldagem com um 56 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA cátodo de material não refratário, o mecanismo mais com um envolve a emissão dos .elétrons a partir de film es de óxido existentes na superfície do material, ocorrendo a destruição destes film es com a emissão dos elétrons. Este m ecanismo de emissão ("emissão a frio") é caracterizado por uma tensão de queda catódica maior (entre 10 e 20 V), pela existência de m últiplos pontos catódicos que se movem com elevada velocidade na superfície do cátodo e pelo efeito de limpeza (remoção de óxido) desta superfície. Em particular, este efeito de limpeza é de im portância fundam ental na soldagem a arco com proteção gasosa de ligas de alumínio e magnésio (metais que possuem uma camada de óxido de elevada tem peratura de fusão). A possibilidade de ocorrência de diferentes m ecanismos de emissão de elétrons junto com diferenças de com posição, form a e tem peratura dos eletrodos faz com que a polaridade dos eletrodos influencie significativam ente a estabilidade do arco e outras características operacionais de um processo de soldagem. A estabilidade é importante, tanto do ponto de vista operacional quanto da qualidade da solda. Um arco instável é mais difícil de ser controlado pelo soldador, já que este precisa ter maior habilidade para mantê-lo operando e executar a solda de maneira adequada. Além disso, o cordão de solda obtido com um arco instável tende a ter uma form a mais irregular com dimensões variáveis e pode apresentar uma m aior quantidade de porosidade, tornando-se muitas vezes inaceitável. 3. Características Térmicas do Arco O arco de soldagem apresenta, em geral, uma elevada eficiência para transfor mar a energia elétrica em energia térm ica e transferi-la para a peça. O calor gerado num arco elétrico pode ser estimado, a partir de seus parâmetros elétricos, pela equação: Q=V I t (Eq. 2) onde Q é energia térm ica gerada, em Joules (J), 1/ é a queda de potencial no arco, em Volts (V); / é corrente elétrica no arco, em Ampéres (A), e t é o tem po de opera ção, em segundos (s). Para que a ionização do plasma e, portanto, a capacidade deste de conduzir cor rente não sejam perdidas, altas tem peraturas devem ser mantidas no arco elétrico. A Figura 5 mostra o perfil térm ico de um arco de soldagem estabelecido entre um eletrodo de tungsténio e uma peça de cobre refrigerada a água, separados por 5mm, em atmosfera de argônio. Obviamente, esta distribuição de temperatura depende do processo e das condições de soldagem. Por exemplo, um aum ento da corrente de soldagem, ocasionando uma maior geração de energia no arco, leva ao aparecimento de temperaturas mais altas além de aum entar as dim ensões do arco. Na soldagem com eletrodo consumível, uma quantidade de vapor m etálico pode ser incorporada ao arco. Como esse vapor é, em geral, mais facilm ente ionizável que os gases que norm alm ente form am o arco (como o argônio e o oxigênio), a tem peratura do arco tende a se reduzir. CAPÍTULO CAPITULO 4 | r-j 0 ARCO ELÉTRICO OE SOLDAGEM 3 ' 200 A T 12,1 V 1 8 .0 0 0 K 16 .0 0 0 15 .0 0 0 1 4.000 1 3.000 5 mm 12.000 11.000 10.000 í+ Figura 5 isotermas de um arco elétrico típico. V = 12 V, I = 200 A Além de calor, o arco elétrico gera radiação eletromagnética de alta intensidade, nas faixas do infravermelho, visível e ultravioleta, devendo ser observado com filtros protetores adequados. 4. Características Magnéticas do Arco O arco de soldagem é um condutor gasoso de corrente elétrica. Quando com pa rado com um fio metálico, tende a ser m uito mais sensível à influência de campos m agnéticos. Campos magnéticos são criados por cargas elétricas em m ovim ento. Desta for ma, em torno de qualquer condutor elétrico percorrido por uma corrente, existe um campo magnético circular induzido por esta corrente. Por outro lado, se um condutor de com prim ento I, percorrido por uma corrente elétrica i, é colocado em uma região onde exista um campo magnético B (orientado perpendicularmente a I), ele experimenta uma força F, conhecida com o "Força de Lorentz", que é dada por: F = B IA (Eq. 3) A força F é perpendicular a ambos. B e i, e o seu sentido pode ser obtido aplicando-se a "Regra do Parafuso", isto é, imaginava-se um parafuso convencional que gira no sentido de I para B. O sentido de F será aquele de avanço do parafuso. As forças de origem magnética aum entam com a corrente elétrica e, portanto, os seus efeitos tendem a se tornar mais intensos na soldagem com corrente elevada. c o i ü ° I SOLDAGEM f UNDAMENTOS E TECNOLOGIA É de especial importância para a soldagem a arco a força de compressão que o campo magnético induzido pela corrente que passa por um condutor exerce sobre si próprio. Para um condutor cilíndrico, esta força, considerada na forma de pressão (p), é dada por: H l2 R2 (Eq. 4) on d e pA è a pressão atmosférica, fio,(4rr.10‘7 H/m) é a permeabilidade magnética do vácuo, f í é o raio do condutor e r é a distância ao centro do condutor (r < R). Con siderando os valores comuns de corrente em soldagem , pode-se mostrar que esta pressão é m uito pequena para causar qualquer efeito im portante em um condutor sólido, mas que seus efeitos podem ser consideráveis no arco ou no metal fundido na ponta de um eletrodo durante a soldagem. No arco elétrico, esta pressão desempenha um papel im portante devido ao for mato cônico usual do arco (Figura 1). Devido a este form ato, o valor de R junto ao eletrodo é menor do que o seu valor junto da peça, onde, portanto, p é menor. Esta diferença de pressão induz, no arco, um intenso fluxo de gás do eletrodo para a peça que é independente da polaridade e do tipo de corrente usados e é conhecido como "Jato de Plasma", Figura 6. Eletrodo Figura 6 Representação esquemática da formação do jato de plasma O jato de plasma direciona os gases quentes do arco contra a peça, sendo, assim, um dos mecanismos responsáveis pela penetração da solda. Além disso, ele garante ao arco elétrico uma certa rigidez (o arco é um jato de gases) e afeta a transferência de metal do eletrodo para a poça de fusão (soldagem com eletrodos consumíveis). CAPÍTULO 4 0 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM As mesmas forças magnéticas que atuam no arco e causam a formação do jato de plasma exercem uma influência sim ilar na extremidade fundida de eletro dos consumíveis. Estas forças tendem a estrangular, ou apertar ("pinch"), o metal líquido na região em que o seu diâmetro é menor e, desta forma, podem contribuir para separá-lo do fio sólido (Figura 7). Este efeito, particularmente para valores de corrente de soldagem elevados, pode exercer um papel direto na transferência de metal do eletrodo para a peça. __A __ Eletrodo Figura 7 Efeito "Pinch" (esquemático) Um outro efeito im portante de origem magnética na soldagem a arco é o chamado "sopro m agnético", que consiste de um desvio do arco de sua posição normal de operação e que tende a ocorrer de uma form a interm itente e similar a uma chama sendo soprada. O sopro magnético resulta de uma distribuição assimétrica do campo magnético em torno do arco, o que causa o aparecimento de forças radiais atuando sobre o arco e levando à alteração de sua posição. Esta distribuição assimétrica do campo magnético pode ser causada por variações bruscas na direção da corrente elétrica (Figura 8-a) e/ou por um arranjo assim étrico de material ferrom agnético em torno do arco, com o m ostrado esquem aticam ente nas Figuras 8-b (extremidades das peças) e 8-c (peças de diferentes espessuras). rg 3 3 rn DU SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Eletrodo Concentração de Direção do sopro magnético linhas de campo Salda de corrente (a) Indução magnética Figura 8 Causas de sopro magnético (esquemático): (a) mudança brusca da direção da corrente na sua passagem do arco para a peça; (b) concentração do campo magnético na borda de uma junta de material ferromagnético e (c) concentração do campo no lado menos espesso de uma junta do mesmo tipo de material CAPlTUlO 4 O ARCO ELÍTTtICO DE SOLDAGEM O sopro m agnético é quase sem pre indesejável na soldagem, pois orienta o arco para direções que, em geral, prejudicam a penetração e uniformidade do cordão de solda, além de causar a instabilidade do arco e dificultar a operação. O sopro magnético pode ser minimizado ou elim inado através de algumas me didas sim ples, entre elas: • inclinar o eletrodo para o lado para o qual se dirige o arco; • soldar com arco mais curto; • usar mais de uma conexão de corrente na peça, visando balanceá-la em relação ao arco; • usar corrente de soldagem mais baixa, quando possível; e • usar corrente alternada, pois o efeito do sopro é menor. 5. Exercícios e Práticas de Laboratório a) Por que o arco elétrico é a fonte de calor mais usada, hoje em dia, para a soldagem por fusão? b) Como é possível determinar experimentalmente a soma das quedas de potencial nas regiões anódica e catódica? c) Por que a corrente de soldagem é transportada principalmente por elétrons? d) Que proporção da corrente elétrica no arco é transportada por elétrons? E por íons positivos? e) Calcule quantos elétrons e íons são necessários para transportar uma corrente de 150 A. f) Explique como cada uma das medidas citadas no texto pode minimizar o sopro mag nético. g) Estabeleça um arco elétrico de soldagem TIG sobre um bloco de cobre, refrigerado a água. com o eletrodo ligado ao polo negativo da fonte de energia. Meça a queda de tensão no arco para várias correntes de soldagem, mantendo fixos o comprimento do arco e o ângulo da ponta do eletrodo. Meça a tensão no arco para diferentes compri mentos, com a corrente e o ângulo da ponta fixos. Repita as experiências anteriores para diferentes ângulos da ponta do eletrodo. Trace gráficos V x I e V xjí. para cada ângulo. Explique o resultado das experiências. h) Discuta qual é o significado físico da tangente à curva V x I. i) Discuta qual é o significado físico da tangente à curva V x£ j) Determine a soma das quedas de tensão anódica e catódica. 61 ; . ' CAPÍTULO 5 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO 1. Introdução A soldagem a arco utiliza uma fonte de energia (ou máquina de soldagem) pro jetada especificam ente para esta aplicação e capaz de fornecer tensão e corrente, em geral, na faixa de 10 a 40 V e 10 a 1.200 A, respectivamente. Nas últimas três décadas, ocorreu um grande desenvolvimento no projeto e construção de fontes para soldagem com a introdução de sistemas de controle eletrônicos nestes equipa m entos. Atualmente, pode-se encontrar no mercado tanto máquinas convencionais, cuja tecnologia básica vem das décadas de 1950 e 1960, como máquinas "eletrôni cas", de desenvolvimento mais recente (décadas de 1970, 1980 e 1990). No Brasil, a grande maioria das fontes fabricadas ainda são convencionais. Em países do pri meiro mundo, a situação é bastante diferente. No Japão, Europa e Estados Unidos, a maior parte dos equipam entos fabricados para alguns processos de soldagem a arco são eletrônicos. 2. Requisitos Básicos das Fontes Uma fonte de energia para soldagem a arco deve atender a três requisitos básicos: • produzir saídas de corrente e tensão com características adequadas para um ou mais processos de soldagem; i SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA • permitir o ajuste dos valores de corrente e/ou tensão para aplicações específicas e • controlar, durante a soldagem, a variação dos níveis de corrente e tensão de acordo com os requisitos do processo e aplicação. Adicionalm ente, o projeto da fonte precisa considerar os seguintes requisitos adicionais: • estar em conformidade com exigências de normas e códigos relacionados com a segurança e funcionalidade; • apresentar resistência e durabilidade em ambientes fabris, com instalação e operação simples e segura; • ter controles/interface de fácil uso e compreensão para o usuário; e • quando necessário, ter interface ou saída para sistemas de automação. 3. Fontes Convencionais 3.1 - C a ra c t e r ís tic a s e s tá t ic a s e d in â m ic a s O funcionam ento de uma fonte de energia depende fundam entalm ente de suas características estáticas e dinâmicas. Ambas afetam a estabilidade do arco e a aplica bilidade da fonte para um dado processo de soldagem, mas de uma form a diferente. Características estáticas se relacionam com os valores médios de corrente e tensão de saída da fonte com o resultado da aplicação de uma carga resistiva. As características dinâm icas envolvem variações transientes de corrente e tensão fornecidas pela fonte em resposta a mudanças durante a soldagem. Estas variações envolvem, em geral, intervalos de tem po m uito curtos, da ordem de 10'2 s ou m enos, sendo de caracterização mais difícil que as características estáticas. As características dinâmicas são im portantes, em particular, (1) na abertura do arco, (2) durante mudanças rápidas de com prim ento do arco, (3) durante a transferência de m etal através do arco e (4), no caso de soldagem com corrente alternada, durante a extinção e reabertura do arco a cada meio ciclo de corrente. As características dinâ m icas das fontes são afetadas por: (1) dispositivos para armazenamento tem porário de energia, com o bancos de capacitores ou bobinas. (2) controles retroalim entados em sistemas regulados autom aticam ente e (3) mudanças na forma de saída da fonte. As duas últimas form as de controle das características dinâmicas não são usadas em fontes convencionais, sendo típicas de fontes com controle eletrônico. As características estáticas da fonte são indicadas na form a de curvas caracte rísticas. obtidas através de testes com cargas resistivas, e que são, muitas vezes, publicadas pelo fabricante da fonte no seu manual. Com base na form a de sua curva CAPÍTULO 5 ! c c fONTES OE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO j D * 3 característica, uma fonte pode ser classificada como de corrente constante (Cl1) ou de tensão constante (CV). A Figura 1 ilustra os diferentes tipos de curva característica. Esta Figura ainda mostra, sobrepostas às curvas das máquinas, curvas características do arco (Capítulo 3) e o ponto de operação resultante das duas. Tensão Tensão Corrente (a) Corrente (b) Figura 1 Curvas características de fontes mostradas juntamente com uma curva característica do arco. (a) corrente constante e (b) tensão constante As fontes de corrente constante apresentam uma tensão em vazio (tensão na ausência de qualquer carga) relativamente elevada (entre cerca de 55 e 85 V). Na presença de uma carga, esta tensão cai rapidamente. A inclinação ("slope") da curva característica tende a variar ao longo da curva, mas, na região de operação do arco, situa-se entre cerca de 0,2 e 1,0 V/A para fontes convencionais de Cl. Em contraste, máquinas modernas com saída de Cl podem ter uma inclinação quase infinita, isto é, uma saída quase vertical na faixa de tensões de trabalho. Fontes de corrente constante perm item que, durante a soldagem, o com prim ento do arco varie sem que a corrente de soldagem sofra grandes alterações. Eventuais curtos-circuitos do eletrodo com o metal de base não causam, tam bém , uma eleva ção im portante da corrente. Este tipo de equipamento é em pregado em processos de soldagem manual, nos quais o soldador controla manualm ente o com prim ento do arco (SMAW, GTAW e PAW, ver C apítulos 12, 13 e 14, respectivam ente), em processos mecanizados de soldagem com eletrodo não consumível (PAW e GTAW) e, em alguns casos, em processos sem iautom áticos, mecanizados ou autom áticos com eletrodo consumível, quando o equipam ento apresenta algum m ecanismo especial de controle do com prim ento do arco. 1Neste livro, serâo usadas as abreviaturas Cl para corrente constante e C C oara corrente contínua. r r 0 0 | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Fontes de tensão constante fornecem basicam ente a mesma tensão em toda a sua faixa de operação. A inclinação deste tipo de fonte situa-se entre cerca de 0,01 e 0,04 V/A. Estas fontes perm item grandes variações de corrente durante a soldagem quando o comprimento do arco varia ou ocorre um curto-circuito. Este com portam ento perm ite o controle do com prim ento do arco por variações da corrente de soldagem (a qual controla a velocidade de fusão do arame) em processos de soldagem nos quais o arame é alimentado com uma velocidade constante (por exemplo, nos processos GMAW e SAW, ver Capítulos 15 e 16, respectivamente). Adicionalm ente, o grande aum ento de corrente, que ocorre quando o eletrodo toca o metal de base, facilita a abertura do arco e possibilita a transferência do metal de adição do eletrodo para a poça de fusão durante o curto-circuito. Alguns processos de soldagem a arco, com o a soldagem a arco submerso (ver Capítulo 16), podem utilizar mais de um arame. Nesta situação, os arames podem ser energizados pela mesma fonte ou por fontes separadas. Quando se trabalha com corrente alternada, uma diferente fase da mesma fonte pode ser usada para cada arame. 3.2 - C ic lo de trabalho Os com ponentes internos de uma fon te de energia tendem a se aquecer pela passagem da corrente elétrica durante uma operação de soldagem (Figura 2). Por outro lado, quando o arco não está operando, o equipam ento tende a se resfriar, particularmente quando este apresenta ventiladores internos. Assim , em uma fonte operando continuam ente por um período longo de tem po, a sua tem peratura interna pode se tornar muito elevada. Caso ela ultrapasse um valor crítico, dependente das características construtivas, o equipam ento poderá ser danificado pela queima de algum com ponente ou pela ruptura do isolam ento do transformador, ou poderá ter sua vida útil grandemente reduzida. Temperatura Tempo Figura 2 Ciclos de aquecimento e resfriamento interno durante a operação de uma fonte CAPÍTULO 5 FONTES DE ENERGIA PAHA S010AGEM A ARCO O cicio de trabalho (ou fator de trabalho) é definido com o a relação entre o tem po de operação (X^cc) perm itido durante um intervalo de teste especificado (tTESTE, em geral, igual a 10 minutos), isto é: C t = Í aB£Q_ * -| o o % (Eq1) {TESTE Assim, por exemplo, uma fonte com Ct = 60% pode operar por até seis m inutos em cada intervalo de 10 minutos. Para uma dada fonte, o valor do ciclo de trabalho vem geralmente especificado para um ou mais níveis de corrente de trabalho. É im portante não utilizar uma fonte acima de seu ciclo de trabalho de form a a evitar o aquecim ento excessivo de seu transformador e de outros componentes. O ciclo de trabalho é um fator determinante do tipo de serviço para o qual uma dada fonte é projetada. Unidades industriais para a soldagem manual são, em geral, especificadas com Ct de 60% na corrente de trabalho. Para processos sem iautom áticos, mecanizados ou autom áticos, um Ct de 100% é mais adequado. Fontes de pequena capacidade, de uso dom éstico ou em pequenas oficinas, podem ter um ciclo de trabalho de 20%. Para se estim ar o fator de trabalho de uma fonte para correntes de soldagem diferentes das especificadas pelo fabricante, pode-se utilizar a fórmula abaixo: C t, . I? = C t2 . I2 2 (Eq. 2) onde os Ct's e !'s são os ciclos de trabalho e as correntes nas condições 1 e 2. 3.3 - C la s s ific a ç ã o Fontes de energia convencionais para soldagem podem ser classificadas de diversas maneiras. A Figura 3 m ostra uma classificação apresentada por Cary no livro M od em VZelding Technology. Nesta, as fontes são separadas em dois grupos principais: (1) fontes que geram a energia elétrica no próprio local de soldagem pela conversão de uma dada form a de energia em energia mecânica e a conversão desta em energia elétrica e (2) fontes que convertem a energia elétrica da rede de distribuição em uma forma adequada para a soldagem. Em ambos os casos, a corrente elétrica pode ser fornecida para soldagem na form a alternada (CA) ou contínua (CC). SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Movida por motor elétrico __ :_______ Movida por motor de combustão Transformador TransformadorRetificador Método de ajuste da saída da fonte: taps, reator variável, shun _______ reator saturável, bobina móvel, retroalimentação, etc CA/CC CI/CV Figura 3 Classificação de fontes de energia convencionais para soldagem Outra form a de classificação é pela sua curva característica de saída: fontes de corrente constante (Cl) e fontes de tensão constante (CV). Fontes, ainda, podem ser classificadas de acordo com a suas características construtivas ou operacionais, com o por exem plo, m áquinas rotativas, unidades m oto-geradoras, m áquinas estáticas, transformadores, transformadores-retificadores, fontes para um operador, fontes para vários operadores etc. A spectos adicionais im portantes para a classifi cação e seleção de fontes de energia são a sua capacidade ou corrente nominal e o seu ciclo de trabalho (item 3.2). 3.4 - C o n stru ç ã o e m é to d o s de c o n trole de fo n te s c o n v e n c io n a is e stá tic a s Fontes convencionais que utilizam diretamente a energia elétrica da rede são form a das basicamente de um transformador, um dispositivo de controle da saída da fonte e um banco de retificadores (em equipamentos de corrente contínua). Figura 4. Alimentação Figura 4 Diagrama de bloco de uma fonte convencional Saída CAPÍTULO 5 c q FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO ! D S O transformador é um dispositivo que transfere energia elétrica de um circuito de corrente alternada para outro através de um cam po magnético sem modificar a frequência, mas, dependendo de sua construção, levando a um aumento ou re dução da tensão. Em linhas gerais, um transform ador é com posto de um núcleo de chapas de aço sobrepostas e enrolado por dois segmentos de fio que formam os enrolam entos primário (de entrada) e secundário (de saída). Desprezando-se as perdas de energia e a eficiência do transform ador (que podem ter um efeito consi derável, particularm ente quando uma carga está ligada ao transformador), a razão entre as tensões de entrada e saída (V1 e V2) do transform ador é igual à razão entre os núm eros de espiras nos enrolam entos primário e secundário (N1 e N2): (Eq.3) Diodos, representados por são com ponentes eletrônicos retificadores que apresentam valores de resistência elétrica diferentes, dependendo do sentido de fluxo da corrente, isto é, a resistência é m uito m enor em um sentido do que em outro. Assim, em um circuito de corrente alternada, este dispositivo permite bloquear o fluxo de corrente em um sentido e, desta form a, retificar a corrente. Para tornar este processo mais eficiente, um número de retificadores são colocados em arranjos espe ciais (pontes), Figura 5. A corrente contínua resultante da retificação apresenta flutuações remanescentes. Estas flutuações podem ser reduzidas pelo uso de circuitos trifásicos e de bancos de capacitores ou indutores que atuam como filtros da corrente. * Figura 5 Ponte retificadora de onda completa para um circuito monofásico O dispositivo para o controle da saída das fontes convencionais é, em geral, de acionam ento mecânico ou elétrico, existindo diversas formas destes. Duas formas sim ples e m uito comuns em fontes convencionais são o uso de transformadores com "taps" e o de transform adores de bobina móvel. Transformadores com vários "taps", seja no primário seja no secundário do transfor mador, permitem um ajuste descontínuo das condições de soldagem pela variação da relação entre o número de espiras no primário e secundário do transform ador (Figuras 6 e 7). Fontes mais simples apresentam, em seu painel, vários bornes, e as condições de soldagem são selecionadas pela conexão do cabo ao borne adequado (Figura 7b). Em sistem as um pouco mais sofisticados, a seleção da condição de soldagem pode ser feita através de uma chave de várias posições. Esta forma de controle é mais usada SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA em sistemas pequenos e de baixo custo e não perm ite controle remoto ou ajuste •contínuo. Um sistema similar, mas que perm ite uma variação contínua da saída do equipamento, é o uso de sapatas ou contatos móveis (em geral de carvão) que, ao serem deslocados sobre a superfície de uma bobina do transformador, perm ite a variação das relação de espiras de form a relativamente contínua. Tensão Tensão Corrente (a) Corrente (b) Figura 6 Ajuste das condições de soldagem por "taps": (a) fonte de corrente constante, (b) fonte de tensão constante B o rn e s Entrada Saída A lim e n ta ç ã o Figura 7 (a) Diagrama de uma fonte tipo transformador com ajuste de saída por "taps” e (b) desenho esquemático de uma fonte deste tipo O controle por bobina móvel é baseado no uso de um transformador, cujo núcleo é alongado de forma a perm itir o m ovim ento de uma bobina (normalmente o primá rio) em relação à outra. Como a distância entre as bobinas controla o acoplamento magnético destas, quanto mais afastadas as bobinas forem colocadas, menor será a saída da fonte, islo é, mais inclinada fica a sua curva característica (Figura 8). CAPÍTULO 5 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO (a) Corrente Figura 8 Ajuste de uma fonte tipo transformador de bobina móvel para saída de corrente, (a) mínima (b) máxima, (c) Curvas características resultantes 3.5 - F o n te s tipo ge ra d o r O gerador de soldagem (ou motor-gerador) é um dos tipos mais antigos de fonte de energia para soldagem a arco e é, ainda hoje, uma das mais versáteis. Eles podem ser projetados para gerar qualquer tipo de curva característica e, embora geralmen te produzam corrente contínua, existem equipam entos de corrente alternada cuja frequência pode ser diferente da frequência da rede. Fontes deste tipo são constituídas de um m otor que gera energia mecânica a qual é transm itida através de um eixo ou por um sistema de correia e polias ao gerador de energia elétrica (Figura 9). O m otor pode ser elétrico ou de com bustão interna, tendo, com o combustível, gasolina, óleo diesel, gás natural etc. Este tipo de equipamento é mais com um ente utilizado na soldagem com eletrodo revestido no campo, particular m ente em locais onde o acesso à rede de distribuição de eletricidade é complicado. São, por outro lado, equipam entos mais pesados, barulhentos e de manutenção mais complicada do que as fontes estáticas convencionais. Energia elétrica Gasolina Óleo diesel, etc. Figura 9 Diagrama esquemático de um motor-gerador I I I i SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 4. Fontes com Controle Eletrônico Fontes convencionais estáticas (transformadores e transformadores-retificadores) dependem de sistemas mecânicos ou elétricos para o controle e ajuste de sua saída. Estas fontes pouco mudaram nos últim os quarenta anos. Estes equipamentos têm, em geral, um form ato fixo de sua curva característica, velocidade de resposta baixa (da ordem de 10'1 s), insuficiente para controlar diversos eventos que ocorrem no arco e na transferência de metal, além de serem de difícil interação com sistemas digitais de controle. A partir da década de 1960 e, de form a importante, nas décadas de 1980 e 1990, novos conceitos foram introduzidos no projeto e fabricação de fontes de energia para soldagem. Estes conceitos têm em comum a introdução de dispositivos eletrôni cos, m uito mais versáteis e rápidos (Figura 10), para o controle da saída da fonte. Figura 10 Relação entre o tempo característico de fenômenos no arco elétrico e a frequência de controle de vários tipos de fontes segundo Ushio, em artigo publicado na revista Trans. OfThe JWRI Em comparação com as fontes convencionais, as fon te s com controle eletrônico são caracterizadas por: • Desempenho superior: apresentam resposta dinâmica e reprodutibilidade superiores às fontes convencionais. CAPÍTULOS - , 0 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO | ' >J • Funções múltiplas: podem possuir múltiplas curvas características, e a elevada velocidade de resposta permite a mudança, durante a operação, da saída da fonte' ou, mesmo, de sua curva característica, adequando-a, por exemplo, a eventos que estejam ocorrendo no arco. • Conexão mais fácil com equipamentos periféricos e capacidade de ser programa da; o controle eletrônico permite que a fonte troque sinais com sensores externos, microprocessadores internos, computadores, robôs etc. Condições de soldagem "otimizadas" ou regras preestabelecidas para a seleção de parâmetros de soldagem podem ser armazenadas em alguma forma de memória eletrônica e usadas para definir a operação do equipamento. • Redução de peso e dimensões: a introdução, na década de 1980. de fontes inversoras (ver abaixo) levou a uma grande redução nas dimensões do transformador devido ao uso de corrente alternada de alta frequência. Como o transformador é a parte de maior volume de uma fonte convencional, isto permitiu uma grande redução no tamanho da fonte. • Maior custo e manutenção mais complexa. Existem diferentes projetos de fontes que podem ser classificadas como de com ando eletrônico. As form as mais conhecidas são: • fontes tiristorizadas • fontes transistorizadas em série ("Series regulators") • fontes transistorizadas chaveadas ("Choppers") • fontes inversoras ("Inverters") 4.1 - F on tes tiristo riz a d a s Tiristor, ou "retificador controlado de silício" (SCR), pode ser considerado como um tipo de diodo chaveado. A condução de corrente no sentido de baixa resistência elétrica do SCR só se inicia quando um pequeno sinal é enviado a uma conexão adicional do dispositivo que atua com o um gatilho. Uma vez disparado, o dispositivo continua a conduzir a corrente até que esta se anule ou o seu sentido se inverta. SCRs podem ser usados em substituição aos retificadores comuns após o transformador de uma fonte de corrente contínua. Para regular a saída desta fonte, o m omento de disparo do gatilho é controlado a cada meio ciclo de corrente (Figura 11). Assim, para se obter uma corrente relativamente pequena com este sistema, é necessário retardar o disparo do gatilho, o que pode tornar a saída da fo n te distorcida. Este problema é minim izado pelo uso de alimentação trifásica e de filtros na form a de capacitores ou indutores. Estes últim os reduzem a velocidade de resposta da fonte. 4 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Entrada Saída Transformador (a) Corrente Tempo (b) Figura 11 (a) Diagrama esquemático de uma fonte tiristorizada monofásica, (b) Efeito do tempo de disparo do tiristor na forma de onda da corrente de saída As vantagens do controle por SCR são a sua sim plicidade, robustez e a possibi lidade de controle da saída da fonte com pequenos sinais eletrônicos. A velocidade de resposta do sistema é lim itada pela necessidade de a corrente se anular antes de o gatilho poder ser novamente disparado e para se reiniciar a passagem de cor rente. Assim, o menor tem po de resposta que pode ser esperado com este sistem a é de cerca de 3 a 9 ms. M esm o com a possibilidade de distorção da saída e a baixa velocidade de resposta, é possível obter fontes tiristorizadas de desem penho m uito superior que as convencionais. Em particular, é possível com pensar a saída da fonte contra possíveis variações na rede por meio do uso de retroalimentação. Controle tiristorizado tem sido utilizado em fonte para soldagem SM AW com corrente contí nua, GMAW, GTAW pulsado ou com corrente alternada quadrada e para soldagem SAW (Capítulos 12, 15, 13 e 16, respectivamente). 4.2 - F on tes t ra n s is to riz a d a s a n a ló g ic a s ("S e r ie s re g u la to r s") O transistor é um dispositivo eletrônico cuja saída é controlada por meio do ajuste de uma pequena corrente passando através de uma de suas conexões (a "base” ). O CAPÍTULO 5 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO seu funcionam ento pode ser explicado por meio de um sistem a hidráulico análogo, no qual a passagem de água (a corrente) no duto principal é controlada por uma válvula acionada por uma pequena vazão de água em um duto secundário (a base), Figura 12. Base (a) Figura 12 Sistema hidráulico análogo a um transistor de potência, (a) quando a corrente na Base (l6) é nula. o circuito principal permanece interrompido; (b) para uma corrente na base pequena, a corrente principal (I) é proporcional a l0; (c) para lb maior do que o seu valor de saturação lMI, a corrente principal passa livremente Dependendo do valor da corrente na base e da form a com o esta é variada, o transistor pode operar com o uma resistência variável ou uma chave liga-desliga. O primeiro caso ocorre quando lb é mantida entre zero e l^ . Figura 12 (b). O segundo caso ocorre quando som ente dois níveis de lb são usados (0 e l^,). Figura 12 (a) e (c). Em uma fon te de energia analógica, transistores operando em série com um transform ador-retificador controlam continuam ente a saída da fonte através de uma corrente de base menor que o seu valor de saturação (Figura 13). Controls Figura 13 Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada analógica ' U SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 4.3 - F o n te s tra n sisto riz a d a s c h a v e a d a s ("C h o p p e rs ") Nas fontes chaveadas. os transistores trabalham como chaves (Figura 12) que são abertas e fechadas a uma elevada velocidade. A saída da fonte é controlada pela razão dos tem pos em que os transistores permanecem abertos ou fechados (Figura 14). Corrente Tempo Corrente Figura 14 Técnicas de modulação para controle da saída: (a) modulação.da frequência e (b) controle da largura do pulso Embora o circuito básico destas fontes (Figura 15) seja m uito sim ilar ao das ante riores, a utilização dos transistores no m odo chaveado permite um grande aumento de eficiência na utilização da energia pela fonte e, em várias aplicações, a utilização de resfriam ento a ar. A m aior eficiência perm ite tam bém uma construção mais simples, com m enor número de transistores e m enores dimensões, o que reduz o preço da fonte. O processo de chaveamento gera um ruído na saída do equipam ento, mas. se a frequência de chaveam ento for suficientem ente elevada, esse ruído não tem nenhum efeito negativo no processo. Frequências de chaveamento de 1 a 30 kHz, ou m esm o superiores, são com um ente usadas. Figura 15 Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada chaveada CAPÍTULO 5 FOfíTES DE ENERGIA PARA SOIDAGEM A ARCO A velocidade de resposta da fonte também depende da frequência de chaveamento. Fontes com alta velocidade de chaveamento são capazes de responder em poucos microssegundos, sendo significantemente mais rápidas do que as fontes convencionais de soldagem. 4.4 - F o n te s in v e rso ra s Os tipos de fontes apresentados acima usam um transformador convencional para reduzir a tensão da rede até o valor requerido para a soldagem. Este transform ador opera na m esma frequência da rede (50/60 Hz). As fontes inversoras trabalham com um transform ador muito menor, o que é possível quando a frequência da corrente alternada é grandem ente elevada, melhorando, assim, a sua eficiência. A Figura 16 ilustra o funcionam ento básico de uma fonte inversora. Figura 16 Princípio de funcionamento de uma fonte inversora Nestas fontes, a corrente alternada da rede é retificada diretamente, e a corrente contínua de tensão elevada é convertida em corrente alternada de alta frequência (5 a 50 kHz, ou mais) através do inversor. Devido à sua elevada frequência, a tensão pode ser reduzida eficientem ente com um transformador de pequenas dimensões. Adicionalmente, a saída da fonte é controlada atuando-se no inversor. A velocidade de resposta é bastante elevada, dependendo, dentre outros fatores, da frequência de operação do inversor. A saída do transformador é novamente retificada para a obtenção da corrente de soldagem contínua. Reatores ou capacitores são usados para reduzir o nível de ruídos da fonte. A Figura 17 compara a variação da corrente de soldagem durante a abertura do arco com uma fonte tiristorizada e com uma fonte inversora. ' ' 78 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOOIA Controle por Tristor Controle por Inversor O o (a) (b) Figura 17 Comparação da velocidade de subida da corrente na abertura do arco para: (a) uma fonte tiristorizada e (b) uma fonte fonte inversora segundo Byrd, em artigo publicado no Welding Journal A elevada frequência de operação do transform ador perm ite, nas fontes inversoras, uma significativa redução do consum o de energia elétrica. O controle da fonte no primário perm ite tam bém uma grande redução na dissipação de energia quando a fon te está operando em vazio (que pode ser cerca de 80% m enor do que uma fon te convencional). 4.5 - F o n te s h íb rid as Uma tendência recente tem sido a com binação dos tipos da fonte de energia acima descritas de m odo a aumentar o desem penho a um m enor custo. Cita-se, por exemplo, a utilização de controle por transistores na saída de uma fonte inversora de forma a se ob ter características operacionais especiais. A Tabela I compara as características das fontes convencionais estáticas e das fontes com controle eletrônico. CAPÍTULO 5 FONTES DE ENERGIA PAHA SOLDAGEM A ABCO Tabela I - Características de fontes convencionais e eletrônicas Tipo de Fonte Saída Eficiência Elétrica Características Físicas Custo Relativo Aplicações Convencional Fixada pelo projeto, resposta lenta, sem estabilização da rede Razoável Grande, pesada, robusta, e resis tente. 1 S M A W m a n u a l, GTAW. Uso geral. Tiristorizada Resposta variável, mas relat. lenta. Estabiliza ção da rede, ruído ele vado. Razoável Mais compacta do que fon tes con vencionais equi valentes. 3 GMAW/GTAW mnnuol e mecanizada, SMAW manual. Q u a lid a d e média a alta Analógica Resposta muito rápi da, flexibilidade, preci sa, ausência de ruído, alta reprodutibilidade. Pobre Relat.grande, ne cessita refrigera ção de água. 6 G TA W /G M A W d« alta qualldad«, AAldn pulsadn, paaqulla n desenvolvlmanlo Resposta rápida, saída Tamanho médio, variável e reprodutível, Muito boa refrigeração pelo estabilidade. ar. 4 Quolldadn mAiJIa « alta, m u ltlpn tonamm Resposta rápida, saída Compacta, projeto variável e reprodutível, Muito boa complexo. estabilidade. 4 Qualldad« iviòilln a alto, multlprocmAAiiA Chaveada ou Híbridas Inversora 5. Conclusão Existe, atualm ente, um grande número de opções, em term os de m odo do funcionam ento e de custo, de fontes de energia para soldagem em uma dado npllcação. Na seleção de uma fonte, itens como tipo de processo de soldagem , nlvel de corrente e posição de soldagem, ciclo de trabalho, disponibilidade do enerflltt elétrica e tipos de equipam entos auxiliares, particularmente a necessidade do In terfaceam ento com robôs e outros dispositivos, devem ser considerados. PontOH adicionais que não podem ser esquecidos incluem o custo do equipam ento, sun eficiência elétrica, facilidade ou, mesmo, disponibilidade de manutenção adequiuln para o tip o de fonte considerada e, ainda, a experiência e confiabilidade do seu fabricante e fornecedor. Hf | " " I KOI OAGEM IIINDAMENTOS E TECNOLOGIA 6. Exercícios a) Desenhe esquematicamente as curvas características estáticas de fontes de tensão e corrente constante. Para cada caso, sobreponha uma curva do arco e indique o ponto operacional. b) Defina "Ciclo de Trabalho". Estime, para uma fonte de 200 A 60%, a maior corrente recomendada para a sua operação contínua por um longo período de tempo. c) Você dispõe de uma fonte estática tipo transformador de corrente constante com uma corrente nominal/ciclo de trabalho de 160 A/60%. Desenhe a curva característica desta fonte e indique o tipo de corrente que ela fornece. Discuta a possibilidade de uso desta fonte em uma aplicação que necessita de utilização contínua da fonte por uma hora. d) Você dispõe de uma fonte estática tipo transformador-retificador de tensão cons tante com uma corrente nominal/ciclo de trabalho de 350 A/100%. Desenhe a curva característica desta fonte e indique o tipo de corrente que ela fornece. Discuta a possibilidade de uso desta fonte em uma aplicação que necessita de uma corrente de 400 A. n) Apresente, de forma simplificada, o funcionamento de uma máquina de soldagem rotativa e de máquina estática convencional. Discuta a aplicação de cada um destes tipos de máquinas. I) ()ompare, em termos de seu funcionamento e características operacionais, uma fonte (iimvencional tipo transformador-retificador e uma fonte inversora. S C A PÍT U LO 6 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM 1. Introdução A soldagem geralm ente é realizada com a aplicação localizada de calor e/ou deform ação plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material, nem sempre desejáveis ou aceitáveis, podem ocorrer na região da junta. A maioria destas alterações depende das reações ocorridas durante a solidificação e resfriamento do cordão de solda e de sua mícroestrutura resultante. Assim, a com preensão destes fenôm enos m etalúrgicos é im portante em muitas aplicações da soldagem. Neste capítulo, serão discutidos aspectos m etalúrgicos relevantes para as opera ções de soldagem e corte térm ico. Para isso, uma breve revisão de metalurgia física será feita. De m odo geral, a discussão se baseará nos aços, em bora os princípios básicos possam ser aplicados a outros m etais e suas ligas. H M M W N T O S E TECNOLOGM 2. Metalurgia Física dos Agos 2.1 - Relação estrutura - propriedades Uma característica fundamental dos sólidos, e em particular dos metais, é a grande influência de sua estrutura na determinação de várias de suas propriedades. Por sua vez, a estrutura é determinada pelos processamentos sofridos pelo material durante a sua fabricação, isto é, pela sua "história". A Figura 1 mostra um exemplo deste princípio fundamental, para um aço com 0,8% de carbono, após tratamento térmico a 900 °C. Velocidade de Resfriamento (°C/s) Figura 1 Variação do (imite de escoamento com a velocidade de resfriamento de um aço com 0,8% C, inicialmente aquecido a 900 eC por uma hora A maioria dos processos de soldagem causa, nas partes que estão sendo unidas, variações de temperatura e deformações plásticas que resultam em alterações na estrutura dos materiais da junta sendo soldada e, portanto, de suas propriedades. Assim, sob certos aspectos, a soldagem pode ser considerada um tratamento termomecânico violento, cujo efeito nas características metalúrgicas do material deve ser cuidadosamente considerado. Muitas dessas alterações podem comprometer o desempenho em serviço do r <terial. e, assim, devem ser minimizadas pela adequação do processo de soldagem a naterial a ser soldado ou pela escolha de um material menos sensível a alterações e uturais pelo processo de soldagem. C A Ptm 0 6 0 4 RJNDAMfNTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM I O J 2.2 - Níveis estruturais 0 termo estrutura pode compreender desde detalhes grosseiros (macroestrutura) até detalhes de organização interna dos átomos (estrutura eletrônica). A metalurgia física interessa-se, principalmente, pelo arranjo dos átomos que compõem as diversas fases de um metal (estrutura cristalina) e pelo arranjo destas fases (microestrutura). Diversas propriedades mecânicas e algumas das propriedades físicas e químicas dos metais podem ser estudadas nestes níveis estruturais. A Tabela I ilustra os diferentes níveis estruturais com exemplos de detalhes observados nestes níveis. Tabela I - Níveis estruturais, exemplos de técnicas usuais de estudo e de detalhes qus podem ser observados Nhrel estrutural Macroestrutura Microestrutura Dimensões aproximadas Exemplos de técnicas de estudo Detalhes comuns Segregação, trincas, camadas cementadas. > tOOjjm Macrografia. Radiografia lOQuma Microscopia ótica (MO), microsTamanho de grão. microconscopia eletrônica de varredura tituintes, microtrincas. (MEV) 0,1//m 0,1//ma0,1nm Estrutura cristalina 1nma 0,1nm Estrutura eletrônica < 0,1nm Microscopia eletrônica de trans Precipitados submicroscópimissão (MET) cos. células de deslocações. Drfração de raios X Células unitárias, parâmetros de rede, defeitos cristalinos. Espectroscopia de emissão ótica Niveis atômicos, defeitos eletrônicos. Observações: (a) Esta tabela é apenas ilustrativa e a separação adotada dos níveis estruturais é arbitrária. (b) 1/jm = 0,001 mm, 1nm = 0,001/jm. (c) Diversos dos termos citados são discutidos ao longo do presente capitulo. 2.3 - Microestrutura dos aços Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em peso (mas em geral, muito menor que este valor), e ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de fabricação ou adicionados intencionalmente, visando a obtenção de certas propriedades. Quando o único elemento de liga é o carbono, têm-se os aços.carbono e, quando outros elementos de liga são utilizados, os aços ligados. De acordo com o teor de elementos da liga, os aços podem ser subdivididos em baixa liga (teor de liga inferior a 5%), aços média liga (entre 5 e 10% de elementos de liga) e aços de alta liga (com mais de 10% de liga). 0 /1 04 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Compreendem o grupo de ligas mais usadas pelo homem, pela abundância das matérias-primas básicas, relativa facilidade de refino, baixo custo e vasta gama de propriedades obtidas pela adição de elem entos de liga e pelo controle de sua estrutura por tratam entos térm icos e mecânicos. Em particular, são tam bém os materiais mais utilizados em estruturas soldadas. Para o estudo dos efeitos da soldagem no aço, é necessário um conhecim ento prévio de sua m icroestrutura e de com o esta pode ser alterada pelos tratam entos térm icos e variações de composição química. Uma ferramenta fundam ental para o entendim ento das fases presentes em um aço e para uma primeira análise da form a ção de sua m icroestrutura, particularm ente em condições de resfriam ento lento, é o diagrama de equilíbrio Fe-C. a) Fases e estrutura do aço resfriado lentamente O estudo da constituição e estrutura das ligas de ferro (aços e ferros fundidos) deve com eçar com o diagrama de equilíbrio Fe-C (Figura 2). Este mostra, em função da tem peratura e teor de carbono, as fases que podem existir e as reações entre elas em condições de equiiibrio nas ligas Fe-C. As suas inform ações se aplicam adequadamente para aços carbono quando a tem peratura é mantida relativamente constante ou varia lentam ente. Para aços mais com plexos ou em situações em que a tem peratura varia rapidamente, o diagrama Fe-C ainda é uma im portante referência, mas deve ser usado com cuidado, e o efeito dos elem entos de liga e das condições de aquecim ento e, principalmente, de resfriam ento nas características do material deve ser considerado. O diagrama de equilíbrio Fe-C fornece um conjunto de infor mações fundam entais para o conhecim ento e com preensão dos aços carbono e de uma grande variedade de aços ligados. Carbono (% peso) Figura 2 Diagrama Fe-C, mostrando os constituintes em equilíbrio nos aços (esquemático) CAFITU106 fUNOAMEtíTCS DA W ETAIURSA DA SOI O A K M As fases representadas neste diagrama são: líquido, austenita (y ). ferrita { a e ó ) e cementita (Fe3C). A ferrita é essencialmente puro ferro com uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), que pode conter traços de carbono em solução sólida. A cem entita é um carboneto de.ferro de estrutura ortorrômbica. Estas duas seriam as fases existentes no aço carbono abaixo de 727 °C. Para temperaturas mais elevadas (acima da linha GSE, Figura 2), o ferro existe em uma outra estrutura cristalina (cúbica de face centrada - CFC) que é capaz de dissolver maiores quanti dades de carbono, sendo conhecida como austenita. Durante o seu resfriamento, a austenita se torna instável abaixo da linha GSE (Figura 2) e com eça a se transform ar em ferrita (aços com menos de 0,8%C) ou em cem entita (aços com teor de carbono superior a 0,8%). Abaixo de 727 °C, em ambos os casos, a austenita rem anescente transforma-se diretamente em uma mistura de ferrita e cem entita (esta transform ação é conhecida como "reação eutetoide” ). Quando a velocidade de resfriam ento é suficientem ente baixa, a mistura formada tem um arranjo característico de camadas (ou lamelas) alternadas de ferrita e ce mentita, form ando um constituinte típico dos aços que é denominado de perlita. Assim, um aço carbono com teor de carbono inferior a 0,8% (aço hipoeutetoide) resfriado lentam ente teria uma microestrutura de ferrita e perlita, um aço com mais de 0,8%C (aço hipereutetoide) seria formado por cem entita e perlita, e um aço com 0,8%C (aço eutetoide) seria form ado somente de perlita. Em geral, a fe rrita é m acia, d ú c til e tenaz, enquanto que a c e m e n tita é extrem am ente dura e frágil. A perlita, formada por estas duas fases, apresenta uma dureza relativamente elevada e uma baixa tenacidade. Assim, aços com m aior teor de carbono tendem a apresentar um maior teor de constituintes duros (perlita e cementita), possuindo, como consequência, maiores valores de dureza e resistência mecânica, mas m enores ductilidade e tenacidade. b) Fases metaestáveis e diagramas de transformação Quando a velocidade de resfriamento aumenta, a temperatura na qual a austenita começa a se transformar torna-se menor. Menores temperaturas de transformação implicam menor mobilidade atômica e, portanto, maior dificuldade para a separação dos átom os de ferro e de carbono para a formação da ferrita e do carboneto de fer ro nas camadas características da perlita. Além disso, a presença de elementos de liga no aço tam bém tende a dificultar a formação da perlita, pois torna necessária a redistribuição de um maior número de elementos químicos. Assim, um aumento da velocidade de resfriamento ou a presença de elementos de liga levam inicialmente à formação de uma perlita mais fina (menor separação entre as camadas de ferrita e cementita para menores temperaturas de transformação). Para uma temperatura de transformação suficientem ente baixa (em torno de 500 °C ou menos), a estrutura la m elar típica da perlita não é m ais form ada, po de nd o aparecer, no aço, um novo g r 0 3 OC I ° 0 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA con stituin te , con he cido com o bainita, fo rm a d o por grãos alongados de fe rrita com uma fina dispersão de carbonetos. A bainita tende a co n fe rir uma elevada resistência m ecânica ao aço e, em algumas situações, perm ite a manutenção de uma boa tenacidade. Existem atualmente classes de aços estruturais com microestrutura bainítica obtida através da adição de elementos de liga ou por tratam entos térmicos especiais. Para velocidades de resfriam ento suficientem ente elevadas, a reação eutetoide é inibida e uma fase nova, não prevista pelo diagrama Fe-C, a martensita, pode ser formada. A martensita apresenta uma elevada dureza que aumenta fortem ente com o seu teor de carbono, ao m esm o tem po que se torna extrem am ente frágil. Quando observada em uma seção polida e atacada de uma amostra de aço, a m artensita tem um aspecto típico de agulhas ou lâminas. A Figura 3 mostra, de uma form a esquemática e sim plificada, a evolução da microestrutura de um aço em função de sua velocidade de resfriam ento a partir da condição austenítica. Velocidades de Resfriamenro Crescentes M icroestrutura Ferrita + Ferrita + Perlita (Grossa) Perlita (Fina) Bainita M artensita Figura 3 Microestrutura de um aço em função da velocidade de resfriamento após austenitização (diagrama esquemático) De um modo geral, pode-se afirmar que, quanto menor a temperatura de transformação e maior o teor de carbono, mais dura e frágil é a microestrutura. Na soldagem por fusão, a velocidade de resfriamento varia com a energia cedida durante a soldagem por unidade de comprimento da solda, com a temperatura inicial da peça e com a sua espessura e geometria. Este fato é muito importante, pois pode limitar a faixa de energia utilizável na soldagem de um componente de aço em que se necessita uma alta tenacidade. A microestrutura formada em função da velocidade de resfriamento (ou da tempera tura de transform ação) em um dado aço pode ser obtida a partir de diagramas de transformação deste aço. Estes diagramas são obtidos experim entalm ente para transformações de tem peraturas constantes (Diagramas I I I ) ou para transform a ções durante um resfriam ento contínuo (Diagramas TRC) e m ostram a evolução da m icroestrutura em função da temperatura e do tempo de resfriamento. Embora CAPÍTULO 6 FUNDAMENTOS ÜA METALURGIA DA SOLDAGEM tenham sido desenvolvidos originalmente para transformações após austenitização a temperaturas relativamente baixas (tratamento térmico convencional), já existem diagra mas de transformação aplicáveis à soldagem. A Figura 4 mostra, de forma esquemática, a aparência de um diagrama TRC. Figura 4 Diagrama TRC esquemático. Neste diagrama, estão sobrepostas duas curvas de resfriamento que resultam na formação de uma microestrutura de (a) ferrita e perlita e de (b) manensita c) Elementos de liga A adição balanceada de elem entos de liga perm ite a obtenção de uma variedade de tipos de aços com diferentes propriedades mecânicas, químicas, magnéticas, elétricas e térm icas. Estruturalmente, pode-se considerar que os elem entos de liga atuam em dois aspectos fundam entais: term odinâm ico e cinético. No prim eiro aspecto, um elem ento de liga pode alterar a estabilidade relativa das fases do aço ou mesmo tornar estável uma outra fase. Por exemplo, o níquel é um ele mento estabilizante de austenita e, quando presente em teores superiores a um certo nível, torna esta fase estável até a tem peratura am biente. Nióbio, vanádio e titânio reagem fortem ente com o carbono e, quando presentes em pequenas quantidades (menos de 0,1%) em um aço baixo carbono, prom ovem a formação de partículas de carbonetos de grande estabilidade, que podem existir sem se dissolver na austenita a tem peraturas de cerca de 1.000 °C. Estes carbonetos, juntam ente com a aplicação de tratam entos term om ecânicos adequados, são fundam entais para a obtenção dos chamados aços microligados ou aços de alta resistência e baixa liga, caracterizados por um reduzido tamanho de grão e uma elevada resistência mecânica. Como já foi dito, a maioria dos elemento's de liga reduz a velocidade de transfor mação da austenita ou, em outras palavras, aumenta a sua temperabilidade. Este efeito pode ser diferente para os diversos constituintes, assim, a adição de elementos de liga pode favorecer a form ação de um constituinte, em prejuízo de outro. on 0 ° SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Ao entrar em solução sólida em uma fase, um elem ento de liga pode alterar as propriedades desta fase. Em particular, a resistência mecânica é, em geral, aum en tada e sua ductilidade diminuída. 2.4 - M ecanismos de aumento de resistência mecânica A resistência mecânica dos aços pode variar enorm em ente, de cerca de 200 até 2.000MPa. Como em outros metais, existem para os aços diversos m ecanism os de endurecim ento, dos quais podem -se citar: deform ação a frio, formação de solução sólida, form ação de constituintes mais resistentes, endurecim ento por precipitação e refino de grão. Destes, o refino de grão é particularm ente im portante por produzir, sim ultaneam ente, uma melhoria de ductilidade e tenacidade. 3. Fluxo de Calor Na maioria dos processos de soldagem , a junta precisa ser aquecida até uma tem peratura adequada. Em particular, na soldagem por fusão, trabalha-se com fon tes de calor de elevada tem peratura (2.000 a 20 .000°C) e concentradas (como, por exem plo, o arco elétrico, cuja intensidade atinge cerca de 8x108W /m 2), as quais, ao serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formação da solda pela fusão e solidificação localizadas da junta. Esta aplicação concentrada de energia gera, em pequenas regiões, temperaturas elevadas, altos gradientes térmicos (102a 103 cC/mm), variações bruscas de temperatura (de até 103°C/s) e, consequentemente, extensas alterações de microestrutura e propriedades, em um pequeno volume de material. O fluxo de calor na soldagem pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas etapas básicas: fornecim ento de calor à junta e dissipação deste calor pela peça. Na primeira etapa, um parâm etro im portante para caracterizar o energia de soldagem (aporte térm ico ou heat input) definida como de energia fornecida à junta por unidade de com prim ento da mesma soldagem a arco, pode-se considerar o arco com o a única fonte de energia de soldagem pode'ser expressa por: processo é a a quantidade (Figura 5). Na calor, e a sua onde H é a energia de soldagem (J/mm), r\ é a eficiência térmica do processo, V é a tensão no arco (V), I é a corrente de soldagem (A), e v é a velocidade de soldagem (mm/s). CAPÍTULO 6 fUNDAMfNIOS DA METALURGIA OA SOLDAGEM Figura õ Conceito de energia de soldagem. P = (r|.V.!.) é a potência dissipada no arco e cedida à peça, t é o tempo e L é o comprimento da solda Na segunda etapa, a dissipação do calor ocorre principalmente por condução, na peça, das regiões aquecidas para o restante do material. A evolução de temperatura em dife rentes pontos, devido à soldagem, pode ser estimada teórica ou experimentalmente. Cada ponto do material localizado próxim o à junta experimentará uma diferente variação de tem peratura devido à passagem da fonte de calor, com o mostra a Figura 6. Esta curva é chamada de "ciclo térm ico de soldagem " e pode ser considerada com o o "tratam ento térm ico" que o ponto sofreu durante a soldagem. Ciclo térmico de soldagem (esquemático). Ver texto para a definição dos itens mostrados na figura São características importantes do ciclo térm ico de soldagem: • Temperatura de pico (T ): é a temperatura máxima atingida pelo ponto. A temperatura de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais, determinando, assim, a extensão da região afetada pelo calor durante a soldagem. QQ 03 Q n ^ U SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Tb diminui com a distância ao centro da solda e pode ser estimada, para soldas de um passe e penetração total, pela expressão: = 4,133 Ac7? + T „ -T n H Tf -T 0 (Eq. 2) onde p é a densidade do material; c ê o seu calor específico; h é a espessura da peça; y é a distância do ponto considerado à linha de fusão (local em que Tp é igual à temperatura de fu s ã o ); Tt é a temperatura de fusão do material; T0 é a temperatura inicial e H é a energia de soldagem. A Figura 7 m ostra esquem aticam ente a variação da tem peratura de pico com a distância ao centro do cordão de solda, na direção perpendicular a este para dois níveis de energia de soldagem. • tempo de permanência (fc) acima de uma temperatura crítica: tempo em que o ponto fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura mínima (temperatura crítica, T) para ocorrer uma alteração microestrutural ou de propriedades significativas no material. • velocidade de resfriamento (cj>): é obtida pela derivada (ou inclinação) em uma de terminada temperatura (T) da curva de resfriamento. Alternativamente, é comum caracterizar o resfriamento de uma solda pelo tempo necessário (A t^ j) para a solda se resfriar de uma dada temperatura (T,) até outra <T2). Para a soldagem de aços, as temperaturas consideradas são, em geral. 800 e 500 °C (Ataç). Figura 7 Curvas esquemáticas de repartição térmica em soldas realizadas com diferentes energias de soldagem (H, e H2) Esta últim a característica é particularm ente im p o rta n te na soldagem dos aços carbono, pois estas ligas, quando aquecidas a tem pe ratura s elevadas, são austenitizadas na região da solda e, no resfriam ento, os pro du to s da transform ação da austenita dependem fo rte m e n te das con dições de resfriam ento, com o já foi ressaltado na seção 2. Os ciclos térm icos de soldagem e a repartição térm ica dependem de diversas variáveis, entre elas: I CAPITULO 6 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM | • tipo de metal de base: metais e ligas de elevada condutividade térmica, como o cobre e o alumínio, dissipam rapidamente o calor da região da solda para o restante da peça, o que torna mais difícil a formação da poça de fusão. Por outro lado, materiais com menor condutividade térmica tendem a apresentar gradientes térmicos mais abruptos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento. Nestes materiais, a energia térmica é melhor aproveitada para a fusão localizada necessária à soldagem. • geometria da junta: considerando todos os outros parâmetros idênticos, uma junta em T possui três direções para o fluxo de calor, enquanto uma junta de topo possui apenas duas, como mostra a Figura 8; logo, juntas em ângulo tendem a esfriar mais rapidamente. (a) (b) Figura 8 Direções para escoamento do calor em juntas (a) de topo e (b) em ângulo (ouT) • Espessura da junta: Para uma mesma condição de soldagem, uma junta de maior espes sura facilita o escoamento do calor da região da solda. Assim, quanto mais espessa a junta, mais rapidamente esta tenderá a se resfriar durante a soldagem até uma espessura limite acima da qual a velocidade de resfriamento independe da espessura. Para esta última condição de resfriamento, o tempo de resfriamento da solda entre 800 e 500 °C (At^) pode ser estimado pela expressão: Aí, 8 /5 H 1 1 2n k 500 -7"n 8 0 0 -7 ; 0 (Eq. 3) onde k é a condutividade térmica do material, e os outros termos têm o mesmo significado usado anteriormente. Energia de soldagem e temperatura inicial da peça: a velocidade de resfriamento diminui com o aumento destes dois parâmetros, e a repartição térmica torna-se mais larga. Do ponto de vista operacional, estes dois parâmetros são aqueles que podem ser mais facilmente alterados pelo pessoal responsável pela operação de soldagem. Isto é muito importante pois a seleção adequada destes permite um certo controle sobre a velocidade de resfriamento da região da solda e. portanto, sobre a sua microestrutura e propriedades. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 4. Macroestrutura de Soldas por Fusão A curva de repartição térmica perm ite definir, para uma solda por fusão, três regiões básicas (Figura 9): • Zona Fundida (ZF): regiào onde o material fundiu-se e solidificou-se durante a operação de soldagem. As temperaturas de pico desta região foram superiores à temperatura de fusão (Tf) do metal de base; • Zona Termicamente Afetada (ZTA) ou Zona Afetada pelo Calor (ZAC): região não fun dida do metal de base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alteradas pelo ciclo térmico de soldagem. As temperaturas de pico nesla região foram superiores à temperatura crítica do material em questão e inferiores à sua temperatura de fusão; e • Metal de Base (MB): região mais afastada do cordão de solda e que não foi afetada pelo processo de soldagem. As suas temperaturas de pico são inferiores à temperatura crítica do material. Tp V f \ jc K c Ib .' v^Â / w- B ] C ) Y Figura 9 Regiões de uma solda por fusão (esquemática). A - Zona Fundida (ZF), B - Zona Termicamente Afetada (ZTA) e C - Metal de Base (MB) O ciclo térm ico de soldagem influencia de form a im portante as reações e altera ções estruturais que ocorrem em uma dada região do material devido ao processo de soldagem. A Figura 10 mostra esquematicamente as reações e alterações esperadas, na soldagem a arco de um aço de baixo carbono, para um ponto situado na zona fundida. Figura 10 Diagrama esquemático mostrando diferentes alterações que podem ocorrer na zona fundida de uma solda em um aço de baixo carbono CAPITULO 6 CAPÍTULO b no FUNDAMENTOS OA METALURGIA DA SOLDAGEM . 5. Características da Zona Fundida 5.1 - Características da poça de fusão Nos processos de soldagem por fusão, a zona fundida pode ser formada sob as mais diversas condições. Nos processos mais com uns, isto é, na soldagem a arco com eletrodo consumível, o metal de adição fundido é transferido para a poça de fusão na forma de gotas, aquecidas a temperaturas m uito elevadas, acima de 2.000 °C, no caso de aços. Nas partes mais quentes da poça de fusão, localizadas logo abaixo do arco, o metal de adição é m isturado, sob intensa agitação, ao metal de base fundido. Na parte posterior da poça, a tem peratura cai e ocorre a solidificação. Nas regiões superaquecidas ocorre uma intensa interação do metal fundido com os gases e escórias presentes na região do arco. Estas interações envolvem a absorção de gases (por exemplo, hidrogênio pelo aço, alum ínio ou cobre), a redução de óxidos, com a transferência de oxigênio para o metal, a transferência de elem entos de liga e impurezas do metal fundido para a escória, ou vice-versa, e a volatilização de alguns elem entos (por exemplo, Zn, Cd, Cr e Al). A com posição química final da ZF depende da intensidade destas interações, das com posições químicas do metal de base e de adição e da participação relativa destes na formação da ZF. Esta participação relativa é conhecida com o "coeficiente de diluição" ou, sim plesm ente, com o "diluição" (5), com o definida abaixo: Massa fundida do metai base Massa total do cordão de solda x 100 {%) (Eq.4) A diluição pode ser m edida em m acrografias da seção transversal de soldas, com o m ostra a Figura 11. Seu valor pode variar entre 100% (soldas sem metal de adição) e 0% (brasagem). (a) (b) Figura 11 Diluição medida na seção transversal de (a) um cordão depositado sobre chapa e (b) uma solda de topo QA I SOLDAGEM fUNDAMENTOS E TECNOLOGIA O controle da diluição é im portante na soldagem de m etais dissim ilares, na deposição de revestim entos especiais sobre uma superfície metálica, na soldagem de metais de com posição química desconhecida, caso m uito com um em soldagem de manutenção, e na soldagem de materiais que tenham altos teores de elem entos prejudiciais à zona fundida, com o o carbono e o enxofre. Na parte posterior da poça de fusão, a temperatura cai até a tem peratura de início da solidificação do material. Esta queda de temperatura faz com que diversas reações que ocorreram nas regiões mais quentes ocorram agora em sentido contrá rio. O material pode ficar supersaturado de gases em solução, com o o hidrogênio e o nitrogênio, devido à redução de sua solubilidade com a queda de tem peratura e a solidificação, com o ilustra a Figura 12. A evolução destes gases pode causar a form ação de porosidade na solda. E. O T 3 B 3 O C O Temperatura (°C) Figura 12 Variação da solubilidade do hidrogênio no ferro líquido e sólido A solubilidade do oxigênio no aço líquido tam bém cai com a tem peratura, e este passa a reagir com outros elementos. O produto destas reações pode ser um gás (por exemplo, C + 0-> C 0 (g)), que pode causar porosidade; um sólido ou um líquido insolúvel na poça que, se for capturado pela frente de solidificação, resultará em inclusões na solda. A form ação de porosidade, devido a reações do oxigênio com o carbono e a formação de inclusões, sua forma, tamanho e quantidade, dependem do processo e do procedim ento de soldagem, da com posição do meio de proteção da poça de fusão e do arco (gases e escórias) e das com posições do metal de base e de adição, em particular, do teor de elem entos desoxidantes. A extensão das reações que ocorrem na poça de fusão depende, tam bém , das características químicas da escória em contato com o metal líquido, quando esta é usada. Por exemplo, na soldagem a arco submerso, o teor final de oxigênio na solda e, portanto, o volum e de inclusões, tende a dim inuir com o aumento da proporção de óxidos básicos na composição do fluxo, com o mostra a Figura 13. Nesta figura, o term o "índice de Basicidade" é uma relação entre os teores (em %peso) dos óxidos básicos e os óxidos ácidos existentes no fluxo da seguinte forma: CAPÍTULO 6 fUNOAMEKTOS OA M ETAIUBHA OA SOLDAGEM CdC) + MgO + A/ ^ 2 O + K^C) + Cdf~2 +1 /2 [FbO + MnO} SÍO2 + + T1O2 + 2VO2j |jTq gj índicc de Baslcidade Figura 13 Efeito da basicidade da escória no teor de oxigênio da zona fundida 5.2 - Solidificação da poça de fusão Na parte posterior da poça de fusão, 0 metal líquido se solidifica dando origem ao cordão de solda. O processo de solidificação determ ina diversas características macro e m icroestruturais do cordão, tendo, assim, um im portante efeito sobre as propriedades e o com portam ento da solda. Embora, em muitos aspectos, um pas se de solda possa ser considerado como uma pequena peça fundida, esse possui características próprias que resultam em diferenças significativas em term os da estrutura de solidificação e, consequentem ente, de propriedades. A Figura 14 ilustra a estrutura de solidificação típica de um lingote ou peça fundi da. A região mais externa (zona coquilhada) é form ada no início da solidificação da peça, quando existe uma grande diferença de tem peratura entre o m olde e 0 metal líquido. Esta diferença causa um forte resfriam ento do líquido em contato com a parede do m olde e propicia a nucleação de um grande número de grãos que form am esta região. A zona colun ar ocorre após a formação da zona coquilhada, quando, devido à liberação de calor latente de solidificação e ao afastamento da interface sólido-líquido da parede do molde, a temperatura do líquido próximo desta interface se aproxima da temperatura de fusão do metal. Como consequência, o número de novos grãos nucleados é fortem ente reduzido e 0 sólido passa a ser form ado prin cipalm ente pelo crescim ento de grãos já existentes em direção ao líquido. Como resultado, os grãos assumem o form ato colunar característico desta zona. Nas etapas finais da solidificação, a rejeição de solutos e impurezas, que ocorre durante toda a solidificação, causa 0 aparecim ento de inclusões e de outros pontos que facilitam a n r S 3 I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA ocorrência da nucleaçáo de novos grãos. Além disso, na parte central da peça, onde a solidificação final, em geral, ocorre, o calor é extraído de form a aproxim adam ente igual em todas as direções. Desta forma, os novos grãos form ados tendem a crescer com um form ato equiaxial, resultando na zona central. Zona Coquilhada Zona Colunar Zona Central Figura 14 Seção transversal esquemática de uma peça fundida, mostrando as suas três regiões características Em um cordão de solda, o metal líquido da poça de fusão em contato com o metal de base (a "parede do m olde") não é fortem ente superresfriado pois o metal de base foi aquecido até a sua tem peratura de fusão pela fonte de calor. Assim , a formação de um grande número de novos grãos não tende a ocorrer, a zona coqui lhada não é form ada e o cordão de solda é constituído predom inantem ente por uma zona colunar. Na soldagem com elevada energia de soldagem, quando a poça de fusão apresenta grandes dimensões, uma zona central pode ser formada, contudo, na maioria das aplicações esta não é formada. Como a form ação de novos grãos é m uito limitada, o início da solidificação na poça de fusão ocorre principalm ente peio crescim ento de grãos do metal de base que estão na linha de fusão (fronteira entre a ZF e a ZTA), assegurando a continuidade metalúrgica entre a ZF e a ZTA (Figura 15). Figura 15 Metalografia da região de transição entre a ZTA e ZF de um aço inoxidável ferritico mostrando a continuidade de grãos da ZTA na ZF. Aumento: 100X CAPÍTULO 6 Q7 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM , “ ' Devido às elevadas velocidades de solidificação em soldagem, a segregação (variação de composição entre diferentes pontos do material solidificado ocasionada pela solidificação) ocorre em m enor escala do que em um lingote ou peça fundida. Esta segregação, contudo, é suficiente para causar variações localizadas de microestrutura, propriedades, e, m esm o, problem as de fissuração, particularmente, no centro do cordão. Como as peças fundidas em geral, a zona fundida é caracterizada por uma estru tura primária de grãos colunares e grosseiros. Este tipo de estrutura pode conferir uma menor tenacidade ao material. 5.3 - Formação da estrutura secundária Após sua solidificação, a zona fundida pode sofrer ainda alterações até o resfriamento final à temperatura ambiente (ver Figura 10). Estas alterações podem incluir, por exemplo, o crescimento de grão, a formação de carbonetos, nitretos e outras fases intermetálicas e a transformação de uma fase em outra(s). Nos aços carbono e aços de baixa liga, por exemplo, a poça de fusão normalmente se solidifica como ferrita delta, que logo se transforma em austenita. Com o seu resfriamento, esta se transforma em uma mistura complexa de constituintes, em função de fatores como o tamanho de grão austenítico, composição química, velocidade de resfriamento e composição, tamanho e quantidade de inclusões. Na soldagem com vários passes destes aços, a microestrutura é ainda mais com plexa, pois cada passe pode afetar os passes imediatamente abaixo, causando a sua reaustenitização e subsequente transformação desta no resfriamento e, assim, alterando (refinando) parcialmente a sua m icroestrutura. A Figura 16 ilustra este efeito em uma solda de vários passes de um aço carbono. 0-----------------1 * 2 1 cm 3 1-1------------------1 Figura 16 Macrografia de uma solda de vários p asses realizada em um aço de baixo carbono As propriedades da zona fundida dependerão de sua estrutura final, incluindo as microestruturas de solidificação e a secundária, bem como a presença de descontinuidades. 6. Características da Zona Termicamente Afetada As características da ZTA dependem fundamentalmente do tipo de metal de base e do processo e procedimento de soldagem, isto é. dos ciclos térmicos e da repartição térmica (Figuras 6 e 7). De acordo com o tipo de metal que está sendo soldado, os efeitos do ciclo térmico poderão ser os mais variados. No caso de me tais não transformáveis (por exemplo, o alumínio ou o cobre) no estado recozido, a mudança estrutural mais marcante será o crescimento de grão. Caso ò material esteja encruado, a ZTA apresentará, além de uma região de crescimento de grão adjacente à ZF, uma região recristalizada localizada um pouco mais afastada. Em metais transformáveis, a ZTA será mais complexa. No caso dos aços carbono e aços baixa liga, esta apresentará diversas regiões características, ilustradas na Figura 17 e discutidas a seguir: Figura 17 Estrutura da ZTA de um aço de baixo carbono (esquemática). A - Região de crescimento de grão. B - Região de refino de grão. C - Região intercrftica. Ver texto para uma explicação desta figura CAFtnODS Q Q FUN0AM£N7DS DA METAlUBíaA QA SOtDAféM I 3 3 6.1 - Região de crescimento de grão Compreende a região do metal de base mais próxima da solda e que foi sub metida a temperaturas entre cerca de 1.200 °C e a temperatura de fusão. Nesta situação, a estrutura austenítica sofre um grande crescimento de grão. Este cres cimento dependerá do tipo de aço e da energia de soldagem (processos de maior energia resultarão em granulação mais grosseira). A estrutura final de transforma ção dependerá do teor de carbono e de elementos de Siga em geral, do tamanho de grão austenítico e da velocidade de resfriamento. A granulação grosseira da austenita dificulta a sua transformação durante o resfriamento (isto é, aumenta a sua temperabilidade), o que pode ser acentuado se o aço for ligado ou tiver um maior teor de carbono. De um modo geral, esta região é caracterizada por uma estrutura grosseira, com a ferrita apresentando uma morfologia em placas e a pre sença de bainita. Condições de soldagem que resultem em uma maior velocidade de resfriamento, particularmente em aços ligados ou corp maior teor de carbono, podem resultar, nesta região, em uma estrutura completamente martensítica. Esta região tende a ser a mais problemática da ZTA de um aço. podendo ter baixa tenacidade e ser um local preferencial para a formação de trincas. Para um dado material, espessura e tipo de junta, as condições de resfriamento e, portanto, a microestrutura desta região, poderão ser ajustadas pela seleção adequada das condições de soldagem, particularmente a energia de soldagem e a temperatura de pré-aquecimento da junta. 6.2 - Região de refino de grão Compreende a porção da junta aquecida a temperaturas comumente utilizadas na normalização dos aços ou um pouco acima destas (900 até cerca de 1.200°C). Após o processo de soldagem, esta região é caracterizada, geralmente, por uma estrutura fina de ferrita e perlita, não sendo problemática na maioria dos casos. 6.3 - Região intercrítica Nesta região, a temperatura de pico varia entre 727°C (temperatura eutetoide) e a linha A3 (linha GS, na Figura 2), sendo caracterizada pela transformação parcial da estrutura original do metal de base. Nesta faixa de temperatura, somente uma parte do material é austenitizada e, portanto, alterado pelo ciclo térmico. Em alguns casos, particularmente na soldagem com vários passes, constituintes de elevada dureza e baixa tenacidade podem se formar nesta região. Regiões mais afastadas do cordão de solda, cujas temperaturas de pico foram infe riores a 727° C, apresentam mudanças microestruturais cada vez menos perceptíveis. 1n n 1U U , SOLDAGEM FUNDAMENTOS £ TtCNOLOGIA 7. Descontinuidades Comuns em Soldas Neste texto, será considerado como descontinuidade uma interrupção ou uma violação da estrutura típica ou esperada de uma junta soldada. De acordo com as exigências de qualidade para a junta soldada (baseadas em normas ou em um con trato), uma descontinuidade pode ser considerada com o prejudicial para a utilização futura da junta, constituindo-se, desta forma, em um defeito e exigindo ações cor retivas. Devido ao alto custo dessas ações, a presença de defeitos deve sem pre ser evitada. Apresenta-se a seguir uma classificação das descontinuidades em soldas, baseada no livro W elding Inspection, da American W elding Society, que considera três categorias básicas de descontinuidades: • D escontinuidades dim ensionais - Distorção - Dimensões incorretas da solda - Perfil incorreto da solda • D escontinuidades estruturais - Porosidades - Inclusões de tungsténio - Falta de fusão - Falta de penetração - Mordedura - Trincas e - Outras • Propriedades inadequadas - Propriedades mecânicas - Propriedades químicas e - Outras 7.1 - Descontinuidades dimensionais São inconform idades nas dim ensões ou form a dos cordões de solda. Sua gravi dade varia com a m agnitude e a aplicação, ou processam ento posterior que a peça soldada vai ser submetida. CAPÍTULO 6 j FUNDAMENTOS OA METALURGIA DA SOLDAGEM 7.1.1 - Distorção (Figura 18) Origem São alterações de form a e dim ensões que com ponentes soldados sofrem com o resultado de deform ações plásticas devidas ao aquecimento não uniform e e loca lizado durante a soldagem. Causas práticas Soldagem em excesso, soldagem em juntas livres (aquelas em que as peças podem se mover facilmente), seleção incorreta do chanfro e da sequência de soldagem etc. Consequências Mudanças de form as e dimensões. Medidas corretivas A distorção pode ser reduzida durante a soldagem, dim inuindo-se a quantidade de calor e metal depositado, pela utilização de dispositivos de fixação, pelo martelamento entre passes, escolha correta do chanfro e da sequência de soldagem etc. A correção da distorção em soldas prontas exige medidas, em geral onerosas, com o desem penam ento mecânico ou térm ico, remoção da solda e ressoldagem etc. (c) Figura 18 Formas básicas de distorção em juntas soldadas: (a) Contração transversal, (b) contração longitudinal e (c) distorção ^ngular 102 | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 7.1.2 - Dimensão incorreta da solda No projeto de uma estrutura, as dimensões das soldas são especificadas de modo a atender a algum requisito, por exemplo, resistência mecânica à tração. Dimensões fora das tolerâncias admissíveis configuram de feitos de soldagem, uma vez que a solda deixa de atender a esses requisitos. As dim ensões de uma solda são verifica das, em geral, numa inspeção visual, com o auxílio de gabaritos. 7.1.3 - Perfil incorreto da solda Este deve ser considerado, na medida em que variações geométricas bruscas agem como concentradores de tensões, facilitando a form ação e a propagação de trincas. A Figura 19 mostra alguns exem plos de perfis inadequados de soldas. Convexidade excessiva de cordões em soldas multipasses podem causar falta de fusão e/ou inclusões de escória entre passes. Em quase todos os casos, um perfil inadequado do cordão de solda está relacionado com a manipulação ou posicionamentos imperfeitos do eletrodo e/ou utilização de parâmetros de soldagem inadequados. Garganta insuficiente Convexidade excessiva Mordedura Dobra Perna insuficiente Falta de, penetração Figura 19 Exemplos de perfis de soldas inadequados (esquemático) 7.1.4 - Formato incorreto da junta O posicionam ento ou o dim ensionam ento inadequado das peças pode levar a problemas com o o desalinhamento em juntas de top o (Figura 20). Problemas de dis torção podem também ser um im portante fator para a obtenção de juntas soldadas com um form ato incorreto. Figura 20 Desalinhamento em junta de topo CAPÍTULOS FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM 7.2 - Descontinuidades estruturais São descontinuidades na micro ou macroestrutura na região da solda, associadas à falta de material ou à presença de material estranho em quantidades apreciáveis. Sua gravidade depende do tipo de descontinuidade, sua extensão e geometria. 7.2.1 - Porosidades Origem Evolução de gases durante a solidificação da solda. As bolhas de gás podem ser aprisionadas pelo metal solidificado à medida que a poça de fusão é deslocada. Pode ocorrer uniform em ente distribuída, em grupos, alinhada ou com o porosidade vermicular, conform e mostra a Figura 21. Causas práticas Umidade ou contaminação de óleo. graxa, ferrugem etc. na região de junta, ele trodo, fluxo ou gás de proteção úm idos; corrente ou tensão de soldagem excessivas, corrente de ar durante a soldagem etc. Consequências Pequenas quantidades de poros não são consideradas prejudiciais. Acima de determ inados lim ites (em geral estabelecidos por normas), a porosidade pode afetar as propriedades mecânicas, particularm ente, reduzindo a seção efetiva da junta. Porosidade alinhada pode ser mais prejudicial que porosidade distribuída. Medidas corretivas A formação de porosidade pode ser minimizada pelo uso de materiais lim pos e secos, de equipam entos em boas condições e pelo uso de parâmetros de soldagem adequados. ill ifü J K . lis n *|f K-(a) (b) , Figura 21 Formas de porosidade: (a) distribuída, (b) agrupada, (c) alinhada e (d) vermicular (esquemática) (c) (d) I r .- } 1u J UH SOIO AGEM FUNOAMENTOS E TECNOLOGIA 7.2.2 - Inclusões de escória (Figura 22) Origem Vários processos de soldagem utilizam fluxos que formam escória que tende a se separar do metal líquido na poça de fusão. Além disso, várias reações se proces sam na poça, podendo gerar produtos insolúveis no metal líquido que tendem a se separar deste e tam bém form ar escória. Por diversos motivos, parte desta escória pode ficar presa entre os passes de solda ou entre estes e o meta! de base. Causas práticas .... Manipulação incorreta do eletrodo, de tal forma que a escória flui à frente da poça de fusão, particularmente, na soldagem fora da posição plana e na remoção parcial da escória solidificada entre os passes de solda. Este problema é especialmente agravado quando os passes têm uma convexidade excessiva ou o chanfro é m uito estreito. Este tipo de inclusão apresenta-se, em geral, com uma forma alongada numa radiografia. Consequências As inclusões alongadas form adas entre os passes de solda são concentradores de tensão relativamente severos e podem facilitar a formação de trincas. Medidas corretivas Manipulação correta e remoção adequada da escória dos passes de soldagem anteriores. Inclusão de escória Figura 22 Inclusão de escória (esquemática) 7.2.3 - Inclusão de tungsténio Este tipo de inclusão ocorre na soldagem com o processo TIG, quando a ponta do eletrodo toca o metal de base ou a poça de fusão, em especial, na abertura do arco sem ignitor de alta frequência, ocorrendo a transferência de partículas de tu n gsténio para a solda. CAPÍTULO 6 ! FU\O AVE mos DA METALURGIA DA SDOlA GfM j 7.2.4 - Falta de fusão Origem O term o refere-se à ausência de continuidade metalúrgica entre o metal deposi tado e o metal de base ou dos passes adjacentes, com o ilustra a Figura 23. Resulta do não aquecim ento adequado do metal presente na junta e/ou da presença de uma camada de óxido espessa o suficiente para dificultar a fusão do metal de base. Causas práticas Manipulação incorreta do eletrodo, falta de limpeza da junta, energia de solda gem insuficiente (corrente m uito baixa ou velocidade de soldagem m uito elevada), im possibilidade de o arco atingir certas regiões da junta (por exemplo, na soldagem em vários passes, a região entre dois passes de convexidade excessiva) etc. Consequências A falta de fusão é um concentrador de tensões severo, podendo facilitar o apareci mento e a propagação de trincas. Além disso, pode reduzir a seção efetiva da solda. Medidas corretivas Em peças de responsabilidade, a existência da falta de fusão não pode ser tole rada, exigindo-se a remoção da região defeituosa e a sua ressoldagem. Para evitar sua formação, deve-se atuar no sentido de se eliminar suas causas práticas. Figura 23 Falta de fusão (esquemática) 7.2.5 - Falta de penetração Origem O term o refere-se a falhas em se fundir e encher com pletam ente a raiz da solda, com o mostra a Figura 24. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Causas práticas Manipulação incorreta do eletrodo, junta mal projetada (ângulo de chanfro ou abertura de raiz pequenos), corrente de soldagem insuficiente, velocidade de sol dagem muito alta e diâmetro de eletrodo m uito grande. Consequências Redução da seção útil da solda e concentração de tensões. Medidas corretivas A falta de penetração pode ser evitada pelo projeto adequado da junta e utiliza ção de um procedim ento de soldagem apropriado. Deve-se ressaltar que muitas juntas são projetadas para serem soldadas com penetração parcial. Nestes casos, a penetração parcial não constitui um de feito de soldagem. Figura 24 Falta de penetração (esquemática) 7.2.6 - Mordeduras Origem Fusão do metal de base na margem do cordão de solda, sem ocorrer o enchi m ento desta área, resultando na formação de uma reentrância nesta região, com o mostrado na Figura 19. Causas práticas Manipulação incorreta do eletrodo, com prim ento excessivo do arco, corrente ou velocidade de soldagem m uito elevadas. Deve-se observar que, na soldagem com eletrodos revestidos, certos eletrodos tê m m aior tendência para gerar mordeduras do que outros. Consequências Redução da área útil e concentração de tensões. Particularmente, a resistência à fadiga é reduzida. Medidas corretivas Atuar no sentido de im pedir as suas causas. Quando ocorre na soldagem em CAPÍTULO 6 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM vários passes, a sua eliminação (com 0 esmeril, por exemplo) é im portante para se evitar problem as na deposição dos passes seguintes. 7.2.7 - Trincas São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem. São fortes concentradores de tensão, podendo favorecer o início de fratura frágil na estrutura soldada. De um m odo bem simples, uma trinca pode ser considerada com o o resul tado da incapacidade do material, em responder às solicitações impostas localm ente pelas tensões decorrentes do processo de soldagem. Como já discutido, a aplicação localizada de calor, acarretando expansões e contrações localizadas no material, causa 0 aparecimento de tensões de tração bi ou m esm o triaxiais na região da solda. Este estado de tensões, juntam ente com a fragilização associada às mudanças microestruturais durante a soldagem e/ou a presença de certos elem entos (particularm ente 0 hidrogênio), pode resultar na form ação de trincas. As trincas podem ser externas, isto é, atingir a superfície, ou totalm ente internas, não sendo, nesse caso, detectáveis por inspeção superficial na região da solda. Podem se localizar na ZF. ZTA ou m esmo no metal de base. Quanto às dim ensões, tanto podem ser micro quanto macroscópicas. A Figura 25 mostra as localizações típicas de trincas de soldagem e a Figura 26 m ostra um exemplo de uma trinca interna localizada no centro de um cordão de solda. 1 Figura 25 Classificação das trincas de soldagem de acordo com a sua localização: (1) trinca na cratera, (2) trinca transversal na ZF. (3) trinca transversal na ZTA. (4) trinca longitudinal na ZF, (5) trinca na margem da solda, (6) trinca sob o cordão, (7) trinca na linfia de fusão e (8) trinca na raiz da solda 107 1U ' SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 26 Trinca formada no centro do cordão de solda entre uma chapa de aço baixo carbono de 9 mm de espessura e um pino de aço SAE 1045. Ataque: Nital 10% Vários mecanismos atuam para a formação de trincas em soldas. Assim, essas podem ser formadas durante a soldagem (na solidificação), durante o resfriamento da junla, horas após a realização da soldagem, quando da realização de tratamentos térmicos para alívio de tensões e, mesmo, em serviço, muitos meses (ou anos) após a soldagem. Vários acidentes graves em componentes soldados, que ocorreram em diferentes partes do mundo e resultaram em perdas materiais e de vidas humanas, foram associados à existência de descontinuidades em soldas, particularmente com trincas. Dois dos mecanismos mais com uns de form ação de trincas em soldas serão discutidos resum idam ente a seguir. A fissuração na solidificação, tam bém denom inada de fissuração a quente, é um mecanismo de form ação de trincas m uito com um e que ocorre também em outros processos de fabricação, em particular, na fundição. Ela está associada com a form a ção de film es de material líquido segregado entre os contornos de grão do material nos estágios finais de sua solidificação e com a incapacidade desta estrutura resistir aos esforços decorrentes da contração do material. A form ação destes film es é pro movida por certos elem entos químicos capazes de sofrer forte segregação, com o o enxofre e o fósforo, em ligas ferrosas e é facilitada em materiais que se solidificam com estrutura cristalina CFC com o os aços de maior teor de carbono (ver Figura 2), certos aços inoxidáveis e ligas de cobre e de alumínio. Frequentemente, este tipo de trinca aparece no centro do cordão de solda (Figura 25), mas pode aparecer em diferentes localizações e orientações, inclusive com o microtrincas (Figura 27). Figura 27 Microtrincas de solidificação na ZF de uma liga Fe-Mn-AI-Si-C. 20üx FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM ! O form ato do cordão é tam bém um fator im portante na formação de trincas na solidificação, pois determ ina a maior ou m enor facilidade de alimentação, com metal líquido, de certas regiões do cordão no final da solidificação (efeito similar ao observado em fundição com o projeto do form ato da peça) e influencia as tensões agindo nestas regiões. A Figura 28 ilustra o efeito do form ato do cordão na formação deste tipo de trinca. Trinca Trinca Trinca Trinca (c) (d) Figura 28 Formação de trincas a quente favorecida pelo formato do cordão em: (a) uma solda de filete côncava e (b) passe de raiz côncavo em junta de topo, (c) soldas de topo com elevada razão penetração/largura e (d) em cordão em forma de sino A fissuração pelo hidrogênio, também denominada de fissuração a frio, é consi derada com o um dos m ecanismos de form ação de trincas mais com uns em aços carbono e de baixa e média liga, principalm ente aqueles que são temperáveis (isto é, em que ocorre a form ação de martensita) durante a soldagem. Este tipo de trinca ocorre principalm ente na ZTA (na região de crescim ento de grão), podendo ocorrer tam bém na ZF de aços de maior resistência mecânica. A trinca aparece um certo tem po após a soldagem (o que pode ser até várias horas) e cresce lentamente, podendo levar até cerca de dois dias para o seu com pleto desenvolvimento. Desta forma, uma inspeção, realizada logo após a soldagem, pode falhar em detectar a sua presença. Quatro fatores são considerados como fundam entais para o aparecimento desta form a de fissuração: • presença de hidrogênio: este elemento pode ser absorvido pela poça de fusão e incorporado à solda a partir de material orgânico ou de umidade existentes nos consumíveis de soldagem ou na superfície da junta. I • microestrutura sensível: a fragilização ocasionada pelo hidrogênio é mais perniciosa quando a microestrutura é de baixa tenacidade e elevada dureza, destacando-se, neste sentido, a presença de martensita. Assim, condições de soldagem que favorecem o desenvolvimento de velocidades elevadas de resfriamento (por exemplo, a soldagem 109 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA de juntas de grande espessura e o uso de uma baixa energia de soldagem) facilitam a fissuração e, no mesmo contexto, a soldagem de aços de maior temperabilidade é, também, mais crítica. Neste sentido, é comum o uso de fórmulas de "carbono equi valente" para estimar a sensibilidade do aço à fissuração. Por exemplo, considerando a fórmula abaixo, em que se considera os teores (em % peso) dos elementos de um aço carbono ou de baixa liga. quando CE < 0,40, o material é considerado muito pouco sensível à fissuração e, quando CE > 0,60, o material é considerado altamente sensível. „ %Mn %Mo %Cr %Ni %Cu %P CE = %C + --------+ ---------+ ------- + ------- + --------+ -----6 4 5 15 15 3 c\ (Eq. 6) • elevada solicitação mecânica: a ocorrência destas e de outras formas de fissuração é facilitada por quaisquer fatores que aumentem a intensidade da solicitação mecânica na região sensível ao problema. Assim, a soldagem de peças de maior espessura, com menor facilidade de se deformar, ou de peças presas em dispositivos de fixação para minimizar a distorção, tende a ser mais sensível à fissuração do que a soldagem naqueles casos em que as solicitações mecânicas são mais facilmente acomodadas. • temperatura: a fissuração pelo hidrogênio ocorre entre cerca d e -100 e 200°C. Assim, a manutenção da solda acima desta faixa de temperatura por um período adequado de tempo pode permitir a difusão do hidrogênio para fora da junta e, desta forma, reduzir a chance de formação de trincas. 7.2.8 - Outras descontinuidades estruturais Citam-se, ainda, como descontinuidades estruturais: furos na junta, cordões de aspecto irregular etc. 7.3 - Propriedades inadequadas As soldas pertencentes a um dado equipam ento ou estrutura soldada devem possuir propriedades mecânicas (e, em alguns casos, propriedades químicas, elétri cas etc.) bem determinadas. Estas características são, em geral, especificadas por normas e códigos, ou pelo projetista. Soldas incapazes de atender às exigências mínimas em term os de propriedades mecânicas ou outras relevantes são então consideradas defeituosas, exigindo ações corretivas. Estas propriedades são nor malmente avaliadas pela execução de chapas de teste, de onde são retirados os corpos de prova para ensaios. CAPÍTULO 6 I -1 i I fUNDAMEMTOS OA METALURGIA OA SOLDAGEM 111 7.3.1 - Propriedades mecânicas Entre as propriedades mecânicas que podem ser avaliadas incluem-se: resistência à tração, limite de escoamento, ductilidade, dureza e resistência ao impacto. Os proce dimentos para a execução de chapas de teste, retirada dos corpos de prova, confecção destes e execução dos ensaios são especificados nos diversos códigos e normas. 7.3.2 - Propriedades químicas A resistência à corrosão da solda deve ser avaliada para as aplicações em que esta característica é indispensável. Os problem as de perda de resistência à corrosão devido à soldagem são especialm ente im portantes em aplicações que utilizam aços inoxidáveis e algumas ligas não ferrosas, mas tam bém podem ser relevantes para aços carbono. Entre os vários problemas de corrosão, destacam -se os de corrosão intergranular, corrosão sob tensão e corrosão preferencial da solda. A Figura 29 ilustra um problema de corrosão preferencial de uma solda, que levou à ocorrência de vazamentos em uma tubulação de aço carbono de uma torre industrial de res friam ento de água. (a) (b) Figura 29 Exemplo de um problema de corrosão preferencial da solda observado em uma tubulação de aço baixo carbono, (a) Esquema e (b) micrografia com 100x de aumento «r- € m SOlOAQOa n na uK sntn e tecnm dqm 8. Exercícios e Práticas de Laboratório a) O que se entende por "estrutura" de um metal ou liga metálica? b) Explique sucintamente o que é ferrita. austenita, perlita e cementita. c) A energia de soldagem é um parâmetro suficiente para descrever um procedimento de soldagem? Por quê? d) Porque a energia de soldagem e o pré-aquecimento são as variáveis mais importantes que afetam o ciclo térmico, do ponto de vista do engenheiro de soldagem? e) Cite algumas maneiras práticas de se controlar a diluição em soldas. f) Descreva a estrutura primária da ZF de uma solda. Explique o porquê destas carac terísticas. g) Descreva a macroestrutura de urra solda por fusão em aço. Explique o porquê destas características. h) Qual a diferença entre descontinuidade e defeito de soldagem? i) Por que a soldagem é capaz de induzir fissuras num material? Deposite cordões de solda sobre uma chapa de aço. usando, por exemplo, as condições abaixo: (P Processo #Êtotnxío (mm) Corrente IA) Tenrio M totoc&cie (an/min) Energie (kJ/mm) 1 SAW 3.2 600 30 36 -3 0 2 SAW 3.2 400 25 33 -2 0 3 SMAW 3.2 140 -2 3 -1 9 -1 0 4 Eletrodo Nu 3.2 140 -2 3 -1 9 -1 0 Corte transversalmente as soldas obtidas, faça um polimento e ataque para observação metalográfica e observe as amostras ao microscópio. Identifique a ZF, ZTA e o metal de base. j) Discuta a influência das variáveis do procedimento de soldagem na estrutura das soldas. k} Repita o procedimento de união das soldagens acima, variando a temperatura inicial da chapa. Qual é o efeito deste parâmetro? I) Por que é importante a existência de um meio de proteção do arco e da zona fundida contra a atmosfera, durante a soldagem? m) Quais as vantagens metalúrgicas de uma solda multipasses? CAPÍTULO 7 TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM 1. Introdução De um modo geral, as operações de soldagem, particularmente para os processos por fusão, envolvem o aquecimento intenso e localizado da região a unir. As regiões aquecidas tendem a se dilatar, mas a dilatação é dificultada pelas partes adjacentes submetidas a temperaturas menores, o que causa o aparecimento de deformações elásticas e, eventualmente, plásticas na região da solda. Como resultado, ao final da soldagem, tensões internas (tensões residuais) e mudanças permanentes de forma e de dimensões (distorções) se desenvolvem na junta. Tanto as tensões residuais como as distorções podem afetar de modo importante a utilidade e o desempenho da estrutura soldada, sendo fundamental o conhecimento de suas características e de medidas para a sua prevenção e controle. Tensões residuais são aquelas que permanecem na peça quando todas as so licitações externas são removidas. Essas tensões podem aparecer em materiais submetidos a diferentes processamentps térmicos ou mecânicos (fundição, sol dagem, laminação, forjamento, usinagem, dobramento, têmpera etc.). Uma das principais causas de seu aparecimento é a ocorrência, ao longo de uma seção da peça, de deformação plástica não uniforme, o que pode ser causado por efeitos tanto mecânicos como térmicos. Um exemplo simples é o aparecimento de tensões residuais em uma peça submetida a processos como o esmerilhamento ou jateamento com granalhas, os quais causam o escoamento plástico do material próximo 114 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA da superfície. Como as regiões mais internas da peça não se deform am igualmente, elas restringem o escoam ento da camada superficial, causando o aparecimento das tensões residuais de com pressão nesta (Figura 1). Tensões residuais e distorções podem se desenvolver ainda como resultado das transformações de fase durante, por exemplo, tratam ento térm ico, devido a diferenças de densidade entre as fases. Figura 1 Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo esmerilhada Como as tensões residuais podem existir na ausência de solicitações externas, a soma das forças resultantes dessas tensões, em uma dada seção da peça, deve ser nula. Por exemplo, na Figura 1, as tensões residuais de tração desenvolvidas na super fície da peça devem ser contrabalançadas por tensões de compressão desenvolvidas no interior da peça. Se o equilíbrio das tensões residuais for perturbado (por exemplo, pelo corte de uma parte da peça), as tensões serão redistribuídas para restaurar o equilíbrio. Este rearranjo das tensões causa uma distorção adicional na peça. O desenvolvimento de tensões residuais em peças e estruturas soldadas pode gerar diversos problemas, com o a formação de trincas, a maior propensão para a ocorrência de fadiga ou fratura frágil, e a perda de estabilidade dimensional. Distor ções podem dificultar ou inviabilizar a m ontagem de com ponentes soldados. Uma maneira de se visualizar o desenvolvim ento de tensões internas numa peça soldada é mostrada na Figura 2. No instante em que é depositado, o metal de adição está aquecido e no estado líquido, ocupando o volum e m ostrado na parte (a). Esta m esma quantidade de material sólido e à tem peratura am biente ocupa somente o volume indicado na parte (b). Entretanto, com o foram form adas ligações em nível atôm ico com o metal base durante o processo, este material ocupa ao final da ope ração o mesmo volum e que ocupava inicialm ente, estando, portanto, intensamente tensionado e deformado. 7 I 11c CAPÍTULO TENSÕES RESIOUAJS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM | 1 1 0 (b) Figura 2 Volume ocupado pelo metal de adição: (a) no estado líquido e (b) à temperatura ambiente, esquem ático 2. Desenvolvimento de Tensões Residuais em Soldas Devido à sua im portância para a soldagem, serão aqui consideradas as tensões residuais associadas com a ocorrência de deform ação plástica não uniform e por efeitos térm icos. Quando um metal é aquecido, suas dimensões aum entam proporcionalm ente à variação de tem peratura (AT = T - T 0), isto é: A£ = e - ( Q =CQx a AT (Eq.1) onde (A/) é a variação do com prim ento inicial (l0), e a é o coeficiente de dilatação térmica linear. Se um objeto for aquecido e resfriado uniform em ente e não existirem restrições às suas variações dimensionais, estas não resultam em efeitos mecânicos importantes no objeto. Contudo, se a variação de tem peratura não for uniform e ao longo da peça ou se esta não puder se expandir ou contrair livremente durante o ciclo térm ico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver. Como um exemplo inicial, suponha-se que duas barras metálicas de grande seção transversal sejam unidas por três outras barras metálicas de m enor seção transver sal, com o m ostrado na Figura 3, de tal forma que nenhuma das peças envolvidas esteja sob esforço mecânico, isto é, que o nível de tensões internas seja nulo ao final desta etapa. Suponha agora que a barra central seja aquecida, por exemplo, com um m açarico a gás, de maneira uniform e. Faça-se então uma análise das con sequências deste aquecimento, em termos das tensões que se desenvolverão nas 6 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA peças da m ontagem proposta. Para isso. deve ser lem brado que os metais, quando aq.uecidos, tendem a se expandir (dilatação térmica), que, quando as tensões apli cadas atingem o lim ite de escoam ento (tensão mínima para deformação plástica), o material se deform a plasticam ente e que o lim ite de escoam ento tende a dim inuir com o aum ento da tem peratura. (a) (b) Figura 3 Diagrama esquemático da montagem das três barras: (a) conjunto de barras presas nas extremidades e (b) barra central sendo aquecida A Figura 4 m ostra a evolução do nível de tensões internas na barra central em decorrência da variação da temperatura. Inicialm enle (ponto A), o nível de tensões internas é nulo. Quando a tem peratura começa a aumentar, a barra central tende a se expandir, sendo restringida pelas peças de m aior seção e pelas barras laterais, que permaneceram à tem peratura ambiente. Dessa form a, ela experimenta um esforço de compressão, que tende a aumentar com a elevação da temperatura, d e form an do -se elasticam ente em compressão, até que as tensões internas atinjam o lim ite de escoam ento em compressão (ponto B). Temperatura (°C) Figura 4 Diagrama esquemático das tensões internas em função da temperatura na barra central da Figura 3 CAPÍTULO 7 TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM Continuando-se o aquecimento, a dilatação térmica tende a prosseguir. Entretanto, com o o nível de tensões internas atingiu o lim ite de escoamento, a barra central passa a se deform ar plasticam ente (deformação permanente) em com pressão. Isto quer dizer que a barra sofre, pela deformação plástica, uma dim inuição em seu com prim ento e um aum ento em sua seção transversal, o que é com pensado pela diiatação térmica. Este processo continua até que cesse o aquecim ento (ponto C), quando a barra estará subm etida a esforços de com pressão, da ordem do lim ite de escoam ento em compressão na temperatura do final do aquecimento. Cessado o aquecim ento, a barra central tende a resfriar e, consequentem ente, a se contrair term icam ente. Assim , quando a tem peratura começa a cair, o esforço de com pressão sentido peia barra tende a dim inuir, até se anular, para uma dada tem peratura acima da tem peratura inicial (ponto D). Entretanto, a temperatura continua a abaixar e a barra quer continuar a dim inuir de com prim ento, mas, como este foi diminuído por deformação plástica durante o aque cimento, a contração é restringida pelas barras transversais e laterais. Assim, a barra central passa a sentir um esforço de tração e uma deformação elástica crescentes, à medida que a temperatura continua caindo, até que o limite de escoamento em tração seja alcançado (ponto E). A partir daí a barra passa então a se deformar plasticamente em tração, até que a temperatura volte ao valor da temperatura ambiente (ponto F). Portanto, ao final do processo, a barra central que inicialmente não estava subme tida a nenhum esforço interno, agora apresenta tensões internas (chamadas tensões residuais) da ordem do lim ite de escoamento à tração. Para manter o equilíbrio, como já discutido, as barras laterais estão sujeitas a tensões de compressão. Em soldagem, o cordão de solda e as regiões adjacentes se com portam de forma similar à barra central, e as regiões mais afastadas (metal de base), de form a similar às barras laterais do exem plo acima. A distribuição de tensões longitudinais numa junta soldada ao longo da direção transversal é mostrada esquem aticamente e com parada com a montagem das três barras na Figura 5. A região da solda está sujeita a tensões de tração cujo valor m áximo é próximo do limite de escoamento do material. Estas tensões reduzem de intensidade, passando para valores negativos (compressão) para regiões mais afastadas da solda. Tensões residuais também são desenvolvidas ao longo da solda e, no caso de soldas em peças espessas, ao longo da espessura. - . • '/ 1 1 O 1 10 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 5 (a) Comparação entre as tensões residuais desenvolvidas na montagem de três barras e (b) as tensões residuais longitudinais formadas ao longo da direção transversal (y) de uma solda de topo por fusão Se a peça soldada tem pouca possibilidade de se m over ou de deform ar por seu próprio volume e resistência ou por estar fixada por dispositivos próprios de soldagem ou ligada a outros com ponentes da estrutura, diz-se que ela está vinculada. Quanto mais intensa a vinculação, maiores os esforços desenvolvidos durante o processo e as tensões residuais, que, por sua vez, induzem maiores consequências para a peça e a estrutura. Como as tensões residuais atingem valores próximos do lim ite de escoamento, com ponentes de materiais de maior resistência mecânica tendem a apresentar valores mais elevados de tensões residuais. As tensões residuais têm im portanle influência em diversos aspectos do com por tamento de com ponentes soldados (ver próxima seção). Essas tensões podem ser medidas por m étodos destrutivos (por exem plo, pela medida, com extensôm etros elétricos, da deformação que ocorre quando uma peça contendo tensões residuais é cortada) ou não destrutivos (por exemplo, por difração de raios X). O desenvolvi mento das tensões residuais em uma peça pode, tam bém , ser simulado por técnicas numéricas, destacando-se o m étodo dos elem entos finitos. C A PfnjlO 7 I 1 1 TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOIDAGEM 1 3. Consequências das Tensões Residuais 3.1 - Variações nas tensões residuais devido a um carregamento estático de tração Quando um com ponente soldado, contendo uma distribuição inicial de tensões residuais é carregado por tensões de tração, as tensões residuais tendem a se somar às tensões de carregamento. Assim, as regiões subm etidas a tensões residuais mais elevadas atingem prim eiro as condições de escoam ento, deform ando-se plastica mente. Esta deformação localizada diminui as diferenças de dimensão responsáveis pelas tensões residuais e, desta forma, reduz essas tensões quando o carregamento externo é retirado. Esta análise perm ite tirar as seguintes conclusões: • tensões residuais afetam de forma significativa apenas fenômenos que ocorrem com tensões aplicadas relativamente baixas (inferiores ao limite do escoamento do material) como, por exemplo, na fratura frágil, na fragilização pelo hidrogênio e em corrosão sob tensão; • em estruturas submetidas a carregamento, quanto maior o carregamento, menor o efeito das tensões residuais; • se a estrutura é carregada além de seu limite de escoamento, o efeito das tensões residuais se torna desprezível; e • métodos que utilizam alguma forma de solicitação mecânica podem ser usados para diminuir as tensões residuais de um componente soldado. 3.2 - Comportamento em fadiga A presença de tensões residuais de com pressão na superfície de um com po nente é um fator para redução da chance de iniciação de trincas de fadiga. Em um com ponente soldado, as tensões residuais de tração podem ter um efeito negativo no seu desempenho à fadiga, embora não existam resultados claros quanto a este efeito devido, possivelm ente a: (a) sob a ação de cargas variáveis, as tensões resi duais de soldagem devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas e (b) as irregu laridades superficiais (reforço e escamas) têm um efeito predominante na redução da resistência à fadiga. * 3.3 - Fratura frágil Estruturas soldadas são particularm ente propensas à falha por fratura frágil devido a diversos fatores, destacando-se: Q i<?n touAoai ,£ U FUKOMIBITOSI TtttRlOQA • uma estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces (como em uma estru tura rebitada) que possam interromper a propagação de uma trinca de fratura frágil: * a região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas, frequentemente, por um aumento do tamanho de grão em relação ao metal de base, o que, em materiais de estrutura cristalina CCC, tende a diminuir a tenacidade do material; • a região da solda tende a apresentar diversas descontinuidades, como trincas e inclusões de escória, que podem atuar como concentradores de tensão e pontos de iniciação da fratura; e * tensões residuais de tração elevadas existem na região da solda. A fratura frágil é favorecida por baixa temperatura, elevadas taxa de deformação e espessura do componente, presença de concentradores de tensão ou de uma microestrutura de baixa tenacidade. Diversos destes fatores podem estar presentes em uma estrutura soldada. Neste caso, uma trinca pode se propagar sob tensões inferiores ao limite de escoamento, praticamente sem deformação plástica. Nestas situações, as tensões residuais associadas à solda podem ser suficientemente elevadas ou podem se adicionar às tensões externas para causar a fratura frágil. Devido a este risco, em diversas situações, componentes soldados devem ser tratados termicamente para alívio de tensões residuais e/ou refino da estrutura na região da solda. 3.4 - Formação de trincas em soldas Trincas são frequentemente formadas em soldas. Estas trincas podem ser asso ciadas basicamente a dois fatores: uma solicitação, isto é, tensões mecânicas de tração, e uma incapacidade do material, muitas vezes, momentânea, de acomodar esta solicitação deformando-se plasticamente (fragilização). Fragilização da região da solda e de regiões adjacentes a esta pode ocorrer por diversos motivos (formação de filmes de líquido em contornos de grão, crescimento de grão, presença de hidrogênio dissolvido no material, precipitação etc.) durante e após a soldagem. 3.5 - Corrosão sob tensão Na presença de um ambiente agressivo, trincas de corrosão podem se desenvolver de forma acelerada devido à presença de tensões de tração. No caso de aços estru turais ao carbono ou de baixa liga, por exemplo, este fenômeno é desencadeado pelo contato com hidróxidos ou com sulfeto de hidrogênio. Em estruturas soldadas, as tensões residuais são muitas vezes suficientes para o desenvolvimento de corrosão sob tensão, dependendo do material e do ambiente. CAFÍTU107 11 9 1 TEKSÚCS RESDUAIS E DCTOflÇÔíS EM SOIDAGEM 1 3.6 - Instabilidade dimensional Quando um componente soldado é usinado ou submetido a outra operação de remoção de material, o equilíbrio das forças responsáveis pelas tensões residuais é perturbado. Para restaurar o equilíbrio de forças, o componente sofre pequenas distorções que causam uma redistribuição das tensões residuais. Este processo pode ser usado para a medida de tensões residuais, mas pode, também, causar problema na usinagem de precisão de componentes com tensões residuais. 4. Distorções As distorções de peças soldadas são desvios permanentes de forma e/ou dimensões resultantes das deformações plásticas que ocorrem devido às tensões transientes desen volvidas durante a soldagem. Além disso, ao final da operação, a peça fica submetida a tensões elásticas (tensões residuais) que podem ser da ordem do limite de escoamento. Quando se retiram os vínculos de fixação ou montagem, estas tensões podem ser parcialmente aliviadas, causando uma distorção adicional. A Figura 6 ilustra esquematicamente a formação da distorção. Durante a solda gem, o aquecimento causa uma maior expansão térmica da região superior da peça. sua deformação plástica mais intensa e a distorção transiente desta (Figura 6-a). Ao final da soldagem, com o resfriamento do material na região da solda, ocorre a sua contração. Como a região superior da peça foi a mais aquecida e sofreu a maior deformação plástica, a peça apresenta uma distorção final voltada para a direção oposta da distorção transiente máxima (Figura 6-b). figura 6 Evolução da deflexão longitudinal de uma barra pelo calor de soldagem. 6, - Deflexão ou distorção final, (a) Soldagem, (b) resfriamento posterior i 9 9 I 1 LL\ SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Alguns tipos básicos, apresentados na Figura 7, são considerados para facilitar o estudo das distorções geradas por soldagem. Entretanto, de m odo geral, o estado final de tensões e deform ações numa solda real é bastante com plexo e depende de diversos fatores, tais com o: material, propriedades mecânicas e espessura das peças, grau de rigidez da estrutura, dim ensões, posição, geom etria e quantidade das soldas, além de suas propriedades mecânicas e sua qualidade. (d) Figura 7 Tipos básicos de distorçáo em soldagem : (a) contração transversal; (b) contração longitudinal; (c) distorção angular e (d) flexão em relação à linha neutra Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço ao carbono ou de baixa liga é dada pela equação empírica: CT = 0 .2 ^ L + 0 ,0 5 / ' t (Eq. 2) onde \ j é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e f é a abertura da raiz do chanfro. O valor real de CT depende de vários fatores como, por exemplo, o grau de restrição da junta e o núm ero de passes usados. De uma forma geral, um maior número de passes (através do uso de eletrodos de menor diâmetro ou de uma maior velocidade de soldagem) causa contração transversal e distorção angular maiores. A contração longitudinal tende a ser m enor que a transversal (medindo cerca de 1/1000 do com prim ento total da solda), contudo, ela pode causar efeitos impor tantes como o dobram ento ou flexão de peças com soldas feitas fora de sua linha neutra (Figura 7-d) e a distorção por flam bagem (enrugamento) de chapas finas. A distorção angular ocorre quando a contração transversal não é uniform e ao longo da espessura da junta, podendo ocorrer tanto em soldas de topo com o em soldas de filete (Figura 7-c). CAPÍTUIO 7 TENSÕES RESOUA1S E DISTORÇÕES EM SOIDAGEM 5. Controle das Tensões Residuais e Distorção 5.1 - Controle e alívio das tensões residuais O nível de ten sões residuais em uma junta solda da pode ser d im in u íd o reduzindo-se a quantidade de calor fornecido à junta ou o peso de metal depositado. Na prática, isto pode ser feito otimizando-se o desenho do chanfro (reduzindo-se o ângulo do chanfro ou usando-se preparações simétricas,, por exemplo) e evitando-se depositar material em excesso (evitando-se reforço excessivo em soldas de topo ou minimizando-se o tam anho de soldas de filete). A seleção de processos de maior eficiência térm ica (fonte de maior intensidade) é uma possível alternativa de con trole, mas difícil de ser justificável econom icam ente na maioria dos casos. Tensões residuais tam bém podem ser reduzidas pelo uso de metal de adição com a menor resistência permissível no projeto, assim como uma redução dos vínculos externos da junta soldada (minimizando-se, assim, as tensões de reação). Após a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas por m étodos térm icos ou mecânicos, m ostrados na Tabela I. Tabela I - Métodos para aliviar tensões residuais, segundo Okumura e Taniguchi, no livro Engenharia de soldagem e aplicações Procedimento Martelamento (a) Encruamento Vibração (b) Descrição Características Limitações Martelamento do metal depo Método simples, pode Ina d e q u a d o para m a sitado e de suas adjacências causar refino de grão. teriais de baixa ductilidurante ou após a soldagem. dade. A junta soldada é deformada Bastante eficiente para Inadequado para estrutu plasticamente pela aplicação tanques esféricos e ras complicadas pela difi de cargas de tração. tubulações. culdade de aplicar tensões uniformes. Vibrações são aplicadas na estrutura causando uma res sonância de baixa frequência, Operação simples. o que ocasiona deformação plástica parcial da estrutura e alívio de tensões. Inadequado para chapas grossas ou grandes estru turas. 0 alívio de tensões não é uniforme. Recozimento para alívio de tensões Aquecimento a 600-700°C Inaplicável para grandes (aços ferríticos) ou 900°C estruturas e difícil de ser Muito utilizado e bas (aços austeníticos) seguido executado no campo. Cus tante eficiente. de resfriamento lento. Pode to elevado. ser local ou total. Recozimento a alta tempe ratura Aquecimento a 900-950°C Pode eliminar comple (aços ferríticos) seguido de tam ente as tensões resfriamento lento. Pode ser residuais. local ou total. Alívio de ten sões a baixas temperaturas Aquecimento do local da sol Adequado para gran 0 alívio de tensões é da a 150-200°C em uma largu des estruturas. parcial. ra total de 60 a 130 mm. (a) Processos mecânicos (b) Processos térmicos Inaplicável para grandes estruturas e difícil de ser executado no campo. Cus to muito elevado. FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 5.2 - Controle e correção da distorção Diversas medidas podem ser usadas para reduzir a distorção em soldagem, em diferentes etapas. 5.2.1 - No projeto de estruturas soldadas • projetar estruturas com a menor quantidade possível de soldas; • usar chanfros que necessitem da deposição de pouco metal de adição; • usar chanfros simétricos (X, K, duplo U etc.); • posicionar soldas junto da linha neutra da peça ou em posições simétricas em relação à linha neutra; e • especificar o menor tamanho possível das soldas compatível com as solicitações existentes ou usar a soldagem intermitente. 5.2.2 - Na fabricação • estimar a distorção que ocorrerá na estrutura e posicionar as peças de forma a com pensar esta distorção (difícil de aplicar em estruturas complexas); • colocar peças na sua posição correta e utilizar dispositivos de fixação e técnicas para minimizar a distorção (ponteamento antes da soldagem, gabaritos etc.); e • usar sequências de deposição de cordões de solda (deposição por partes, uso de mais de um soldador iniciando a operação no mesmo ponto e soldando em direções opostas) e de montagem (montagem por subcomponentes etc.) que minimizem a distorção. 5.2.3 - Após a soldagem (correção da distorção) a) remoção a quente; • aquecimento localizado • aquecimento uniforme e pressão mecânica b) remoção a frio: • calandragem • prensagem • martelamento etc. CAPÍTULO7 ! , f ) c TENSÕESRESIDUAISEDISTORÇÕESEMSOLDAGEM 1^0 6. Exercícios a) 0 que são tensões residuais? Descreva o seu aparecimento em soldas. Mostre a sua distribuição usual em uma solda de topo. b) Discuta o comportamento de uma solda de uma liga de elevada ductilidade durante o seu carregamento considerando a existência de tensões residuais. Discuta a influência destas tensões na fadiga e na fratura frágil de estruturas soldadas. c) Mostre como tratamentos térmicos e mecânicos podem reduzir o nível das tensões residuais. Sugestões: para o tratamento térmico, considere o efeito da temperatura no limite de escoamento e, para o tratamento mecânico, considere a resposta da questão anterior. d) Como aparecem distorções em uma junta soldada? Quais as consequências princi pais destas? Como estas podem ser eliminadas ou minimizadas? Estime a distorção transversal para a junta indicada na figura abaixo (aço carbono). CAPÍTULO 8 AUTOMAÇÃO DA SOLDAGEM 1. Fundamentos Por definição, qualquer sistema ou conjunto de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, com o mínimo de intervenção humana, são sistemas automáticos. Na soldagem, a classificação dos processos quanto ao tipo de operação é baseada nas atividades necessárias para a confecção de uma solda. Dentre estas operações, citam-se: • abertura e manutenção do arco • alimentação do material de adição • controle do calor cedido e da penetração • deslocamento da tocha ao longo da junta com uma velocidade determinada • procura e seguimento da junta • direcionamento da tocha e do arco . • mudanças e compensações para variações na preparação ao longo da junta. Um processo de soldagem é classificado como manual quando todas as atividades citadas são executadas e controladas pelo soldador. No outro extremo, para que o processo de soldagem seja classificado como automatizado, todas essas atividades devem ser executadas e controladas pela máquina. A Tabela I apresenta as atividades de soldagem, o agente executor e a classificação dos processos adotada pela AWS (American Welding Society). Tabeia I - Tipos de operação de soldagem de acordo coro a AWS Tipo de operação -> Manual Semiauto mático Mecani zado Automático Robotizado Controle Adaotativo O O Ação j * á f ^ f 88 Sg * 3 ! Abertura e manutenção do arco Soldador Máquina Máquina Máquina Máquina (com sensor) Máquina (Robô) Alimentação de material SoId8dor Máquina Máquina Máquina Máquina Máquina Máquina Máquina (com sensor) Controle do calor e pene tração Soldador Deslocamen to da tocha Soldador Procura e seguimento da junta Soldador Direciona mento da tocha e do arco Soldador Correção e compensação Soldador Soldador Soldador Soldador Soldador Soldador Máquina Máquina Máquina Máquina (com sensor) Soldador Máquina, trilha progra mada Máquina (com sensor) Máquina Máquina (com sensor) Não ocorre Máquina (com sensor) Soldador Soldador Máquina (Robô) (só com sensor) Máquina (Robô) Máquina (Robô) (só com sensor) Máquina (Robô) Máquina (Robô) (só com sensor) O termo automático indica que todas as funções ou passos de uma operação são executados, em sequência, por meios mecânicos e/ou eletrônicos, sem qualquer ajuste feito pelo soldador, exceto uma eventual programação do equipamento. A automação também pode ser parcial, com certas funções ou passos executados pelo soldador. Dizer que um processo é semiautomatizado é dizer que algo está faltando para que o mesmo se torne automatizado. Assim, embora muito usado, o termo semiautomático não é muito adequado, sendo mais adequado o termo semimecanizado. Pelo exposto, Uma nova classificação dos processos de soldagem é apresentada na Tabela II. CAFfnH08 AUTOMAÇÃO DA SOIQAKM Tabela II - Classificação dos processos de soldagem revisada Tipo de operação Atividades Manual Semimecanizado Mecanizado Automático Abertura e manutenção do arco Soldador Máquina Máquina Máquina Alimentação de material Soldador Máquina Máquina Máquina Controle do calor e penetração Soldador Soldador Máquina Máquina Oeslocamento da tocha Soldador Soldador Máquina Máquina Procura e seguimento da junta Soldador Soldador Soldador Máquina Direcionamento da tocha e do arco Soldador Soldador Soldador Máquina Correções e compensações Soldador Soldador ■Soldador Máquina (podendo ou não ocorrer) ' Um processo tipicamente manual é a soldagem com eletrodos revestidos, na qual todas as atividades são executadas e controladas pelo soldador. No processo de soldagem com proteção gasosa e eletrodo consumível (MIG/MAG ou GMAW), o soldador é responsável pelo deslocamento da tocha de soldagem, ficando apenas a abertura do arco e a alimentação do arame sob responsabilidade da máquina, este é classificado como semimecanizado. Quando utiliza-se de um dispositivo mecânico para deslocamento da tocha de soldagem, este passa a ser classificado como mecanizado. Finalmente, quando o dispositivo é capaz de seguir juntas, alte rar o direcionamento e fazer eventuais correções de forma automática, o processo é chamado de automático. A soldagem robotizada com o processo GMAW é um exemplo típico de soldagem automatizada. O objetivo da automação, seja total ou parcial, é reduzir o custo de manufatura, aumentando a produtividade e melhorando a qualidade e confiabilidade do produto final (repetibilidade). Isto é possível pela redução ou eliminação de erros humanos. Um equipamento automatizado pode, em um extremo, ser projetado para acomodar uma montagem simples ou uma família de montagens similares (automação fixa), ou, em outro extremo, pode ser flexível para ser modificado rapidamente para executar uma operação similar sobre componentes ou montagens diferentes (automação flexível). Na automação fixa, o sistema de soldagem automático se caracteriza por ter uma combinação de dispositivos de movimentação do arco (único ou múltiplo) e uma plataforma de trabalho, projetados para trabalhar em sincronia e soldar uma família específica de produtos. Os mecanismos auxiliares de fixação e manuseio do metal base estão geralmente incluídos e podem ser configurados em função da junta que será soldada. Normalmente esses,sistemas possuem controles relativamente simples e não são facilmente reprogramáveis. Tais equipamentos possuem movi mentos também relativamente simples e são projetados para reduzir os tempos de "set-up" (montagem e desmontagem) e o de soldagem. O operador, no contexto do processo, somente carrega e descarrega as peças em produção, objetivando uma maior produtividade. A automação fixa é empregada quando se têm produções em grandes escalas de peças similares. <9Q 1 1 3 0 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Na soldagem autom atizada flexível, um programa de controle com putacional ou num érico substitui o posicionam ento fixo e serviço sequencial da soldagem autom a tizada fixa. Um robô industrial é o sistem a automatizado flexível mais utilizado em operações de manufatura. A operação robotizada pode ser bastante simples, quando as condições de soldagem são fixas e uma única sequência é usada em todas as operações, ou bastante complexa, se as condições são constantem ente m odificadas em função da configuração da junta, exigindo a atuação de inúmeros sensores para retroalim entar e corrigir o sistema, dependendo do tipo de peça a ser processada. Como a tecnologia atual não dispõe de sistem as realmente inteligentes, todas as possibilidades de mudanças e correções devem estar lógica e sistem aticam ente previstas na m em ória do sistema. A arquitetura do equipam ento para esses casos pode ser bastante com plexa para prom over um perfeito ajuste em função dos desvios percebidos de trajetória, sendo, portanto, bastante aproximado da sensibilidade e habilidade humana na compensação das mudanças de operação. A automação flexível é em pregada quando se têm produções de grande diversidade de peças. Os dois processos descritos (poderiam ser) são classificados como "mecanizados", pois apesar de executarem toda a operação de soldagem sem a interferência humana, podendo até realizar ajustes de trajetórias quando necessário, não são capazes de detectar e corrigir em tem po real um problema de soldagem, com o por exemplo uma falta de penetração. Entretanto, tratar um processo de soldagem robotizado com o semiautom atizado é bem aceito no ramo industrial. Sistemas totalm ente automatizados para soldagem, chamados de autom ático com controle adapiativo, ainda se encontram em fase de pesquisa e desenvolvim ento em escala de laboratório e em plantas piloto. Estes sé caracterizam por atuar autom ati cam ente numa sequência e condições de soldagem preestabelecidas (sistema em malha aberta) ou inseridas durante o processo (sistema em malha fechada). Este últim o opera de acordo com um controle central que determina as mudanças apropriadas para as condições de soldagem com base na retroalimentação. Dispositivos de sensoreamento são usados para captar sinais de parâmetros e variáveis do processo, que são comparados com dados de situações nas quais as condições de operação são estáveis ("set-points"). Caso ocorram perturbações no processo ou nas condições da junta, causando desvios, essas diferenças são corrigidas com base em aigum m odelo teórico ou empírico armazenado em arquivos rem otos ou em um banco de dados na memória do sistem a. O nível de autom ação desses sistem as pode variar à medida que mais itens fo re m controlados e consequentem ente m aior número de sensores tem de ser usado, encarecendo o equipam ento. A utilização de sistemas deste tipo só é viável na produção totalm ente integrada e de grandes lotes de peças. 2. Equipamentos Um sistema para soldagem automatizada requer equipam entos e dispositivos de alta confiabilidade. O equipam ento mais em pregado nas indústrias atualm ente para a automação da soldagem é o robô industrial. 8 ..<31 CAPÍTULO AUTOMAÇÃO OA SOLDAGEM í 1 0 1 2.1 - Tipos de robôs usados em soldagem Um robô industrial consiste de um conjunto de elos conectados e articulados, sendo o prim eiro elo vinculado, geralmente, a uma base fixa e, no últim o elo, denom inado extremidade term inal, tem-se a ferramenta (tocha de soldagem). Desse m odo, o deslocam ento da tocha passa a ser controlado segundo a movimentação especificada durante a programação do robô. As configurações de robôs mais utilizadas em operações de soldagem são apre sentadas na Figura 1. Os robôs de configuração retangular (ou cartesiana) movem a ferramenta dentro de um espaço de trabalho retangular, nas direções x, y e z. São os mais utilizados nos processos de soldagem para a produção de cordões de solda lineares. O tipo cilíndrico é sim ilar ao retangular, pois utiliza movimentos de desliza m ento em duas direções (vertical z e extensão x), mas com uma junta de rotação, a qual estabelece o espaço de trabalho cilíndrico. O tipo esférico, ou polar, possui um eixo deslizante e dois eixos rotativos. Seu espaço de trabalho é uma esfera. O robô do tipo articulado, cujos m ovim entos são todos de rotação, apresenta um espaço de trabalho mais complexo e flexível, tornando-o adequado para qualquer tipo de soldagem (linear ou fora de posição). Devido a esta grande flexibilidade, o robô tipo articulado é o mais utilizado atualmente. (a) (b) Ombro Cotoveio // Extensão (C) (d) Figura 1 Configurações básicas de robôs industriais: a) retangular; b) cilíndrico; c) esférico e d) articulado SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 2.2 - Componentes de um sistem a para soldagem a arco robotizada A Figura 2 apresenta uma célula robótica com configuração básica para a solda gem (robô, fontes de energia e gás de proteção e mesa posicionadora), e a Tabela III apresenta uma descrição sucinta dos principais com ponentes e suas características mais im portantes. Figura 2 Configuração básica de uma célula robótica Tabela III - Componentes básicos de um sistema para soldagem robotizada Com ponentes básicos Características importantes Robô Graus de liberdade, envelope de trabalho, destreza (precisão), fonte de ener gia. repetibilidade, velocidade, capacidade de carga, tipos de acionadores. Controle computacional do robô Técnica de programação, sistema de feedback de controle, tamanho da memória e do arquivo de backup, armazenamento do programa, inter faces, protocolos de comunicação, softwares especiais de soldagem. Fonte de energia para soldagem Ciclo de trabalho (usualmente 100% é desejável), interface com o controle do robô, precisão (corrige pequenas flutuações da tensão dò arco) e capacidade de constantem ente iniciar o arco elétrico. Equipamento e acessórios para soldagem a arco Tipo de alimentador do arame (dois ou quatro roletes. por exemplo), tipo de controle, interface com o controle do robô, tocha de sol dagem (capacidade, precisão, dimensões), cabos (com prim ento e montagem), ferramentas para alinhamento, estação de limpeza do bocal da tocha, estação do operador e equipamento de segurança. Dentre os diversos equipam entos de suporte e auxiliares na soldagem com robôs, citam-se os posicionadores. Estes equipam entos são usados para m elhorar a versa tilidade do sistema e aum entar a sua amplitude, pois em m uitos casos a geometria das peças não p e m iile aos robôs uma livre m ovim entação da tocha para o acesso à CAPÍTULOS AUTOMAÇÃO DA SOLDAGEM I1 junta, restringindo o seu grau de liberdade. Em muitas aplicações os manipuladores perm item , se devidam ente integrados com os robôs, soldar grandes extensões na posição plana, m esm o em planos diferentes. A Figura 3 apresenta um tipo de posicionador norm alm ente utilizado em soldagem onde mais 3 graus de liberdade são adicionados ao sistem a de soldagem . Figura 3 Tipo de posicionador para soldagem robotizada de 3 graus de liberdade 3. Programação de Robôs para a Soldagem A programação de um robô para a realização de soldas obedece à seguinte sequência: (1) calibração da posição da tocha de soldagem, para assegurar que 0 robô operará dentro de sua faixa de alcance e precisão: (2) localização dos componentes de trabalho (mesa. gabaritos, fixadores etc.) e definição do tipo de fonte de energia; (3) definição do caminho que será seguido pela tocha, assim como a localização dos cordões de solda; Alguns robôs são do tipo "ensino e repetição" (armazenam na memória do controlador os pontos a serem percorridos), outros devem ser programados no m odo "off-line", isto é, sem o robô estar operando. O controle computacional da movimentação de um robô pode ser realizado de três form as diferentes: ponto a ponto, caminho contínuo e caminho controlado. Na movimentação ponto a ponto, o robô se move de um ponto específico para outro, mas a princípio pouco importa o cam inho p e rco rrid o e n tre os p o n to s (este tip o tem aplicação em solda a • OO m stniMsa FUNDAMENTOS ETECMMM1A pontos); na movimentação caminho contínuo o robô tem a habilidade de se mover tomando como referência pontos específicos que definem um caminho, mas a trajetória seguida pode não corresponder exatamente aos pontos programados (normalmente utilizado na manipulação de peças); e na movimentação caminho controlado (trajetória computada), o caminho entre os pontos programados é controlado, podendo ser definido através de uma interpolação linear (linha reta) ou por uma interpolação parabólica, bastando para isso que as coordenadas inicial e final, bem como o tipo de interpolação, sejam informadas ao controle. O controle computacional depende do tipo de robô e do programa implementado, entretanto, a maioria dos robôs para soldagem utiliza trajetória computada. (4) definição das condições de soldagem a serem utilizadas e que devem estar atreladas às coordenadas de movimentação do robô. Nessa etapa da programação, são inseridos na programação dois conjuntos de dados: o primeiro, no inicio da trajetória, onde será depositado o cordão, contendo instrução para a abertura do arco; e o segundo, no final da trajetória, contendo instrução para a extinção do arco; e (5) refinamento do programa através da verificação do desempenho e introdução de al guns controles básicos para soldagem. Algumas vezes é necessário editar o programa novamente para se obter a correta soldagem da peça. 4. Aplicações Industriais A automação da soldagem é muito vasta e promissora e ainda é tópico de vá rios trabalhos de pesquisa e projetos. Entretanto, já existem algumas áreas onde a automação é consagrada e tem apresentado resultados muito satisfatórios. Resu midamente. algumas destas áreas são: • soldagem de peças automobilísticas; • submontagens de peças navais e caldeiraria pesada; • soldagem estrutural pesada, incluindo fabricação de perfis e pontes; e • soldagem de produtos.tubulares, incluindo montagem soldada de tubos flangeados e derivações. CAPtnilOB I 1 0 C AUTOMAÇÃO DA SOLDAGEM | 5. Exercícios a) Explique com suas palavras quando um robô para soldagem pode ser considerado um sistema automático e quando pode ser considerado semiautomático considerando as definições apresentadas nas Tabelas I e II. Em que situação ele é considerado mecanizado? b) Dentro da classificação proposta, dê um exemplo de um sistema semimecanizado para soldagem com eletrodo revestido. c) Qual a diferença fundamental entre automação flexível è automação fixa? Dê exempios. d) Discuta a aplicação dos quatro tipos de robôs em soldagem. e) Que outros tipos de posicionadores você acha que poderiam ser utilizados para sol dagem? Esboce os tipos indicando os movimentos com setas. CAPÍTULO 9 NORMAS E QUALIFICAÇÃO EM SOLDAGEM 1. Introdução Desde o início da civilização existe a necessidade de regras e regulamentos para controlar de uma forma ou outra as atividades humanas. Com o advento da Revolução Industrial, as atividades neste campo começaram a exercer um importante efeito sobre os indivíduos não diretamente envolvidos com os processos de fabricação, tanto os usuários diretos como os não usuários dos produtos destes processos. A falta de regulamentação nas diferentes etapas de um processo de fabricação, ou a não observância de regulamentações existentes, tem ocasionado acidentes e outros problemas que podem ter sérias consequências tanto para os produtores, como para os usuários e, também, para a população em geral e para o meio ambiente. Assim, um dos objetivos primários de uma norma (Tabela I) é a prevenção de acidentes que poderiam resultar em morte de pessoas, perdas materiais e conta minação do meio ambiente. O uso bem-sucedido de normas pode resultar em uma produção mais uniforme, reduzindo a variabilidade de produtos e procedimentos, melhor controle de qualidade, maior tastreabilidade, possibilidade de correção de falhas em produtos e um método de produção mais sistemático. Além disso, a nor malização proporciona um meio eficiente para facilitar a troca de informação entre o produtor de um dado bem ou serviço e seus clientes. Mais recentemente, com o grande aumento das relações econômicas entre as nações, levando tanto a um au mento da competição como a uma maior necessidade de cooperação e padronização «oo 138 SOLOA8EM FUMDMIENTDS ETECHOtOQlA entre empresas de diferentes países, a maior ênfase nas necessidades dos clientes e a-maior demanda para a conservação de recursos e proteção do meio ambiente tornaram o uso de normas técnicas e o desenvolvimento de sistemas de garantia da qualidade (e do meio ambiente) fundamentais para empresas que anteriormente não se preocupavam com estes aspectos. Finalmente, o registro padronizado das operações envolvidas em um dado processo e os seus resultados é uma forma efi ciente de uma empresa guardar e demonstrar o seu domínio de uma dada tecnologia, podendo representar, assim, uma vantagem competitiva. Îab8la I - Definição de alguns termos importantes1 DeMçáo Termo Norma Aplica-se coletivamente para Códigos, Especificações, Práticas Recomendadas. Classificações e Guias para processos, materiais e aplicações que tenham sido preparados e aprovados por uma organização normalizadora, uma entidade de classe ou profissional ou alguma outra organização similar. Código Consiste de um conjunto abrangente de regras e normas sistematicamente arranjadas para uma dada aplicação. Em muitas situações, um código tem caráter obrigatório estabelecido por lei ou contrato. Especificação Trata-se de uma norma que descreve de forma clara e precisa as exigências técnicas relativas a um material, produto, sistema ou serviço. Prática reco mendada Éuma norma que descreve práticas industriais gerais para algum processo, técnica, método ou material, em particular, e que dçve ser considerada antes de se usar este processo, técnica, método ou material: Classificação Trata-se de uma norma cujo objetivo primário é estabelecer um arranjo ou divisão de materiais ou produtos em grupos baseados em características similares. Método Consiste em um conjunto de requerimentos relacionados com o modo pelo qual um tipo particular de ensaio, técnica de amostragem, análise ou medida é realizado. Guia Trata-se de uma norma que informa ao usuário sobre os melhores métodos para realizar uma determinada tarefa. Em geral, fornece um conjunto de diferentes métodos. Especificação de procedimen to de soldagem Éum documento, em geral, baseado em exigências de alguma norma, que indica as variáveis de soldagem para uma aplicação especffica para garantir a repetibilidade dos resultados em soldas realizadas por soldadores ou operadores treinados de forma adequada. Uma das características mais importantes de uma norma é a sua autoridade, isto é, uma norma precisa ter um grau de autoridade suficiente para garantir que as suas exigências sejam seguidas por seus usuários. Esta autoridade é assegurada geralmente por organizações reguladoras internacionais, governamentais, industriais ou de consumidores, às quais é dado o poder de policiar as atividades daqueles que falham em seguir as suas regulamentações. Algumas vezes, a autoridade associada a um código ou um outro tipo de norma pode resultar em punições, tais como, a exclusão do mercado de um fabricante que não observou os seus requerimentos. Em alguns casos, grupos de proteção ao consumidor podem exercer eficientemente este tipo de autoridade. 1Baseado em definições da American Wolding Society (AWS). CAFfTULO 9 I i o a NORMAS EOUAUnCAÇto EM SOUJAGEM 1 Uma outra característica importante é a "interpretabilidade" da norma. Para ser de algum uso, tánto para o fabricante como para o comprador ou usuário, uma norma deve ser escrita em uma terminologia clara, concisa e não ambígua. Este aspecto é extremamente importante quando a obediência de uma dada norma se torna um assunto legal. Um código ou outro tipo de norma deve também ser prático. Isto significa que o seu usuário deve conseguir atender às suas exigências e ainda produzir, com lucro, um dado produto que seja útil ao usuário. Esta "praticidade" não é sempre fácil de ser conseguida. Ela requer discussões entre especialistas de todas as ativi dades envolvidas com üm dado produto ou serviço específico e, também, requer experiência. A decisão de quanto controle é necessário é muito delicada e deve ser cuidadosamente avaliada para se evitar o problema muito comum de a obediência ao código ou norma se tomar o maior obstáculo a uma produção eficiente e lucrativa. Por outro lado, na maioria dos casos, a correta adoção de códigos e de um sistema de garantia da qualidade em uma empresa é uma forma de se obter importantes ganhos de produtividade e de eficiência e de se reduzir custos. Para que o problema anterior seja evitado, muitas normas devem ser escritas por comitês constituídos por grupos representativos de entidades governamentais, de produtores e de consumidores. Da experiência acumulada deste grupo, espera-se que a norma resultante seja justa e adequada para todos os interessados. A existên cia de dispositivos que possibilitem a eventual alteração da norma, quando isto for necessário, é também importante. Isto pode ocorrer quando a experiência acumu lada ou o desenvolvimento de novas técnicas de fabricação, inspeção ou controle indicarem que a alteração, substituição ou abandono de alguns requerimentos, ou a adoção de novos, sejam necessários. 2. Normas em Soldagem No caso específico das operações de soldagem, a realização de soldas inade quadas durante a fabricação de certos tipos de estruturas ou equipamentos, tais como, navios, pontes, oleodutos, componentes automotivos e vasos de pressão, pode resultar em sérios acidentes com grandes perdas materiais e. eventualmente, humanas e danos ao meio ambiente. Como consequência, diferentes aspectos das operações de soldagem para diversas aplicações são regulados por diferentes códi gos, especificações e outras normas segundo a aplicação específica. Como exemplos de códigos e especificações importantes ligados à soldagem, podem-se citar: • • • ASME Boiler and Pressure Vessel Code (vasos de pressão) * API STD 1104, Standard for Welding Pipelines and Related Facilities (tubulações e dutos na área de petróleo) AWS D1.1. Structural Welding Code (estruturas soldadas de aço carbono e de baixa liga) «40 touusat rawMKBnssEncttouGU • DNVÍ Rules for Design, Construction and Inspecion of Offshore Structures (estruturas marítimas de aço) * Especificações diferentes de associações como a International Organization for Standardization (ISO). American Welding Society (AWS), British Standard Society (BS), Deustches Institute für Normung (DIN), Association Française de Normalisation (NF), Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) etc. Estes códigos e especificações podem cobrir as mais diferentes etapas de sol dagem, incluindo, por exemplo, a especificação de material (metal de base e consumíveis). projeto e preparação da junta, qualificações de procedimento e de operador e procedimento de inspeção. Especificações da American Welding Society para consumíveis de soldagem, muito utilizadas em nosso país, são citadas em diversas partes deste livro. A Tabela II lista algumas normas relacionadas com a soldagem publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas. Tabela II - Algumas normas da ABNT ligadas à soldagem Norma (Continua) Código Data Chanfro de solda manual para construção naval - Tipo NBR7239 03/1982 Consumíveis em soldagem NBR10516 10/1988 Critérios para a qualificação e certificação de inspetores de soldagem NBR14842 07/2003 Eletrodos de aço carbono e fluxos para a soldagem a arco subçherso NBR10617 01/1989 Eletrodos de aço carbono e fluxos para a soldagem a arco submerso NBR10618 01/1989 Eletrodos de aço carbono e fluxo s para a soldagem a arco submerso - Ensaios NBR10619 01/1989 Eletrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétrico N8R10614 01/1989 Eletrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétrico NBR10615 01/1989 Eletrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétrico - Ensaios NBR10616 01/1989 Ensaio visual em soldas, fundidos, forjados e laminados NBR10777 10/1989 Equipamento elétrico para soldagem a arco - Fontes de energia de corrente constante e fontes de energia de tensão constante NBR9378 06/1986 Inspeção de solda por ensaio de ultrassom em partes estruturais do casco de embarcações NBR10686 06/1989 Inspeção radiográfica em soldas na estrutura do casco de embarcãções NBR9360 05/1986 Junta soldãda em componentes metálicos de uso aeroespacial NBR12275 06/1991 Mangueiras para solda a gás NBR5900 1974 Manómetros para gases comprimidos utilizados em solda, corte e processos afins NBR13196 08/1994 Máquina elétrica para soldagem a arco NBR7859 04/1983 Qualificação de procedimentos de soldagem pelo processo eletrodo revestido para oleodutos e gasodutos NBR10663 04/1989 Qualificação de soldadores e operadores de soldagem em ntvel aeroespacial NBR10680 05/1989 CAPÍTULO 9 NOBVASEQUAUfCAÇÀOEMSOlDAGlM Tabela II - Algumas normas da ABNT ligadas à soldagem (Conclusão) Qualificação em soldagem NBR10474 09/1988 Radiografia - Inspeção de soldas de topo em vasos de pressão e tanques em armazenamento - Critérios de aceitação NBR10150 11/1987 Reguladores de pressão para cilindros de gases usados em solda, corte e processos afins - Requisitos e métodos de ensaio NBR14250 12/1998 Requisitos gerais para um programa de qualificação de soldadores e operadores de soldagem em nivel aeroespacial NBR9540 09/1986 Requisitos para a execução de ensaios radiográficos em juntas solda das de materiais metálicos NBR10558 12/1988 Sfmbolos gráficos de solda para construção naval e ferroviário NBR7165 02/1982 Solda branda NBR5883 10/1982 Solda branda em fio com núcleo de resina NBR6634 05/1987 Solda manual e semiautomática para estrutura de embarcações Qualificação de soldadores NBR8878 05/1985 Solda para construção naval - Identificação de descontinuidades radiográficas NBR8420 11/1989 Soldagem - Números e nomes de processos NBR13043 09/1993 Soldas em partes estruturais do casco de embarcações • Ensaio por ultrassom NBR10685 06/1989 Terminologia de soldagem elétrica NBR5874 1972 Varetas e arames de ligas de alumínio para soldagem e brasagem, de aplicação aeronáutica NBR9111 11/1985 3. Registro e Qualificação de Procedimentos e de Pessoal Para diversas aplicações, as normas relevantes exigem que, antes da execução da soldagem de produção, especificações dos procedimentos que serão adotados para a sua execução sejam preparadas e qualificadas. Este processo visa demons trar que, através do procedimento proposto, soldas adequadas, de acordo com os requisitos colocados pela norma ou estabelecidos em contrato, podem ser obtidas. Além disso, ele permite uniformizar e manter registro das condições especificadas de soldagem para controle do processo e eventual determinação de causas de falha. A Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS) é um documento no qual os valores permitidos de diversas variáveis do processo estão registrados para serem adotados, pelo soldador ou operador de soldagem, durante a fabricação de uma dada junta soldada. Variáveis importanteè de um procedimento de soldagem e que, portanto, podem fazer parte de uma EPS incluem, por exemplo, a composição, classe e espessura do(s) metal(is) de base, processo(s) de soldagem, tipos de consumíveis e suas características, projeto da junta, posição de soldagem, temperatura de pré-aquecimento e entre passes, corrente, tensão e velocidade de soldagem, aporte térmico, número aproximado de passes e técnica operatória. Naturalmente, a forma 1 iM I <9 < SCIDASIM FUNOAMINTDSETtCNOlBGlA exata de uma dada Especificação de Procedimento de Soldagem, as variáveis por ela fconsideradas, sua relevância e variação permitida dependem da norma técnica que está sendo aplicada. A Figura 1, páginas 146 e 147, mostra um exemplo de formulário para a preparação de uma EPS. Para que possa ser utilizada na produção, uma EPS deve ser previamente testada e qualificada. Para isto, amostras adequadas devem ser preparadas e soldadas de acordo com a EPS. Corpos de prova devem ser retirados destas amostras e tes tados ou examinados, os resultados destes devem ser avaliados e. com base nos requerimentos estabelecidos pela norma, projeto ou contrato, o procedimento deve ser aprovado ou rejeitado (neste caso, podendo ser convenientemente modificado e testado novamente). Algumas normas apresentam procedimentos de soldagem pré-qualificados cuja utilização dispensa a necessidade do sua qualificação. Os testes que serão realizados na qualificação de uma EPS, assim como o seu número, dimensões e posição no corpo de prova, dependem da aplicação e da norma considerada. Como testes, que podem ser requeridos, podem-se citar: • Ensaio de dobramento • Ensaio de tração • Ensaio de impacto (ou outro ensaio para determinação de tenacidade) • Ensaio de dureza • Macrografia • Ensaios não destrutivos (por exemplo, radiografia) • Testes de corrosão Os resultados dos testes devem ser colocados em um Registro de Qualificação de Procedimento de soldagem (RQPS), Figura 2.páginas 148 e 149, o qual deve ser referido pela EPS, servindo como um atestado de sua adequação aos critérios de aceitação estabelecidos; Enquanto os originais da EPS e RQP devem permanecer guardados, cópias da EPS já qualificadas devem ser encaminhadas para o setor de produção e colocadas próximas das juntas que serão fabricadas de acordo com a EPS. Durante a fabricação, os valores indicados na EPS deverão ser seguidos. Inspeções periódicas são realizadas para verificar qué isso está ocorrendo. Dependendo do serviço a ser executado, um grande número de juntas soldadas pode vir a exigir qualificação. Nestas condições, o processo de qualificação poderá ter um custo relativamente elevado e demandar um longo tempo para a sua execução. Assim, a utilização, quando possível, de procedimentos de soldagem previamente qualificados, juntamente com a facilidade de acessar estes procedimentos (em um banco de dados) e selecioná-los de acordo com os critérios dos códigos que estão sendo usados, é uma importante estratégia para manter a própria competitividade da empresa. Existem disponíveis atualmente programas de computador específicos para o armazenamento e seleção de procedimento de soldagem. CAPfnjl09 I 1 ^ * 3 KOHMAS E QUAUHCAÇAO EM SOIHAGEM I H O Para diversas aplicações, o soldador {ou operador) precisa demonstrar, antes de poderrealizar um dado tipo de soldagem na produção, que possui a habilidade necessária para executar aquele serviço, isto é. ele precisa ser qualificado de acordo com os requisitos de um dado código. Para isto, ele deverá soldar corpos de prova específicos, sob condições preestabelecidas e baseadas em uma EPS qualificada ou em dados de produção. Estes corpos de prova serão examinados para se determinar sua integridade e, desta forma, a habilidade de quem o soldou. Como é impossível avaliar o soldador em todas as situações possíveis de serem encontradas na pro dução, o exame de qualificação geralmente engloba uma determinada condição de soldagem e não uma situação específica (tal como a qualificação para a soldagem em uma determinada posição com um dado processo). Segundo o código ASME. as variáveis que determinam a qualificação de um soldador são: • processo de soldagem • posição de soldagem • classe do consumível • espessura da junta • situação da raiz (presença de cobre-junta). Ensaios comumente usados na qualificação de soldador (ou operador) incluem, por exemplo, a inspeção visual da junta, ensaio de dobramento. macrografia, radio grafia e ensaios práticos de fratura. Os resultados dos testes de qualificação são colocados em um documento chamado Registro de Teste de Qualificação de Soldador ou operador de soldagem. Figura 3, página. 150. A qualificação de um soldador ou operador para uma determinada condição de soldagem não garante a este qualificação para qualquer situação. Dependendo do serviço a ser executado, este pode não ser coberto pela qualificação obtida por um dado soldador, exigindo uma nova qualificação deste que inclua esta nova situação. Além disso, a qualificação tem uma duração definida, a qual pode, em muitos casos, ser renovada desde que o soldador se mantenha trabalhando regularmente com o processo para o qual foi qualificado e não gere motivos para se duvidar de sua habilidade. índices de desempenho, baseados, por exemplo, na porcentagem de soldas radiografadas que necessitaram reparos, podem ser utilizados para averiguar a necessidade de uma nova qualificação. Como no caso de procedimentos de soldagem, a manutenção de uma equipe de soldadores devidamente qualificada para os tipos de serviços que a empresa realiza, é um importante fator para manter a competitividade desta. Portanto, o desenvolvimento de programas para o treinamento e aperfeiçoamento constante da equipe, de forma a atender as demandas dos diferentes códigos e clientes, não deve ser relegado a um segundo plano de prioridades. A implantação de um sistema de especificação e qualificação em soldagem não é uma tarefa simples e deve necessariamente envolver a administração da empresa. Esta implantação deve envolvera criação de uma estrutura administrativa para gerenciar o sistema com atribuições e poderes bem definidos, criar os meios para o registro e arquivamento das qualificações realizadas e estabelecer os vínculos necessários com as entidades competentes para o funcionamento do sistema. m SOUMGEtl FUNDAMENTOSETECNOtOGIA As qualificações de procedimento de soldagem e de soldador (ou operador) fazem parte do sistema de garantia da qualidade em soldagem. Este controle engloba diversas outras atividades, apresentando uma maior ou menor complexidade em função de cada empresa, seus objetivos e clientes e do serviço particular. Em geral, três etapas podem ser consideradas: 1 . Controle antes da soldagem, que abrange, por exemplo, a análise do projeto, cre denciamento de fornecedores ou controle da recepção de material (metal de base e consumíveis), qualificação de procedimento e de soldadores, calibração e manutenção de equipamentos de soldagem e auxiliares. 2. Controle durante a soldagem, que inclui o controle dos materiais usados (ex.: con trole da armazenagem e utilização de eletrodos básicos), da preparação, montagem e ponteamento das juntas e da execução da soldagem (por exemplo, a verificação se o consumfvel está correto, se as ferramentas estão adequadas e se a EPS está sendo seguida). 3. Controle após soldagem, que pode ser realizado através de inspeções não destrutivas e de ensaios destrutivos de componentes selecionados por amostragem ou de corpos de prova soldados juntamente com a peça. Os termos classificação, qualificação e certificação muitas vezes são usados de forma indiscriminada, mas em geral têm significado diferente e se aplicam a diferentes situações. A classificação de consumíveis de soldagem tem por objetivo enquadrar um produto numa determinada divisão;por grupos previstos em normas técnicas, com base, normalmente, em sua composição química e propriedades mecânicas. Às vezes, um mesmo produto pode ser enquadrado em mais de uma classificação. A qualificação de consumíveis ou de pessoal normalmente envolve a realização de testes para averiguar que um produto ou profissional possui determi nadas qualidades ou atributos. No caso de pessoal, pode ser necessário um treina mento antes do exame de qualificação. No caso de consumíveis, é comum o usuário fazer testes específicos para verificar a adequação de um produto específico a uma determinada condição de fabricação. A certificação é a emissão de um documento por entidade competente e reconhecida, atestando uma determinada qualificação. Deve-se observar que tanto a qualificação quanto a certificação de pessoal e de pro dutos envolvem despesas, muitas vezes elevadas e sua necessidade deve ser bem avaliada, a fim de não encarecer desnecessariamente a fabricação por soldagem. CAPÍTUUJ9 L < c NORMAS E OUAIBCAÇÀO EM SOICASM 4. Exercícios a) O que é uma EPS e para que é usada? b) O que é uma RQPS e como ela é obtida? c) O que é qualificar um soldador? E um procedimento de soldagem? d) O que é um soldador certificado? •“ “ l nMMMSnDSETfCNOUMàM ESPECIFICAQÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM - EPS Nome da Cia: Num EPS: lüata: Processo(s) de Soldagem: Junta Tipo: Cobre-junta (sim/Não): Material (tipo): Outros: Metal Base Tipo: Análise Química: Faixa de Espessura: Outros: Meta! de Adição e e Fluxo Classif. AWS: Marca Comercial: Dimensões: Outros: Gás da Proteção Gas(es}: Composição: Vazâo (l/min): Outros: Pré-Aqueclmento Temperatura: Temperatura Entre Passes: Outros: RQP(s) Corresp: Tído : (manual, semi-omomâticootc.) Tratamento Térmico Pós-Soldagem Faixa de Temperaturas: Tempo de Permanência: Outros: Características Elétricas Tipo de Corrente (CC/CA): Polaridade: Faixa de Corrente (A): Tensôo (V): Outros: Técnica de Soldagem Dimensão do Bocal: Distância Bico de Contato-Peça (mm): Método de Limpeza Inicial: Tipo de Cordão (reto ou trançado): Oscilação - Amplitude: Freqüência: Método de Goivagem: Número de Passes (por lado): Número de Eletrodos: Velocidade de Soldagem: Posição de Soldagem: Outros: Figura 1 Formulário para Especificação de Procedimento de Soldagem. (Baseado parcialmente no código ASME, SeçSo IX. Este formulário é uma adaptação simplificada de uso apenas didático. Ver na próxima página o verso do formulário.) CAPflUlOS I « A-, NORMASEOUAUHCAÇtóEMSOIDAGEM | 1*»/ ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM (verso) D E TA LH E S D A JU N TA : Passe N° Metal de adição Processo Classe Figura 1 (Cont.) Face oposta de uma EPS Diâmetro Corrente Pol. Faixa (A) Faixa de Tensão (V) Velocidade de Soldagem (mm/s) 148 ftM OJUttNTOS C TWKOtOOU Registro de Teste de Qualificação de Procedimento de Soldagem - RQPS Nome da Cia: EPS Usada Num: IProcesso(s) de Soldagem: Tipo e Modelo de Equipamento Usado: Seqüência de Soldagem Junta Chanfro: Simples ( ) Duplo { ) Material do cobre-junta:_____________ Fresta:______ (mm) Nariz:______ (mm) (mm) Raio: Ângulo do Chanfro: Extração de raiz: Sim ( ) Não ( Processo:_____________ ) Metal Base Tratamento Térmico Especificação: Tipo ou Grau: _ Grupo:______ Espessura ou Diâmetro:_______ (mm) Temperatura:___ Outros: Revestimento: Material:_________ Espessura: Compos Química: Outros: Tipo(s): _ Mistura: Vazão: Proteção na raiz: Gás:. iNletal do Adição e e Fluxo Características Elétricas lAnálise Química:_____________ Metal de Adição:_____________ Especificação AWS:__________ [Classificação AWS:___________ "Stand-oíT: "Stick-out":________ Modo de transferência de metal:______________ Tipo de eletrodo de Tungsténio:______________ Corrente: ( )CC+ ( IC C -( (CA ( (Pulsada Energia de Soldagem:________________ _____ Pulso: Tp:____ lp: ____ Tb:_____ lb:------- F l u x o : ____________ _ Inserto: Especif: Guia: Sim ( ) NSo ( lOutros: Classe: ) Tipo: Tempo: G8SBS Vazão: Outros. Técnica Posição da Soldagem _ Chanfro;_________ Filete: Pfé-Aquecimento Temperatura inicial:_____ Temperatura entre passes:. Método de aquecimento: _ Figura 2 Exemplo simplificado de formulário de RQPS Oscilação: Freqüência:____ Amplitude:_____ Tempo de espera lateral:_______ _ Número de passes:__ Número de eletrodos: Martelamento:_____ Limpeza:__________ Outros:____________ CAPÍTU109 I . iiQ NORMAS EÜUAUfCAÇtoa» SOlDM»4 Teste de Tração Tipo de CP: Chanfro: ( ) Reforço: ( Largura No. CP Dimensões: Limite de resistência mínimo: Carga Área Lim Resist. Tipo Fratura Pinos: ( Espessura OBS Teste de Dobramento ■ Dimensões do CP: Resultado Tipo Teste Tipo Teste Resultado Resultado Tipo Teste Resultado Tipo Teste 1 Teste de Impacto Temperatura Dimensões do CP: Tipo: Localização do entalhe: Metal de Solda - MS. Metal base - MB. Zona termicamente afetada -ZTA Localização Energia Absorvida % Fratura dúctil Expansão Lateral CP Num Cisalhamanto do Fileta Nlacronrafia So aplicável Valores: Ensaio de dureza: Tído: Inspeção Visual: Torque: Análise Química: Estanqueidade: Tipo: Ensaio não destrutivo: Tipo: Tipo: Tipo: ( ( ( ( ( ( ( ( ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ) Aprov. ( ( ( ( ( ( ( ( ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. ) Reprov. EmDresa/Laboratório: Certificamos que os resultados de ensaios registrados neste documento estão corretos e que as soldas examinadas foram preparadas, soldadas e testadas conforme os requisitos da Norma Técnica . Dara este tioo de oualificacáo. / / Apmvaçio Responsive! Reviséo Figura 2 (Cont.) Formulário de RQPS (face oposta) 1^9 lOMUM 150 iC FUNDAMENTOS E TECNOUS1A Registro de Teste de Qualificação de Soldador ou Operador de Soldagem - RTQS Nome: Posicào: Sinete: (plana, horizontal, vertical asc. vert desc. sobrecabeça) Processo de Soldagem: Tído : Manual, semi-automática. etc. De acordo com a EPS Num Material: Faixa de esDessuras Qualificada: Mstal de Adição Esoecificacão: Descrição (se for o caso): Diâmetro/EsDessura da Junta (tubo): a F Number: Ctassificacão. Cobre-junta: ( Nome Comercial: )Sim ( Não Tipo: Testa de Dobramento Tipo Resultado Laboratório: Teste Num: Teste Num: Teste Num: Resultado Tipo Responsável: Responsável: Responsável: Teste de Solda de Filete Tamanho‘do filete: Responsável: Aparência: Teste Num: Macrografia Laboratório: Teste Num: Responsável: Radiografia Num Filme Resultado Teste Num: Fabricante ou Contratante: Aorovado oor: Aorovado Dor: Observações Num Filme Observações Resultado Acomoanhado Dor: Em: Em: Figura 3 Exemplo (simplificado) de um formulário para qualificação de soldador / / / / CAPÍTULO IO DETERMINAÇÃO DOS CUSTOS DE SOLDAGEM 1. Introdução Os preços de produtos e serviços, por um longo período da história, foram de terminados por uma fórmula simples: preço=custo + lucro. Assim, o custo total era repassado integralmente aos preços finais, sem que houvesse muita preocupação com sua evolução. Entretanto, o processo de globalização da economia obrigou os diversos setores a reverem suas posições quanto à formulação dos preços de ser viços e produtos. Particularmente no mercado brasileiro, as tarifas de importação já não representam uma barreira intransponível. Este cenário fez com que 0 preço de produtos e serviços não fosse mais tratado como uma questão regional. O preço é determinado pelo mercado mundial. Com isso. a equação teve de ser rearranjada como: lucro-preço-custo. Assim, conhecer a estrutura dos custos passa a ser primordial para 0 sucesso das emprésas. Menores custos implicam em maior competitividade e maiores lucros e, consequentemente, sobrevivência. Cada etapa da produção, como por exemplo a soldagem, deve ter seu custo avaliado e acompanhado. A análise dos custos da soldagem pode ser solicitada antes de se realizar a sol dagem, constituindo uma estimativa de custo (por exemplo, para participar de uma concorrência), ou pode ser feita para uma operação já existente para compor o custo de um produto, avaliar lucratividade ou comparar 0 custo orçado com custo real. Uma IC O ' 1J L SOIOAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA avaliação incorreta dos custos de soldagem pode levar a empresa a oferecer preços m uito baixos e gerar perdas econômicas, ou preços m uito altos que inviabilizarão a empresa na captação de obras. O objetivo deste capítulo é m ostrar com o calcular, de maneira simplificada, o custo total (CT) de um processo qualquer de soldagem. Este pode ser desmembrado em diversas parcelas, com o m estrado abaixo: CT = CMO + CC + CE + CM + CD + CMC (R$) (Eq. 1) onde CMO é o custo da mão de obra, CC é o custo dos consumíveis, CE é o custo da energia elétrica. CM é o custo de manutenção, CD é o custo de depreciação e CM C é o custo de outros materiais de consum o. Ao calcular os custos da soldagem, todos os itens acima podem ser considerados, ou apenas alguns destes itens, dependendo da precisão necessária. A Figura 1 mostra que o custo da mão de obra é, via de regra, o fator de maior peso nos custos da sol dagem. se forem incluídos nesta parcela os custos fixos de uma empresa. Note ainda que. neste caso, o custo da mão de obra mais o custo dos consumíveis representam cerca de 93% do custo da operação, e, em m uitos casos, apenas calculando estas duas parcelas consegue-se uma boa aproximação dos custos da soldagem. 100% Cç 80% *ro o 60% % 40% ■ Brasil 0 E .U .A (3 t: £ 20% B fc a 0% Máo-de-Obra e Equipamentos "Overtiead" H Consumíveis Energia Elétrica Soldagem Parcelas do custo total Figura 1 Distribuição d o s principais custos de sold agem 2. Custo da Mão de obra CM O (/?$) = (Custo unitário) (f í $/ h) x tem po de soldagem (h) (Eq. 2) O custo unitário m ostrado acima pode ser calculado incluindo salários, encargos sociais e os custos fixos da empresa ("overhead"). Para se obter este valor, pode-se solicitar junto ao departamento de pessoal o total da folha de pagamentos mensal total ou setorial, dependendo da conveniência, incluindo encargos sociais, e dividir esse valor pelo número total de horas trabalhadas no mês em operações de soldagem. C APÍTUL010 iç o K IB W N A Ç Ã O DOS CUSTOS 06 SOLDAGEM I 1 0 te m p o de soldagem na equação anterior deve ter como base as mesmas considerações tom adas para se obter o custo unitário e, portanto, nos dois casos pode ou não se incluir os tem pos de parada do soldador para troca de eletrodos, retirada de escória etc. Num cálculo mais focalizado, o custo da mão de obra pode levar em conta apenas o trabalho do pessoal envolvido diretam ente com a soldagem, incluindo m ontado res e soldadores. Neste caso, os custos fixos da empresa, como aluguel, telefone, pessoal adm inistrativo, com issões de venda etc., devem ser considerados em uma parcela específica. 3. Custo dos Consumíveis O custo dos consumíveis (CC) é dado pela soma dos custos do metal de adição (CMA), do fluxo (CF) e do gás de proteção (CG), se usados. A estim ativa do custo do metal de adição deve-se iniciar pela avaliação do custo do metal depositado (CMD), calculado pelo produto da massa de metal depositado pelo custo do eletrodo (ou vareta), conform e a equação 3. CMD (R$) = massa do meta! depositado (kg) x custo do eletrodo (R$/kg) (Eq. 3) A massa do metal depositado (M M D) é calculada pelo produto da área da seção transversal da junta, do com prim ento da solda e da densidade do material, como mostra a equação 4. A área da seção transversal depende do tipode chanfro utilizado. A Tabela I m ostra com o calcular a área de alguns chanfros, ea Tabela II mostra a densidade de alguns materiais. M M D (kg) = A (cm 2) x L (cm) x p (kg/cm 3) (Eq. 4) onde A é área da seção transversal da junta, L ê o comprimento da solda e p é a densidade do material. Tabela I - Área da seção transversal Tipo de Chanfro V Simples V Duplo Área da Seção Transversal (e-h)?x tan (9/2) + d x e 0,5x[(e- h)J,xtan(0/2)) -fdxe K 0.5 x |(e - h)! x tan 0] + d x e Y 0.25 x (|e - h)J x tan 0] + d x e e = espessura da chapa, h = nariz, 0 = ângulo da junta, d = fresta «ca 134 touMuai fuaMHanosETiCNOioou Tabela I! - Densidades aproximadas de algumas ligas Liga Densidade (kg/cm1) Aço carbono 0,0078 Aço inoxidável 0.0080 Ligas de cobre 0,0086 Ligas de nfquel 0.0086 Ligas de alumínio 0.0028 Ligas de titânio 0.0047 O custo do metal de adição deve levar em conta também que parte deste é per dida na forma de respingos, pontas descartadas etc., estimada pela eficiência de deposição (ED) e, portanto, é calculado dividindo-se o preço do metal depositado pela eficiência de deposição do processo, como mostra a equação 5. A eficiência de deposição depende do processo e dos parâmetros de soldagem. Algumas faixas de valores são mostradas na Tabela III. Em alguns casos não se utiliza material de adição, como por exemplo, na soldagem de chapas finas, sem abertura de raiz. CMA (R$) = -1 00^ 1D _ (Eq 5) Tabela III - Valores típicos de eficiência de deposição para diferentes processos Processo SMAW Comprimento: 9(% ) 350mm 450mm 55-65 60-70 SAW 95-99 GMAW 85-97 FCAW 80-90 Em outros casos se usam, além do metal de adição, fluxos de soldagem e/ou ga ses de proteção, que devem ser considerados e incluídos no custo dos consumíveis. Deve-se, então, acrescer ao custo destes o custo do fluxo (se for o caso, como, por exemplo, na soldagem a arco submerso) e o custo do gás de proteção, para o caso da soldagem MIG/MAG ou TIG, por exemplo. O custo do fluxo (CF) pode ser estimado pela razão (massa de fluxo consumido)/ (massa de metal depositado). RMF, que pode ser obtida junto aos fornecedores, para cada tipo de fluxo. Normalmente, esta relação varia de 0.9 a 1.2. Assim, CF (R$)= MMD (kg) x RMF x custo do fluxo (R$/kg) (Eq. 6) CAPfTUL010 DíTSttWíAÇÂO DOS CUSTOS DE SOIDAHM O custo dos gases (CG) de proteção é obtido geralmente pelo produto da vazão utilizada pelo tempo de arco aberto e preço do metro cúbico do gás. CG (R$)= [vazão de gás O/min) x tempo de arco aberto (s) x custo do gás (R$/m3 ] / 60.000 (Eq.7) A constante 60.000 no denominador permite obter o valor em reais do custo do gás utilizando as unidades usuais de medida das grandezas constantes na equação. Este valor foi obtido a partir de um fator de 60. relativo à diferença de unidades de tempo na medida da vazão de gás (min.) e do tempo de arco aberto (s) e outro de 1.000 devido à diferença às unidades de volume usadas na medida da vazão de gás (l/min.) e do preço do gás (R$/m3). Finalmente, pode-se determinar o custo do consumível CC como mostrado abaixo: CC (/?$) = CMA {/?$) + CF (/?$) + CG (/?$) (Eq. 8) 4. Custo de Energia Elétrica cc ( n I ) _ 10 P E (R $/kW h)X P E S (kW )xt(h) (Eg g) onde PE é o preço da energia elétrica, PES é a potência elétrica de saída, Té o tempo de arco aberto e E ê a eficiência elétrica do equipamento. A constante 10 no numerador permite obter o valor em reais do custo da energia elétrica utilizando as unidades usuais de medida das grandezas constantes na equação. Este valor foi obtido a partir de um fator de 100 relativo à eficiência de deposição e outro de 1.000 devido à diferença de unidades para a potência de saída (kW) a as utilizadas na sua determinação, tensão (V) e corrente (A) de soldagem, cujo produto é expresso em Watts (W). A eficiência elétrica média dos equipamentos de soldagem é fornecida pelos fabricantes. Como exemplo, a eficiência de um transformador é de cerca de 80%, enquanto um gerador apresenta eficiência de cerca de 65%. A potência de saída é obtida pelo produto da tensão (V) pela corrente (A) de soldagem. 5. Custo de Depreciagão Os equipamentos de uma empresa sofrefn desgaste ao longo de sua vida útil e. consequentemente, é necessário determinar o valor de reposição destes, isto é. sua depreciação. CD (R$) - Va*or d° investimento inicial (R$) - Valor residual (R$) Vida útil do equipamento (Eq. 10) ic e 133 IC C SQUtAOM IJU I RM MM OTBSETECKOIM M 0 valor residual corresponde ao valor de venda do equipamento ao término de sua vida útil, que pode ser determinada pelo desgaste, inadequação ou obsolescência. No Brasil, taxas máximas de depreciação são estabelecidas pela Secretaria da Receita Federal (SRF). A Tabela IV mostra as taxas máximas anuais de depreciação de alguns itens e seu tempo de vida útil. Tabela IV - Taxas máximas de depreciação estabelecidas pela SRF Taxa anual (%} Vida útil (anos) Prédios/Construções 4 25 Móveis e utensílios 10 10 Máquinas e equipamentos 10 10 Veículos e ferramentas 20 5 Tipos de ativos 6. Custo de Manutenção O custo médio de manutenção (CMM) deve ser avaliado com base nos custos de manutenção do equipamento, num certo período de tempo, dividido pelo número de horas de operação deste equipamento no mesmo período. Assim, o custo da manutenção para uma determinada operação será dado por: CM (R$) = CMM (R$/h) x tempo de operação (h) (Eq. 11) Este custo pode ser avaliado para cada equipamento em particular ou para todo um conjunto. 7. Custo de Outros Materiais de Consumo Outros materiais de consumo incluem: bicos de contato, líquido antirrespingos, eletrodos não consumíveis, materiais de segurança etc. O custo destes deve ser levado em consideração no custo total de soldagem. O custo destes outros materiais de consumo pode ser estimado em valores médios de forma semelhante à usada na avaliação do custo de manutenção. 8. Considerações Finais___________________________________ Note-se que a determinação de custos de soldagem não é uma tarefa simples ou trivial. Ela pode ser feita com base em diferentes abordagens e muitos fatores devem ser levados em consideração. Por exemplo, na fabricação de um equipamento podem ser usados diferentes processos, soldadores e montadores com diferentes graus de especialização e salário etc. A apropriação dos custos pode ser feita de forma específica para cada etapa ou processo específico ou de uma maneira mais geral, com base em valores médios. CAFtniLO TO 1 C -J BETtBMWAÇÃODOS CUSTOS DESQIMGEM 13 ' Observe-se também que os custos da soldagem podem ser expressos em R$/ peça soldada. R$/kg de solda depositada. R$/m de junta soldada ou ainda em R$/h de operação. Cabe ao usuário determinar e utilizar as unidades mais adequadas em cada caso. 9. E x e m p l o _______________________ ________ Suponha-se que a junta de ângulo da Figura 2, com um filete de 6,4 mm, será soldada por dois processos diferentes; eletrodo revestido e arco submerso. Em seguida será calculado o custo aproximado da solda feita pelos dois processos, considerando apenas os custos de mão de obra, custo do metal depositado e custo de energia elétrica. Alguns dados a serem considerados nos cálculos são fornecidos nas Tabelas V e VI. Será tomado como comprimento total da solda 100 cm e a razão de consumo de flúxo igual a 1. figura 2 Junta considerada no cálculo de custo da soldagem deste exemplo Tabela V - Características dos processos arco submerso e eletrodo revestido Característica Processo-^ Eletrodo revestido Arco submerso Tamanho da solda |mm) 6.4 6.4 Área da solda lcmJ) 0.32 0,32 Velocidade de soldagem (cm/min) Corrente (A) Tensão (V) Eletrodo (classe/diâmetro) (mm) Número de passes 25 60 300 AC 500 DC 25 30 E7024 / 5.0 EL12/3.2 1 1 Eficiência de deposição 0.60 0,95 Eficiência do equipamento 0.75 0,80 « co souMsaa > 9° FUNEAMÍHTOS E TEENOUJGIA Tabela VI - Valores aproximados de custos Item Valor Mão de obra R$25,00/h Eletrodo R$5.00/kg Arame R$4,00/kg Fluxo R$3,00/kg Energia elétrica R$0,19 kwh 9.1 - Custo da mão de obra O tempo de arco aberto a ser usado será obtido a partir da velocidade de solda gem dada naTabela III. Já o tempo de soldagem deve levar em consideração o fator de ocupação do soldador ou operador, e serão considerados os valores de 0,4 e 0,9, respectivamente, para a soldagem com eletrodos revestidos e arco submerso. Eletrodo: tempo de arco aberto = (100 cm)/[25cm/min) = 4 min = 4/60h = 0,067h tempo de soldagem = 0,067/0,4 = 0,17h Arco submerso: tempo de arco aberto = (100 cmW60cm/min) = 1,67 min = 0,028h tempo de soldagem = 0,028/0,9 = 0,031 h CM0 (R$) = (custo unitário) (RS/h) x tempo total de soldagem (h) (eq. 2) Eletrodo: CMO = 25 x 0,17 = R$4,25 Arco submerso: CMO = 25 x 0,031 = R$0,78 9.2 - Custo dos consumíveis 9.2.1 - Massa de matei depositado (MMD) MMD ~ A (cm2) x L (cm) x p ( kg/cm3) = (0,64 x 0,641/2 x 100 x 0,00785 = 0,16 kg (eq. 4) 9.2.2- Custo do meta! de adição Pode ser calculado com a ajuda das equações 3, 5 e 9: CMD (R$) = Massa do metal depositado (kg) x custo dos consumíveis (R$/kgJ (eq. 3) CMA (R$) = CMD/ED (eq. 5) CAFtTUU010 DETERMINAÇÃO DOS CUSTOS DE SOLDAGEM CC (R$) = CMA (R$) + CF (R$) + CG (R$) (eq. 9) Eletrodo: 0,16 kg x 5 R$/kg /0,60 = R$1,33 Arco submerso: 0,16 kg x (R$4,00 + R $3,00)/0,95 = R$1,18 Note-se que foi atribuído rendimento de 0,60 para o eletrodo revestido e 0,95 para o arco submerso e a razão de consumo de fluxo de 1/1. y 9.3 - Custo da energia elétrica CE (R$) = [PE (R$/kwh) x PES (kw) x T (h) / (E x 1000) (eq. 6) Eletrodo = (0,19 x 300 x 25 x 0,067) / (0,75 x 1000) = R$0,13 Arco submerso = (0.19 x 500 x 30 x 0,028) / (0,80 /1000) = R$0,10 9.4 - Custo total É o somatório das 3 parcelas de custo consideradas: mão de obra, metal de adição e energia elétrica. Eletrodo = 4,25 + 0,48 + 0,13 = R$4,86 Arco submerso = 0,78 + 1,18 + 0,10 = R$2,06 O exemplo acima mostra que processos semiautomáticos ou mecanizados de soldagenri (no caso o arco submerso) tendem a produzir soldas de menor custo que processos manuais. Isto é devido principalmente à maior produtividade dos proces sos mecanizados, que em geral permitem maiores velocidades de soldagem e taxas de deposição, reduzindo consideravelmente o tempo de operação. Por outro lado, a soldagem a arco submerso requer pesado investimento em capital, o que não foi considerado na presente análise. 10. Exercício 1) Calcule o custo da soldagem da junta abaixo pelos processos arame tubular e eletrodo revestido. Use os dados do exemplo anterior e suponha outros, se forem necessários. «cn 13 3 C' PARTE 2 PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINS CAPÍTULO 11 SOLDAGEM E CORTE A GÁS A-SOLDAGEM A GÁS 1. Fundamentos A soldagem a gás oxi-combustível (Oxy-Fuel Gas Welding - OFW) ou simples mente soldagem a gás é um processo no qual a coalescência ou união dos metais é obtida pelo aquecimento destes até a fusão com uma chama de um gás combustível e oxigênio. O metal de adição, se usado, também é fundido durante a operação. A Figura 1 mostra esquematicamente o processo. 162 SOLDAGEM fUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Oxigênio + gás combustível ( V<J: I . ijDro Poça de fusâo Figura 1 Diagrama esquemático de uma soldagem oxi-gás Uma im portante característica deste processo é o excelente controle que se pode exercer sobre a entrada de calor e a tem peratura das peças que estão sendo soldadas, devido ao controle independente da fon te de calor e da alim entação do metal de adição. O equipamento usado é bastante simples, tem baixo custo e tam bém pode ser usado, com pequenas variações, em outras operações com o dobram ento e desempeno de peças metálicas, pré e pós-aquecim ento em soldagem, em operações de brasagem, solda-brasagem e corte a gás. Os gases usados como com bustível devem ter alta temperatura de chama, alta taxa de propagação de chama, alto potencial energético e mínima reação química com os metais de base e adição. O gás mais usado é o acetileno. Durante a operação, o calor da chama proveniente da queima da m istura combustível-oxigênio na ponta do maçarico é usada para íundir o metal de base e form ar a poça de fusão. O metal de adição, quando usado, é adicionado separadamente nesta, a partir de uma vareta. A operação de soldagem normalmente é manual e o soldador movimenta a tocha de forma a obter uma fusão uniform e e progressiva e alimenta o metal de adição, se for o caso. Este processo é adequado à soldagem de chapas finas, tubos de pequeno diâ metro e tam bém é muito usado na soldagem de reparo. Entre os m etais soldáveis pelo processo oxi-gás incluem-se os aços, particularm ente os de baixo carbono e a maioria dos metais não ferrosos. 2. Equipamentos O equipamento para a soldagem oxi-gás, m ostrado na Figura 2, consiste ba sicamente de cilindros de oxigênio e gás com bustível, reguladores de pressão, mangueiras e maçarico ou tocha de soldagem. CAPÍTULO 11 | 1 c o SOIOAGEM E CORTE A GÁS 10 0 Figura 2 Equipamento básico para soldagem oxi-gás Os gases utilizados na soldagem oxi-gás podem ser distribuídos pelas várias seções de uma instalação industrial através de cilindros portáteis, normalmente colocados sobre carrinhos, através de uma tubulação proveniente de uma instalação centralizada, fixa ou portátil, ou ainda de geradores de acetileno e de tanques de armazenagem de oxigênio líquido. Quando o consum o de gás é pequeno, utiliza-se norm alm ente um cilindro de oxigênio e outro de gás com bustível, e onde se exige um grande consum o de gás, utiliza-se instalação centralizada de cilindros ou tanques de armazenagem e geradores. Os cilindros para oxigênio e outros gases armazenados a alta pressão são feitos de tubos de aço sem costura, suportam pressões internas de até 150 a 200 kgf/m m 2 e têm capacidade de armazenamento entre 1 e 10m3, em geral. Antes de serem usados, estes cilindros passam por testes hidrostáticos a pressões maiores do que as de utilização. Os cilindros de gases devem ser sem pre identificados e periodica m ente testados pelos fornecedores de gás. O oxigênio é elem ento com burente e, quando sob pressão, pode reagir violen tam ente com óleo ou graxa. Assim, os cilindros, m anóm etros e outras peças que entram em contato direto com o oxigênio (e tam bém outros gases) nunca devem ser lubrificados, devem ser m antidos lim pos e armazenados longe de combustíveis. O contato com cabos e condutores elétricos tam bém deve ser evitado. O acetileno geralm ente é acondicionado em cilindros preenchidos com uma massa porosa, à base de carvão, cim ento especial e asbesto, embebida em acetona. A massa porosa form a pequenas cavidades dentro do cilindro, onde pequenos vo lumes de acetona se alojam, evitando o choque excessivo entre as moléculas e as consequentes detonação e explosão. O acetileno pode ser dissolvido na proporção de até 25 litros deste para cada litro de acetona, para cada atm osfera de pressão, até uma pressão máxima de cerca de 17 atm (= 17 kgf/cm 2). Desta form a, o acetileno pode ser armazenado em volumes razoáveis e utilizado com segurança a pressões acima da am biente. Os cilindros de acetileno possuem em suas extremidades pequenos selos de uma liga Sn-Cd, que se funde a uma tem peratura aproximada de 80°C. Assim, se os cilindros forem subm etidos a um calor excessivo, ocorrerá a fusão do selo e a liberação do acetileno, prevenindo explosões. A retirada máxima de acetileno neste sistema é de 1/7 da capacidade do cilindro por hora. Isto porque, se a retirada fo r maior, ocorrerá um resfriam ento do cilindro, 1 C /1 1D H | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA a queda de pressão e a falsa impressão de que o cilindro está vazio. Além disso, o acetileno poderá arrastar consigo partículas de acetona, que afetarão a chama e a qualidade do trabalho. A acetona tam bém pode ser retirada caso o cilindro de acetileno esteja deitado durante a operação, o que precisa ser evitado. O acetileno em contato com o cobre, mercúrio ou prata pode, sob certas condi ções, formar com postos explosivos, que podem ser detonados por simples choques ou aplicação de calor. Por essa razão, as canalizações usadas para o acetileno são feitas, geralmente, de ferro ou aço. Apesar disso, os bicos dos maçaricos em geral são feitos de cobre mas não oferecem perigo, já que a pressão e tem po de contato com o acetileno, neste caso, não são suficientes para a reação. Todo cilindro deve sem pre ser armazenado em locais frescos, ventilados, limpos e secos. Durante o uso. os cilindros não devem ficar deitados. Choques mecânicos violentos com os cilindros devem ser sempre evitados. Os maçaricos são dispositivos que recebem o oxigênio e o gás combustível puros e fazem a sua mistura na proporção, volum e e velocidade adequados à chama desejada. O volume liberado dos gases determinará o tamanho desta e sua capacidade de aque cim ento; a velocidade determinará se a chama será violenta, intermediária ou suave, e a proporção dos gases determinará seu caráter oxidante, neutro ou carburante. Basicamente, existem dois tipos de maçarico: misturador, e os de baixa pressão, do tipo injetor. O na Figura 3, é utilizado juntam ente com cilindros média pressão, sendo usadas as mesmas pressões acetileno. os de média pressão, do tipo m açarico misturador, m ostrado ou geradores de acetileno de de trabalho para o oxigênio e o « « Figura 3 Maçarico misturador: (1) Registro de oxigênio, (2) Registro de acetileno, (3) Câmara de mistura, (4) Divergente, (5) Extensão, (6) Bico O maçarico do tipo inietor, mostrado na Figura 4, pode ser utilizado com o acetileno a baixa pressão, uma vez que utiliza um sistema em que a pressão do oxigênio é usada para aspirar o acetileno. Neste maçarico o oxigênio passa a grande velocidade através de um pequeno orifício, criando um vácuo parcial que arrasta o acetileno. Os gases CAPÍTULO 11 SOlUAGEM £ CORTE A GÁS passam, então, por um tubo divergente, onde se misturam, perdem velocidade e ocorre um aumento de pressão. Saindo do divergente, a mistura se completa e segue até a ponta do bico. No maçarico do tipo injetor não ocorre variação na proporção da mistura provocada por flutuações na pressão de oxigênio, já que a quantidade de acetileno arrastada é proporcional a esta pressão. , .. / i '],' rl i . 3 ' * Figura 4 Maçarico injetor: (1) Registro de oxigénio. (2) Registro de acetileno, (3) Injetor, (4) Divergente, (5) Extensão. (6) Bico Num maçarico, se a velocidade de saída for maior que a de combustão, a queima se dará a uma certa distância da ponta, podendo ocorrer a extinção da chama. Caso con trário, velocidade de queima maior que a de saída, a combustão ocorrerá no interior do bico, provocando um aumento na temperatura e sua dilatação, com uma consequente queda na velocidade de saída. Como a velocidade de combustão permanece constante, a queima se dará, cada vez mais, no interior do bico. Este fenômeno, conhecido como "engolimento de chama", resulta de uso de pressões excessivamente baixas, existência de dobras nas mangueiras, superaquecimento do bico, toque do maçarico na peça ou obstrução do bico por partículas de me'tal e pode causar queimaduras e danos ao equipamento. O problema pode ser minimizado pelo uso de pressões corretas e de maçaricos em boas condições de conservação e manutenção. Em casos extremos, a chama poderá atingir a fonte de acetileno, provocando sua explosão. Para eliminar o perigo de explosão, causada pelo engolimento de chama, utilizam-se válvulas contra retrocesso de chama, que perm item fluxo apenas num sentido. 1 R r ID O IC C 10 ü I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Os bicos dos maçaricos, tam bém cham ados de extensões, são intercam biáveis e de diversos tam anhos, devendo ser escolhidos em função da espessura das peças a serem soldadas. A Tabela I apresenta exem plos de tam anho de extensões e pressões de gases a serem utilizados em maçaricos dos tipos injetor e misturador, de acordo com a espessura das peças. Extensões de diferentes tamanhos podem ser vistas nas Figuras 3 e 4, para os dois tipos de maçarico. Tabela I - Exemplos de tamanho de bico, pressão de gases e velocidade de soldagem para diversas espessuras de peças de aço para diferentes tipos de maçarico Misturador Injetor Espessura a soldar (mm) IMúmero do bico Pressão dinâmica (k g f/m m 2) Oxigênio Acetileno Vazão de gases (l/h) Acetileno Oxigênio Velocidade de soldagem (cm/min) 0 .3 -0 .5 2 0,4 0.4 7 5 -9 5 7 0 -9 0 14.5-15,0 0 .5 -0 .8 4 0.4 0.4 1 1 5-14 0 1 0 0-13 0 13,0-15,0 0.8 -1 .5 6 0.4 0.4 1 5 0-18 0 1 4 0 -1 6 5 11,0-13,0 1 .5 -2 .5 9 0.4 0.4 220 - 270 2 1 0 -2 5 0 8 ,0 -1 2 ,0 2.5 - 3.0 12 0.5 0.5 3 1 0 -3 5 0 280 - 320 6 ,0 -1 0 ,0 3 .0 -5 ,0 15 0,5 0.5 400 - 450 3 6 5 -4 1 0 3 ,5 -6 .0 5 .0 -6 .5 20 0,5 0,5 5 1 0 -6 0 0 470 - 560 2 .5 -4 .5 6.5 - 9,5 30 0,5 0.5 ' 690 - 890 625 - 805 1 .5 -3 .0 0 .8 -1 .5 4 0.8 - 1.3 0.1 1 0 0-18 0 9 0 -1 3 0 14.0-16.0 1 .5 -2 .5 6 1 .6 -2 .0 0.1 170-22 0 1 3 0-22 0 11 .0-1 5,0 2 .5 -3 .0 9 1 .6 -2 .0 0.1 280 - 340 2 0 0 -3 0 0 8 .0 -1 1 .0 3 .5 -6 .5 15 1 .5 - 1.9 0.1 580 - 640 400 - 600 CO 0 1 "J o Tipo de maçarico 8 ,0 -1 3 .0 30 1 .2 -1 .6 0.1 80 0-1.100 700 - 1.000 1 .5 -3 .0 OBS: Esta tabela é apenas ilustrativa. Para valores práticos, deve-se consultar o manual do equipamento em uso. A Figura 5 mostra um maçarico de aquecim ento usado para pré e pós-aquecimento em operações de soldagerh. ) Figura 5 Maçarico para aquecimento \ 'J) CAPÍTULO CAPITULO 11 II j 1 C 7 SOLDAGEM E CORTE A GÁS I I D / O regulador de pressão é um dispositivo que perm ite dim inuir a pressão interna de armazenagem dos gases nos cilindros para a pressão de trabalho, mantendo-a aproximadamente constante. Existem dois tipos básicos de reguladores de pressão: de um e de duplo estágio, sendo que os do segundo mantêm a pressão de trabalho mais constante, quando varia a pressão interna do cilindro. A Figura 6 mostra um regulador de pressão típico. O gás proveniente do cilindro entra numa câmara de alta pressão, indicada pelo m anóm etro da direita. Atuando-se no volante regulador, aciona-se uma alavanca que está ligada a um obturador, dim inuindo a pressão sobre uma pastilha que veda um furo existente na câmara de alta pressão. Assim, o gás pode fluir por este orifício, atingindo uma câmara de distribuição, à qual estão ligados o m edidor da pressão ou vazão de saída do gás e a tubulação de saída. Figura 6 Regulador de pressão de gás típico A abertura da válvula dos cilindros deve ser feita sem pre com o obturador fe chado, evitando-se, assim, que o gás, saindo do cilindro a alta pressão, danifique o redutor. As saídas dos cilindros de gases são ligadas aos maçaricos através de manguei ras, capazes de suportar pressões elevadas e o am biente quase sempre agressivo do local de trabalho. Essas mangueiras são geralmente de cores diferentes, para se evitar confusão quanto ao gás que devem transportar. Por convenção, adota-se a cor vermelha para o acetileno, e a verde ou azul para o oxigênio. 3. Consumíveis Os consumíveis norm alm ente usados na soldagem a gás são os gases (com bustível e oxigênio), os metais de adição e os fluxos de soldagem, se usados. A Tabela II apresenta as características de com bustão de alguns gases usados indus trialmente. 168 SO U M SBI FUMMMerros e t k k c id g ia Tabela II - Características de combustão de alguns gases usados em soldagem Propano Metano Acetileno Gás de rua CjHj Hs 53% CH4 25% CO 8% Diversos 14% c 3hb ch4 14.000 4.300 24.300 9.410 11.000 3.800 22.300 8.470 Oxigênio teoricamente necessário (m3/m3) 2.5 0,8 a 0,9 5.0 2,0 Velocidade máxima de propagação (m/s) 13,5 7,05 3.7 3,3 3.100 2.750 2.800 2.730 10.9 3,0 2,7 2,0 Gás Composição Poder calorífico superior (kcal/m3) Poder calorífico inferior (kcal/m3) Temperatura máxima de chama (°C) Intensidade média na ponta do maçarico (kcal/ cm!.s) O acetileno <C2H2) é o gás combustível mais usado na soldagem, devido ao conjunto de suas propriedades (Tabela II). É incolor e possui um cheiro característico. Normalmente, este gás não existe livre na natureza, sendo produzido em geradores a partir da reação do carbureto de cálcio (CaC2) com a água (H20). Para uso industrial, o acetileno pode ser fornecido em cilindros ou set produzido em geradores. O oxigênio é o comburente e é incolor e insípido, sendo encontrado em abun dância na atmosfera. Ele pode ser obtido industrialmente por três processos: reação química, eletrólise da água ou liquefação do ar. O processo de obtenção mais usado é este último, no qual, após a retirada do gás carbônico, o ar é resfriado, expandido e liquefeito, passando posteriormente por colunas de retificação, onde os diversos gases do ar são separados de acordo com o seu ponto de evaporação. O oxigênio assim obtido é de alta pureza, maior ou igual a 99%. Outros gases combustíveis, por possuírem características para soldagem inferio res às do acetileno, têm seu uso restrito à união de ligas com baixo ponto de fusão, aquecimento, brasagem e, às vezes, operações de corte. Os fluxos são materiais fusíveis, na forma de pó, granulado ou pasta, usados na soldagem a gás com a função de reagirem quimicamente com óxidos metálicos e formar escórias nas temperaturas de soldagem, além de melhorar a molhabilidade e a fluidez da poça de fusão. Uma condição importante para a obtenção de soldas de boa qualidade é^remoção de óxidos superficiais das peças metálicas, que é feita durante a preparação destas para a soldagem. Entretanto, os metais têm uma afinidade tão grande pelo oxigênio que a formação de óxidos é praticamente instantânea, como visto no Capítulo 1. Além disso, em alguns casos, os óxidos formados têm ponto de fusão maior que o do metal de base, o que dificulta muito a soldagem, já que formam uma barreira térmica entre o metal de base e a fonte de calor. A remoção dos óxidos pode ser feita eficientemente com o uso dos fluxos. Os fluxos são usados na soldagem do ferro fundido, do aço inoxidável e em grande partè dos metais não ferrosos, como o alumínio, o cobre e suas ligas. Na soldagem dos aços, de um modo geral, não há necessidade de uso de fluxo. CAFÍTUID1! « e n SQIDAGEM í C0R7Í A GÁS 1 0 9 O metal de adição usado na soldagem a gás é fornecido na forma de varetas, com comprimentos e diâmetros variados e padronizados, que são escolhidos em função da quantidade de metal a depositar e da espessura das peças a serem unidas. Estes consumíveis são classificados e especificados em diferentes normas técnicas, propostas por diferentes entidades, nos diversos países. As normas mais usadas no Brasil são as da American Welding Society - AWS (Associação Americana de Soldagem), mostradas na Tabela III. Tabela III - Especificações AWS para varetas de metal de adição para soldagem a gás Norma Tipo de metal de adição AWS A 5.2 Metal de adição para soldagem a gás de aços carbono e baixa liga AWS A 5.7 Metal de adição para soldagem a gás do cobre e suas ligas AWS A 5.8 Metal de adição para brasagem AWS A 5.9 Metal de adição para soldagem de aços inoxidáveis AWS A 5.10 Metal de adição para soldagem de alumfnio e suas ligas AWS A 5.14 Metal de adição para soldagem de nfquel e suas ligas AWS A 5.15 Metal de adição para soldagem de ferro fundido AWS A 5.16 Metal de adição para soldagem de titânio e suas ligas AWS A 5.21 Metal de adição para revestimentos Em geral, as especificações para metais de adição para soldagem admitem três classificações possíveis, R, E e ER. Os materiais tipo R devem ser usados como varetas para soldagem (do inglês, fíod), os do tipo E devem ser usados como eletrodos para soldagem a arco (Electrodes) e os do tipo ER podem ser usados como um ou outro. Por exemplo, a norma AWS A 5.2 especifica e classifica os metais de adição para soldagem de aço carbono e baixa liga nas classes: R45, R60, R65, R100 e XXX-G. O material classificado com R45 não tem limite de resistência especificado, os três seguintes têm limite de resistência mínimo de 60,65 e 100 ksi1(410,450 e 690 MRa), respectivamente, e o último será designado pelo limite de resistência mínimo obtido em teste de tração, expresso em ksi (representado por XXX), limitado aos designadores 45, 60,65,70 ,80,90 ou 100. Para a soldagem do ferro fundido, a norma AWS A 5.15 especifica os arames de adição, que são designados pelas letras RCI. Os aços inoxidá veis são soldados com metais de adição classificados pela norma AWS A 5.9. Estes são designados pelas letras ER. seguidas pelos números que normalmente correspondem à designação AISI do aço a ser soldado. Por exemplo, o metal de adição AWS ER 316 é usado para a soldagem do aço inoxidável AISI 316. Para a soldagem de alumínio e suas ligas e outros metais, os metais de adição podem ser do tipo R ou ER, sendo que R (do inglês, fíod) indica vareta para soldagem a gás ou outro processo, E (do inglês. Electrode) indica eletrodo para soldagem a arco. e ER indica que o metal de adição pode ser usado tanto como vareta quanto como eletrodo. Para o cobre e suas ligas, a designação é baseada na composição química do metal depositado. Por exemplo, uma vareta de metal de adição à base de cobre e níquel será classificada como RCuNi. 1 1 ksi = 1.000 libras por polegada quadrada. -j-ir» ! l /U SOLDAGEM fUNOAMENTOS E TECNOLOGIA A escolha de um metal de adição adequado a uma determinada soldagem deve ser feita còm base nas propriedades mecânicas e/ou composição química do metal depo sitado. Esta escolha é orientada pelos fabricantes das varetas para soldagem oxi-gás, que fornecem as aplicações típicas e recomendações para o uso de seus produtos. 4. Técnica Operatória O tipo de maçarico a ser usado dependerá da forma de suprim ento de gases, do tamanho do bico e do ajuste desejado para a chama, e a necessidade de uso de fluxo e seu tipo dependerão dos materiais e espessuras a serem unidos. Uma chama oxi-acetilênica apresenta basicamente duas regiões: um cone interno, tam bém chamado de "dardo", de forma bem definida e cor azulada, localizado logo à frente do bico, onde se dá a reação i 0v C2H2 + 0 2 -> 2 CO + H, + CALOR (Eq. 1> chamada de reação primária. O oxigênio para esta reação ou parte dele é prove niente do maçarico. Uma segunda reação, ou reação secundária, com o oxigênio do maçarico ou da atmosfera, A . <\ Y ,] 4 CO + 2 H2 + 3 0 2 -* 4 C02 + 2 H20 + CALOR (Eq. 2) ocorre na segunda região, form ando um envoltório exte'rno difuso, conhecido com o "penacho", de cor mais avermelhada ou laranja. A quantidade de calor resultante destas reações é função direta da quantidade de acetileno que é queimado. Um aumento na quantidade de calor é obtido pelo aum ento da vazão dos gases no maçarico. Uma troca de bico para um tamanho maior pode ser necessária. A vazão da m istura proveniente do maçarico dotado de um certo bico determinará se a chama será mais áspera ou macia. Chamas muito macias são ineficientes e sensíveis ao fenôm eno de engolim ento, enquanto chamas muito ásperas são de difícil manuseio. As temperaturas mais altas na chama oxi-acetilênica ocorrem na ponta do cone interno, de modo que, para uma operação mais eficiente, a ponta deste deve ser posicionada próximo à superfície a ser fundida. A proporção de gases na mistura proveniente do maçarico determina o caráter oxidante, neutro ou redutor da chama. A chama neutra, mais usada, é conseguida com a proporção de um volum e de oxigênio para um volume de acetileno. Alterando-se a proporção dos gases na mistura, pode-se ter uma chama ligeiram ente oxidante ou ligeiramente carburante, oxidante ou carburante, ou ainda, m uito oxidante ou m uito carburante, com teores crescentes de oxigênio ou acetileno, respectivamente. Operacionalmente, a soldagem a gás é feita seguindo-se as seguintes etapas: abertura dos cilindros de gases e regulagem das pressões de trabalho, acendimento e reaulagem da chama, formação da poça de fusão, deslocam ento da chama e realização do cordão de solda, com ou sem o uso de metal de adição, interrupção da solda e extinção da chama. CAPÍTUL011 SOLDAGEM E CORTE A GÁS 171 1/1 As pressões de trabalho sào escolhidas em função do tipo de m açarico e tamanho de bico usados, com o já ilustrado na Tabela I. Outros fatores a serem considerados são o diâm etro e o com prim ento das mangueiras de gás utilizadas. Diâm etros pequenos e/ou m angueiras m uito longas podem levar a uma queda de pressão no maçarico a valores abaixo dos recom endados. Em geral, os fabricantes dos equipam entos fornecem as inform ações necessárias quanto a estes aspectos. Recomenda-se que a regulagem das pressões de trabalho seja feita com os registros de gás do maçarico abertos, já que as pressões indicadas nos m anóm etros tendem a ser mais altas quando as saídas de gás estão fechadas. O acendim ento da chama é feito com um gerador de fagulha ou isqueiro após a abertura do registro de acetileno do maçarico. A chama assim obtida tem uma cor am arelo-brilhante e é bastante fuliginosa (chama acetilênica). Para se evitar esta fuligem , pode-se abrir ligeiram ente o registro de oxigênio do maçarico antes do acendim ento. Uma vez acesa, a chama deve ser regulada para se obter um tamanho e tipo adequados à soldagem que vai ser executada. A Figura 7 mostra os aspectos característicos da chama oxí-acetilênica, (redutora, neutra e oxidante), obtidas sequencialm ente à medida que se aumenta a vazão de oxigênio. A chama redutora apresenta, além das duas regiões já citadas, o cone interno e o envoltório externo, uma terceira região entre as duas anteriores, chamada de "penacho ou cone interm ediário", onde a reação primária é com pletada com oxigênio da atmosfera, quando a quantidade de oxigênio é insuficiente para reagir com todo o acetileno da mistura proveniente do maçarico. A chama neutra apresenta um ruído característico suave, enquanto a chama oxidante apresenta um chiado mais estridente, além de penacho m enor que o da chama neutra e de cor mais azulada. (a) (b) (c) (d) Figura 7 Aparência típica dos diversos tipos de chama: (a) acetilênica, (b) redutora, (c) neutra e (d) oxidante <•72 SOiDA&EM FUNOAMBflDS E TECNOLOGIA Para a formação da poça de fusão, a ponta do cone interno deve ser posicionada de 1 a 3 mm da superfície, formando um ângulo de 45 a 60 graus com a peça e mantida nesta posição até a fusão do metal de base. Quando a poça de fusão atingir um tamanho adequado, a chama deve então ser deslocada ao longo da junta, mantendo-se constante a distância do cone interno à poça de fusão. A velocidade de soldagem deve ser escolhida de forma a não provocar fusão insuficiente ou excessiva da peça e ser mantida constante durante a operação. Quando necessário, promove-se a adição de metal de enchimento, que deve ser feita na poça de fusão, à frente do cone interno. A ponta da vareta deve ser mantida todo o tempo dentro da região do cone externo, para evitar sua contaminação pela atmosfera. Existem basicamente duas técnicas para a execução da soldagem oxi-acetilênica, ilustradas na Figura 8 .0 uso da técnica soldagem a ré ou soldagem para trás produz um cordão de solda estreito e com maior penetração, permitindo o uso de maiòr velocidade de soldagem e a soldagem de peças de maior espessura. Já a outra técnica, soldagem para frente, resulta num cordão mais raso, sendo adequada para a soldagem de chapas finas, de até 3 mm de espessura. Isto se deve à aplicação do calor mais diretamente sobre a superfície da chapa na soldagem à frente, enquanto que na soldagem a ré, o calor é mais aplicado sobre a poça de fusão, particular mente na soldagem com adição de metal. Figura 8 Técnicas de soldagem oxi-acetilênica: (a) soldagem á ré ou à direita e (b) soldagem à frente ou à esquerda Quando necessário, além do movimento longitudinal de translação da tocha ao longo da junta, é feito um movimento transversal, chamado de tecimento, que permite a obtenção de cordões mais largos e maior fusão das paredes do chanfro. Este tecimento auxilia também no controle da poça de fusão, evitando que ela escorra na soldagem fora da posição plana. Ao final da soldagem, recomenda-se diminuir ao mínimo o tamanho da chama e fechar primeiro o registro de acetileno e depois o do oxigênio. Isto porque, na sequência inversa, ocorreria a formação de fuligem na ponta do bico, o que, com o tempo, prejudicaria o funcionamento do maçarico devido a entupimentos. Terminado o serviço, as válvulas dos cilindros de gases devem ser fechadas, as mangueiras e reguladores de pressão esvaziados, e os registros do maçarico fechados: f \£..- CAFfTUOll SOlCAGfMECCWTí AGÁS 5. Aplicações Industriais Embora a temperatura e a quantidade de calor geradas pela chama oxi-acetilênica sejam suficientemente elevadas para torná-la utilizável em soldagem, estes valo res são ainda baixos quando comparados com os de outras fontes de calor para soldagem por fusão, como o arco elétrico, por exemplo, o que implica em baixas velocidades de soldagem. Comparativamente, a intensidade média é da ordem de 10 W/mm2 para a chama oxi-acetilênica, e de 300 W/mm2 para o arco elétrico. Com isso, apesar de sua simplicidade e versatilidade, a soldagem a gás tem uso restrito na indústria atual, devido à sua baixa produtividade, sendo utilizada principal mente em casos onde se exige um ótimo controle do calor cedido e da temperatura das peças, como na soldagem de chapas finas e de tubos de pequeno diâmetro, em operações de brasagem e na soldagem de reparo, devido à sua portabilidade. A Tabela IV apresenta algumas ligas soldáveis pelo processo oxi-acetilênico. Tabela IV - Algumas ligas soldáveis a oxi-acetileno Metal de base Metal de adição Alumínio Tipo de chama Uso de fluxo Alumínio Ligeiramente redutora Sim Bronze Bronze Ligeiramente oxidante Sim Cobre Cobre Neutra Náo Ferro fundido Ferro fundido Neutra Sim Níquel Níquel Ligeiramente redutora Nào Aço de baixo carbono Aço Neutra Não Aço de baixo carbono Bronze Ligeiramente oxidante Sim Aço de alto carbono Aço Redutora Não Aço inoxidável Aço inoxidável Neutra Sim f l -■ . . C: 1 1 \ í ". r. ' (J I ' J *1 7/1 , ' 1 Hj SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA B - OXI-CORTE „ . - 'í f ■' 1 • j)tfí •'! . •.* 'J/yO 1 ó t (jf t 1. Fundamentos O processo oxi-corte ou corte a gás (Oxi-Fuel Gas Cutting - OFC) é um processo no qual o corte do metal é obtido pela reação do oxigênio puro com o metal, a alta tem peratura. Esta alta tem peratura é conseguida inicialmente com o uso de uma chama oxigênio-gás com bustível. Para o corte de metais resistentes à oxidação, a reação é auxiliada pela adição de fluxos e pós metálicos. O metal a ser cortado é aquecido por uma chama de pré-aquecimento pelo menos até a tem peratura em que ocorre a reação do metal com o oxigênio, chamada de "tem peratura de igni ção", sendo, a seguir, exposto a um jato de oxigênio de alta pureza. A oxidação do metal produz uma quantidade de calor suficiente para fundir o óxido form ado, que é expulso pelo jato de oxigênio, ocorrendo, assim, o corte e o aquecim ento do metal de base adjacente. A Figura 1 ilustra o processo. Por exemplo, a oxidação do ferro a altas temperaturas se processa em três reações, representadas pelas equações: 2 Fe + 0 2 —>2 FeO + 534 kJ 3 Fe + 2 Oj —* Fe30 4 + 1.120 kJ (Eq. 3) ' 4 Fe + 3 0 2 -» 2 Fe20 3 + 1.650 kJ (Eq. 4) (Eq. 5) sendo que a terceira reação só ocorre no corte de peças de m aior espessura. .Oxigênio I lOxigênlo + * T combustível Figura 1 Processo de corte a gás (esquemático) O calor gerado durante o corte é suficiente para dar continuidade ao processo, entretanto, a chama de pré-aquecimento é mantida durante toda a operação, pois facilita a reação com o oxigênio, pelo fornecim ento de calor à superfície da peça e também evita que o jato de oxigênio seja contam inado pela atm osfera. O processo é m uito versátil, podendo cortar desde peças finas até peças com mais de um metro de espessura de aço. Os equipamentos mais comumente usados podem ser manuais ou mecanizados e efetuar cortes retos, curvilíneos, m últiplos etc. CAPÍTULO 11 I 1 T C SOLDAGEM E CORTE A GÁS j 1 / ü 2. Equipamentos O equipam ento usado para o corte a gás é basicamente o mesmo usado na solda gem a gás, diferenciando-se apenas pelo tipo de bico, que é próprio para operações de corte. Este possui as partes essenciais de um maçarico de solda e uma tubulação extra para o oxigênio de corte, dotada de uma válvula de acionamento rápido. Um maçarico e bicos de corte típicos são m ostrados na Figura 2. Figura 2 Maçarico e bicos de corte oxi-gás típicos Os maçaricos de corte tam bém podem ser do tipo injetor ou misturador e tam bém possuem bicos intercambiáveis, que são trocados de acordo com a espessura a ser cortada. A Tabela I apresenta alguns exemplos de diâm etros de bicos, consum o de gás e velocidade de corte para aços de baixo carbono. Tabela I - Exemplos de diâmetros de bicos, consumo de gases e velocidade de corte para aços carbono Diâm etro do orifício do bico (mm) Velocidade de corte (cm/min) 3,2 0 ,5 -1 .0 6.4 0 ,7 - 1.5 9.5 Fluxo de gás (l/m in) Oxigênio (corte) Acetileno Gás Natural 4 1 -8 1 7 -2 1 1 .4 -4 ,3 4 .3 -1 1 ,8 1 .4 -4 .7 4 1 -6 6 1 4 -2 6 1 .4 -4 .3 4,3 -1 1 .8 2 .5 -5 ,7 0 ,7 -1 .5 3 9 -6 0 1 9 -3 3 2 .8 -5 ,7 4 ,7 -1 1 .8 2 ,4 -7 .1 13 1 ,0 -1 ,5 3 0 -5 8 2 6 -4 0 2 .8 -5 .7 7.1 - 14,2 2 .4 -7 .1 19 1,1 - 1.5 3 0 -5 3 4 7 -7 0 3 .3 -6 ,6 7.1 -1 4 ,2 2 .8 -8 .5 25 1.1 - 1.5 2 3 -4 6 5 2 -7 6 3 .3 -6 .6 8,5 -1 6 ,5 2 .8 -8 .5 38 1 .5 -2 .0 1 5 -3 5 5 2 -8 3 3 .8 -7 ,6 8.5 -1 6 ,5 3 .8 -9 .4 51 1 .5 -2 ,0 1 5 -3 3 6 1 -9 0 CD r^ ' 1 00 CO* Espessura a cortar (mm) 9,4 -1 8 ,9 3 .8 -9 ,4 76 1 .6 -2 .2 1 0 -2 8 9 0 -1 4 2 4 .3 -9 ,4 9.4 -1 8 .9 102 2 .0 -2 ,3 1 0 -2 5 1 1 3-170 4.3 - 9.4 9.4 -1 8 ,9 127 2 .0 -2 .4 1 0 -2 0 12 7-170 4 .7 -1 1 .6 11,8-23,6 4 .7 -1 1 ,8 152 2 .4 -2 .7 8 -1 8 123 - 236 4 .7 -1 1 ,6 11,8-23.6 4 .7 -1 4 .2 203 2.4 - 2,8 8 - 13 2 1 7-29 3 7,1 - 14,2 14,2-26,0 7.1 - 15.1 254 2 .4 -2 .8 5 -1 0 274 - 331 7 .1 -1 6 .5 16.5-3 3 7.1 - 16,5 305 2 .8 -3 .3 5 -1 0 340 - 401 9 .4 - 18,9 21.2-44.9 9 ,4 -2 1 ,2 O CO 1 Propano 4 ,3 -1 1 .3 1 7 K ! 1' 0 1 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Os equipamentos usados podem ser do tipo manual ou mecanizado, sendo que estes últimos realizam o corte com uma velocidade mais uniforme, propiciando melhor aparência e regularidade da superfície de corte. Equipamentos mecanizados podem ser acoplados a copiadores óticos ou m ecânicos e realizar cortes de acordo com gabaritos predeterm inados. No Brasil, existem diversos equipam entos disponíveis com ercialm ente, tanto manuais quanto mecanizados, com capacidade de corte sim ples ou m últiplo, numa ampla faixa de espessuras. A Figura 3 mostra um equi pam ento industrial típico de corte a gás mecanizado. Figura 3 Equipamento industrial típico de corte a gás mecanizado 3. Consumíveis Os consumíveis do processo oxi-corte são o oxigênio, o gás combustível e os fluxos e pós utilizados para corte de metais em que o corte convencional é insatisfatório. O oxigênio usado na operação de corte deve ser de pureza elevada, maior ou igual a 99,5%. Um decréscimo de 1% nesta pureza pode resultar em um decréscimo de até 15% na velocidade de corte e um aumento de até 25% no consumo de oxigênio. Além disso, a qualidade do corte é pior e ocorre maior aderência dos resíduos do corte nas faces da peça. Para purezas inferiores a 95%, a ação de corte é extinguida. Vários gases combustíveis podem ser usados no pré-aquecimento para início do corte, incluindo o acetileno, o propano. o propileno, o butano, o metano, o GLP e o gás natural. CAPITULOU SOLDAGEM E CORTE A GÁS M O acetileno é o mais usado, mas, para algumas aplicações especiais, como cortes muito longos, outros gases podem apresentar vantagens, como menor custo e maior volume acondicionado em cilindros de uma dada capacidade. Os fluxos e pós são usados em operações de corte de materiais especiais, como o aço inoxidável, o ferro fundido, o bronze e o alumínio. Os pós utilizados são geralmente o de ferro, no corte do aço inoxidável, ferro fundido e peças muito espessas de aço carbono, e o de alumínio, no corte de bronze e alumínio. Fluxos químicos são usados no corte dos aços inoxidáveis e têm como função reagir com os óxidos de elementos de liga, como o cromo e o níquel, para formar compostos de ponto de fusão próximos ao do óxido de ferro. 4. Técnica Operatória A operação de oxi-corte é relativamente simples e, em muitas etapas, semelhante à soldagem oxi-gás. Inicialmente, efetua-se a regulagem da chama de pré-aquecimento, em geral, neutra. A seguir é feito o pré-aquecim ento da região de início do corte, até o rubro, quando é acionada a válvula de oxigênio. Este reage com o metal e, quando o jato atinge a face oposta da peça, inicia-se o movimento de translação do maçarico. A velocidade de deslocam ento é função do tipo e espessura do metal que está sendo cortado. Para cortes manuais, a velocidade de corte é dada pelo operador, e para cortes mecanizados geralm ente é indicada pelo fabricante do equipam ento, devendo ser ajustada de maneira conveniente. A Figura 4 mostra o efeito da veloci dade de corte no acabamento das faces cortadas. Normal Figura 4 Efeito da velocidade de corte no acabamento das faces cortadas por oxi-corte (esquemático) ' • 1 -7 O 1 * ' 0 SOLDAGEM FUNDAMENTDS E TECNOLOGIA Ao final do corte, o jato de oxigênio é interrom pido, e a chama de pré-aquecimento extinta, com o na soldagem a gás. A figura 5 m ostra peças oxi-cortadas mecanizadamente. Figura 5 Peça cortada pelo processão oxi-corte mecânico O processo de corte convencional é adequado para os aços carbono. Nos aços ligados, os elementos de liga podem provocar efeitos indesejáveis sobre a operação, como indicado na Tabela II. Para o corte de aços inoxidáveis, ferros fundidos e não ferrosos, o processo convencional não é adequado, exigindo o uso de técnicas es peciais como oscilação da tocha e adição de pós e fluxos para facilitar a operação. UV1IULU I I 1 1 -7Q SOLDAGEM E CORTE A G Á S Tabela II - Efeitos dos elementos de liga sobre a operação de corte Elem ento Efeito Carbono Aços com até 0,25% de carbono podem ser cortados sem problemas Acima disso passa a ser necessário o uso de pré-aquecimento para prevenir têmpera e fissuração do material. Grafita e cementita são prejudiciais, mas ferros fundidos com até 4% de carbono podem ser cortados com o uso de técnicas especiais. Manganês Aços com aproximadamente 14% de manganês e 1,5% de carbono são di fíceis de cortar e o uso de pré-aquecimento produz melhores resultados. Cromo Aços com até 5% de cromo são cortados'sem muita dificuldade quando a superfície está limpa. Com teores mais altos, da ordem de 10%, exigem técnicas especiais. A superfície de corte será áspera se usado o corte oxiacetiiênico convencional. Níquel Aços com até 7% de níquel podem ser cortados sem maiores problemas Oxi-corte de excelente qualidade de aços inoxidáveis podem ser feitos com a utilização de pós e fluxos. Tungsténio As ligas usuais com até 14% de tungsténio podem ser cortadas facilmente, mas o corte é mais difícil quando o teor é mais alto. Cobre Em teores até 2%, não tem nenhum efeito. Alumínio Desde que presente com teores até 10%. seu efeito não é apreciável. Fósforo Nas quantidades normalmente toleradas nos aços, este elemento não tem qualquer efeito. Enxofre Pequenas quantidades comuns nos aços não têm efeito. Para teores mais elevados a velocidade de corte é reduzida e o dióxido de enxofre passa a ser notado. Vanádio Nas quantidades usuais em aços. este elemento mais facilita do que pre judica o corte. O corte térm ico de aços tem peráveis pode exercer alguma ação de têm pera na superfície de corte e, às vezes, se toma necessário o uso de pré-aquecimento ou pós-aquecim ento para contornar o problema. 5. Aplicações Industriais O corte a gás é um processo com diversas aplicações industriais em vários segm entos e, devido à sua versatilidade, p usado tanto na fabricação quanto na montagem e desm ontagem de estruturas e peças metálicas. Na desm ontagem , ele é usado na separação de uniões mecânicas em geral, através de rebites, parafusos, pinos, soldas, etc, bem como no corte de peças e chapas. Na m ontagem, o pro cesso é usado para a preparação de chapas, perm itindo dar-lhe form as adequadas para sua utilização posterior. Neste tipo de aplicação, podem-se citar os estaleiros 1 180 SQIOAGQI fundam entos t tecnologia e calderarias pesadas como seus principais usuários. Na fabricação, pode-se usá-lo na preparação de chanfros para soldagem e mesmo para confecção de peças como rodas dentadas, engates, ferramentas etc. Devido à mobilidade do equipamento, o processo oxi-corte é de grande utilidade em operações de salvamento, efetuadas pela polícia e pelo corpo de bombeiros, como. por exemplo, retirada de vítimas de acidentes automobilísticos e ferroviários de destroços de veículos. 6. Exercícios e Práticas de Laboratório a) Desenhe esquematicamente uma chama neutra e indique as variações da temperatura ao longo do seu eixo. b) Por que uma chama redutora não deve ser usada na soldagem de um aço baixo carbono? c) Quais as diferenças entre maçaricos de soldagem e do corte? d) Por que é difícil ou mesmo impossível o corte oxi-acetilênico do alumínio? e) No laboratório ou oficina de soldagem, identifique o tipo do maçarico que está sendo usado Faça a regulagem das pressões de trabalho.dos gases e ajuste as vazões para obter os diversos tipos de chama, observando a'sua aparência. Experimente fazer cordões de solda sem e com adição do metal, sobre chapas e depois em juntas simples. Use retalhos de chapas do 1 a 3 mm de espessura. CAPÍTULO 12 SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS 1. Fundamentos A soldagem a arco com eletrodos revestidos (Shielded Metal Are Welding—SMAW) é um processo que produz a coalescência entre metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico revestido e a peça que está sendo soldada. O processo é mostrado esquematicamente na Figura 1. Revestlmanto Alma., Metal de adição Escória MètaJdã base 'V Poçadefutòo Figura 1 Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestido 1Q 9 *O Í SOUMKM RMOAMIM O eletrodo revestido consiste de uma vareta metálica, chamada "alma", trefilada ou fundida, que conduz a corrente elétrica e fornece metal de adição para enchimento da junta. A alma é recoberta por uma mistura de diferentes materiais, numa camada que forma o "revestimento” do eletrodo. Este revestimento tem diversas funções na solda gem, principalmente: • estabilizar o arco elétrico; • ajustar a composição química do cordão, pela adição de elementos de liga e eli minação de impurezas; • proteger a poça de fusão e o metal de solda contra contaminação pela atmosfera, através da geração de gases e de uma camada de escória; e • conferir características operacionais, mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo e à solda, como será visto mais adiante. A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas sol dáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes. Quando comparada com outros processos, particularmente com a soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa e com soldagem a arco submerso (ver Capítulos 15 e 16), a soldagem com eletrodos revestidos apresenta como principal limitação uma baixa produtividade, tanto em termos de taxa de deposição (entre 1,0 e 2,55 kg/h para eletro dos de aço carbono, por exemplo), como em termos do fator de ocupação do soldador (porcentagem total do tempo de soldagem com o arco de soldagem em operação), em geral inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento específico para o soldador, que é demorado e oneroso, particularmente para certas aplicações, necessidade de cuidados especiais com os eletrodos, principalmente com os do tipo básico, e o grande volume de gases e fumos gerados no processo, que podem ser pre judiciais à saúde, particularmente em ambientes fechados. A soldagem com eletrodos revestidos foi o principal processo de soldagem usado industrialmente até os anos 60. A partir daí sua importância relativa vem decrescendo, particularmente nos países mais desenvolvidos. No Brasil isto também ocorre, embora de forma mais lenta. A soldagem com eletrodos revestidos é usada na fabricação e montagem de diferen tes equipamentos e estruturas, tanto em oficina como no campo, sendo particularmente interessante neste último caso. O processo é usado basicamente como uma operação manual, sendo muitas vezes chamado simplesmente de soldagem manual. Somente uma variação "mecanizada" do processo, a soldagem por gravidade, tem sido utilizada na indústria de forma mais intensa, principalmente em estaleiros. A soldagem manual pode ser usada em grande número de materiais, como aços car bono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, alumínio, cobre, níquel e ligas destes, por exemplo. CAHTUIDIZ I -ipO SOLDA&M COM ELETRODOS REVESTDQS J 1 0 0 Metais de baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho e zinco, em geral, não são soldáveis a arco e metais refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônio, molibdênio e nióbio não são soldáveis com eletrodos revestidos. Diferentes combinações de metais dissimilares podem ser soldadas por esse processo. A Tabela I mostra as faixas de espessura de aço comumente soldadas com eletrodos revestidos. Para espessuras inferiores a 2 mm, o material ó facilmente perfurado pelo calor do arco, em caso de manipulação indevida e para espessuras muito grandes, a baixa produtividade do processo é o principal fator limitante. Assim, a soldagem com eletrodos revestidos é usada mais frequentemente para espessuras entre 3 e 40 mm, em aços. Tabela I - Faixas típicas da espessuras para utilização da soldagem com eletrodos revestidos. Material: aço Técnica de soldagem Um passe, sem preparação Um passe, com preparação Vários passes Filete - passe único Faixa de espessuras (mm) 1.0 a 3.2 . 3.2 a 6.4 acima de 3,2 1,5 a 7 2. Equipamentos Os equipamentos de um posto de soldagem manual com eletrodos revestidos com preendem, em geral, fonte de energia, cabos, porta-eletrodos, ferramentas (picadeira, escova de aço etc.) e materiais de segurança (máscara, óculos, avental etc.), como mos trado na Figura 2. Figura 2 Equipamento para soldagem com eletrodos revestidos 1 8 4 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA O com prim ento do arco na soldagem com eletrodos revestidos é controlado manu almente pelo soldador, sofrendo, portanto, variações durante a execução do cordão de solda. Por esta razão, fontes de energia com características do tipo "corrente constante" são usadas (Capítulo 5). A tensão em vazio, isto é, a tensão existente nos bornes de saída da máquina quando não há fornecim ento de corrente, é da ordem de 50 a 100 Volts. Valores mais elevados de tensão em vazio facilitam a abertura do arco ou a sua reignição, no caso de soldagem com corrente alternada, mas representam um risco maior para o soldador, em term os de choque elétrico, com o visto no Capítulo 3. Após a abertura do arco, a tensão cai para o valor de trabalho, entre cerca de 17 e 36 Volts, e a corrente de soldagem se aproxima do valor selecionado. O baixo fator de ocupação do soldador, característico da soldagem manual com ele trodos revestidos, deve ser considerado na com pra de um equipamento de soldagem . Assim, se se espera trabalhar correntes inferiores a 300 A, por exemplo, é desnecessário adquirir uma fonte com um ciclo de trabalho de 10 0 % para esta corrente, pois este equi pamento estaria superdim ensionado e teria um custo elevado. Quando existem diversos postos de soldagem com eletrodos revestidos em uma determinada área, pode se tornar interessante a instalação de uma fonte de energia centralizada, capaz de atender sim ultaneam ente a todos os postos, como ilustrado na Figura 3. Neste tipo de instalação utiliza-se uma ou mais fontes de energia do tipo ten são constante ligadas em paralelo, à(s) qual(is) estão ligados, tam bém em paralelo, os diversos pontos de soldagem, através de barramentos. Em cada posto deve existir um reator variável (no caso de corrente alternada) ou um reostato para ajuste de corrente de soldagem. Este tipo de instalação é econom icam ente viável quando o número de postos é elevado e o fator de ocupação é baixo. Figura 3 Diagrama esquemático de uma instalação centralizada para postos de soldagem com eletrodos revestidos O porta-eletrodos tem a função de prender o eletrodo e energizá-lo; Seu cabo deve ser bem isolado para se minimizar o risco de choque elétrico para o soldador, enquanto suas CAPÍTULO 12 | , o c SOLDAGEM C O M ELETRODOS REVESTIDOS I I 0 0 garras devem estar sem pre bem limpas e em boas condições, para evitar problemas de superaquecim ento. Um porta-eletrodos é projetado para trabalhar com varetas dentro de uma determinada faixa de diâm etros, sendo especificado pela corrente máxima que pode conduzir. Como o peso do porta-eletrodos aum enta com o valor da corrente máxima permissível, deve-se procurar trabalhar sempre com o m enor porta-eletrodos compatível com uma dada aplicação, a fim de reduzir a fadiga do soldador. Os cabos têm a função de conduzir a corrente elétrica da fonte ao porta-eletrodos (cabo de soldagem) e da peça à fon te (cabo de retorno ou cabo terra). Estes podem ser de cobre ou de alumínio, devem apresentar elevada flexibilidade, para facilitar o manuseio, e serem recobertos por uma camada de material isolante, resistente à abrasão e à sujeira. Três fatores devem ser considerados na escolha de cabos para uma dada aplicação: • a corrente de soldagerr • o ciclo de trabalho da máquina • o comprimento total dos cabos do circuito. A Tabela II mostra alguns exemplos de cabos recomendados para diferentes situações. Tabela II - Diâmetros recomendados de cabos de cobre para soldagem Corrente de Soldagem (A) Ciclo de Trabalho (%) 0-15 15-30 30-46 46-61 61 -76 100 20 4 5 6 6,5 7,5 180 20-30 5 5 6 6,5 7,5 200 60 6,5 6.5 6.5 7,5 8 200 50 6 6 6,5 7.5 8 250 30 6 6 6.5 7.5 8 300 60 8 8 8 9 10 400 60 9 9 9 10 12 500 60 9 9 9 10 12 600 60 9 9 9 12 2 x 10 Diâmetro do cabo (mm) em função do Comprimento total (m) A utilização de cabos de bitolas inadequadas, isto é, cabos muito finos para uma dada aplicação, cabos danificados ou a utilização de conexões deficientes ou sujas, podem causar superaquecim ento, perdas de energia elétrica, variações na qualidade da solda e até m esm o a ruptura de cabos e conexões. Existem algumas variações do processo de soldagem com eletrodos revestidos, sendo a mais com um a soldagem por gravidade. Ésta variação permite a execução de soldas de topo ou file te de uma forma mecanizada, através da utilização de um suporte especial, no qual o porta-eletrodos desliza lateralmente e para baixo, à medida que o eletrodo vai sendo consum ido, mostrado na Figura 4. SOLDAGEM FUNOAMENTDS E TECNOLOGIA Figura 4 Suporte para soldagem por gravidade 3. Consumíveis Um eletrodo revestido é constituído por uma vareta metálica, a alma, com diâm etro entre 1,5 e 8 mm e com prim ento entre 23 e 45 cm, recoberta por uma camada de fluxo, o revestimento. Eletrodos para soldagem por gravidade têm com prim ento entre 55 e 70 cm. A composição do revestim ento determina as características operacionais dos ele trodos e pode influenciar a com posição química e as propriedades mecânicas da solda efetuada. Além das funções já citadas, o revestim ento serve ainda para: • realizar ou possibilitar reações de refino metalúrgico, tais como desoxidação, dessulfuração etc; • formar uma camada de escória protetora; • facilitar a remoção de escória e controlar suas propriedades físicas e químicas; • facilitar a soldagem nas diversas posições; • dissolver óxidos e contaminações na superfície da junta; • reduzir o nível de respingos e fumos; • diminuir a velocidade de resfriamento da solda; • possibilitar o uso de diferentes tipos de corrente e polaridade; e • aumentar a taxa de deposição (quantidade de metal depositado por unidade de tempo), entre outras. CAPÍTU L012 I < SOLOAGEM C O M ELETRODOS REVESTIDOS , Um eletrodo ideal seria aquele que cum prisse plenam ente todas estas funções, a um custo de produção satisfatório, e ainda que não apresentasse problemas de conservação e manuseio. Obviamente, tal eletrodo não existe, e os eletrodos com erciais procuram atender mais com pletam ente a um conjunto de exigências, em detrim ento de outras, de m odo a torná-los adequados a determ inadas aplicações, a um custo razoável. Como consequência, existe no mercado um grande número de tipos de eletrodos que apresentam diferentes características operacionais, aplicáveis a diferentes materiais e que produzem soldas com diferentes características. Para racionalizar o mercado, os eletrodos revestidos são classificados de acordo com sistemas propostos por diferentes sociedades (AWS, DIN, AFNOR. ABNT, ISO etc.) As classificações mais usadas no Brasil são as propostas pela AWS, listadas na Tabela III. Tabela lli - Especificações A W S para classificação de eletrodos revestidos Especificação Tipo de eletrodo AWS A 5.1 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços ao carbono AWS A 5.3 Eletrodos revestidos para soldagem a arco do alumínio e suas ligas AWS A 5.4 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços inoxidáveis AWS A 5.5 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços de baixa liga AWS A 5.6 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de cobre e suas ligas AWS A 5.11 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de níquel e suas ligas AWS A 5.13 Eletrodos revestidos para revestimento por soldagem a arco AWS A 5.15 Eletrodos e varetas para soldagem do ferro fundido Para um maior domínio dos sistem as de classificação, recomenda-se uma consulta direta às normas. Como as especificações AWS para eletrodos de aço são as mais usa das, estas serão mais detalhadas à frente. Muitas das observações que serão feitas para estes eletrodos se aplicam tam bém a outros tipos. Os materiais mais com um ente presentes no revestim ento de eletrodos de aço são: • celulose e dextrina: substâncias orgânicas cuja queima no arco gera uma atmosfera redu tora, constituída principalmente por CO e H2, que protege o arco; • carbonatos (em particular o CaC03): controlam a basicidade da escória e fornecem atmosfera protetora com sua decomposição: • dióxido de titânio (rutilo): reduz a viscosidade da escória e o seu intervalo de solidificação, além de estabilizar o arco; • ferro-manganês e ferro-silício: promovem a desoxidação da poça de fusão e ajustam sua composição; • pó de ferro: aumenta a taxa de deposição e o rendimento do eletrodo, além de estabilizar 0 arco; 07 ioo 00 nuMon nmtMMsnosEncNoioa« • outras adições metálicas: controlam a composição do metal depositado: • argilas: formam escória e facilitam a fabricação do eletrodo por extrusão; • fluoreto de cálcio: ajuda a controlar a basicidade da escória e diminui sua viscosidade; • silicatos: formam escória e os silicatos de potássio ou sódio agem como ligante do reves timento e estabilizante do arco; e • óxidos de ferro e manganês: formam escória, controlam a sua viscosidade e estabilizam o arco. De acordo com sua formulação, os revestimentos dos eletrodos revestidos podem ser separados em diferentes tipos, por exemplo: • revestimento oxidante: constituído principalmente de óxido de ferro e manganês, produz escória oxidante, abundante e fácil de destacar. O eletrodo pode ser utilizado em CC ou CA, apresentando baixa penetração. O metal depositado possui baixo teor de carbono e manganês, e propriedades inadequadas para aplicações de responsabilidade, embora a apa rência do cordão seja muito boa. Este tipo de revestimento é pouco usado atualmente; • revestimento ácido: constituído principalmente de óxido de ferro e manganês e sílica, produz escória ácida abundante e porosa, de fácil remoção. O eletrodo pode ser usado com CC ou CA, a penetração é média e sua taxa de fusão é elevada, levando a uma poça de fusão volumosa, o que limita a sua aplicação às posições plana e horizontal. As propriedades da solda são consideradas boas para diversas aplicações, mas sua resistência à formação de trincas de solidificação é baixa. A aparência do cordão é muito boa; ■ revestimento rutílico; contém quantidade significativa de rutilo (Ti02) e produz uma escória abundante, densa e de fácil destacabilidade. São eletrodos de fácil manipulação, podem ser usados tanto em CC quanto em CA, em qualquer posição. Produzem um cordão de bom aspecto, com média ou baixa penetração. A sua resistência à fissuração a quente é relativamente baixa. Eletrodos com este tipo de revestimento têm grande versatilidade e são de uso geral; • revestimento básico: contém quantidade apreciável de carboijato de cálcio e fluorita, ca paz de gerar uma escória básica que, juntamente com 0 dióxido de carbono gerado pela decomposição do carbonato, protege a solda do contato com a atmosfera. Esta escória exerce uma ação metalúrgica benéfica sobre a solda, dessulfurando-a e reduzindo o risco de formação de trincas de solidificação. Não possui substâncias orgânicas em sua formulação e, se armazenado e manuseado corretamente, produz soldas com baixo teor de hidrogênio, o que diminui o risco de fissuração e de fragilização induzidas por este elemento. A penetração é média, e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente quanto è tenacidade. Este tipo de revestimento é indicado para aplicações de alta responsabilidade, para soldagem de grandes espessuras e para estruturas de alta rigidez. É também o mais usado na soldagem de aços de composição química desconhecida ou de pior soldabilidade. como os aços com alto teor de carbono e/ou enxofre. Revestimentos básicos são altamente higroscópicos. e os eletrodos deste tipo requerem cuidados especiais de armazenagem e secagem ;e • revestimento celulósico: possui uma elevada quantidade de material orgânico (por exemplo, celulose), cuja decomposição no arco gera grande quantidade de gases que protegem 0 uvniuui li I mnn SOlDAGtM CCV EIETROOOS KEVESTBOS <09 metal líquido. A quantidade de escória produzida é pequena, o arco é muito violento, cau sando grande volume de respingos e alta penetração, quando comparados a outros tipos de revestimentos. O aspecto do cordão não é bom, apresentando escamas irregulares. As características mecânicas da solda são consideradas boas, exceto a possibilidade de fragilização pelo hidrogênio. São eletrodos particularmente recomendados para soldagem fora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulações e na execução de passe de raiz em geral. Devido à sua elevada penetração e grande perda por respingos, não é adequado para o enchimento de chanfros. Revestimentos de diferentes tipos podem conter adições de pó de ferro. Durante a soldagem, este é fundido e incorporado à poça de fusão, causando um melhor aprovei tamento da energia do arco e uma maior estabilização deste, pelo menos em adições de até 50% em peso do revestimento. Além disso, o pó de ferro torna o revestimento mais resistente ao calor, permitindo a utilização de maiores correntes de soldagem para um dado diâmetro de eletrodo. Como resultado global, tem-se um aumento significativo na taxa de deposição de eletrodos com pó de ferro em seu revestimento. Por outro lado. quanto maior a adição de pó de ferro, maior será a poça de fusão e a dificuldade de seu controle durante a soldagem, dificultando ou mesmo impossibilitando a soldagem fora da posição plana. O sistema de classificação de eletrodos de aço carbono e de baixa liga da AWS utiliza um conjunto de números e letras que fornecem várias informações a respeito dos ele trodos. como mostrado na Figura 5. Indica requisitos de absorção de umidade ________________________________ Teor de hidrogênio difusivel (H), em ml/100g de metal depositado ----------------------------------------- indica a ductflídade do metal depositado--------------------------------Indica as posições de soldagem usáveis usáveis, o tipo de revestimento e o tipo ----------------decorrente Indica o limite de resistência mínimo do _____ metal depositado (em 1000 psi) Eletrodo para soldagem a arco AWS E XXYY R Figura 5 Esquema explicativo do sistema de classificação de eletibdos revestidos adotado pelas especificações AWS A 5.1 (aços carbono) e A 5.5 (aços baixa liga) Neste sistema, a identificação se inicia pela letra E. que indica que o consumível é um eletrodo (e não uma vareta, que é indicada peia letra R). O conjunto seguinte, formado por dois ou três algarismos, indica o limite de resistência mínimo à tração do metal depositado 4Qn souMsai ,5 ,ü ftJNfiAMSfTOSETECNOlOâU pelo eletrodo, em ksi (1.000 psi). Esta resistência refere-se à obtida em corpos de prova extraídos de soldas depositadas em chanfros especiais (conforme exigido nas especifica ções), de modo a minimizar a diluição e. portanto, não considerem a influência do metal base. Assim, por exemplo, dois eletrodos capazes de depositar, nas condições da norma, um material com resistência mecânica de 60.000 psi (410 MPa) e 100.000 psi (685 MPa), seriam classificados como E 60XX e E 100XX, respectivamente. O dígito seguinte é um algarismo, que indica a posição de soldagem em que o eletrodo pode ser utilizado, sendo 1 para soldagem em todas as posições, 2 para soldagem na posição plana e horizontal e, 4 para soldagem na posição plana, horizontal e vertical descendente. O próximo dígito, que é o último para eletrodos de aço carbono, indica o tipo de revestimento do eletrodo e. portanto, suas características operacionais. Seu significado é mostrado na Tabela IV. Tabela IV - Significado do último dígito da classificação AWS de alguns tipos da eletrodos revestidos de aço carbono e aço banca liga Eletrodo Tipo de revestimento Posição de soldagem ou tipo (#) Tipo de corrente {*) E 6010 Celulósico, sódio R H. V, SC CC+ E6011 Celulósico, potássio R H, V. SC CC+.CA E 6012 Rutílico, sódio R H, V, SC CC-, CA E 6013 Rutílico, potássio R H, V, SC CC+, CC-, CA E 6019 Ácido/Rutffico, potássio R H, V SC CC+, CC-, CA E 6020 Ácido R Rlete H CC+. CC-, CA E 7014 Rutílico com pó de ferro R H, V, SC CC+, CC-. CA E 7015 Básico, sódio R H, V. SC CC+ E 7016 Básico, potássio R H, V. SC CC+.CA E 7018 Básico, potássio, pó de ferro R H, V, SC CC+.CA E 7024 Rutílico. pó de ferro R Rlete H CC+, CC-, CA E 7027 Ácido, pó de ferro R Filete H CC+, CC-, CA E 7048 Básico, potássio, pó de ferro R H. V. SC, Vd CC-.CA (# | p — Plana, H-Horizontal, V . Vertical, SC — Sobrecabeça, Filete H — Filete horizontal Vd — Vertical descendente (*) CA — Corrente alternada CC+ — Corrente contínua eletrodo positivo (polaridade inversa) CC— Corrente contínua eletrodo negativo (polaridade direta) Assim, por exemplo, uma classificação do tipo E 6010 indica um eletrodo com revestimento celulósico, com ligante à base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições, devendo-se utilizar corrente contínua, eletrodo positivo. O metal CAPÍTWD12 SOLDAGBÜ COM ELETRODOS REVESTIDOS depositado por este eletrodo, nas condições especificadas pela AWS, deve ter um limite de resistência à tração mínimo de 60.000 psi (410 MPa). Para aços de baixa liga, a classificação AWS apresenta, após o último digito que indica tipo de revestimento, um hífen seguido de um conjunto de letras e números, que esta belece classes de composição química, cujo significado é mostrado na Tabela V. Outra diferença entre as classificações de eletrodos de aço carbono e de aço de baixa liga está nas classes de resistência mecânica do metal depositado, respectivamente 60/70 ksi e de 60 a 120 ksi. A seguir são mostrados alguns exemplos de classificação de eletrodos de baixa liga e é proposto como exercício a sua interpretação: E 7018-A1, E 8018-C1, E 9015-B9, E 10016-d2, E 12018-M. Tateia V - Códigos de composição qufmica de eletrodos da baixa Dga, segundo a norma AWS A 5.5 Código Al Significado Eletrodos de aço carbono-molibdênio (0.40-0,65% Mo) B1 a B9* Eletrodos de aço cromo-molibdânio (0,40 a 10,5% Cr e 0,40 a 1,20 % Mo) Cl aC 5# Eletrodos de aço ao níquel (0.80 a 7,25% Ni) NM Eletrodos de aço nSquel-molibdônio (0.80 a 1,10% Ni e 0.4 a 0,65% Mo) D1 a D3 Eletrodo de aço manganês-molibdênio (1,0 a 2,0% Mn e 0,25-0,65% Mo) G Eletrodos de aço baixa liga em geral com teor mínimo de pelo menos um dos seguintes elementos: 1% Mn. 0.8% Si. 0.5% Ni, 0.3% Cr, 0,20% Mo, 0,10% V ou 0,20% Cu M Eletrodos para aplicações militares P Eletrodos para soldagem de tubulações W Eletrodos resistentes à corrosão atmosférica * O sufixo L adicionado após o número indica baixo teor de carbono, em geral inferior a 0,05% Os eletrodos de aço inoxidável e outras ligas ferrosas com elevado teor de cromo são agrupados na especificação AWS A 5.4. Por esta especificação, os eletrodos são divididos em cinco grupos, quanto às características do revestimento: • E XXX-15 • eletrodos para operar com.somente em CC+, com revestimento básico e utilizável em todas as posições; • E XXX-16 - eletrodos para operar com CC+ e CA, com revestimento rutílico (potássio), usável em todas as posições; • E XXX17 • eletrodos para operar em CC+ e CA, com revestimento rutílico/sílica (potássio), apresentam melhores aspecto superficial e características operacionais que os do tipo 16, utilizável em todas as posições; • E XXX 25 - eletrodos sintéticos (alma de aço carbono) para operar somente em CC+, com revestimento básico semelhante ao do tipo 15. contendo ferro-ligas e pós metálicos, reco mendados para as posições plana e horizontal; e 1Q 1 13 1 I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA • E XXX 26 - eletrodos sintéticos para operar em CC+ e CA, com revestimento rutílico semelhante aos do tipo 16, para serem usados nas posições plana e horizontal, onde XXX é a designação do tipo de metal depositado, segundo a AISI (American Iron and Steel Institute). A Tabela VI fornece um guia para a seleção de metal de adição para a soldagem dos aços inoxidáveis e destes com outros materiais. Tabela VI - Seleção de metais de adição para soldagem de aços inoxidáveis* Metais Base (AISI) 446b Aços ao C Aço baixa liga CrMo E309 E310 E309 E309 E309 E309 E310 E309 E309 E309 E309 E309 E310 E309 E309 E316 E3Q8 E309 E309 E310 E309 E309 E316 E316L E309 E309 E310 E309 E309 E317 E308 E309 E309 E310 E309 E309 E347 E309 E309 E310 E309 E309 E410 E430c E41Cc E410c,d E410 E430 E430 E430c-d E430c E446 E430c,d E430c 301 302 304 308 304L 310 314a 316 316L 317 E308 E308 E308 E308 E308 E308L E308 E308 E310 321 347 405 410 420 430 E308 E308 E309 E308 E308 E309 E316 E317 E308 E316 E316 E316L 301 302 304 308 304L 310 314" 316 316L 317 321 347 405 410 420 430 446 * - Consumíveis mais utilizados, mas outros podem ser usados. a - Liga sensível à fissuração na solidificação. b - Consumível à base de níquel é mais adequado para aplicações a temperaturas elevadas, exceto quando em presença de compostos de enxofre. c - Se um depósito austenítico é aceitável para as condições de serviço, E 309 ou E 310 são usados com frequência. d - Arames de aço carbono e eletrodo E7018 podem ser aceitos se utilizados pré-aquecimento e controle dc teor de hidrogênio. 12 1 c a p ít u lo j n o SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS 1 O processo de fabricação dos eletrodos revestidos se inicia com o recebimento de m atérias-primas: minerais e com postos diversos para o revestim ento, em geral na forma de pó. arame para a fabricação da alma e o ligante. Estes materiais devem ser testados, a fim de se garantir a qualidade final do eletrodo. O material do revestimento é pesado e m isturado a seco, segundo uma form ulação desenvolvida pelo fabricante, para um dado tipo de eletrodo. Este material é posteriorm ente m isturado com o ligante até form ar uma massa de consistência adequada, cjue é levada à máquina de extrusão. Paralelamente, o arame é trefilado até o diâmetro desejado, desempenado, cortado em varetas de tam a nho apropriado, pelo fabricante do arame ou do eletrodo e a seguir também colocado na extrusora. Nesta, a massa úmida que formará o revestim ento é prensada, enquanto os pedaços de arame são alimentados, produzindo eletrodos a uma grande velocidade (entre 10 e 20 eletrodos por segundo). Os eletrodos úmidos caem em uma esteira rolante e são levados ao forno para secagem e cura do revestim ento. O ciclo térm ico a que são subm e tidos, isto é, tem peraturas e tem po de permanência, dependem do tipo de revestimento. Por exemplo, eletrodos básicos de baixo hidrogênio, que devem ter um teor m uito baixo de umidade residual, são enfornados a tem peraturas m uito mais elevadas que eletrodos celulósicos, cujos com ponentes orgânicos do revestim ento poderiam ser deteriorados pelo calor excessivo. Após a passagem pelo forno, os eletrodos são identificados com sua marca de fabricação e classificação e suas extremidades, que serão usadas para contato elétrico e abertura de arco, sendo convenientem ente preparadas. Os eletrodos são então embalados e, antes de serem enviados para armazenamento e venda, são subm etidos a testes de laboratório, para se confirm ar a qualidade do lote. A Figura 6 mostra esquem a ticam ente a sequência de fabricação de eletrodos revestidos. ENTRADA Controle de Laboratorio Materai para rcvosttmantc ? Mistura seca tstoquo I òo pos ^prontos J AjsoTierantes Massa recuperada Arames Pressão - vekxdado Conccntncidade Portas • ideotificaçAo Amostras prrtiminares Fusâo - fumos Cobertura/destaca bildadc da escória Aparência do cordão Características econômicas Anãltse quimjca/dimensionaJ Umidade do revestimento Ensacs mecânicos e de sotdabftdade Figura 6 Esquema de fabricação de eletrodos revestidos 194 S8U M CEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Os eletrodos revestidos podem ser facilmente danificados se não forem adequadamente manuseados e armazenados. Por exemplo, parte do revestimento pode ser quebrada e perdida em caso de choques, quedas ou se o eletrodo for dobrado. Eletrodos com o revestimento danificado, com a alma exposta, não devem ser utilizados em aplicações que tenham um mínimo de responsabilidade. A absorção de umidade também pode comprometer o desempenho do eletrodo. Os eletrodos básicos, de baixo hidrogênio, cujo teor de umidade no revestimento é inferior a cerca de 0,6% em peso, apresentam uma grande tendência a absorver umidade do meio ambiente, como mostra a Figura 7. Um teor de umidade excessivo pode levar à instabilidade do arco, à formação de respingos e de porosidades, principalmente no início do cordão, e à fragilização e mesmo fissuração pelo hidrogênio. Eletrodos que possuem elementos orgânicos ou teores de umidade no revestimento mais elevados (>1% ) são menos sensíveis ao problema. CL O T> a 2 £ => Figura 7 Absorção de umidade de um eletrodo revestido básico em função do tempo de exposição ao meio ambiente (esquemática) O nível de umidade em revestimentos básicos pode ser medido em laboratório (por exemplo, ver especificação AWS A 5.5) ou ser estimado, quando a quantidade for sufi cientemente elevada, através de: • comportamento do eletrodo durante a soldagem: eletrodos úmidos geram som explosivo e, quando a umidade for excessivamente elevada, vapor d 'água se desprende do eletrodo. Revestimentos úmidos tendem a trincar longitudinalmente se a soldagem for interrompida antes de se consumir todo o eletrodo e • som do choque: entre eletrodos úmidos tende a ser abafado e grave, enquanto que ele trodos secos tendem a produzir um som mais agudo, metálico. Devido ao problema da umidade, eletrodos básicos devem ser preferencialmente adquiridos em embalagens hermeticamente fechadas e armazenados em ambientes adequadamente controlados (umidade relativa do ar inferior a 50% e temperatura acima da ambiente, por exemplo), para se evitar sua degradação. Uma vez aberta, a embalagem CAPftUUMZ SOIDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS perde a capacidade de proteger os eletrodos da umidade e estes devem ser guardados em estufas utilizadas apenas para este fim. A partir dos anos 80, alguns fabricantes ado taram um sistema especial de fornecimento de eletrodos para aplicações especiais em que pequenas quantidades (em tomo de 5 kg) são embaladas a vácuo e estes pacotes são fornecidos num conjunto maior (em torno de 20 kg), numa embalagem convencional. Os eletrodos básicos não devem permanecer fora da estufa por longos períodos de tempo (em geral, no máximo 2h), sob pena de absorverem uma quantidade excessiva de umidade. Caso isto aconteça, os eletrodos devem ser recondicionados, através de um tratamento de ressecagem, após o qual devem ser novamente armazenados em estufa. A Tabela VII ilustra condições de armazenagem e recondicionamento para diversos tipos de eletrodos. É importante lembrar que os dados desta tabela são apenas ilustrativos. Eletrodos de diferentes fabricantes podem exigir diferentes tratamentos, em função dos detalhes de sua fabricação, de modo que é sempre aconselhável consultar os fornecedores sobre as condições exatas de armazenamento e recondicionamento de seus produtos. Tabela VII - Exemplos de condições para ressecagem e conservação de eletrodos revestidos Tipo de eletrodo Básico Alto rendimento Rutflico Ferro fundido Inoxidável rutflico Inoxidável básico Ressecagem Temperatura (°C) Tempo (h) 300 - 350 2 5 0 -3 0 0 7 0 -9 0 7 0 -9 0 250 - 300 200 - 250 1 ,0 -2 ,0 1 ,0 -2 ,0 1 .0 -2 ,0 1 ,0 -2 .0 1 .0 -2 ,0 1 .0 -2 ,0 Conservação: Temperatura (°C) Tipo de eletrodo Básico Alto rendimento Ruttlico Ferro fundido Inoxidável Em estufa Em cochichos 1 0 0 -1 5 0 1 0 0 -1 2 0 5 0 -7 0 5 0 -7 0 1 0 0 -1 2 0 8 0 -1 5 0 8 0 -1 2 0 5 0 -7 0 5 0 -7 0 8 0 -1 2 0 A Figura 8 mostra um exemplo de esquema para armazenamento, processamento e uso de eletrodos de baixo hidrogênio. Normas técnicas de fabricação de equipamentos específicos, como vasos de pressão, podem estabelecer critérios especiais. SOLDAGEM rUNOAMENTOS E TECNOLOGIA Em balagem fech ada Estufa de conservação Em balagem aberta Forno de w , ressecagem Figura 8 Esquema para manuseio de eletrodos de baixo hidrogênio 4. Técnica Operatória Na soldagem manual com eletrodos revestidos, as principais variáveis operatórias são: tipo e diâm etro do eletrodo; tipo, polaridade e valor da corrente de soldagem ; tensão e com prim ento do arco; velocidade de soldagem ; técnica de manipulação do eletrodo e a sequência de deposição e soldagem. O diâmetro do eletrodo, seu tipo e espessura do revestimento determinam a faixa de cor rente em que este pode ser utilizado. Assim, a seleção do diâmetro deve ser baseada, entre outros fatores, na espessura do metal a ser soldado, na posição de soldagem e no tipo da junta. A utilização de um eletrodo excessivam ente grande para uma dada espessura pode levar a perfuração da peça durante a soldagem, uma vez que a corrente mínima para esse eletrodo é elevada. A soldagem fora de posição (posição diferente da posição plana) é feita preferencial mente com eletrodos de m enor diâm etro do que o utilizado na posição plana, devido à maior dificuldade de se controlar a poça de fusão. Na soldagem em chanfro, as dim ensões do chanfro tam bém devem ser consideradas na escolha do diâm etro do eletrodo. Por exemplo, na execução do passe de raiz, o diâm etro do eletrodo deve perm itir que este / CAPÍTUIO 12 I , q - i SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS | ‘ “ ' penetre até a raiz da junta, de m odo a evitar a falta de penetração e outros problemas. Em princípio, por questões econômicas, deve-se usar o m aior diâmetro de eletrodo possível para uma dada tarefa, desde que não existam lim ites para a energia de soldagem, por questões de ordem metalúrgica. A faixa de corrente utilizável para um dado eletrodo depende principalmente de seu diâmetro e do material da alma, do tipo e espessura do revestim ento e da posição de soldagem. Para cada tipo de eletrodo, existe uma faixa de corrente de soldagem para cada diâm etro de alma. Correntes inferiores à corrente mínima podem instabilizar o arco e causar aquecim ento e fusão insuficientes, e correntes superiores à máxima recomendada podem prejudicar o revestim ento devido ao seu aquecim ento excessivo por efeito Joule. Eletrodos com revestim entos espessos e isentos de substâncias orgânicas frequente m ente suportam correntes mais elevadas, com o m ostra a Tabela VIII. Em geral, as faixas de corrente utilizáveis para cada diâm etro de eletrodo são apresentadas na embalagem do produto. Tabela V III - Faixas típicas de parâmetros elétricos de operação para diferentes eletrodos revestidos, em função de seu diâmetro Eletrodo AWS E 7018 A W S E 6010 Tensão (V) Corrente (A) Bitola (mm) Corrente (A) 2,0 5 0 - 70 5 0 - 90 2.5 6 0 -1 0 0 65 - 105 3,25 8 0 -1 5 0 Tensão (V) 1 1 0-15 0 1 8 -2 8 2 0 -3 0 4 10 5-20 5 5 1 5 5-30 0 18 5-27 0 6 195-35 0 225 - 355 140-19 5 Para a soldagem na posição plana, trabalha-se, em geral, com correntes próximas do valor máximo possível para cada eletrodo. Para as posições vertical e sobrecabeça, é mais adequado trabalhar com correntes próximas ao lim ite inferior. 0 valor da corrente de soldagem deve ser escolhido de m odo a se conseguir uma fusão e penetração adequadas, sem contudo tornar difícil o controle da poça de fusão. A corrente de soldagem é o principal parâmetro que controla o volume da poça de fusão e a penetração da solda no metal base, que tendem a aumentar com o aumento da corrente, assim como a largura do cordão. Correntes m uito elevadas produzem poças de fusão de grandes dimensões e difícil controle, além de poderem causara degradação do revestimento, respingos excessivos e perda de resistência mecânica e tenacidade da solda. O tipo de corrente e sua polaridade afetam a form a e as dimensões da poça de fusão, a estabilidade do arco e a transferência de metal dé adição, como mostra a Figura 9. De uma maneira geral, a polaridade inversa (CC+) produz maior penetração, e a polaridade direta (CC-) produz maior taxa de fusão do eletrodo. Com corrente alternada, estes valores são intermediários, e a ocorrência de sopro m agnético é minimizada. Entretanto, deve-se lembrar que a escolha do tipo e valor de corrente não é totalmente livre e depende do tipo e diâm etro do eletrodo a ser usado na operação. 1 9 8 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA (a) (b) (c) Figura 9 Influência do tipo de corrente e da polaridade na penetração: (a) C C + . (b) CC- e (c) C A A tensão no arco pode variar entre cerca de 17 e 36 V na soldagem com eletrodos revestidos, dependendo do diâm etro do eletrodo, de seu revestimento, da corrente usada e do com prim ento do arco (Tabela VIII). A tensão de operação do arco tende a aumentar com o aum ento do diâmetro do eletrodo, da corrente de soldagem e do com prim ento do arco. Na soldagem manual, este últim o parâmetro é controlado diretam ente pelo sol dador, e depende da habilidade e experiência deste. A manutenção do com prim ento do arco em uma faixa adequada é im portante para a obtenção de uma solda aceitável. Um com prim ento m uito pequeno causa um arco interm itente, com interrupções frequentes e até m esm o sua extinção, quando o eletrodo "gruda" na peça. Cordões depositados com arcos mais curtos tendem a ser estreitos e com concavidade pronunciada (reforço excessivo). De outro lado, um com prim ento grande causa um arco sem direção e concen tração, mais respingos e proteção deficiente, que favorece a formação de porosidades. O com prim ento correto do arco depende do diâm etro do eletrodo, do tipo de revestim ento, do valor da corrente e da posição de soldagem. Como orientação, o com prim ento do arco deve ficar entre 0,5 e 1,1 vezes o diâmetro da alma do eletrodo. A velocidade de soldagem deve ser escolhida de form a que o arco fique ligeiram ente à frente da poça de fusão. O uso de velocidades m uito altas resulta em cordões estreitos e baixa penetração, de aspecto ruim, com mordeduras e escória de difícil remoção. Velocida des m uito baixas causam um cordão mais largo, com penetração e reforço excessivos. A correta manipulação do eletrodo é im portante em todas as etapas da soldagem, quais sejam: abertura do arco, deposição propriam ente dita e extinção do arco. Na abertura, o eletrodo é encostado rapidamente na superfície da peça, preferencialm ente numa região a ser fundida e próxima ao início do cordão, e afastado a uma distância da ordem do com prim ento de arco a ser usado, com o mostra a Figura 10. A abertura do arco em uma região que não será fundida deixa marcas (marca de abertura de arco) na superfície da peça, que podem ser antiestéticas e m esm o causar a iniciação de trincas, por exemplo, em aços temperáveis. 12 1 q q 1 33 c a p itu lo SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS i 3 Aproximadamente 10 mm Li (b) (a) Manipulação mais rápida M _ Ponto de abertura do arco 20-25 Ponto de abertura do arco (c) Figura 10 Técnicas de abertura de arco (a e b) e procedimento para início de deposição (c) de um eletrodo Durante a execução da solda, o soldador deve fazer três m ovim entos principais: • movimento de mergulho, isto é. movimento de avanço do eletrodo em direção à poça de fusão, de modo a manter constante o comprimento do arco. Para isto, a velocidade de mergulho deve ser igual à velocidade de fusão do eletrodo, em média. Esta última aumenta com a corrente de soldagem e à medida que o comprimento do eletrodo diminui; • movimento de translação, que é o deslocamento do eletrodo e do arco ao longo da junta, com uma velocidade uniforme (velocidade de soldagem);e • movimento de tecimento, isto é, um deslocamento lateral do eletrodo em relação ao eixo da solda utilizado para obter um cordão mais largo, fazer flutuar a escória, garantir a fusão das paredes do chanfro e para controlar a poça de fusão, além de tornar mais suave o ciclo térmico de soldagem. Este movimento, entretanto, não deve ser muito amplo (em geral não deve exceder a três vezes o diâmetro do eletrodo), para não aumentar demais a energia de soldagem. O número de padrões de tecimento é extenso e alguns deles são mostrados na Figura 11. Figura 11 Exemplos de padrões de tecimento Além dos m ovim entos, é im portante a m anutenção de um correto posicionam ento do eletrodo em relação à junta, que depende do tipo e espessura do revestimento do eletrodo, da geom etria da junta e da posição de soldagem. O posicionam ento correto deve: • evitar que a escória flua à frente da poça da fusão, prevenindo seu aprisionamento e for mação de inclusões; • controlar a repartição do calor nas peças, particularmente na soldagem de componentes com diferentes espessuras; • facilitar a observação da poça de fusão; e • minimizar os efeitos do sopro magnético, quando necessário. O posicionam ento e m ovim entação adequados do eletrodo em uma dada operação dependerão de suas características e tam bém da habilidade do soldador. As Figuras 12 a 15 m ostram alguns exemplos. Direçáo de Soldagem Figura 12 Posicionamento para soldagem na posição plana CAPÍTULO 12 I « « , SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS ' Figura 13 Posicionamento para soldagem na posição horizontal Figura 14 v Posicionamento para soldagem nas posições vertical ascendente (a) e descendente (b) Rgura 15 Posicionamento para soldagem de filete em peças de (a) mesma espessura e (b) espessuras diferentes A discussão das sequências de deposição de passes para a conclusão da solda e sequência de execução de diferentes soldas em uma estrutura é apresentada no Capítulo 7, que trata das tensões residuais e distorções causadas por soldagem. Quando a soldagem vai ser reiniciada (após troca de eletrodo ou para deposição de novo passe, por exemplo), a escória deve ser removida. Esta operação é feita com o auxílio de ferramentas adequadas (picadeira manual ou pneumática) e pode ser simples ou complexa. O grau de dificuldade na remoção da escória depende do tipo de revestimento do eletrodo usado, da geometria do cordão de solda depositado, da movimentação executada e on o , SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA das dimensões do chanfro, se este for usado. A destacabilidade da escória pode ser um parâmetro determ inante/ha escolha de um eletrodo para uma dada aplicação. Quando a remoção da escória é apenas parcial são geradas inclusões que podem com prom eter a qualidade da peça soldada, e em certos casos a solda precisa ser retirada e refeita. A Figura 16 mostra um cordão de solda feito com eletrodo revestido, com remoção da escória no trecho final. /j r r r r ; -t -t •* i'""-* 5. Aplicações Industriais Como se viu no início deste capítulo, a soldagem com eletrodos revestidos é um processo m uito usado industrialm ente em praticam ente todos os tipos de indústria que utilizam a soldagem como processo de fabricação. Além disso, esse processo é largamente usado na manutenção de equipamentos e estruturas e pode ser usado em situações de emergência para outras operações como corte, furação etc., com o uso de técnicas especiais. A soldagem com eletrodos revestidos tam bém tem sido intensam ente usada na manutenção de estruturas submersas, em soldagem subaquática, em am bientes molhados ou secos. Isto se deve à grande versatilidade do processo em term os de ligas soldáveis e faixas de espessura aplicáveis, além da sim plicidade e baixo custo relativo do processo em si e dos equipam entos necessários. Por outro lado, o nível de qualidade das soldas feitas com eletrodos revestidos depende fortem ente do soldador, exigindo do profissional muita habilidade e concentração, que só são conseguidos com m uito treino e execução de muitas soldas. Com isto, a form ação de mão de obra qualificada é demorada e onerosa e, ainda assim, um bom soldador, tra balhando com equipamentos e consumíveis adequados não necessariamente produzirá soldas de qualidade, se não estiver totalmente concentrado e empenhado na tarefa que esteja executando no m om ento. CAPÍTU L012 SO IDAGEM C O M ElETnOOOS REVESTIDOS 6. Exercícios e Práticas de Laboratório a) O "fator de ocupação do soldador" e o "fator de trabalho" são iguais na soldagem com eletrodos revestidos? Explique. b) Que fatores devem ser considerados na escolha de um eletrodo revestido para uma dada tarefa? c) Por que a utilização relativa do processo eletrodos revestidos vem diminuindo a cada ano na década de 1990, se o processo tem tantas vantagens? d) Tendo todas disponíveis, que tipo de corrente você escolheria para soldar com um eletrodo revestido indicado para soldar com qualquer corrente e polaridade, como o AWS E 6013, por exemplo? Justifique. e) Experimente depositar cordões de solda com eletrodos revestidos de diferentes tipos e diâmetros, nas diversas posições, com e sem tecimento. Varie os parâmetros de soldagem: velocidade de deslocamento, valor e tipo de corrente e polaridade. Anote suas observa ções e discuta com os colegas os resultados obtidos. Tente explicar o observado com os conhecimentos adquiridos neste capítulo. f) Discuta quais as características necessárias a uma pessoa que deseja se tornar um soldador. g) Cite algumas precauções a serem tomadas na soldagem com eletrodos revestidos, do ponto de vista da segurança pessoal e de terceiros. o n o í . C A P ÍT U L O 13 SOLDAGEM TIG 1. Fundamentos i, A soldagem a arco com eletrodo de tungsténio e proteção gasosa (Gas Tungsten Arc W elding - GTAW) é um processo no qual a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento e fusão destas através de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de tungsténio, não consumível, e as peças a unir. A proteção da poça de fusão e do arco contra a contam inação pela atm osfera é feita por uma nuvem de gás inerte ou mistura de gases inertes. A soldagem pode ou não ser feita com adição de metal de adição e, quando usada, é feita diretam ente na poça de fusão. A Figura 1 ilustra o processo, que também é conhecido por TIG (Tungsten Inert Gas). Metal de base \ Poça de fusão Figura 1 Soldagem TIG (esquemática) n n c ! 0 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Uma característica im portante deste processo é o excelente controle da energia transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento, sem elhantem ente ao que ocorre na soldagem oxiacetilênica. Isso torna o processo bastante adequado para a soldagem de peças de pequena espessura e, aliado à eficiente proteção contra a contaminação, perm ite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade, com ótim os resultados. O fato de o eletrodo ser não consum ível possibilita a soldagem sem a adição de metal de enchimento. Isso pode ser interessante na soldagem de chapas finas. Além disso, como não existem reações metal-gás e metal-escória, não há grande geração de fum os e vapores, o que perm ite ótima visibilidade para o soldador. O custo dos equipam entos necessários e dos consumíveis usados é alto, e a produtivi dade ou rendimento do processo é baixo, quando comparados à soldagem com eletrodos revestidos, o que limita a sua aplicação a situações em que a qualidade da solda produzida seja mais im portante que a produtividade ou o custo da operação. O arco e létrico na soldagem TIG é bastante estável, suave e produz, em geral, soldas com boa aparência e acabam ento, que exigem pouca ou nenhum a lim peza após a operação. A operação é norm alm ente manual e pode ser feita em qualquer posição, embora a mecanização do processo seja tam bém com um e fácil de ser implementada, com o uso de dispositivos auxiliares de soldagem adequados. Este processo é aplicável à maioria dos metais e suas ligas, numa ampla faixa de espes suras. Entretanto, em virtude de seu custo relativamente elevado, é usado principalm ente na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, na soldagem de peças de pequena espessura (da ordem de 1 a 2 mm) e no passe de raiz na soldagem de tubulações. Outra característica típica da soldagem TIG é a possibilidade de se usar o próprio metal de base como metal de adição quando este não estiver disponível comercialmente, bastan do para isto cortar pedaços do metal de base com uma form a apropriada, particularmente para a soldagem manual. 2. Equipamentos O equipamento básico usado na soldagem TIG consiste de uma fonte de energia elétrica, uma tocha de soldagem apropriada, uma fonte de gás protetor, um dispositivo para a abertura do arco. cabos e mangueiras. Diversos equipam entos auxiliares podem ainda ser usados na soldagem manual ou mecanizada, para perm itir m elhor controle do processo, maior produtividade, facilidade de operação etc. A Figura 2 mostra um esquema do equipamento básico de soldagem TIG, a Figura 3-a mostra uma fonte eletrônica de uso industrial e a figura 3-b mostra o m ódulo de controle de uma fonte pulsada. CAPÍTULO 13 ] o n * 7 SOLDAGEM HG i Z U / Figura 2 Equipamento básico para soldagem TIG (esquemático) (a) (b) Figura 3 (a) Fonte eletrônica de uso industriai e (b) módulo de controle de uma fonte pulsada para soldagem TIG A fonte de corrente elétrica necessária é do tipo corrente constante, com valor de saída ajustável para cada operação e pode ser contínua, alternada ou pulsada. Quanto às suas características construtivas, podem ser convencionais ou eletrônicas, sendo que nos últim os anos a tendência é de se usar fontes eletrônicas. Algumas fontes convencionais podem fornecer tanto corrente contínua com o corrente alternada, e as fontes eletrônicas também permitem operação com corrente pulsada e têm seu controle baseado no uso de tiristores ou transistores. Em termos de capacidade, as fontes para soldagem TIG fornecem uma corrente mínima em torno de 5 a 10 A e corrente máxima na faixa de 200 a 500 A. As fontes para soldagem TIG são, dos pontos de vista construtivo e operacional, semelhantes às fontes para soldagem com eletrodos revestidos, mas em geral apresentam possibilidade de ajuste de corrente mais preciso e menores valores de corrente mínima de operação. Além disso, elas podem ser equipadas com dispositivos para abertura de arco, 208 SOLDAGEM FUNOAMÍNTOS E TECNOLOGIA temporizadores e válvulas para controle do fluxo de gás, sistemas para refrigeração da tocha de soldagem, pedais para controle da corrente, dentre outros acessórios específicos para este processo. Muitas vezes, as fontes adequadas para um destes processos podem tam bém ser usadas para outro. A tocha de soldagem tem com o função suportar o eletrodo de tungsténio e fornecer o gás de proteção de forma apropriada. Existem tochas refrigeradas pelo próprio gás de proteção (capacidade até 150 A) ou a água (capacidade acima de 150 A, até 500 A, de m odo geral). Neste caso é com um a fonte ter um circuito fechado de refrigeração com posto por um reservatório, m otor elétrico, bomba e radiador. As tochas TIG possuem internam ente uma pinça, que serve para segurar o eletrodo de tungsténio e fazer contato elétrico e que deve ter um tamanho adequado para cada diâm etro de eletrodo. Elas possuem ainda bocais para direcionam ento do fluxo de gás, que podem ser cerâmicos ou m etálicos e são fornecidos em diversos diâm etros. O diâm etro do eletrodo e do bocal deve ser escolhido em função da espessura da peça a ser soldada e da corrente de soldagem a ser usada. A Figura 4 mostra uma tocha típica para soldagem TIG. (a) (b) Figura 4 Tocha para soldagem TIG montada (a), desmontada (b) Dispositivos especiais podem ser usados nas tochas para m elhorar a eficiência da proteção gasosa em situações especiais com o os "gas lens” , que são telas com malha bastante fina, colocadas entre o eletrodo e o bocal, para garantir um fluxo de gás laminar e os “trailing shields", que consistem de um segundo bocal para saída de gás, geralmente com prido e colocado atrás da tocha, visando a proteger uma área m aior do cordão de solda, durante o resfriam ento pós-soldagem . A fonte de gás protetor consiste de um cilindro ou cilindros de gás inerte e reguladores de pressão e vazão de gases. Em situações em que diferentes m isturas de gás devem ser usadas com certa fre q u ê n cia , m istu ra d o re s po de m ser uma op ção in te ressa nte. M istu ra d o re s para vários gases estão dispo níveis co m e rcia lm e n te , mas podem ta m bém ser con stru ídos para situ a çõ e s específicas, em geral en volvend o apenas dois gases, com o mostra a Figura 5. Econom izadores de gás e válvulas elétricas (solenoide) podem tam bé m ser usados para o tim izar o co n su m o e a operação. CAPITULO 13 [ o n o SQLOAGEMTIG Figura 5 (a) Misturador de gases comercial e (b) fabricado para aplicação especifica Na soldagem com eletrodos consumíveis, geralmente se faz a abertura do arco tocando o eletrodo na peça e estabelecendo um "curto-circuito" momentâneo. Na soldagem TIG isto não é recomendado, pois pode favorecer a transferência de tungsténio para a peça, além de danificar o eletrodo, que geralmente é apontado antes do início da operação. Vários dispositivos podem ser usados para perm itir o início do arco de forma conve niente, com o uso de um arco-piloto, de um "ignito r de alta frequência" e controle da cor rente inicial. Arco-piloto necessita de eletrodo e fonte de corrente secundários e é pouco usado. Rampa de corrente é usada apenas em fontes eletrônicas e perm ite a abertura com toque do eletrodo na peça, mas com uma corrente inicial bastante reduzida, de uns poucos Ampères, insuficiente para perm itir sua fusão e transferência para a peça. Após a abertura, a corrente no arco é elevada até o valor de operação selecionado. Já o ignitor de alta frequência é um aparelho que gera, superposto à corrente de soldagem, um sinal de alta tensão e de alta frequência, com valores em torno de 3 kV e 5 kHz, que produz a ionização da coluna de gás entre o eletrodo e a peça, perm itindo a abertura do arco com baixas tensões na fonte de soldagem, da ordem de 60 a 80 V. Apesar de ser de alta tensão, este sinal é de baixíssima potência e não oferece perigo para o operador. Os cabos são usados para conduzir a corrente de soldagem, e o diâmetro destes cabos deve ser compatível com a corrente de soldagem usada, com o já visto anteriorm ente em outros capítulos, e as mangueiras são usadas para conduzir o gás ou mistura e, se for o caso, água para refrigeração até a tocha de soldagem. Vários equipam entos ou sistemas auxiliares podem ser usados para facilitar ou me canizar a operação de soldagem, como posicionadores, dispositivos de deslocamento, controladores automáticos de com prim ento de arco, alimentadores de arame, osciladores do arco de soldagem, temporizadores etc. Os posicionadores são usados, em geral, para perm itira soldagem sempre na posição plana. Diversos tipos de posicionadores estão disponíveis comercialm ente. A Figura 6 m ostra alguns deles. 9 1 ^ ^ 1U | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 6 Alguns tipos de posicionadores usados em soldagem Os dispositivos de deslocamento são usados para movimentar a tocha de soldagem ou a peça, permitindo um melhor controle e uniformidade da velocidade de soldagem e podem variar desde simples "tartarugas" até servomotores com controle numérico, por exemplo. Os controladores autom áticos de com prim ento do arco são sistemas que mantêm constante a distância da ponta do eletrodo até a peça de soldagem, baseados na tensão do arco, e possibilitam um m elhor resultado na soldagem de peças em penadas ou ovalizadas, por exemplo. Os alimentadores de arame são usados para mecanizar a alimentação de arame de adição e perm itir m elhor controle e uniform idade da adição de metal à junta. Os osciladores do arco perm item o tecim ento do cordão de solda na soldagem me canizada e podem ser mecânicos ou eletrom agnéticos. De m odo geral perm item ajustar a am plitude e a frequência de oscilação, além do form ato desta. Os temporizadores perm item controlar o início e o fim de operação dos diversos dispositivos auxiliares de soldagem, controlar o fluxo de gás e "sincronizar a operação de todo o sistema de soldagem. Outros dispositivos são, por exemplo, controle de pedal para a corrente de soldagem, "gatilho" (interruptor) na tocha de soldagem, que perm ite o com ando do fluxo de gás e/ou outros dispositivos, sistema para fornecim ento de gás de proteção na raiz da junta etc. Sistemas com postos por vários destes dispositivos têm sido m ontados para realizar operações específicas, por exemplo, para a soldagem orbital de tubos, particularm ente os passes de raiz. Nestes sistemas, algumas características especiais de controle de parâmetros podem ser introduzidas, com o a alimentação pulsada de arame, sincronizada com a pulsação de corrente, oscilação com paradas do arco nas extrem idades laterais do chanfro, para garantir fusão do metal de base, soldagem com diferentes parâmetros nas diferentes posições durante a órbita, entre outros. CAPÍTULO 13 SOLDAGEM TIG 3. Consumíveis Os consumíveis principais na soldagem TIG são os gases de proteção, as varetas e arames de metal de adição. Os eletrodos de tungsténio, apesar de serem ditos não con sumíveis, se desgastam durante o processo, devendo ser recondicionados e substituídos com certa frequência, e por isso serão tratados nesta seção. Bocais para tochas tam bém se degradam com o uso e precisam ser substituídos com alguma frequência. Os gases de proteção usados na soldagem TIG são inertes, principalm ente o argônio, o hélio e misturas destes. Em alguns casos são usadas misturas especiais como as que contêm hidrogênio, que podem ser usadas na soldagem de aços inoxidáveis, e as que contêm nitrogênio, opcionais na soldagem de cobre e suas ligas. A pureza dos gases utilizados na soldagem TIG é de grande im portância para a qua lidade da solda, exigindo-se teores mínim os de 99,99% do gás ou gases considerados. O teor de umidade tam bém deve ser bem controlado. Comparando-se a soldagem com argônio e com hélio, têm -se as seguintes caracte rísticas: • melhor estabilidade do arco com argônio que com He • menor consumo de Ar, já que este é mais denso que o He • menores tensões de arco com Ar que com He • menor custo do Ar • maior penetração na soldagem com He que com Ar • maior facilidade na abertura do arco com Ar • melhor efeito de limpeza dos óxidos na soldagem com corrente alternada (ver técnica operatória) com Ar • possibilidade de uso de maiores velocidades de soldagem com He. A soldagem com m isturas de gases de proteção apresenta características interm edi árias, dependendo da proporção. M isturas 80% Ar/20% He reúnem as melhores carac terísticas da soldagem com cada um desses gases isoladamente. A seleção do gás de proteção é feita principalm ente em função do tipo de metal que se quer soldar, da posição de soldagem e da espessura das peças a unir. A Tabela I ilus tra algumas aplicações típicas. A especificação AWS A 5.32 trata de gases de proteção para soldagem . s, f 212 S010AQCI8 FUNOAKEKTOSITECNOUSOA Tabela I - Gases de proteção e tipos de corrente usuais na soldagem de diferentes ligas Material Espessura (mm) Gás de proteção e tipo de corrente* Soldagem manual Soldagem mecanizada Alumínio e suas ligas < 3.2 > 3,2 Ar. CA Ar. CA Ar, CA ou He. CCAr-He, CA ou He, CC- Aço Carbono < 3,2 > 3,2 Ar. CCAr, CC- Ar. CCAr-He, CC- ou He. CC- Aço Inoxidável < 3.2 > 3,2 Ar. CCAr-He, CC- Ar-He. CC- ou Ar-H., CCHe CC- Níquel e suas ligas < 3.2 > 3,2 Ar.CCAr-He, CC- Ar-He, CC- ou He, CCHeCC- Cobre e suas ligas < 3.2 > 3,2 Ar-He. CCHe. CC- Ar-He, CCHe CC Titânio e suas ligas < 3,2 > 3,2 Ar, CC Ar-He, CC- Ar. CC- ou Ar-He, CC He CC- * Misturas Ar-He com até 75% He e Ar-H2 com até 15% H2. CA - corrente alternada, CC- corrente contínua, eletrodo negativo O metal de adição para a soldagem manual é fornecido na forma de varetas com comprimento em torno de 1 m. Para a soldagem mecanizada, o metal é fornecido na forma de um fio enrolado em bobinas com diferentes capacidades, dependendo do equipamento usado. Os diâmetros dos fios e varetas são padronizados e variam entre 0,5 e 5 mm aproximadamente. Metais de adição estão disponíveis numa ampla faixa de materiais e ligas. Geralmente a composição química de metais de adição tem limites de tolerância muito inferiores aos de metal de base do mesmo tipo e custo bem mais elevado. Eles são classificados de acordo com sua composição química e com as propriedades mecânicas do metal depo sitado. A Tabela II apresenta as principais normas de classificação da AWS para metais de adição para a soldagem TIG. Tabela II - Especificações AWS para metais de adição adequados à soldagem TIG Especificaçáo Tipo de metal de adição AWS A 5.7 Arames e varetas para a soldagem de cobre AWS A 5.9 Arames e varetas para a soldagem de aços inoxidáveis AWS A 5.10 Arames e varetas para a soldagem de alumínio AWS A 5.14 Arames e varetas para a soldagem de níquel AWS A 5.15 Arames e varetas para a soldagem de ferro fundido AWS A 5.16 Arames e varetas para a soldagem de titânio AWS A 5.18 Arames e varetas para a soldagem de aço carbono AWS A 5.19 Arames e varetas para a soldagem de magnésio AWS A 5.21 Arames e varetas para revestimento AWS A 5.22 Arames e varetas tubulares para soldagem de aços inoxidáveis . AWS A 5.24 AWS A 5.28 Arames e varetas para a soldagem de zircônio Arames e varetas para a soldagem de aços de baixa liga V CAPfnjioia U « « SOU5AGEMTB A escolha do metal de adição para uma determinada aplicação é feita em função da composição química è das propriedades mecânicas desejadas para a solda. Em geral se usa metal de adição de composição similar à do metal de base. mas não necessariamente idêntica. Fatores como compatibilidade metalúrgica, adequabilidade á operação e custo também devem ser considerados. O diâmetro do fio ou vareta é escolhido em função da espessura das peças a unir, da quantidade de material a ser depositado e dos parâmetros de soldagem. Os catálogos dos fabricantes geralmente apresentam informações úteis na escolha de metal de adição e aplicações típicas dos produtos. Os eletrodos mais comumente usados na soldagem TIG são varetas sinterizadas de tungsténio puro ou com adição de óxido de cério, lantânio, tório ou zircônio e sua função é conduzir a corrente elétrica até o arco. A capacidade de condução varia com a composição química, com o diâmetro do eletrodo e com o tipo de corrente de soldagem a ser usada. Eletrodos contendo tório têm sido evitados, já que este elemento é radioativo e pode ser inalado durante a afiação do eletrodo por abrasão, apesar da pequena quantidade. Eletrodos de tungsténio puro têm menor custo e, geralmente, são usados com corrente alternada, em aplicações mais simples. Eletrodos com adição de óxidos apresentam melhor desempenho que eletrodos de tungsténio puro em termos de estabilidade de arco e durabilidade. Os eletrodos de tungsténio normalmente são apontados por meios químicos ou mecâ nicos, antes de se iniciar a operação de soldagem e, no caso de soldagem mecanizada, a configuração da ponta do eletrodo pode ser uma variável importante para se garantir uma boa repetitividade de resultados. As Tabelas III e IV apresentam, respectivamente, a composição química e as faixas de corrente usuais para eletrodos para soldagem TIG. A seleção do tipo e diâmetro do eletrodo a ser usado numa dada situação é feita em função do material que vai ser soldado, da espessura da peça e do tipo e valor da corrente de soldagem que vai ser usada. Tabsia III - Composição química de eletrodos de tungsténio (AWS A 5.12) Classificação AW S Composição química (% peso) Tungsténio (min) Ce02 K O , Th02 Zr02 Outros* (Max) EWP 99,5 - - - - 0.5 EWCe-2 97,3 1.8 a 2.2 - - - 0.5 EWla-1 98,3 - 0,8 a 1.2 - - 0.5 EWLa-1.5 97,8 - 1.3 a 1.7 - - 0.5 97,3 - 1,8 a 2.2 - - 0.5 EWTh-1 98,3 - 0.8 a 1.2 - 0.5 EWTh-2 97,3 - 1.7 a 2,2 - 0.5 EWZr-1 99.1 - - - 0.15 a 0,40 0.5 EWG 94,5 # # # # # EWLa-2 . * - Outros óxidos ou elementos # - Não especificado 214 n m a « M s n u e m m ioGiA Tabela IV - Valores típicos de corrente para eletrodos de tungsténio Diâmetro do eletrodo Corrente (A) e polaridade CC- CC+ EWX-X EWX-X « EWP EWX-X EWP EWX-X Até 15 Ató 15 Até 15 Até 15 1 0 -2 0 CA balanceada CA não balanceada (mm) 0,30 Até 15 0,50 5 -2 0 • 1.0 1 5 -8 0 « 1.6 7 0 -1 5 0 2.4 15 0-25 0 5 - 20 5 - 15 5 - 20 2 0 -6 0 1 5 - 80 1 0 - 30 2 0 - 60 1 0 -2 0 5 0 -1 0 0 7 0 -1 5 0 3 0 -8 0 6 0 -1 2 0 1 5 -3 0 1 0 0 -1 6 0 140 - 235 6 0 -1 3 0 1 0 0 - 180 225 - 325 1 0 0 -1 8 0 160 - 250 3.2 250 - 400 2 5 -4 0 150 - 200 4,0 400 - 500 4 0 -5 5 2 0 0 -2 7 5 300 - 400 160 - 240 200 - 320 4.8 5 0 0 -7 5 0 5 5 -8 0 250 - 350 4 0 0 -5 0 0 190 - 300 290 - 390 6,4 75 0-10 00 8 0 -1 2 5 325 - 450 500 - 630 250 - 400 340 - 525 (*) Não usado, CC- Corrente contínua eletrodo negativo, CC+ Corrente contfnua, eletrodo positivo e CA Corrente attemada e ignitor de alta frequência. 4. Técnica Operatória_______________ Antes de se iniciar a soldagem, é indispensável a remoção de óleo, graxa, sujeira, tinta, ferrugem ou qualquer outra contaminação existente no metal de base. Esta remoção pode ser feita por meios mecânicos (lixamento, escovamento etc.), ou químicos (decapagem, lavagem etc.), usando agentes líquidos ou gasosos. É recomendável que se inicie a vazão de gás inerte alguns segundos antes da abertura do arco. Este tempo é normalmente chamado de "pré-purga" de gás. Decorrido este tempo, faz-se abertura do arco, usando-se um ignitor de alta frequência ou outro meio. A seguir, deixa-se a tocha parada por um certo tempo para que haja a formação da poça de fusão. Quando esta atinge um volume ou tamanho adequado, inicia-se o movimento de translação da tocha ao longo da junta e. se for o caso. o movimento de tecimento e a adição de metal. A adição de metal é feita na poça de fusão, normal mente à frente da tocha de solda gem. com a vareta ou bico de saída de arame formando um ângulo em torno de 15ocom a peça. Deve-se ter o cuidado de não se retirar a ponta aquecida da vareta da nuvem protetora de gás inerte, para não contaminá-la. A adição de metal pode ser contínua ou intermitente. Ao final da junta, faz-se a extinção do arco, preferencialmente através de uma chave que abre o circuito de soldagem, interrompendo a passagem de corrente. Com a tocha ainda sobre a última parte soldada, deixa-se que ocorra fluxo de gás inerte por um tempo de até 30 segundos, conhecido como "pós-purga" de gás. CAFftumi3 l o t e soitwcaiTC | * ,a Caso não seja possível este procedimento, o arco pode ser extinto pelo afastamento da tocha a alguns centímetros da peça. Tal procedimento, entretanto, não é recomendado, pois possibilita a contaminação do final do cordão pela atmosfera. Este problema pode ser contornado extinguindo-se o arco fora da região de interesse ou fora da junta. A posição da tocha na soldagem mecanizada é perpendicular ao plano da peça que está sendo soldada. No caso da soldagem manual, a tocha pode ser ligeiramente inclinada em relação à direção de soldagem, para facilitar a visão do soldador. Na soldagem em juntas de ângulo formando "quinas", peças auxiliares podem ser usadas para formar um anteparo e favorecer a proteção gasosa. Na soldagem com corrente contínua, o ignitor de alta frequência é usado apenas para a abertura de arco, podendo ser desligado logo após a ignição. Em geral, o próprio aparelho já apresenta um dispositivo que interrompe a ação de centelhamento do ignitor quando o arco está em operação. Na soldagem com corrente alternada com uma fonte convencional, como a corrente de soldagem se anula a cada inversão de polaridade, o arco tende a se extingir quando a corrente é muito baixa ou nula. Assim, o ignitor de alta frequência deve permanecer ligado durante toda a operação, a fim de estabilizar a descarga elétrica. Já na soldagem com corrente alternada com uma fonte eletrônica, a mudança de polaridade se dá num tempo muito curto e em geral não há necessidade de uso de dis positivos para reabertura do arco a cada inversão. O sinal de alta frequência gerado pelo ignitor pode interferir na operação de circuitos eletrônicos que estejam próximos. De modo geral, cuidados especiais devem ser tomados, quando houver aparelhos deste tipo próximos à área de soldagem. As principais variáveis operatórias da soldagem TIG são o comprimento do arco, a corrente, a velocidade de soldagem e a vazão de gás de proteção. O comprimento do arco é a distância entre a ponta do eletrodo e a peça de trabalho. Para uma dada corrente de soldagem e gás de proteção, a tensão do arco aumenta com o aumento deste. Em geral, quanto maior o comprimento do arco, mais raso e largo é o cordão de solda. No caso de soldagem com adição, também o reforço do cordão tende a diminuir com o aumento do comprimento do arco. Arcos muito curtos ou muito longos tendem a ser instáveis, o que favorece a formação de descontinuidades como porosidades, falta de fusão e mordeduras. A corrente de soldagem é selecionada diretamente na fonte de energia. Quanto maior a corrente, maior é a penetração e a largura do cordão. Para outros parâmetros constantes, o reforço do cordão tende a diminuir com o aumento da corrente, no caso de soldas com adição de metal. A geometria do cordão de solda varia com o tipo de corrente usada. A Figura 7 mostra algumas características da soldagem feita com os diferentes tipos de corrente e polaridade. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Tipo de Corrente: Polaridade do eletrodo Fluxo de elétrons e íons CC- Negativa ou direta CC+ Positiva ou inversa Alternada Sim 30% na peça 70% no eletrodo Rasa e superficial Ai, Mg (somente para baixas correntes e espessuras) Sim (meio ciclo) 50% na peça 50% no eletrodo Intermediária Al, Mg e suas ligas com maiores correntes e espessuras _ÇA_ I f íons^B (^Elétrons Perfil do cordão Limpeza de óxido: Balanço de calor (aproximado): Penetração Aplicações Não 70% na peça 30% no eletrodo Estreita e profunda Aço, Cu, Ag, Aços Inoxidáveis e ligas resistentes ao calor Figura 7 Efeito do tipo de corrente e polaridade na soldagem TIG (esquemática) O efeito de limpeza referido na figura consiste na remoção de camadas superficiais de óxidos do metal de base, pela ação do arco elétrico, quando o eletrodo é positivo. Assim , na soldagem de metais fortem ente reativos, com o o alumínio, o magnésio e o titânio, este tipo de corrente e polaridade seria bastante vantajoso. Contudo, com o o balanço térm ico nesta situação é m uito desfavorável, levando a um processo extrem am ente ineficiente, esta condição somente é usada na soldagem de peças .muito finas. Uma situação intermediária é obtida na soldagem com corrente alternada, com o mostrado na Figura 5, quando ocorre a remoção de óxidos a cada sem iciclo de corrente em que o eletrodo é positivo. A penetração e a largura do cordão de solda tendem a dim inuir com o aumento da velo cidade de soldagem. O m esm o acontece com o reforço, na soldagem com adição de metal. De uma maneira geral, quanto maior a velocidade da soldagem, m elhor a eficiência e a pro dutividade da operação, com consequente redução de custos por unidade de com prim ento de solda produzida. Entretanto, velocidades de soldagem exageradas podem introduzir descontinuidades no cordão, com o falta de fusão, falta de penetração e mordeduras. A vazão de gás de proteção influencia diretam ente a qualidade do cordão de solda. Vazão m uito baixa resulta em proteção insuficiente, que pode levar à oxidação do cordão de solda, formação de porosidade etc. Vazão elevada, em geral, não causa problema, mas encarece o custo da operação. Vazão m uito elevada pode causar turbulência no fluxo de gás, resultando em efeitos semelhantes aos de vazão muito baixa. Assim, uma regra prática para se determ inar a vazão ideal numa dada situação é fazer um teste, iniciando com uma vazão elevada e ir dim inuindo gradativam ente, até que se inicie a oxidação superficial do cordão de solda. Uma vazão ligeiram ente superior a esta últim a é a ideal. Outras variáveis operatórias na soldagem TIG com influência secundária dentro de certos lim ites são o ângulo da ponta do eletrodo, a distância do bocal à peça e os tem pos de pré e pós-purga de gás. Na soldagem mecanizada, a posição e a velocidade de alimentação de metal podem se tornar parâmetros im portantes. Velocidade de alimentação elevada pode levar a um reforço excessivo do cordão de solda e até m esm o a uma fusão apenas parcial do metal de adição. Se a alimentação de metal for feita no arco de soldagem, ao invés de ser feita na poça de fusão, a transferência de metal para a peça se torna m uito irregular, podendo causar instabilidade no arco e tornar o cordão irregular. CAHIULO 13 I n . SOLDAGEM T»G A escolha dos parâmetros para uma dada operação de soldagem é feita em função do material a ser soldado, da espessura das peças, da posição de soldagem e dos equi pam entos disponíveis, bem com o a decisão de uso ou não de metal de adição. 5. Aplicações Industriais A soldagem TIG é um processo dos mais versáteis em term os de espessuras e ligas soldáveis, produzindo soldas de ótim a qualidade. Contudo, é relativamente caro, lento e de baixa produtividade. Assim, a soldagem TIG é usada principalm ente na união de metais difíceis de serem soldados por outros processos, em situações em que é necessário um controle rigoroso do calor cedido à peça e principalm ente em situações em que a qualidade da junta pro duzida é mais im portante que seu custo de produção. As principais aplicações industriais da soldagem TIG são: costura e união de topo de tubos de aço inoxidável, soldagem de alumínio, m agnésio e titânio, particularmente de peças leves ou de precisão, com o as usadas na indústria aeroespacial, e passe de raiz em tubulações de aço carbono e outros materiais. 6. Exercícios e Práticas de Laboratório a) Que propriedades dos gases inertes devem influenciar as características do arco elétrico e provocar variações na geometria de cordões de solda feitos com os mesmos parâmetros e diferentes gases? b) Por que o metal de adição usado na soldagem TIG é, normalmente, de composição seme lhante ou idêntica à do metal de base? c) Que características dos eletrodos de diferentes composições químicas poderiam explicar a variação nas faixas de corrente recomendadas para os diversos tipos de corrente? d) Que justificativas podem ser dadas para a existência de limites superior e inferior da corrente recomendada para um eletrodo de um certo diâmetro? e) Por que a geometria da ponta do eletrodo só influencia significativamente a soldagem mecanizada? f) No laboratório, experimente depositar cordões da solda TIG com diferentes materiais, como aço carbono, aço inoxidável e alumínio, com os diversos tipos de corrente e observe o efeito na limpeza de óxidos e geometria do cordão de solda. Anote suas observações e compare-as com o que você aprendeu neste capítulo. g) Faça diversos cordões de solda, com diferentes parâmetros de operação, num mesmo material e observe o efeito dos parâmetros de soldagem sobre a geometria do cordão. Anote suas observações e discuta com seus colegas as justificativas para estes efeitos. ^ 1 ' CAPÍTULO 14 SOLDAGEM E CORTE A PLASMA A - SOLDAGEM 1. Fundamentos A soldagem a arco plasma (Plasma Are Wedding - PAW) é um processo que produz união por fusão das partes a serem unidas através de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de tungsténio, não consumível, e a peça ou um bocal constritor. O processo de soldagem a arco plasma difere do processo TIG principalmente pelo fato de o arco estar restringido por um bocal constritor que limita seu diâmetro e aumenta considera velmente a intensidade da fonte de calor. Na soldagem a arco plasma são utilizados dois fluxos de gases, iguais ou diferentes. O primeiro circunda o eletrodo e sai por um orifício no bocal constritor, na forma de um jato de gás fortemente aquecido, chamado gás de plasma. Este gás deve ser inerte e frequentemente é usado o argônio. O segundo fluxo serve para proteção e passa por um bocal externo, concêntrico ao bocal constritor. Este gás pode ser inerte ou uma mistura de gasôs. A Figura 1 ilustra o processo. O O fJ C *- U j SOLDAGEM FUNOAMENTOS E TtCNOLOGIA Eletrodo Bocal constritor Figura 1 Soldagem a arco plasma (esquemática) Existem duas variações básicas do processo a arco plasma: arco transferido, que é aberto entre o eletrodo e a peça, e arco não transferido, estabelecido entre o eletrodo e o bocal constritor. Nesta segunda, o calor necessário para a fusão é transm itido às peças som ente pelo gás de plasma. Na soldagem de peças condutoras, o arco transferido é mais usado pela sua m elhor eficiência. A segunda variação perm ite a soldagem de peças não condutoras, com o vidros, plásticos etc., e tam bém é usado quando se deseja m inim izar a energia de soldagem . A Figura 2 m ostra as dúas variações. Bocal constritor Figura 2 Variações da soldagem a arco plasma: (a) arco transferido, (b) não transferido A soldagem a arco plasma pode ser feita manual ou mecanizadamente, com pequenas adaptações no equipam ento. Tanto a soldagem mecanizada como a manual são bastante usadas. O processo pode ser em pregado em qualquer posição de soldagem . O arco na soldagem plasma é bastante estável, de alta intensidade, e o cordão de solda é pouco afetado pela distância da tocha de soldagem à peça, conhecida com o "stand-ofí", perm itindo, na soldagem manual, maior liberdade de operação ao soldador. O equipamento de soldagem plasma é mais com plexo que os usados em outros processos de soldagem a arco, exigindo cuidados especiais e m anutenção mais difícil. CAPÍTULO 14 SO LD AG E M E C O H T E A P U S M A | L * - ' Devido à sua grande estabilidade e excelente controle da fonte de calor, o processo plasma pode ser usado tam bém na soldagem de peças de espessura m uito pequena, inferior a 1mm, com intensidade de correntes de soldagem na faixa de uns poucos Ampères e uma tocha apropriada. Neste caso, a soldagem é chamada de microplasma. A soldagem a arco plasma é aplicável à maioria dos metais e a m uitos materiais não metálicos. Entretanto, seu custo é relativamente elevado e pode, às vezes, inviabilizar o uso do processo em algum as aplicações. 2. Equipamentos O equipam ento básico usado consiste de uma fon te de energia, sistem a para abertura do arco, uma tocha de soldagem plasma, fon te de gases e sistema de controle. Diversos dispositivos auxiliares podem ser usados na soldagem mecanizada. A fonte de energia usada é do tipo corrente constante, podendo ser contínua ou pulsada. As fontes para soldagem plasma convencional têm capacidade para fornecer correntes entre 100 e 500 A, norm alm ente. As fontes para soldagem microplasma geral mente fornecem corrente a partir de 0,1 A até correntes de algumas dezenas de Ampères. Em qualquer dos casos, o ajuste de corrente geralm ente pode ser feito com precisão relativamente alta. As tensões necessárias para m anter a descarga elétrica num arco a plasma são mais elevadas que aquelas norm alm ente usadas nos processos convencionais. Assim, as fontes usadas na soldagem plasma devem ser específicas para este processo. Fontes convencionais ligadas em série podem ser usadas em situações especiais. A abertura de arco pode ser feita por um ignitor de alta frequência ou através de um arco-piloto. As tochas que trabalham com arco transferido normalmente fazem uso deste últim o sistema, que necessita de uma fonte de energia auxiliar, de baixa capacidade, para alimentar o arco-piloto. As tochas de soldagem plasma servem para suportar o eletrodo de tungsténio, fornecer de form a adequada o gás de plasma e o gás de proteção e fazer a constrição do arco, através do bocal constritor. Além disso, as tochas devem permitir o manuseio e utilização de maneira segura para o soldador ou operador de equipamentos mecanizados. A Figura 3 apresenta uma tocha para soldagem plasma. Figura 3 Tocha para soldagem plasma o o o l 1 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA As tochas plasma são geralmente refrigeradas a água. M uitas vezes, são necessários cuidados especiais, devendo-se usar água desmineralizada, filtrada etc. Tochas para sol dagem manual têm menor capacidade, devido à necessidade de apresentarem menor peso, para fa cilita ra operação. Tochas para soldagem mecanizada norm alm ente são de alta capacidade. Algumas tochas possuem bocais constritores com apenas um orifício de saída, porém, tochas com orifícios múltiplos apresentam vantagens. Várias configurações de orifícios de constrição, com o em linha, em círculos e outras form as geom étricas têm sido avaliadas, porém a mais usada é aquela com um orifício central, ladeado por dois outros orifícios de menor diâmetro, em geral, com uma seção transversal igual a um quarto da seção do orifício central, em linha, como m ostrado na Figura 4. 0 O n fício único O rifício m últiplos Figura 4 Tipos de configuração de orifícios de constrição Neste tipo de tocha, a forma do arco plasma se torna alongada ou ovalada, e grandes velocidades de soldagem podem ser usadas quando o eixo m aior da seção transversal do arco está paralelo à direção de soldagem, resultando em grande produtividade e soldas com zona term icam ente afetada relativamente estreita. Algumas tochas permitem a troca do bocal constritor, podendo-se, assim, variar o diâmetro ou número de orifícios. Tochas para soldagem manual, em geral, apresentam apenas um orifício central. As fontes de gases devem incluir cilindros do gás de plasma e do gás de proteção, reguladores de pressão e de vazão e m angueiras. Geralmente, o controle da vazão do gás de plasma é feito com precisão relativam ente alta, já que esta é uma im portante variável do processo. O sistema de controle permite o ajuste das diversas variáveis operacionais, o acio namento adequado dos equipamentos usados e de dispositivos auxiliares, no caso de soldagem mecanizada. Este pode estar numa unidade de controle único ou disperso nos vários equipam entos que com põem uma estação de soldagem plasma. Os dispositivos auxiliares usados na soldagem mecanizada são similares aos usados na soldagem TIG, isto é, alimentadores de arame, sistem as de movim ento, sistem as de oscilação do arco etc. CAPÍTULO 14 SO ID A G E M E CORTE A PLASMA 3. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem plasma são os gases de plasma e de proteção e os m etais de adição. Os eletrodos de tungsténio, apesar de ditos não consumíveis, se desgastam durante o processo e serão tratados nesta seção. O gás de plasma deve ser inerte em relação ao eletrodo de tungsténio e às partes da tocha de soldagem , para evitar sua contaminação e rápida deterioração. Normalmente são usados o argônio, o hélio, o nitrogênio e m isturas destes. Em certos casos, o hidro gênio pode ser adicionado a esses gases para facilitar a abertura do arco. A adição de hidrogênio pode ser interrom pida depois de iniciado o arco. O argônio é mais usado com o gás de plasma, devido ao seu baixo potencial de ioni zação, que facilita a abertura do arco, particularm ente, em equipam entos que utilizam o arco-piloto. Norm alm ente é usado na soldagem de aços carbono, aços de alta resistência e metais reativos, com o o titânio e o zircônio. Entretanto, nem sem pre o argônio puro produz os melhores resultados, que podem ser conseguidos com m isturas argônio-higrogênio ou argônio-hélio. A quantidade de hidrogênio numa mistura deve ser escolhida em função do metal de base a ser soldado. Misturas argônio-hélio resultam em maior potência gerada no arco, para uma mesma corrente de soldagem. A soldagem com hélio puro aumenta a potência do arco, perm itindo operar com maiores velocidades. Entretanto, isso geralmente im plica em maior desgaste das tochas e redução de sua vida útil. A Tabela I apresenta algumas aplicações típicas de gases ou misturas, usados tanto como gás de plasma com o gás de proteção, na soldagem de diferentes materiais com diferentes espessuras e correntes elevadas. A especificação AWS A 5.32 trata dos gases de proteção para soldagem. Tabela I - Gases usuais na soldagem plasma com alta corrente Material Espessura (mm) Técnica de soldagem "Keyhole" Fusão Aço carbono < 3.2 > 3.2 Ar Ar Ar 75% He. 25% Ar Aço de baixa liga < 3,2 > 3,2 Ar Ar Ar 75% He. 25% Ar Aço inoxidável < 3.2 > 3.2 92.5% Ar. 7.5% H2 95% Ar. 5% Hj Ar 75% He. 25% Ar Cobre < 2.4 > 2.4 Ar, Não recomendada 75% He. 25% Ar He Ligas de níquel < 3.2 > 3,2 92.5% Ar. 7.5% H, 95% Ar. 5% Hj Ar 75% He. 25% Ar Metais reativos < 6.4 > 6.4 Ar Ar-He (50 a 75% He) Ar 75% He. 25% Ar •3 0 A S0L0A8EM rUNBMKKTOSETECNSUHHA • Na soldagem com alta corrente, geralmente se usa o mesmo gás para plasma e para proteção. Na soldagem com baixa corrente, o gás de proteção pode ser diferente, sendo o C 02 muito usado para esta finalidade, devido ao seu baixo custo. Os metais de adição usados na soldagem plasma são os mesmos usados na soldagem TIG e MIG/MAG, podendo ser fornecidos na forma de varetas, para a soldagem manual, e de fios enrolados em bobinas, para a soldagem mecanizada. Geralmente, utiliza-se metal de adição de composição química similar à do metal de base, e existe uma grande variedade de metais disponíveis. A Tabela II mostra algumas especificações AWS de metais de adição aplicáveis à soldagem plasma. Tabela II - Especificações AWS para metais de adição aplicáveis à soldagem plasma Especificação Tipo de metal de adição AWS A 5.7 Arames e varetas para a soldagem de cobre AWS A 5.9 Arames e varetas para a soldagem de aços inoxidáveis AWS A 5.10 Arames e varetas para a soldagem de alumínio AWS A 5.14 Arames e varetas para a soldagem de níquel AWS A 5.15 Arames e varetas para a soldagem de ferro fundido AWS A 5.16 Aram es e varetas para a soldagem de titânio AWS A 5 18 Arames e varetas para a soldagem'de aço carbono AWS A 5.19 Arames e varetas para a soldagem de magnésio AWS A 5.21 Arames e varetas para revestimento AWS A 5.22 Arames e varetas tubulares para soldagem de aços inoxidáveis AWS A 5.24 Arames e varetas para a soldagem de zircònio AWS A 5.28 Arames e varetas para a soldagem de aços de baixa liga | Os eletrodos de tungsténio usados na soldagem plasma são os mesmos usados na soldagem TIG (Capítulo 13), e podem ser de tungsténio puro ou ligados e são cobertos pela especificação AWS A 5.12. Eletrodos de tungsténio puro são geralmente usados em corrente alternada e têm baixa capacidade de condução. Eletrodos com adições de óxidos são usados em corrente contínua e/ou alternada e possuem maior capacidade de condução e durabilidade. Os eletrodos são normalmente apontados, com o ângulo da ponta variando entre 20 e 60°. A ponta pode ser aguda ou tronco-cônica, com diâmetro da parte plana de aproxi madamente 0,8mm, para eletrodos de diâmetro de 3,2 ou 4,0mm, e proporcionalmente menor para eletrodos de menor diâmetro. A ponta deve ser absolutamente simétrica e concêntrica com o eletrodo, podendo ser preparada com o auxílio de um dispositivo de precisão através de esmerílhamento ou por agentes químicos. CAPÍTUL014 I A A p SOLDAGEM E CORTE A PLASMA I 4. Técnica Operatória A soldagem a arco plasma pode ser feita utilizando-se duas técnicas: por fusão, semelhante aos outros processos a arco, e "keyhole" ou furo, que também é utilizada em processos de alta intensidade, como a soldagem a LASER e por feixe eletrônico. A técnica da fusão é normalmente usada em soldagem manual e com fluxo de gás de plasma e corrente de soldagem mais baixos. Metal de adição na forma de vareta pode ser usado e normalmente é adicionado à poça de fusão. Esta técnica pode ser usada na soldagem com um ou mais passes. A técnica do "keyhole" é usada para uma certa faixa de espessura de metal de base, com combinações especiais de fluxo de gás de plasma, corrente e velocidade de soldagem, produzindo uma poça de fusão relativamente pequena e que penetra totalmente no metal de base. Neste caso, o jato de plasma produz um pequeno furo na região da junta, que é levado adiante com o movimento da tocha de soldagem. Durante o deslocamento, o metal fun dido pelo arco é forçado a se deslocar em tomo do jato de plasma, formando atrás deste a poça de fusão, que fecha o furo nesta região e se solidifica, formando a junta soldada. Não é usado metal de adição na maioria das vezes. Esta técnica permite a soldagem com penetração total, em passe único. A soldagem plasma que usa a técnica do "keyhole" opera no limite entre a soldagem e o corte, geralmente com intensidade de corrente e fluxo de gás de plasma elevados, sendo que este é um parâmetro crítico do processo, devendo ser mantido dentro de estreitos limites. Devido a esta alta sensibilidade aos parâmetros operacionais, a técnica do "keyhole" só é usada em soldagem mecanizada. A Tabela III apresenta as técnicas usuais para diversas faixas de espessura do metal de base, e as Tabelas IV e V apresentam parâmetros típicos de operação para algumas situações. Tabela III - Faixa de espessura para as diferentes técnicas de soldagem plasma Técnica Espessura Passe único 0.1 0.4 1,6 3,2 4,8 6,4 ™ *V "Keyhole' Passes múltiplos < - 10 13 19... 9 ‘ xo souMsai FUNOAMIK7CS E TECMGLOSM Tabela IV - Parâmetros típicos de soldagem plasma Corrente CC(A) Tensão (mm) Veloc. Sold. (mm/s) Aço inoxidável 2.4 3.2 4.8 6,4 10 13 16 14 115 145 165 240 Aço carbono e baixa liga 3.2 4.3 6,4 5 4 6 Titânio 3.2 4,8 10 8,5 5.5 4.2 Espessura Material Fluxo de gés (l/min) Orifício Proteção 30 32 36 38 3(a) 5(a) 6(b) 8(b) 17 17 21 24 185 200 275 28 29 33 6(a) 6(b) 7(b) 28 28 28 185 175 225 21 25 38 3.8(a) 9(b) 15(b) 28 28 28 (V) Observações Técnica “keyhole". chanfro reto. 95% Ar. 5% Hj, com uso de proteção no reverso e "stand-off "de 4.8 mm Técnica “keyhole". chanfro reto, Argônio, proteção no reverso e “stand-off "de 1,2 mm "Keyhole", chanfro reto. Ar ou Ar 75%-He 25% proteção no re verso e “stand-off"de 1.2 mm Diâmetro do oriffco: (a) 2,8 mm , (b) 3,5 mm. Tabela V - Parâmetros típicos de soldagem microplasma Fluxo de gás (l/min) Observações Material Espessura (mm) Veloc. Sold. (mm/s) Corrente CC(A) Orifício Proteção Aço inoxidável 0.13 0,25 0,80 1.50 2.0 3,4 2,0 2.0 2.4 6,0 10 28 0,24 0,24 0,24 0.40 10 10 10 10 Junta de topo com flange. 99% Ar, 1% H 2 0.20 0,56 2.0 3,0 5 10 0,24 0.24 10 10 Junta de topo com flange. 100% Ar Titânio As principais variáveis da soldagem plasma são a corrente de soldagem, o diâmetro do orifício do bocal constritor, a vazão de gás de plasma e a velocidade de soldagem. A influência da corrente de soldagem na geometria do cordão de solda é semelhante à que acontece nos outros processos de soldagem a arco, sendo que o ajuste de corrente para uma dada operação deve levar em conta uma determinada vazão de gás de plasma. O tipo de corrente mais usado é contínua com eletrodo negativo. Corrente contínua com eletrodo positivo pode ser usada em situações especiais, na soldagem de titânio e zircônio. Corrente alternada com estabilização por alta frequência pode ser usada na solda gem de alumínio. Corrente pulsada contínua ou alternada podem também ser usadas. O diâmetro do orifício do bocal constritor influi diretamente na concentração do arco e na intensidade deste. De modo geral, tochas para soldagem possuem maiores orifícios que CAFfTUL014 SOIBAGEM E GOHTE A PIASM A 1 * ^ / tochas para corte. O diâmetro do orifício deve ser escolhido em função da espessura das peças a unir e aumenta com o crescimento destas. O número de orifícios e a distribuição destes também influencia a distribuição de calor e a geometria do cordão de solda. A penetração do cordão de solda depende diretamente da vazão de gás de plasma ou no orifício, aumentando sensilvelmente para vazões mais elevadas. O ajuste correto e um controle preciso desta variável é fundamental para se obter bons resultados com a soldagem plasma, particularmente, quando se usa a técnica do "keyhole". O efeito da velocidade de soldagem é similar ao que ocorre nos outros processos de soldagem a arco. A tensão de soldagem não é regulada diretamente no equipamento e fica determinada pelos outros parâmetros operacionais, tendo influência apenas na escolha da fonte de soldagem. Na soldagem plasma a arco não transferido, a tensão de operação do arco é pouco influenciada pelo "stand-off". Como o arco na soldagem plasma tende a ser cilíndrico e não. cônico, como em outros processos, a distância da tocha à peça tem pouca influência na geometria do cordão, dentro de certos limites. De um modo geral, esta distância é maior na soldagem plasma, permitindo melhor visibilidade e facilitando a operação. A sequência de operação é semelhante à usada na soldagem TIG e pode sofrer ligeiras modificações, dependendo do tipo de equipamento usado, particularmente do tipo de iniciação do arco. 5. Aplicações Industriais A soldagem a plasma pode ser feita em qualquer posição, com velocidade elevada e, em geral, com menor energia de soldagem e maior razão penetração/largura do cordão. Isso pode resultar em vantagens significativas na soldagem de materiais de má soldabilidade ou em aplicações em que se deseja uma alta produtividade ou maior precisão dimensional da peça soldada, como, por exemplo, fabricação de tubos com costura de parede fina de alumínio, titânio ou aço inoxidável e soldagem em passe único, sem metal de adição, até espessuras em torno de 12 mm. A alta estabilidade do arco permite o uso de intensidade de corrente muito baixa, na faixa de uns poucos Ampères, situação adequada para soldagem de peças de pequena espessura, inferior a um milímetro, difíceis ou mesmo impossíveis de serem soldadas por outro processo a arco. OOP ^ ° SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA B - CORTE 1. Fundamentos O princípio de funcionam ento do corte a plasma é o mesmo da soldagem a plasma, tendo sido introduzido em 1955, na substituição de outros processos como corte por serra, prensa, tesouras e corte com chama e adição de pós, particularm ente para m etais não ferrosos e aços inoxidáveis. O jato de plasma funde e expulsa o metal de base com grande eficiência, resultando em uma superfície com excelente acabamento, precisão dimensional, pouca ou nenhuma distorção e pequena zona afetada pelo calor. O corte pode ser realizado manual ou mecanizadamente, com velocidade relativamente elevada, em linha reta ou em curva; em geral, pode ser iniciado em qualquer ponto da peça, utilizando-se equipam ento manual ou mecanizado. Diversas variações do processo podem ser usadas para melhorar a qualidade do corte em uma dada situação. O processo é usado para corte de peças com espessura entre 3 e 40 mm aproximadam ente. No processo com duplo fluxo de gás, é usado geralmente o nitrogênio como gás de plasma e o gás de proteção é escolhido em função do material a cortar, podendo ser C 0 2 para aço inoxidável e m istura argônio-hidrogênio para alumínio. O ar com prim ido pode ser usado com o gás de plasma no corte dos aços, com o uso de tochas e eletrodos especiais para esta situação. No corte com proteção por água, a técnica é sem elhante à anterior, usando água no lugar do gás de proteção. A aparência do corte e a vida útil do bocal são melhoradas com esta variação. O corte a plasma com injeção de água usa um jato de água que passa pelo bocal cons tritor, aum entando o efeito de confinam ento do plasma, protegendo-o de contaminação. A parte inferior do bocal é geralm ente cerâmica. Esta técnica perm ite maiores velocidades de corte em relação ao corte plasma convencional. O corte a plasma tem sido usado tam bém com a peça submersa em água em situações em que o material a ser cortado pode sofrer variações indesejáveis de propriedades, devidas ao calor do corte. 2. Equipamentos O equipam ento usado no corte a plasma é sim ilar ao usado na soldagem , consistindo de uma fon te de energia, tocha de corte, fon te de gases e de água e unidade de controle. No caso de corte mecanizado, dispositivos de deslocam ento da tocha são necessários e, em geral, são similares aos usados no corte oxi-gás. CAPÍTUL01< SOIDAGEM l CORTE A PLASMA As fontes de energia para corte a plasma apresentam uma tensão em vazio mais alta que as de soldagem, na faixa de 120 a 400 V, dependendo da tocha e da técnica a ser usada, do material e da espessura a cortar. A corrente de salda varia de 70 a 1.000 A, dependendo da espessura, do material a cortane-da velocidade de corte. A Figura 1 mostra um equipamento para corte plasma manual com ar com prim ido, para espessuras em aço inoxidável de até cerca de 6 mm. Figura 1 Fonte para corte manual pelo processo plasma As tochas de corte apresentam um ou mais orifícios, com diferentes diâmetros, depen dendo de sua capacidade e da técnica a ser usada. Elas podem ser adequadas para corte manual ou mecanizado, sendo que as tochas para corte mecanizado são, geralmente, as de maior capacidade. A Figura 2 mostra uma tocha para corte plasma manual com ar com prim ido. Figura 2 Tocha de corte plasma manual a ar comprimido 99Q t- L? OOH L JU SOLDAGEM FUNOAMENTOS E TECNOLOGIA As fontes de gás são semelhantes às usadas na soldagem plasma, consistindo de ■cilindros de gás e reguladores de pressão. No caso de corte com água, uma fonte de água limpa também é necessária. O sistema de controle consiste de m edidores e reguladores de vazão de gás, relés e temporizadores, além dos meios para ajustar os parâmetros de operação da fonte. Dispositivos de segurança tam bém fazem parte deste sistema e têm a função de inter romper a operação em caso de falha, com o, por exemplo, falta de gás ou de água para refrigeração da tocha. 3. Consumíveis Os consumíveis usados no processos de corte a plasma são os gases, escolhidos em função do material a cortar. Os eletrodos de tungsténio se desgastam durante o processo e devem ser substituídos eventualmente. Para o corte de aços carbono, os m elhores resultados são obtidos usando-se m istu ras nitrogênio-oxigênio. Pode-se usar tam bém o ar atm osférico. A presença de oxigênio na atmosfera do plasma reduz a vida do eletrodo e, às vezes, a injeção de oxigênio se faz através de um bocal especial, após a passagem do gás de plasma pelo eletrodo de tungsténio. A qualidade de corte é sem elhante quando se usam m isturas de gases ou o ar atmosférico. No corte de não ferrosos e de aço inoxidável, usa-se, geralmente, m isturas argônio-hidrogênio ou nitrogênio-hidrogênio. 4. Técnica Operatória 0 procedimento usado para o corte é o m esm o da soldagem a plasma, consistindo de ajuste dos parâmetros operacionais, abertura do arco e deslocam ento da tocha ao longo da linha de corte, finalizando com o desligam ento do arco. As variáveis operacionais mais im portantes do processo são corrente, velocidade de corte, fluxo de gás de plasma e distância bocal-peça ou "sta n d -o ff” . O utros parâm etros im portantes são o tipo de tocha e número, diâm etro e disposição dos orifícios. As variáveis operacionais são determ inadas em função do material e da espessura a cortar. A Tabela I apresenta parâmetros típicos de corte para diferentes m ateriais e espessuras. CAPÍTULO 14 i 2 0 1 SOLDAGEM E CORTE A PLASMA 1 Tabela I - Parâmetros típicos para corte a plasma Material Espessura (mm) Diâmetro do orifício (mm) Corrente (A) Velocidade de corte (mm/s) Alumínio (a) 6 13 25 51 102 3.2 3.2 4.0 4.0 4.8 300 250 400 400 450 127 86 38 9 5 Aço inoxidável (a) 6 13 25 51 102 3.2 3.2 4.0 4,8 4,8 300 300 400 500 500 86 42 21 9 3 Aço carbono (b) 6 13 25 51 3.2 3.2 4.0 4.8 275 275 425 550 86 42 21 11 (a) Nj e Ar com adição de H2. com vazões de 45 a 100 l/min. (ver instruções do fornecedor do equipamento). (b) Ar comprimido ou t\l2 com adições de H? ou 0 2, com vazões de 90 a 140 l/min, (ver instruções do fornecedor do equipamento). Dependendo do tipo de tocha, a direção de corte pode influenciar no acabamento da peça cortada, havendo uma tendência de arredondamento da aresta superior de corte de um dos lados. Nestes casos, a orientação do sentido de corte deve ser observada para evitar perdas de material. A distância bocal-peça geralmente varia entre 6 e 16 mm. M enores velocidades de corte resultam, geralm ente, em superfícies com m elhor acabam ento. A escolha de parâmetros operacionais para uma dada aplicação deve sem pre ser feita levando-se em consideração as indicações do fabricante do equipam ento específico que vai ser usado. A Figura 3 mostra algumas peças cortadas a plasma. Figura 3 Algumas peças cortadas com plasma 737 SOIMGEM RM 9M IENR»ETECK0UGM 5. Aplicações Industriais O processo de corte a plasma pode ser usado na maioria dos metais comerciais. Em muitos casos há uma vantagem considerável em relação ao oxi-corte de aços carbono, particularmente em cortes longos e de muitas peças. Em relação ao oxi-corte de aço inoxidável com pós, as vantagens são bem mais sensíveis. Em termos práticos, o processo é aplicável a aços carbono com espessura de até 50 mm e aços inoxidáveis e alumínio com espessura até 250 mm. Bons reultados são também obtidos no corte de magnésio, cobre e algumas de suas ligas. 6. Exercícios a) Quais as diferenças entre os processos TIG e Plasma? ( b) Por que a distância entre a tocha e a peça influencia pouco a soldagem plasma? c) Quais as vantagens e limitações da soldagem com arco transferido e com arco não transferido? d) Por que é possível estabilizar um arco plasma com correntes tão baixas quanto 1 A? ( CAPÍTULO 15 SOLDAGEM MIG/MAG E COM ARAME TUBULAR A-SOLDAGEM MIG/MAG 1. Fundamentos A soldagem a arco com proteção gasosa (Gas Metal Are Welding - GMAW) é um processo em que a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento destas com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico nu. consumível, e a peça de trabalho. A proteção do arco e da região da solda contra contaminação pela atmosfera é feita por um gás ou mistura de gases, que podem ser inertes ou ativos. No Brasil, o processo é conhecido como MIG (Metal Inert Gas) quando a proteção usada é inerte ou rica em gases inertes ou MAG (Metal Activç Gas) quando o gás usado é ativo ou contém misturas ricas em gases ativos. A Figura 1 ilustra esquematicamente o processo. 234 i Tocha Poça de fusão__ Figura 1 Soldagem MIG/MAG (esquemática) A soldagem MIG/MAG é um processo normalmente sem iautom ático, em que a alim en tação de arame eletrodo é feita m ecanicamente, através de um alim entador m otorizado, e o soldador é responsável pela iniciação e interrupção da soldagem, além de m over a tocha ao longo da junta. A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua do arame eletrodo, e o com prim ento do arco é, em princípio, m antido aproxim adam ente constante peio próprio sistema, independentem ente dos m ovim entos do soldador, dentro de certos limites, nos sistemas mais com uns usados com este processo. O calor gerado pelo arco é usado para fundir as peças a serem unidas e o arame ele trodo, que é transferido para a junta e constitui o metal de adição. A soldagem MIG/MAG pode ser usada em materiais numa ampla faixa de espessura, como mostra a Tabela I, tanto em metais ferrosos com o não ferrosos. O diâm etro dos eletrodos usados varia normalmente entre 0,8 e 2,4 mm. O processo MAG é utilizado apenas na soldagem de materiais ferrosos, tendo como gás de proteção o C 0 2 ou misturas ricas neste gás, enquanto a soldagem MIG pode ser usada tanto na soldagem de ferrosos quanto de não ferrosos, com o alumínio, cobre, magnésio, níquel e suas ligas. Tabela I - Forma de preparação para diversas espessuras a soldar pelo processo M IG /M A G Espessura da chapa (mm) ► Procedimento 0,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10,0 12,7 Passe único sem preparação Passe único com preparação Passes múltiplos A soldagem MIG/MAG tem sido usada na fabricação e manutenção de equipam entos e peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no recobrim ento de superfícies metálicas com materiais especiais. CAPÍTULO 15 o n r SOLDAGEM MIG/MAG E CO M AR AM E TUBULAR [ De um modo geral, pode-se dizer que as principais vantagens da soldagem MIG/MAG quando comparada à soldagem com eletrodos revestidos são: alta taxa de deposição e alto fator de ocupação do soldador, grande versatilidade quanto ao tipo de material e espessuras aplicáveis, não existência de fluxos de soldagem e, consequentem ente, ausência de operações de rem oção de escória e limpeza e exigência de m enor habi lidade do soldador. A principal limitação da soldagem MIG/MAG é a sua maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco de soldagem, que influenciam diretamente na qualidade do cordão de solda depositado, além da necessidade de um ajuste rigoroso de parâmetros para se obter um determinado conjunto de características para o cordão de solda. A determinação destes parâmetros é dificultada pela forte interdependência destes e por sua influência no resultado final da operação. O maior custo do equipamento, a maior necessidade de manutenção deste, em comparação com o equipamento para soldagem com eletrodos revestidos, e menor variedade de consumíveis são outras limitações deste processo. A soldagem MIG/MAG e a com arame tubular (FCAW) têm sido as que apresentaram um maior crescim ento em term os de utilização, nos últim os anos, em escala mundial. Este crescim ento ocorre principalm ente devido à tendência em substituir, sem pre que possível, a soldagem manual por processos sem iautom áticos e mecanizados, para a obtenção de maior produtividade durante a soldagem. Estes processos têm se mostrado os mais adequados, dentre os processos de soldagem a arco, à soldagem autom ática e soldagem com utilização de robôs. Na soldagem com eletrodos consumíveis. o metal fundido na ponta do eletrodo tem que se transferir para a poça de fusão. O m odo de ocorrência desta transferência é m uito im portante na soldagem MIG/MAG, pois afeta m uitas características do processo, como, por exemplo: a estabilidade do arco, a quantidade de gases (principalmente hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) absorvida pelo metal fundido, a aplicabilidade do processo em determ inadas posições de soldagem e o nível de respingos gerados. De uma forma sim plificada, pode-se considerar que existem quatro form as básicas de transferência de metal de adição do eletrodo para a peça: transferência por curto-circuito, transferência globular, transferência por "spray" ou aerosol e transferência controlada. Estudos feitos com o uso de câmeras film adoras e sistemas de aquisição de dados de alta velocidade têm sido feitos e mostram que diversas outras form as de transferência podem ocorrer, dependendo do material, do gás de proteção e dos parâmetros de soldagem. A seguir, os quatro m odos principais de transferência de metal do eletrodo para a peça serão apre sentados de form a sim plificada. A transferência por curto-circuito ocorre quando se usam baixos valores de tensão e corrente e é o m odo norm alm ente usado para soldagem fora de posição (posições diferentes da posição plana) ou na união de peças de pequena espessura, quando baixa energia de soldagem é necessária. Uma gota de metal se forma na ponta do eletrodo e vai aumentando de diâm etro, até tocar na poça de fusão, sendo rapidam ente atraída para esta, com o consequência da ação da tensão superficial. Este m odo de transferência caracteriza-se por uma grande instabilidade no arco, podendo apresentar a formação intensa de respingos. Entretanto, a quantidade de respingos pode ser limitada pela sele ção adequada de parâmetros de soldagem e ajuste da indutância na fo n te de energia, de form a que os curto-circuitos ocorram de form a suave, com um valor m áxim o de corrente durante o curto-circuito lim itado e de m odo que a ponta do eletrodo fique parcialmente mergulhada na cratera da poça de fusão. A Figura 2 (a) m ostra a form ação e transferência de uma gota metálica e a parte (b) m ostra variações típicas da tensão e da corrente de O qC' L ° U I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA soldagem de uma sequência de curto-circuito. De um m odo geral, a estabilidade do arco e do-processo aumenta com a frequência de curto-circuito, até um certo lim ite. ms ICO C/> c 0 Tempo (ms) (b) Figura 2 Transferência por curto-circuito (a) e variação da corrente e tensão de soidagem durante o processo (b) A transferência globular ocorre com valores interm ediários de tensão e corrente de soldagem e resulta em arco mais estável que no caso anterior, contudo, a transfe rência é mais caótica e im previsível. O diâm etro m édio das gotas transferidas varia com a corrente, tendendo a dim inuir com o aum ento desta, mas, em geral, é m aior que o diâm etro do eletrodo. A transferência globular é caracterizada por um nível de respingos relativam ente elevado e, com o gotas de metal fu n d id o se transferem principalm ente por ação da gravidade, sua utilização estaria limitada à posição plana, mas. em função de seu caráter casuística, é evitada. A Figura 3 (a) m ostra uma transferência globular e a parte (b) m ostra a variação típica da corrente com este m odo de transferência. CAPÍTUL015 | 9 Q 7 SOLDAGEM MIG/MAG E COM AR AM E TUBULAR / 0 2 6 4 8 10 ms (a) Tem po (m s) (b) Figura 3 (a) Transferência globular (b) e variação da tensão de soldagem durante o processo À medida que se aumenta a corrente de soldagem , o diâmetro médio das gotas de metal líquido que se transferem para a peça dim inui, até que, acima de uma certa faixa relativam ente estreita de valores, conhecida com o "corrente de transição", há uma m udança brusca no m odo de transferência, que passa de globular para "spray" ou aerosol. Neste modo, as gotas de metal são pequenas, com diâmetro menor que o do eletrodo e seu número bastante elevado. A Figura 4 mostra uma transferência por "spray" e com portam ento típico da tensão e da corrente. A transferência por "spray” só ocorre para determinados gases ou misturas de gases de proteção, e a Tabela II mostra alguns valores da corrente de transição. Na transferência por "spray", o arco é bastante estável, praticam ente não há ocorrência de respingos e o cordão obtido é suave e regular. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3 ms T e m p o (m s ) (b) Figura 4 (a) Transferência "spray" (b) e variação típica da tensão de soldagem durante o processo CAPÍTUL015 SOLDAGEM MIG/MAG E COM ARAM E TUBULAR Tabela II - Corrente de trar.sição globular "sp ray " para diferentes materiais e diâmetros de arame Material Aço carbono Aço inoxidável Alumínio Cobre desoxidado Diâmetro do arame (mm) G ás de proteção Corrente de transição (A) 0,8 Argônio 2% Oxigênio 150 1.0 Argônio 2% Oxigênio 165 1.2 Argônio 2% Oxigênio 220 1.6 Argônio 2% Oxigênio 275 0,8 Argônio 2% Oxigênio 170 1.2 Argônio 2% Oxigênio 225 1.6 Argônio 2% Oxigênio 285 0.8 Argônio 95 1.2 Argônio 135 1.6 Argônio 180 0.8 Argônio 180 1,2 Argônio 210 1.6 Argônio Argônio 310 1.2 Argônio 205 1.6 Argônio 270 0.8 Bronze silício 165 Na transferência por "spray"as gotas m etálicas sofrem a ação de várias forças de origem eletrom agnética, que se sobrepõem à ação da força gravitacional e, assim, em princípio, este m étodo seria aplicável a qualquer posição de soldagem. Entretanto, com o esta transferência só é possível com correntes relativamente elevadas, não pode ser usada na soldagem de chapas finas, e sua utilização fora da posição plana pode ser problemática, devido ao tamanho elevado da poça de fusão, de difícil controle. Na soldagem com fontes eletrônicas é possível obter outros m odos de transferência que podem ser obtidos pela introdução de perturbações controladas na corrente de soldagem e/ou na alim entação de arame. Estas perturbações têm com o objetivo obter uma transferência controlada de metal de adição com as características desejáveis da transferência por "spray", mas com níveis bem mais baixos de corrente média, de form a a perm itir sua utilização na soldagem de chapas finas ou fora da posição plana. A transferência controlada mais usada é a pulsada, que é um tipo de transferência aproxim adam ente globular, porém mais estável e uniform e, conseguida pela pulsação da corrente de soldagem em dois patamares, um inferior à corrente de transição e outro superior a esta, de m odo que durante o período de tem po em que a corrente é baixa uma gota se form a e cresce na ponta do arame e esta é transferida quando o valor da corrente salta para o valor elevado. Uma limitação deste m odo de transferência é a introdução de novas variáveis (de pulsação) no processo MIG/MAG, dificultando ainda mais a seleção e otim ização de parâm etros para soldagem . . Para superar essa dificuldade, foram desenvolvidas fontes de energia com controle apenas por um botão, com o nas fontes convencionais, nas quais os parâmetros de pulso da corrente de soldagem são otim izados de form a a garantir a transferência de uma gota por pulso, independentem ente da corrente média de operação. A Figura 5 mostra uma transferência controlada e a variação da corrente de soldagem durante o processo. o q q ^ 0 3 2 4 0 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA I 0 i 8 l 16 (a) I 24 I 32ms Tempo (ms) (b) Figura 5 ia) Transferência controlada pulsada (b) e a variação.da corrente de soldagem Diferentes m odos de controle podem ser usados para se conseguir uma transferência controlada de metal de adição. Para um processo que utiliza eletrodo consumível e que opere de uma form a estável, dois requisitos básicos devem ser satisfeitos: (i) a velocidade de alim entação do arame (f) deve ser igual à velocidade média de fusão do m esm o (w), isto é: f = w; (eq. 1 ) (ii) o metal fundido form ado na ponta do arame deve ser transferido para a poça de fusão sem causar fortes perturbações no processo. A seguir, são apresentadas e discutidas algumas form as pelas quais estes requisitos podem ser satisfeitos, tanto, na soldagem MIG/MAG convencional com o em recentes variações do processo. A soldagem MIG/MAG convencional é geralm ente realizada com uma fo n te com característica estática de saída tipo tensão constante (ver Capítulo 5) em conjunto com um alimentador de arame de velocidade constante. Neste tipo de sistema, a tensão (e, consequentemente, o com prim ento do arco) e a velocidade do arame permanecem aproxi madamente constantes durante a operação de soldagem, enquanto os valores de corrente e com prim ento onergizado do eletrodo resultam daquelas e da distância da tocha à peça. Assim, qualquer perturbação nas condições de soldagem é absorvida principalmente por alterações na corrente e no comprimento energizado do eletrodo. Esta capacidade de manter o comprimento do arco de soldagem relativamente constante e a fácil abertura do arco são as principais razões da grande popularidade, ainda hoje, desta forma de operação. Na soldagem com transferência por curto-circuito, um aumento muito rápido na corrente durante o período de curto-circuito pode ocasionar a ruptura explosiva da ponte líquida entre CAPÍTULO 15 9 / | , SOLDAGEM MltVMAG E COM ARAME TUBUlAR j o eletrodo e a poça de fusão e causar a formação de respingos. Na soldagem convencional, controla-se a taxa de aumento da corrente, variando-se a inclinação da curva característica da máquina ou o seu tem po de resposta dinâm ica (norm alm ente através do aumento de indutância em série com o arco). Uma dificuldade com esta forma de operação é que o equilíbrio dinâmico do sistema é garantido por variações na corrente de soldagem, que é uma das variáveis mais im portantes para d e term in ar as características do cordão. Em soldagem com corre nte pulsada, a esta bilida de da transferência de m etal de adição depende fo rte m e n te do valor da corrente de pulso e sua duração (Figura 6 ). Figura 6 Relação entre os parâmetros de pulso e a transferência de metal: (a) várias gotas por pulso, (b) uma gota por pulso, (c) uma gota para vários pulsos e (d) transferência globular. (Ip- corrente de pico e t - tempo de pico) Assim, garantir que valores adequados para a corrente e o tem po de pulso sejam m antidos durante a operação de soldagem pode ser problem ático para equipam entos que fornecem corrente pulsada, mas têm controle eletrônico convencional. O desenvolvim ento de novas fon te s de energia controladas eletronicam ente permitiu uma revolução nos métodos de controle utilizados em soldagem. Esta revolução tem sido particularm ente im portante para o processo MIG/MAG pulsado, em que a seleção de parâmetros de soldagem é com plicada pela necessidade de se especificar parâmetros extras ligados à estrutura do pulso para se garantir uma operação estável. Algumas das técnicas utilizadas ou propostas para o controle do processo de soldagem MIG/MAG serão apresentadas a seguir. 1.1 - Controle sinérgico Esta form a de controle foi inicialm ente desenvolvida no The Welding Institute (Ingla terra) na década de 1960, para equipam entos de ajuste único fo n e -kn o b machine") para 9/19 i SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA o processo MIG/MAG pulsado, embora, atualm ente, o princípio tenha sido estendido para outras form as de operação, em particular, para a soldagem com transferência por curto-circuito. O term o engloba um grupo de técnicas de controle, nas quais o valor e a estrutura da corrente são determ inados pela velocidade desejada de alimentação do arame, ou a velocidade do arame e a estrutura da corrente são escolhidos em função da corrente média selecionada (Figura 7). Figura 7 O controle sinérgico Geralmente, um sensor da velocidade de alim entação do arame fornece o sinal para controle da saída da fonte de energia. A relação entre parâmetros de pulsação da corrente fornecida pela fonte e a velocidade do arame é determinada por um conjunto de regras que form am o algoritm o sinérgico. Diferentes algoritm os têm sido desenvolvidos e apre sentados na literatura, tanto para soldagem pulsada com o em curto-circuito. Esta form a de controle tem recebido uma maior aceitação nos últim os anos, e o term o "MIG sinérgico" atualmente engloba outras form as de controle associadas ao processo MIG/MAG. 1.2 - Controle pela tensão ou comprimento do arco Uma form a de controle alternativa tem sido proposta, na qual um sinal de controle derivado da tensão do arco é usado para controlar a saída da fo n te de energia (Figura 8 ). Este sistema simula, por mecanismos diferentes, a capacidade de autorregulagem do com prim ento do arco apresentada por sistem as operando em tensão constante e, portanto, sofrem de algumas das limitações desta form a de cperação, C A rtlU lO 15 SOLDAGEM MiG/MAG E COM ARAM E TUBULAR Alim entador Sensor i Arco Figura 8 O controle pela tensão do arco 1.3 - Controle CVCC ("Constant-Voltage/Constant-Current") Esta técnica foi implementada para melhorar a capacidade de autoajuste do comprimento do arco na soldagem MIG/MAG pulsada, sem, contudo, prejudicara transferência de metal. Para isso, opera-se com uma característica de corrente constante durante o período de base e com uma característica de tensão constante durante o período de pico (Figura 9). Figura 9 Diagrama esquemático do controle CVCC. Arco, Base e Pulso indicam, respectivamente, as curvas características do arco e dos períodos de base e pico. Ip - Corrente de pico, lb - Corrente de base Desta form a, o com prim ento de arco passá a ser ajustado por variações na corrente durante o período de pico e, para se prevenir que estas variações influenciem de forma significativa a transferência de metal, este tipo de sistema opera com pulsos de curta duração e alta intensidade de corrente, os quais são m enos sensíveis a variações de cor rente (ver Figura 6 ). Fontes de energia com esta form a de operação para soldagem MIG/ MAG pulsada têm se tornado particularm ente populares na Europa. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 1.4 - Controle adaptativo Esta técnica envolve a medição, durante a soldagem, de diferentes sinais, tais como, va riações de corrente, tensão, nível de luminosidade do arco. perfil ótico ou acústico da poça de fusão etc. Estes sinais são processados, interpretados em termos de características do pro cesso e enviados para o sistema de controle. O resultado obtido em um determinado instante é comparado com um resultado esperado, e diferenças são corrigidas através de mudanças nos parâmetros de operação baseadas em algum modelo teórico ou empírico. Em princípio, diversas variáveis do processo (comprimento do arco, velocidade de soldagem, orientação da tocha, velocidade do arame, posicionamento ao longo da junta, controle da fusão, enchimento da junta, formação de defeitos etc.) podem ser ajustadas. Alguns sistem as já foram sugeridos, nos quais monitoração em tem po real de alguns aspectos do processo pode ser utilizada para o controle das condições de soldagem e acom panham ento da junta. Entre as técnicas de monitoração utilizadas podem-se citar, por exemplo, a m onitoração através de parâm etros do arco, sensores indutivos e o em prego de m étodos óticos. O modo de transferência do metal do eletrodo para a peça é influenciado pelo tip o e valor da corrente de soldagem , pela tensão e polaridade no arco, pelo diâmetro, co m p o sição química e extensão energizada do eletrodo ("stickout"), pelo processo de soldagem e pelo tipo de gás de proteção usado. 2. Equipamentos O equipamento básico para a soldagem MIG/MAG é com posto de uma fonte de energia, um alim entador de arame, uma tocha de soldagem e uma fon te de gás protetor, além de cabos e mangueiras, como mostra a Figura 10. Dispositivos auxiliares como posicionadores e sistemas de m ovim ento da tocha podem ser usados na soldagem mecanizada. Tocha Alimentador de arame Arame Fonte de energia Cab os (-) Figura 10 Equipamento básico para a soldagem MIG/MAG CAPÍTUL015 I ' j a c SOLDAGEM MlO/MAG E COM ARAME TUBULAR | t O Na soldagem MIG/MAG. existem duas alternativas básicas de se conseguir que a velocidade de consum o (de fusão) do eletrodo seja, em média, igual à velocidade de alimentação, de m odo que o com prim ento do arco permaneça relativamente constante: perm itir que o equipam ento controle a velocidade de alimentação, de m odo a igualá-la à velocidade de fusão, ou manter a velocidade de alimentação constante e perm itir variações nos parâmetros de soldagem, de m odo a manter a velocidade de consum o aproximada mente constante e, em média, igual à velocidade de alimentação. No prim eiro caso, trabalha-se com uma fonte do tipo corrente constante, que resulta em uma velocidade de fusão aproxim adam ente constante, com um alim entador de ara me com velocidade de alim entação variável, controlada pelo equipamento, de forma a manter o com prim ento do arco estável. Este controle é feito pela comparação da tensão do arco, a cada instante, com um valor de referência, e pela alteração de velocidade de alimentação de form a a com pensar diferenças observadas entre a tensão instantânea no arco e a tensão de referência. Por exemplo, se um dado instante o soldador afasta a tocha de soldagem da peça, provocando um aum ento indesejável no com prim ento do arco de soldagem , este aum ento provocará uma elevação na tensão do arco, que ficará maior que a tensão de referência, provocando um aum ento da velocidade de alimentação de arame e o restabelecim ento da condição inicial. No segundo caso, utiliza-se uma fonte do tipo tensão constante e um alim entador de arame com velocidade de alim entação constante. Este tipo de equipam ento tende a manter o com prim ento do arco estável, com o m ostrado na Figura 11. Pode-se observar que variações no com prim ento do arco, que são sem pre acompanhadas de variações na tensão deste, tendem a causar grandes variações na corrente de soldagem de forma que, se em um dado instante o arco se tornar maior que o valor do equilíbrio, a corrente de soldagem será reduzida, de m odo que a velocidade de consum o cai, e o com prim ento do arco tende a voltar ao valor original. Um raciocínio sim ilar é usado quando o com prim ento do arco dim inui m om entaneam ente. Tensão Figura 11 Controle intrínseco do comprimento do arco Este segundo tipo de sistema é mais barato e mais simples, e apresenta bons resul tados com arames mais finos (até 3,2 m m de diâmetro). No mercado nacional existem 9 AR " V ' SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA diferentes fontes e alimentadores de arame disponíveis, que atendem a uma faixa de necessidades bastante ampla. Quanto à constituição interna, as fontes convencionais são geralm ente do tipo transformador-retificador, uma vez que este processo utiliza corrente contínua, ou geradores (pouco usados), e é possível ajustar a tensão de saída numa faixa de aproximadam ente 18 a 50 Volts. A alimentação destas máquinas é norm alm ente trifásica. Os alimentadores de arame norm alm ente são acionados por um m otor de corrente contínua e fornecem arame a uma velocidade constante, ajustável numa ampla faixa. Não existe qualquer dependência entre o alim entador e a fon te de energia, entretanto, ajustando-se a velocidade de alimentação de arame, ajusta-se a corrente de soldagem fornecida pela máquina, devido às características da fonte e do processo. O arame é passado entre um conjunto de roletes, cham ados de roletes de alimentação, que podem estar próximos ou longe da tocha de soldagem , e, dependendo da distância entre o carretel de arame e a tocha de soldagem , um ou outro tipo de alim entador apresenta melhores resultados. A manutenção de uma taxa de alim entação de arame constante e reprodutível tem sido um dos grandes problemas na soldagem sem iautom ática ou mecanizada a arco, particularmente nos processos MIG/MAG e FCAW. Assim , variações na distância entre o alimentador e a tocha, dobras ou curvas no tubo conduíte, que conduz o arame eletrodo do alim entador até a tocha, pequenas variações no diâm etro do arame ou do furo no bico de contato etc. causam uma resistência variável à passagem do arame e. conse quentemente, podem causar alterações na velocidade de alimentação. Adicionalm ente, arames de pequeno diâm etro (por exem plo, de D,8 mm) ou de material m acio podem ser facilm ente flam bados entre os roletes de alim entação e a entrada do tub o conduíte, causando a interrupção de sua alimentação. Outros problem as associados com varia ções na tensão da rede, acúmulo de detritos no interior do conduíte, desgaste do bico de contato etc. podem tam bém causar variações inesperadas na taxa de alim entação e, portanto, resultar em uma solda irregular. Apesar destas deficiências, relativam ente poucas alterações têm sido propostas no projeto e construção dos alim entadores de arames desde o início da utilização dos processos de soldagem com arame consum ível. Equipam entos com do is pares de roletes foram inicialm ente introduzidos para reduzir a pressão sobre arames tubulares ou de materiais macios e, assim, reduzir a chance destes serem amassados durante a sua passagem entre os roletes. Na década de 1990, diferentes tipo s de com ando eletrônico foram introduzidos em alimentadores de arame. Estes com andos têm perm itido um controle m uito mais preciso e consistente da velocidade de alimentação de arame, e podem atuar de form a a elim i nar ou minimizar a influência de diversos dos problem as citados acima. Adicionalm ente, sistemas eletrônicos têm sido utilizados para perm itir a com unicação entre o alim entador de arame e a fonte de energia, de form a a im plem entar diferentes estratégias de controle em soldagem, com o se viu anteriormente. Alimentadores de arame planetários foram propostos na década de 1970, e vários destes sistemas foram patenteados em diversos países. Estes representam uma mudança significativa de projeto em relação aos sistemas convencionais de alimentação, e inúmeras vantagens têm sido atribuídas a eles. Estas incluem, por exemplo: uma m elhor qualidade superficial do arame e, portanto, m enor desgaste do bico de contato, m enor tamanho e peso, menor atrito do arame com o conduíte e possibilidade de aceitar diretam ente CAPÍTUL015 j -jA-j SOLDAGEM MIG/MAG E COM ARAME TUBULAR ' arames de diferentes diâmetros. Apesar de todas estas vantagens, sistem as planetários comerciais são ainda relativamente raros. A Figura 12 mostra um alim entador de arame típico para soldagem MIG/MAG e detalhe dos sistemas com um ou dois pares de roletes de alimentação. (a) (b) (c) Figura 12 Alimentador de arame (a) e sistema com um (b) e dois pares de roletes de alimentação (c) A tocha de soldagem consiste basicamente de punho ou suporte, que sustenta um bico de contato, que faz a energização do arame eletrodo, de um bocal que orienta o fluxo de gás protetor e de um gatilho de acionam ento do sistema. O bico de contato é um tubo à base de cobre, cujo diâm etro interno é ligeiram ente superior ao diâm etro do arame eletrodo, e serve de contato elétrico deslizante. O bocal é feito de cobre ou m ate rial cerâmico, e deve ter um diâm etro compatível com a corrente de soldagem e o fluxo de gás a serem usados numa dada aplicação. O gatilho de acionam ento m ovim enta um contactor que está ligado ao primário do transformador da máquina de solda, energizando o circuito de soldagem, além de acionar o alimentador de arame e uma válvula solenoide, que comanda o fluxo de gás pro te tor da tocha. As tochas para soldagem MIG/MAG podem ser refrigeradas a água ou pelo próprio gás de proteção, dependendo de sua capacidade e do fator de trabalho. Quanto ao form ato, elas podem ser retas ou curvas, do tipo "pescoço de ganso", para m elhor manejabilidade. A Figura 13 mostra uma tocha de soldagem MIG/MAG. Figura 13 Tocha de soldagem MIG/MAG A fonte de gás consiste norm alm ente de ufn cilindro do gás ou m istura de gases a serem usados na proteção do cordão de solda e reguladores de pressão e/ou vazão. Em oficinas com um grande núm ero de equipam entos, podem ser usadas instalações centralizadas para armazenamento e distribuição de gases. As válvulas solenoide para abertura e fecham ento do fluxo de gás são colocadas geralm ente no alim entador de arame ou na fonte de energia. Como na soldagem TIG, m isturadores de gases tam bém podem ser usados. 2 4 8 PUNOAMSCTOS e t e c n o l q c m 3. Consumíveis Os principais consumíveis utilizados na soldagem MIG/MAG são o arame eletrodo, gás de proteção e, quase sempre, um líquido .para proteção da tocha e regiões adjacentes à solda contra adesão de respingos. Os arames para soldagem são constituídos de metais ou ligas metálicas que possuem composição química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas. Arames de má qualidade, em termos dessas propriedades citadas, podem produzir falhas de alimentação, instabilidade no arco e descontinuidades no cordão de solda. Os arames de aço para soldagem MIG/MAG e a arco submerso são tradicionalmente cobreados. A justificativa comumente dada para esse tipo de revestimento é que a camada de cobre protege o arame contra a corrosão e melhora o contato elétrico entre este e o bico de contato na tocha de soldagem. O cobreamento é uma forma de revestimento catódico, isto é, o elemento protetor deve ser mais nobre que o protegido, e sua atuação protetora se dá pela formação de uma camada contínua que o isola do meio corrosivo, devendo, entretanto, ter uma certa espessura mínima. Os métodos mais importantes para a produção industrial de fios de aço revestidos com cobre são a deposição eletrolítica e a química. Nestes processos são utilizados produtos químicos corrosivos e/ou ácidos, que têm grande probabilidade de ficarem retidos nas irregularidades superficiais do arame nos diversos estágios da fabricação, favorecendo a corrosão do aço e/ou do cobre e a formação de pilhas galvânicas, que, por sua vez, provocam uma intensa corrosão localizada. Assim, os arames de aço. a não ser que apresentem uma camada contínua, uniforme e com uma espessura mínima adequada de cobre, devem apresentar uma resistência à corrosão inferior à de arames sem este revestimento. Esta diferença de comportamento é mais notada durante a estocagem dos arames cobreados sem a adoção de medidas adequadas, como a minimização da umidade e/ou uso de embalagens seladas. Arames cobreados estocados em ambientes inadequados apresentam corrosão superior à de arames não cobreados, em certas condições. Encontram-se no mercado internacional arames não cobreados ou com baixo teor de cobre para soldagem MIG/MAG. Resultados experimentais mostraram que não há grandes variações de comportamento e estabilidade do processo na soldagem com ara mes cobreados e não cobreados. Entretanto, quando se usam arames não cobreados, o desgaste do bico de contato parece ser maior. Do ponto de vista de higiene, arames não cobreados parecem ser mais saudáveis. Deve ser lembrado que os arames tubulares, em geral, não são cobreados. Os arames de aço usados com proteção de C 0 2 contêm maiores teores de silício e manganês em sua composição, devido à sua ação desoxidante. A seleção do arame a ser usado numa dada operação é feita em termos da composição química do metal de base, do gás de proteção a ser usado e da composição química e propriedades mecânicas desejadas para solda. A Tabela III relaciona as especificações AWS de arames para a soldagem MIG/MAG de diferentes materiais. CAPÍTUL015 U j i q SOLDAGEM MKVMAGE COM ARAME TUBUIAB I Tabela III - Especificações AWS de materiais de adição para soldagem MIG/MAG Consumível Especificação AWS A 5.7 Arames de cobre e suas ligas AWS A 5.9 Arames de aço inoxidável AWS A 5.10 Arames de alumínio e suas ligas AWS A 5.14 Arames de níquel e suas ligas AWS A 5.15 Arames para soldagem de ferro fundido AWS A 5.16 Arames de titânio e suas ligas AWS A 5.18 Arames e arames tubulares de aço carbono com pó metálico interno AWS A 5.19 Arames de magnésio e suas ligas AWS A 5.20 Arames tubulares de aço carbono com fluxo interno AWS A 5.21 Arames para revestimento AWS A 5.22 Arames tubulares para soldagem de aço inoxidável AWS A 5.24 Aramès para a soldagem de zircônio AWS A 5.26 Arames de aços de baixa liga Os arames para soldagem de aços, em geral, podem ter seção inteiramente metálica, chamados arames sólidos, ou ser do tipo tubular, formado por uma camada metálica fechada, e ter um enchimento interno. Este pode ser um fluxo convencional, similar ao usado na soldagem com eletrodos revestidos (Capítulo 12). e. neste caso, é chamado arame tubular ou então ser uma mistura de pós metálicos, sem um nome específico em português, quase sempre sendo referido como arame tubular com pó metálico. Em inglês utilizam-se as denominações "flux cored" e "metal cored". respectivamente, para os dois tipos de arame, principalmente na Europa. Nos Estados Unidos os arames tubulares com pó metálico interno são designados por "composite". Os arames tubulares preenchidos com fluxo podem ainda ser do tipo autoprotegidos, quando o fluxo interno é capaz de gerar toda a proteção gasosa necessária ao processo, ou com proteção gasosa suplementar. A soldagem com arames tubulares será tratada na segunda parte deste capítulo. A classificação dos arames para soldagem de aços pelas especificações AWS A 5.18 e A 5.28. que engloba os arames sólidos e os arames com enchimento metálico, tem o seguinte formato: Indica opcionalmente o teor de difusivel (ml/100g de metal depositado.) Rode ser 2.4 .800 16 Indica requisitos de composição química do eletrodo ou do metal depositado. Ver tabela V. Podò ser “S" para arame sólido ou “C" para arame tubular com enchimento metálico ______ ---------- Indica o limite de resistência mínimo d o ______ metal depositado em ksi (2 ou 3 dígitos) ou em MPa (3 dígitos). Ver tabela IV. Eletrodo para soldagem a arco (E) e/ou vareta (R) I * AWS ER XXXA - Y YY HZ afã ^ 3 " FUNOAMDfTOSCnCMOlOeiA Tabela IV - Resistência mecânica do meta) de solda* G ás de Um . de resistência Lim. de escoamento Alongam ento % m ínim o psi MPa proteção psi M Pa Classificação ER 70S-2 a 7 CO, 70.000 480 58.000 400 22 75.000 515 58.000 400 19 ER 70S-B2L ER 70C-B2L 80.000 550 68.000 470 19 ER 90S e 90C 90.000 620 78.000 540 17 ER100S 100.000 690 88.000 610 16 ER110Sou110C 110.000 760 95.000 660 15 ER120Sou 120C 120.000 830 105.000 730 14 ER 80S e 80C Ar/1-5%0, *- Tabela simplificada. Consultar a Especificação AWS para outras informações e retrições. Tabela V - Requisitos de composição química para o arame ou metal de solda (% peso)# C Mn Si ER 70S-2 0.07 0,9-1.4 0,40-0,70 ER70S-3 0.06-0.15 0,9-1,4 0,45-0,75 ER70S-4 0,06-0,15 1,0-1.5 0,65-0.85 ER70S-6 0,06-0,15 1.4-1.8 0.80-1.15 E70S-7 0,06-0,15 1,5-2,0 0,50-0,80 ER80S-B2 0.07-0,12 0,40,7 0,40-0,70 ER80S-B6 0.10 0,4-0,7 0,50 ER90S-B9 0,07-0,13 1.25 0.15-0.30 Classificação P S Ni Cr Mo V Cu 0.025 0,035 0.15 0.15 0,15 0,03 0.50 0,20 1.2-1.5 0,40-0,65 - 0.35 0.60 4,56,0 0,450.65 - 0.35 . 1,0 8.0-9.5 0,80-1,10 0,15-0,25 Não especificado E 70S-G 0.025 0.025 0,20 ER100S-1 0,08 1,2-1,8 0.20-0,55 1.4-2.1 0.30 0,25-0,55 ER110S-1 0,09 1.4-1,8 0,200.55 1,9-2,6 0.50 0,250,55 0.4 ER120S-1 0,10 1.4-1.8 0,25-0,60 2.0-2.8 0.60 0.30-0,65 0,3 ER 70C-3X* 0,12 1.75 0,90 0.03 0.50 0.20 0,30 0.08 0.50 E80C-B2 0,05-0,12 0,4-1.0 0,25-0.60 0,025 0.030 0.20 1.0-1.5 0.400,65 - 0,35 E80C-B3L 0,05 0,4-1.0 0,250,60 0.025 0,030 0.20 2.0-2.5 0,90*1,20 - 0,35 0.90-1.20 0.150,25 0,35 E90C-B3 0,5 0.010 0.05-0,12 0,4-1.0 0.25-0,60 0,025 0.03 0.030 0.20 2.0-2.5 0.25 * - Tabela simplificada. Consultar a especificação AWS para outras informações e restrições. Valores únicos indicam teores máximos. * - Este digito pode ser um C. proteção com 100% C02 ou um M proteção com misturas Ar-COz com teor de Ar entre 75 e 80%. CArtimo« U m SOÍIM&EM MG/MAS E COMARAME TUBULAR p 3 1 Os gases utilizados na soldagem MIG/MAG podem ser inertes ou ativos ou, ainda, misturas destes. O tipo de gás influencia as características do arco e a transferência de meial, a penetração, a largura e o formato do cordão de solda, a velocidade máxima de soldagem, a tendência ao aparecimento de mordeduras e o custo da operação. Os gases inertes puros são usados principalmente na soldagem de metais não ferrosos, particularmente os mais reativos, como o alumínio, o magnésio e o titânio. Na soldagem de ferrosos, a adição de pequenas quantidades de gases ativos (contendo oxigênio) melhora sensivelmente a estabilidade do arco (a presença de óxidos facilita a emissão de elétrons) e a transferência de metal. O custo da soldagem de aços carbono e de baixa liga pode ser reduzido com o uso de CO^O££>2 é inerte à temperatura ambiente, mas nas temperaturas elevadas do arco elétrico de soldagem ele se decompõe em CO e O, tornando-se ativo. As misturas de gases, tanto ativos quanto inertes, em diferentes proporções, permitem melhores condições de soldagem em determinadas condições. Os principais gases e misturas utilizados na soldagem MIG/MAG são mostrados na Tabela VI. Tab8la VI - Gases e misturas usados na soldagem MIG/MAG Gás ou mistura Comportamento químico Aplicações Argônio Inerte Quase todos os metais, exceto aço Hélio Inerte Al, Mg, Cu e suas ligas. Alta penetração Ar + He (20-50% ) Inerte Idem He, mas melhor que 100% He Nitrogênio - Cobre, maior energia de soldagem Ar + 20-30% N, — Idem Nj, mas melhor que 100% N2 Ar + 1 - 2% 0 2 Ligeiramente oxidante Ar + 3 - 5% Oj Oxidante Aços carbono e alguns aços de baixa liga C02 Oxidante Aços carbono e alguns aços de baixa liga Ar + 20-50% CO, Oxidante Aços Ar + COj + 0 2 Oxidante Aços Aços inoxidáveis e algumas ligas de Cu De um modo geral, na soldagem com He e C 02 têm-se maiores quedas de tensão e maior quantidade de calor gerado no arco elétrico, para uma mesma corrente e distância eletrodo-peça, em relação ao argônio, devido à maior condutividade térmica dos dois primeiros. De modo geral, misturas contendo He são usadas na soldagem de peças de maior espessura ou de materiais com alta condutividade térmica. Nos últimos anos, foi observado que misturas gasosas ternárias ou mesmo multicomponehtes específicas apresentam melhores resultados numa operação de soldagem em condições particulares. Assim, misturas específicas têm sido propostas para a soldagem de áços inoxidáveis austeníticos, filete vertical em aço carbono, soldagem robòtizada etc., resultando em menor consumo, melhor penetração, menor nível de respingos, perfil de cordão mais adequado, entré outros. Estas misturas têm como base o argônio, o C02, o oxigênio e o hélio, podendo, ainda, conter nitrogênio ou hidrogênio. Os componentes e a proporção de mistura são otimizados para cada aplicação e. de modo geral, constituem segredo industrial dos diversos fornecedores. A especificação AWS A 5.32 trata dos gases de proteção para soldagem. FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A Figura 14 mostra a seção transversal típica de cordões de solda feitos com diferentes gases e misturas. Figura 14 Perfil típico de cordões de solda feitos com diferentes gases e misturas O líquido antirrespingos é fornecido em pequenas em balagens do tipo aerosol e, norm alm ente, é depositado em finas camadas sobre o bocal e o bico de contato da tocha de soldagem . Algum as vezes ele tam bém é usado no metal de base, em regiões próximas da junta, com a finalidade de facilitar a remoção de respingos de solda. Deve-se, entretanto, observar que m uitos destes líquidos são hidrogenados e podem, em certos casos, contribuir para a form ação de descontinuidades de soldagem e outros possuem silicone, que dificulta a posterior pintura da peça soldada. 4. Técnica Operatória A habilidade manual requerida do soldador no processo MIG/MAG é m enor que na soldagem com eletrodos revestidos, já que a alimentação de arame é mecanizada, dispen sando o m ovim ento de m ergulho do eletrodo em direção à peça. Entretanto, a otimização de parâmetros é mais difícil de ser conseguida, devido ao maior número de variáveis deste processo e à maior interdependência destas, como explicado anteriormente. A abertura do arco se dá por toque do eletrodo à peça. Para início da operação, a tocha deve ser aproximada da peça e acionado o gatilho de disparo, dando início à alim entação de arame e de gás de proteção e à energização do circuito de soldagem. Após a abertura do arco, aguarda-se a form ação da poça de fusão e seu crescim ento até um tamanho adequado, quando se inicia o m ovim ento de translação ao longo da junta, com velocidade uniform e e, se for o caso, do m ovim ento de tecim ento com binado. Ao final da operação, simplesmente se solta o gatilho da tocha, interrompendo a corrente de soldagem a alimentação de arame e o fluxo de gás, extinguindo-se o arco elétrico. As principais variáveis do processo MIG/MAG são a tensão, a corrente e a polaridade do arco de soldagem, a velocidade de deslocamento, a vazão de gás protetor e o diâmetro e o comprimento do eietrodo percorrido pela corrente elétrica, conhecido como "stickout". O diâm etro do eletrodo é escolhido principalm ente em função da espessura do metal de base. da posição de soldagem e outros fatores que influenciam o tamanho da poça de fusão e da solda e/ou a quantidade de calor que pode ser cedida à peça (energia de solda gem). Para cada diâm etro de arame existe uma faixa de corrente de soldagem adequada. 15 1 o c o c a p ítu lo S O IÜ A KM MIG/MAG E COM ARAME TUBUlAfi 1 de forma que o arco apresente boas condições de operação. A Tabela VII mostra essas faixas de corrente, para arames de diferentes materiais. Tabela VII - Faixas de corrente utilizáveis com arames de diferentes diâmetros e de diferentes materiais Diâmetro do eletrodo (mm) Faixa de corrente (A) Aço carbono e de baixa liga 0.8 1,0 1.2 1.6 2,4 3.2 7 0 -1 8 0 90 - 220 1 0 0 -2 7 0 1 9 0 -3 6 0 280 - 490 270 - 580 Aço inoxidável austenítico 0.8 1.0 1.2 1.6 2.4 6 0 -1 8 0 80 - 200 90 - 260 1 7 0 -3 2 0 250 - 450 Alumínio 0.8 1.2 1.6 2.4 7 0 -1 5 0 80 - 200 1 2 0 -3 0 0 1 8 0 -3 5 0 Cobre 0,8 1.2 1.6 7 0 -1 7 0 90 - 250 1 5 0-40 0 Material ( O processo MIG/MAG utiliza normalmente corrente contínua e polaridade inversa, eletrodo positivo, que resulta em maiores penetração e estabilidade de arco. Polaridade direta pode eventualmente ser usada para aumentar a velocidade de deposição, quando não se necessita de grande penetração. Corrente alternada não é norm alm ente usada. A corrente de soldagem influencia diretam ente na penetração, largura e reforço do cordão de solda, na taxa de deposição e na energia de soldagem, e afeta o modo de transferência de metal, com o visto anteriorm ente. A escolha da corrente de soldagem é feita em função da espessura das peças a unir, do diâm etro do eletrodo e da geometria desejada para o cordão de solda. A tensão de soldagem afeta o com prim ento do arco, o modo de transferência de metal e o form ato do cordão. Tensões elevadas resultam em maiores largura da solda e tendência à form ação de respingos. Tensões baixas favorecem a transferência por cu rto -circu ito e maior instabilidade do arco. Esta, por sua vez, facilita a absorção de gases da atmosfera, que pode resultar em porosidade ou outros problemas associados. Além disso, tensões muito baixas podem resultar em concavidade excessiva e má concordância do cordão com a peça, tam bém chamada de "overlap". A tensão de soldagem deve ser escolhida de acordo com a corrente de soldagçm e o gás de proteção, para cada passe de soldagem. O com prim ento energizado do eletrodo, ou extensão elétrica ou ainda "stickout" é definido com o a distância entre a extremidade do bico de contato da tocha e a extrem i dade do arame em contato com o arco. Entretanto, com o esta distância é difícil de ser medida com o arco em operação, em geral toma-se o "stickout" como sendo a distância OCA sOUMfiQi RWOAMBITOS E TICN010QIA da extremidade do bico de contato até a peça. Quanto maior for essa distância, maior será o aquecimento do arame por efeito Joule e, portanto, menor a corrente necessária para fundir o arame, mantida a velocidade de alimentação. Inversamente, quanto maior o "stickout", maior a taxa de deposição, se mantida a corrente de soldagem. Conse quentemente, dentro de certos limites, o aumento de "stickout" pode ser usado para se aumentar a taxa de deposição. A vazão de gás protetor deve ser tal que proporcione uma proteção eficiente contra a contaminação do arco e da solda pela atmosfera. Em gerál, quanto maior a corrente, maior a poça de fusão e a área a proteger e, portanto, maior a vazão necessária. Vazões reduzidas podem levar ao aparecimento de porosidades e outros problemas associados à falta de proteção, como perda de elementos de liga e deterioração de propriedades. Vazões muito elevadas podem causar depressões na poça de fusão e tomar o cordão de solda irregular, além de aumentar desnecessariamente o custo da operação. A velocidade de soldagem influencia a energia de soldagem e, assim, a quantidade de calor cedido à peça. Velocidades muito baixas, além de elevar o custo, podem causar problemas metalúrgicos devidos à energia de soldagem elevada. Velocidade de solda gem elevada resulta em menores penetração, reforço e largura do cordão.Velocidades excessivas provocam o aparecimento de mordeduras, falta de fusão e/ou penetração do cordão de solda. Quanto a movimentos e posicionamento da tocha, valem as observações feitas para outros processos de soldagem já vistos em outros capítulos, particularmente para a soldagem TIG e com eletrodos revestidos. 5. Aplicações Industriais Como se viu, a soldagem MIG/MAG é um processo bastante versátil em termos de ligas soldáveis e espessuras de material, podendo ser usado em todas as posições. A sol dagem MIG encontra uma vasta gama de aplicações na soldagem de não ferrosos è aços inoxidáveis, e a soldagem MAG é extensivamente usada para diversos tipos de aços. Como é um processo semiautomático e que usa densidades de correntes elevadas (corrente por unidade de área da seção transversal do eletrodo), sua produtividade é bastante elevada, sendo quase sempre uma alternativa viável à soldagem com outros processos. Além disso, pode ainda ser mecanizado de forma relativamente simples, com o uso de dispositivos de posicionamento e deslocamento da tocha. Além de união, a soldagem MIG/MAG pode ser usada na recuperação e revestimento de peças metálicas. A soldagem MIG/MAG tem sido amplamente usada na indústria automobilística, particu larmente com a utilização de robôs, na indústria ferroviária, na fabricação de equipamentos e bens de médio e grande porte, como pontes rolantes, vigas, escavadeiras, tratores etc. CAFfn)U>15 SOLDAGEM M O M A G E COM ARAMí TUBULAJ) B - SOLDAGEM COM ARAMES TUBULARES 1. Fundamentos A soldagem a arco com arame tubular (Flux-Cored Arc Welding - FCAW) é um processo que produz a coalescência de metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo tubular, contínuo, consumível e a peça de trabalho. A proteção do arco e do cordão de solda é feita por um fluxo de spldagem contido dentro do eletrodo, que pode ser suplementada por um fluxo de gás fornecido por uma fonte externa. Além da proteção, os fluxos podem ter outras funções, semelhantes às dos revestimentos de eletrodos, como desoxidar e refinar o metal de solda, adicionar elementos de liga, estabilizar o arco etc. A Rgura 1 ilustra o processo. Metal de ~ base ' r ' 'T ' Poça de fusão Figura 1 Processo FCAW (esquemático) Existem duas variações básicas do processo arame tubular, uma em que toda a pro teção necessária é gerada pelo próprio fluxo contido no eletrodo, chamada de arame autoprotegido e outra em que a proteção é complementada por uma nuvem de gás. geralmente o C 02. A soldagem com arames tubulares é normalmente um processo semiautomático e muito semelhante ao processo MIG/MAG, no qpe diz respeito a equipamentos e princípios de funcionamento. Por outro lado, o processo também tem suas semelhanças com a soldagem com eletrodos revestidos, do ponto de vista metalúrgico. Assim, a soldagem com arames tubulares é um processo que acumula as principais vantagens da soldagem MIG/MAG, como alto fator de trabalho do soldador, alta taxa de deposição e alto rendi mento. que resultam em grande produtividade e as vantagens da soldagem com eletrodos | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA revestidos com o a alta versatilidade, possibilidade de ajustes de com posição química do metal de solda e facilidade de operação em campo. Na verdade, o processo arame tubular apresenta características em term os de flexibilidade e produtividade superiores e às vezes bastante superiores às da soldagem com eletrodos revestidos e MIG/MAG. A transferência metálica na soldagem com arames tubulares é semelhante à que ocorre na soldagem MIG/MAG, contudo algumas particularidades podem ser observadas em alguns casos, com o, por exem plo, a ocorrência de uma "ponte" de fluxo entre o arame e a poça de fusão, com o m ostrado na Figura 2. Figura 2 Transferência metálica com "ponte" de fluxo observada na soldagem com arame tubular O processo é aplicável aos aços carbono e de baixa liga e aos aços inoxidáveis. Na década de 1990 foram desenvolvidos arames de pequeno diâmetro, inferiores a 1,0 mm, que tornaram possível a soldagem em qualquer posição, com ótim os resultados. Mo que se refere a espessuras soldáveis e técnicas aplicáveis, a situação é sem elhante à soldagem MIG/MAG. 2. Equipamentos O equipam ento básico para a soldagem com arames tubulares é sem elhante ao usado na soldagem MIG/MAG. Arames de m enor diâmetro, até 2,4 mm, normalmente, são usados com fontes de tensão constante e alim entador de velocidade constante, e arames de maior diâmetro são usados com fo n te de corrente constante e alimentadores CAPÍTULO 15 j rjr- , SOLDAGEM MIG/MAG E COM ARAMc TU3ULAR I ^ 3 / de velocidade variável. Este últim o sistema é mais complexo, mas apresenta melhores resultados nestas condições. O controle do com prim ento do arco é semelhante ao da soldagem MIG/MAG. Uma tocha de soldagem mais simples pode ser usada na soldagem com arames tubulares autoprotegidos, já que não são necessários bocais de gás. A fonte de gás de proteção, quando usada, tam bém é semelhante à da soldagem MIG/ MAG, consistindo de uma fon te de gás, reguladores de pressão/vazão e mangueiras. 3. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem FCAW são os arames tubulares, os gases de proteção, quando usados, e produtos antirrespingos. Os arames tubulares para soldagem são classificados pela AWS segundo as especi ficações mostradas na Tabela I. Diversos fatores são considerados nesta classificação, entre eies: enchimento de pó m etálico ou fluxo convencional, uso de gás de proteção, tipo de corrente, posições de soldagem recomendadas, além da com posição química e propriedades mecânicas do cordão obtido. Estes fatores tam bém são considerados na escolha do tipo de arame para uma dada aplicação. Tabela I - Especificações AW S de arames tubulares Especificação Consumível AWS A 5.9 Arames de aço inoxidável com pó metálico interno AWS A 5.15 Arames para soldagem de ferro fundido AWS A 5.18 Arames tubulares de aço carbono com pó metálico interno AWS A 5.20 Arames tubulares de aço carbono com fluxo interno AWS A 5.21 Arames para revestimento AWS A 5.22 Arames tubulares para soldagem de aço inoxidável AWS A 5.29 Arames de aços de baixa liga com fluxo interno yftiflflBtM 258 ruNOMcanos m tnow m O sistema de classificação AWS para arames com fluxo interno tem o seguinte formato: O "M" (opcional) indica mistura de proteção contendo entre 75 e 80% Ar e restante de CO a Se não usado, a proteção é de CO 2 puro. Refere-se à usabilidade e desempenho do eletrodo. Ver tabela II. Indica arame tubular com fluxo interno Indica a posição de soldagem. "0npara plana ou honzontal e "1" para todas as posições Indica o limite de resistência mínimo do metal depositado em ksi (2 ou 3 digltos). Pode ser 6 ou 7 Eletrodo para soldagem a arco (E) n AWS E XXT - XMJ HZ Indica requisitos de tenacidade. Ver especificação AW S Indica teor de hidrogênio difusíve! em ml/100g de metal depositado. Pode ser 4,8 ou 16. Tabela II - Significado do 1° dígito após a letra T na classificação de arames tubulares para a soldagem de aços Tipo do arame Proteção gasosa Aplicação (passes) Polaridade T- 1 Sim Múltiplos Eletrodo + T -2 Sim Único Eletrodo + T -3 Não Único Eletrodo + T -4 Não Múltiplos Eletrodo + T- 5 Sim Múltiplos Eletrodo + T -6 Não Múltiplos Eletrodo + T- 7 Não Múltiplos Eletrodo - T -8 Não Múltiplos Eletrodo - T -9 Sim Múltiplos Eletrodo + T - 10 Não Único Eletrodo - T - 11 Não Múltiplos Eletrodo - T - 12 Sim Múltiplos Eletrodo + T - 13 Não Único Eletrodo - T -1 4 Não Único Eletrodo - T -G Fabricante* Múltiplos Fabricante T -G S Fabricante* Único Fabricante •Fabricante - A critério do fabricante. CAFÍTUtOIS O C Q SÒIQASEMMGAAASE COM AAAM£ TUBULAR I Outros tipos de arames tubulares são os chamados com pó metálico ("metal cored"). que são arames cujo enchimento contém principalmente pó de ferro e/ou ferro-ligas e muito pouco fluxo a base de minerais. Arames tubülares para soldagem de aços carbono e baixa liga permitem uma transferência de metal bastante suave através de um arco de soldagem operando em atmosferas protetoras a base de misturas de argônio e gás carbônico, particularmente em correntes elevadas, em torno de 300 A, e podem também ser usados com transferência por curto-circuito e/ou pulsada, com níveis de corrente média mais baixos. A quantidade de escória gerada por estes arames é mínima, quase inexistente. Os arames tubulares com enchimento de pó metálico são mais vantajosos na soldagem mecanizada em alta velocidade. Nos últimos anos, foram lançados no mercado internacional arames tubulares com enchimento de pó metálico para serem usados com proteção gasosa na soldagem de aços inoxidáveis e também para revestimentos contra desgaste. Os eletrodos tubulares podem ter diferentes seções transversais, como mostra a Figura 3, baseda numa classificação do Instituto Internacional de Soldagem (International Institute of Welding — IIW). Arames de seção mais complexa são mais difíceis de serem fabricados e têm custo mais elevado, porém apresentam melhores características operacionais, par ticularmente os de maior diâmetro, devido à maior homogeneidade de aquecimento ao longo da seção transversal e maior regularidade na transferência metálica, como conse quência da maior área metálica e distribuição da região de operação do arco ao longo da seção. De um modo geral, o material contido no interior dos arames tubulares fica entre 15% e 30% de seu peso, podendo atingir valores maiores, na faixa de 50%, para arames especiais com menor seção metálica do tubo. A Figura 4 mostra a seção transversal de, um aramé tubular simples com fluxo. TipoN0. 1 2 3 4 5 6 Seção Símbolo @o ®o Ho # cD ü (23 mo Figura 3 Formas dos arames tubulares, segundo o IIW Descrição Sem costura De topo Sobreposto Dobra simples Dobra múltipla Dobra dupla ? K n i £O U : so ld a gem fu n d a m en FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 4 Se ç ão transversal de um aram e tubular com fluxo interno Assim , com o os eletrodos revestidos (Capítulo 12), os arames tubulares contendo fluxo devem ser embalados de form a a garantir que eles não absorvam umidade durante os períodos de estocagem e transporte. Embalagens convencionais e especiais a vácuo têm sido usadas com esta finalidade. Os gases de proteção usados na soldagem FCAW são o C 0 2 e misturas contendo argônio. As características e aplicações da soldagem com estes gases são as m esmas do processo MIG/MAG, vistas na primeira parte deste capítulo. Os arames tubulares são fabricados a altas velocidades, de muitos metros por segundo, a partir de fitas metálicas. Estas são deform adas por roletes, até assum irem a form a de um U, sendo a seguir preenchidas com o material que formará o "recheio" do arame, fluxo de soldagem e/ou pó m etálico. Em seguida a tira é fechada também por roletes, form ando um tubo que passa por fieiras de trefilação, que dim inuem seu diâm etro sucessivam ente até o valor final desejado, enquanto o seu com prim ento aumenta. O arame tubular é então bobinado, embalado, identificado e está pronto para ser comercializado. A Figura 5 ilustra o processo. Figura 5 Fabricação de arames tubulares (esquemática) CAPITULO 15 I 9 K i SOLDAGEM VKVMAG E COM ARAME TUBULAR ^ ' 4. Técnica Operatória A soldagem FCAW utiliza as mesmas técnicas da soldagem MIG/MAG, com pequenas variações. As variáveis operacionais e seus efeitos são similares aos da soldagem M IG/ MAG. A faixa de correntes para cada diâm etro de eletrodo é semelhante à dos arames sólidos. O processo arame tubular pode ser otim izado para três situações principais: alta produção, alta velocidade de soldagem e soldagem fora de posição. No primeiro caso, utiliza-se norm alm ente elevado "sticko ut". A segunda alternativa é usada para deposição de soldas longas, com seção não m uito grande, particularm ente soldas de filete. O últim o caso refere-se à soldagem em diferentes posições com um único conjunto de parâmetros operacionais. A soldagem com arame tubular e proteção gasosa perm ite superar algumas limitações da soldagem MIG/MAG e da soldagem com arame autoprotegido, isto é, a possibilidade de escorificação de impurezas, m elhor estabilização do arco, adição de elementos de liga, obtenção de proteção eficiente com menores vazões de gás, menor quantidade de respingos e cordões com melhor aspecto. 5. Aplicações Industriais A utilização da soldagem com arames tubulares tem aumentado muito nos últim os anos, devido às suas características e ao desenvolvim ento de novos consumíveis. No Brasil, o interesse pelos arames tubulares tam bém tem aumentado muito. Assim, além de ser uma alternativa à soldagem com eletrodos revestidos e arames sólidos em muitas situações, a soldagem com arames tubulares tem sido usada nas indústrias naval e nuclear, na construção de plataform as marítimas para exploração de petróleo e na fabricação de com ponentes e estruturas de aços carbono, de baixa liga e de aços inoxidáveis, com vantagens em relação à soldagem com arames sólidos e com eletrodos revestidos. 6. Exercícios e Práticas de Laboratório a) Quais as características e principais aplicações de cada modo de transferência de metal na soldagem MIG/MAG? b) Quais as consequências da utilização de arames para soldagem MIG na soldagem MAG? E o inverso? c) Por que na soldagem MIG/MAG com fonte de alimentação do tipo tensão constante e alimentador de arame tipo velocidade constante há um controle intrínseco ou automático do comprimento do arco? O M ' L 0 ^ | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA d) Ainda neste tipo de sistema, por que se altera a corrente de soldagem quando se varia a velocidade de alimentação de arame? e) Por que os arames tubulares para soldagem em passe único não têm requisitos de com posição química? f) Que justificativa pode ser dada para o fato de não se usar corrente alternada na soldagem MIG/MAG e com arames tubulares? g) Experimente depositar cordões de solda MIG/MAG e com arame tubular com diferentes parâmetros de soldagem, variando principalmente a tensão de soldagem, velocidade de alimentação de arame, "stickout" e polaridade. Meça a corrente de soldagem em cada caso e observe a geometria e a aparência dos cordões de solda. Compare os resultados e tente explicá-los em função dos princípios de funcionamento destes processos. C A P ÍT U L O 16 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO 1. Fundamentos A soldagem a arco subm erso (Submerged Arc W elding - SAW) é um processo em que a coalescência entre metais é obtida pelo aquecim ento e fusão destes por um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico nu e a peça de trabalho. O arco ocorre sob uma camada de um material granular fusível, chamado de "fluxo", que é colocado sobre a região de solda, protegendo-o da contaminação pela atmosfera. A Figura 1 mostra esquem aticam ente o processo. Poça de fusão Figura 1 - Soldagem a arco sub m erso (esquemática) 2 6 4 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A adição de metal é obtida do próprio eletrodo, que tem a forma de fio ou fita contínuos e •é alimentado por um dispositivo mecânico, podendo ser suplementada por outros eletrodos ou materiais contidos no fluxo de soldagem. A operação é norm alm ente mecanizada, embora possa tam bém ser realizada de m odo semimecanizado, isto é, o soldador é quem m ovim enta a tocha ao longo da junta e m antém a distância entre a tocha e a peça. Uma vez aberto o arco. eletrodo e fluxo são alim entados continuam ente para a região deste, enquanto a tocha é deslocada. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e parte da camada de fluxo e do metal de base, form ando a poça de fusão. O metal fundido e solidificado forma o cordão de solda e a parte fundida do fluxo form a a escória, que sobrenada a poça de fusão e se solidifica à medida que o arco se afasta, resultando em uma camada protetora que evita a contam inação do cordão e reduz sua velocidade de resfriam ento. A parte não fundida do fluxo pode ser reciclada em novas operações, desde que não se contam ine durante a operação. Como o arco não é visível, não há necessidade de uso de dispositivos de proteção contra a radiação em itida pelo arco. Esta característica, contudo, dificulta a operação semimecanizada. Os eletrodos para soldagem a arco submerso têm diâmetro geralmente entre 2.4 e 6 mm. permitindo a soldagem com elevada densidade de corrente, numa ampla faixa, de tal fo rn a que o processo é aplicável a espessuras a partir de 3,0 mm, com elevada taxa de deposição. Variações no processo, com utilização simultânea de roais de um eletrodo e adição de pó metálico ao fluxo permitem elevar ainda mais a taxa de deposição. A Tabela I mostra condições típicas para utilização da soldagem a arco submerso. A Tabela II mostra uma comparação de taxas de deposição possíveis com diferentes processos e técnicas de soldagem. Tabela I - Condições típicas de utilização da soldagem a arco submerso Condição Faixa de espessuras (mm) Um p a sse se m preparação 3a 15 Um p a sse com preparação 6,5 a 25 P a sse s múltiplos > 15 Tabela II - Taxas de deposição possíveis com diferentes processos e técnicas de soldagem Processo de soldagem Taxa de deposição (kg/h)* SM AW 0.5 a 3.0 GMAW 1,0 a 8.0 FCAW 2.0 a 12.0 S A W (1 arame) 3.0 a 20.0 S A W (2 arames) 12.0 a 40,0 T axas aproximadas, ciclo de trabalho de 1 0 0 % CAPÍTUL016 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO A soldagem a arco submerso se caracteriza por ser um processo estável e suave, que gera poucos fumos de soidagem e quase nenhum respingo, e resulta em cordões com acabamento uniforme e com uma transição suave entre o metal de solda e o metal de base. A principal lim itação da soldagem SAW é quanto à posição de soldagem. Como o processo norm alm ente utiliza alta intensidade de corrente, o volume da poça de fusão é grande e o metal líquido tende a escorrer para fora da junta. Além disso, o fluxo é consti tuído por um material granular. Assim , o processo fica lim itado à soldagem nas posições plana e horizontal. Dispositivos especiais podem ser usados para perm itir a soldagem de topo na posição horizontal. A soldagem circunferencial pode ser feita usando-se viradores de modo que a soldagem seja realizada sempre na posição plana. A soldagem a arco submerso pode ser usada para fazer soldas em juntas de topo, de filete e sobrepostas. Soldas satisfatórias podem ser feitas em declive com ângulos de até 15° com a horizontal. A utilização de uma combinação adequada entre metal de adição, fluxo e técnica perm ite a soldagem tan to para união quanto enchim ento e revestimento de peças metálicas. No Brasil, devido à disponibilidade de fluxos e eletrodos, o processo tem sido usado em aços carbono, aços de baixa liga, aços inoxidáveis e alguns tipos de revestimento. 2. Equipamentos O equipam ento básico para a soldagem a arco subm erso consiste de uma fonte de energia, tocha de soldagem, alim entador de arame, sistem a de controle, dispositivo para alimentação do fluxo e cabos elétricos. Muitas vezes, alguns destes elem entos estão montados num único conjunto chamado de cabeçote de soldagem, usado particularn iente na soldagem mecanizada, com o m ostrado na Figura 2. Outros dispositivos podem ser usados para deslocam ento da tocha de soldagem ou da peça; sistemas óticos ou ele trônicos são úteis no controle do posicionam ento da tocha em relação à junta durante a soldagem (trilhadores de junta) e sistem as para reciclagem de fluxo podem sim plificar a operação. Cabeçote Figura 2 Equipamento para soldagem a arco submerso: (a) Desenho esquemático e (b) equipamento industrial n r r ^ 0 D ! SOLDAGEM FUNOAMENTOS E TECNOLOGIA A fonte de energia pode ser do tipo transform ador (CA) e transform ador-retificador (CC), com capacidade de fornecer corrente entre cerca de 400 e 1.500 A, num ciclo de trabalho de 100 %. Quanto às características de saída, os equipam entos mais com uns, particularmente os que trabalham com arames de diâmetro inferior a 4mm, utilizam fontes do tipo tensão constante, com alim entador de arame do tipo velocidade constante, já que este tipo de sistema perm ite o controle intrínseco do com prim ento do arco, com o visto no Capítulo 15. Fontes de corrente constante juntam ente com alimentadores de velocidade variável apresentam m elhores resultados com arames de maior diâmetro. A tocha de soldagem consiste do bico de contato deslizante, de liga de cobre, de um sistema para fixação do cabo de corrente e de um suporte isolante. Os bicos de contato devem ser adequados para cada diâmetro de arame que vai ser usado. O alimentador de arame consiste de um suporte para a bobina de eletrodo, um m otor de corrente contínua com controlador de velocidade de giro e um conjunto de roletes de alimentação. A velocidade de alimentação usualmente varia entre 8 e 235 mm/s. O alimentador de fluxo é com posto por um porta-fluxo, mangueira condutora e um bocal de saída, que pode ser concêntrico com a tocha de soldagem ou estar colocado à frente desta. Em geral o fluxo é alim entado por gravidade. Sistemas para recuperação de fluxos são dispositivos que aspiram o fluxo não fundido durante a operação e o devolvem ao porta-fluxo ou a um outro recipiente de armazenamento. Alguns destes equipam entos podem ter sistem as para manter o aquecim ento do fluxo durante a operação. O sistema de controle permite o ajuste dos diversos parâmetros de operação, como velo cidade de alimentação de arame, velocidade de deslocamento e a tensão de soldagem. Os cabos servem para conduzir a corrente elétrica e devem ter um diâmetro compatível com a corrente a ser usada. O cabeçote de soldagem mecanizada geralm ente consiste de uma "tartaruga", isto é, um carro acionado por um m otor elétrico, com velocidade ajustável, que se desloca por um trilho colocado sobre a peça ou um outro suporte. Nela são montados o alim entador de arame, o alim entador de fluxo e a tocha de soldagem, bem com o outros dispositivos, como os trilhadores de junta. Quando se usa este equipamento, o cabeçote possui tam bém movimento na direção transversal ao eixo de soldagem. Em alguns casos, o cabeçote pode ficar parado enquanto a peça é movimentada por posicionadores ou viradores, como, por exemplo, na soldagem circunferencial de tubos. A velocidade máxima de soldagem está por volta de 45 mm/s. O cabeçote de soldagem pode tam bém ser suportado por um manipulador com m ovim entos lineares nos três eixos. O processo de soldagem a arco subm erso admite diversas variações, que têm por objetivo aumentar a produtividade e facilitar certas aplicações específicas. A lgum as destas variações são: • soldagem com aromes múltiplos: técnica "tandem-arc", na qual os arames formam arcos distintos podendo ser usados arranjos com até 6 arames e técnica “twin-arc". em que dois arames finos sào alimentados simultaneamente, formando um único arco elétrico. Em ambas as técnicas o uso de arames múltiplos aumenta a taxa de deposição, como mostrado na Tabela li; • soldagem com elevado "stickout": permite aumentar a taxa de deposição para um deter minado nível de corrente, como explicado no Capítulo 15; CAPiTUlO 16 n r 7 S0 U JA 6 E M A ARCO SU BMERSO ' ' • soldagem em chanfro estreito ("narrow-gap"): utiliza cabeçotes especiais, permitindo a soldagem de peças espessas com pequena abertura de raiz e ângulo de chanfro de 5 a 10°. resultando em economia de material de adição e menores energias de soldagem; • soldagem com eletrodo em forma de fita: esta tem espessura, em geral, da ordem de 0,5mm e largura de 15 a 90 mm e é utilizada com sua largura perpendicular à direção de soldagem, resultando em cordões largos e com baixa diluição, bastante adequados para operações de revestimento:e • soldagem com adição de pó metálico ao fluxo: aumenta a taxa de deposição, usada parti cularmente no enchimento de chanfros. A Figura 3 ilustra esquem aticam ente algumas destas variações. ELETRODO EM FITA TANDEM A RC’ Fonte de energia Fonte de energia Direção de soldagem TW IN ARC" Fonte de energia ____________ DireçSo de soldagem (C) Figura 3 Algumas variações da soldagem SAW:(a) soldagem com fita. (b) soldagem Tandem" e (c) soldagem Twin" 8UMCEM 268 S rUKDAMarrOSETECttOlOQtA 3. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem a arco submerso são os eletrodos e os fluxos de soldagem, sendo que a combinação destes determina, juntamente com o metal de base e o procedimento de soldagem, as propriedades mecânicas do cordão de solda. Os eletrodos podem ser arames sólidos, tubulares ou fitas e são fornecidos na forma de carretéis ou bobinas, em diferentes dimensões e quantidades. Os arames sólidos normalmente são cobreados, exceto aqueles para soldagem de materiais resistentes à corrosão ou para aplicações nucleares. Os fluxos para soldagem a arco submerso são compostos por uma mistura de óxidos e outros minerais, podendo ainda conter ferro-ligas e têm diversas funções na operação, entre elas: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de solda, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação pela atmosfera, minimizar as impurezas no metal de solda, formar escória com determinadas propriedades físicas e químicas que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de solda, sua destacabilidade, a ocorrência de mordeduras etc. Quanto ao processo de fabricação, os fluxos podem ser divididos em dois grupos: fundidos e aglomerados. Os fluxos mais utilizados são os aglomerados. Os fluxos fundidos são produzidos pela fusão da mistura de seus componentes em fornos elétricos ou por queimadores. Depois de fundida e feita alguma adição final, a carga do fomo é derramada e resfriada em água ou coquilha, solidificando-se. O resultado é um produto com uma aparência cristalina. Seguem-se a secagem, quaijdo necessária, britagem, moagem, peneiramento e embalagem. Este tipo de fluxo apresenta boa homogeneidade química, nor malmente não são higroscópicos, o que simplifica o manuseio e a armazenagem e minimiza problemas de soldagem, e são facilmente reciclados através dos sistemas de recuperação e alimentação, sem mudança significativa no tamanho das partículas ou composição. Por outro lado, é difícil adicionar desoxidantes e ferro-ligas durante a fabricação sem segregação ou altas perdas e assim a faixa de composições dos fluxos fundidos é limitada devido às altas temperaturas necessárias para fundir os ingredientes. Na fabricação de fluxos aglomerados os ingredientes são pulverizados, misturados a seco e aglomerados com silicato de potássio, sódio ou uma mistura dos dois. Depois disso, a mistura úmida é pelotizada e aquecida a uma temperatura mais baixa que aquela usada nos fluxos fundidos, geralmente entre 600 e 950°C. O material obtido é moído, peneirado e embalado. Este tipo de fluxo possibilita uma fácil adição de desoxidantes e elementos de liga, pode ser usado em camadas mais grossas e é fácil de ser identificado pelo aspecto. Por outro lado é higroscópico, gera alguma fumaça quando fundido e pode sofrer mudanças na composição devido à segregação ou remoção de partículas. Como a sua fabricação é mais simples e envolve aquecimento a temperaturas relativamente baixas, em relação aos fluxos fundidos, os fluxos aglomerados podem ter composição química muito mais variada que fluxos fundidos e são de menor custo. Este é o tipo de fluxo mais usado no Brasil. O tamanho e a distribuição das partículas do fluxo são importantes porque influenciam a alimentação e a recuperação, além do nível de corrente e a forma do cordão de solda. À medida que a corrente aumenta, a quantidade de partículas de tamanho médio deve decrescer e a quantidade das pequenas deve crescer, para fluxos fundidos. Se a corrente é muito alta para um determinado tamanho de partícula, o arco pode ficar instável e deixar as extremidades do cordão irregulares e desiguais. CAFtnjum SCLDAGÍM A ARCO SUBMERSO Quanto às características químicas, os fluxos podem ser classificados como básicos, ácidos ou neutros. As propriedades do metal depositado são influenciadas pela basicidade do fluxo. Vários "índices de basicidade (B)" foram desenvolvidos com o objetivo de quanti ficar estes efeitos, entre eles o desenvolvido por Boniszewski, mostrado na equação 5 do Capítulo 6. página 95. onde CaO. MgO etc. são as percentagens em peso dos diferentes componentes do fluxo. Se este índice for maior que 1 o fluxo é quimicamente básico, se for menor que 1 o fluxo é quimicamente ácido, se for próximo a 1 ele tende a ser quimi camente neutro. De modo geral, fluxos de maior basicidade tendem a reduzir os teores de oxigênio, enxofre e fósforo do metal depositado, melhorando assim as propriedades mecânicas, em particular a resistência à fratura frágil. Fluxos ácidos tendem a produzir metal depositado com teores de oxigênio, fósforo e enxofre mais altos. Os fluxos também são classificados quanto a sua influência sobre a composição quí mica do metal depositado e podem ser ativos, neutros ou ligados. Os fluxos neutros são aqueles que praticamente não influenciam na composição química do metal depositado. Por outro lado os fluxos ativos incorporam elementos de liga comp o Mn e Si na solda e os ligados adicionam outros elementos, além do Si e Mn. no metal depositado. Contudo, a operação de soldagem com este tipo de fluxo deve ser cuidadosamente controlada, já que variações nos parâmetros de soldagem, particularmente na tensão, influenciam esta transferência de elementos de liga para a solda e. portanto, a sua composição química, como mostra a Tabela III. Tabela III - Exemplo de influência da corrente e tensão de soldagem na transferência de Cr e Mo de um fluxo ativo na soldagem com eletrodo de aço não ligado Corrente Tensão (A) (V) Cr Mo 500 26 2,3 0,41 Composição da solda {% peso) 500 29 2,9 0,49 500 32 3.5 0,59 400 27 2,5 0,43 600 27 2,0 0,33 A American Welding Society-AWS possui especificações destinadas aos consumíveis para a soldagem a arco submerso conforme apresentado na Tabela IV. A A5.17 trata de arames de aço carbono e fluxos para soldagem a arco submerso e a A5.23 especifica eletrodos de aço de baixa liga e fluxos para soldagem SAW. Em ambas, a designação de um fluxo é sempre feita em combinação com um eletrodo. Assim, um mesmo fluxo pode possuir diversas designações de acordo com o eletrodo utilizado. Por exemplo, um fluxo (F) pode ser designado como F6A2-EXXXou F7A4-EXXX, dependendo do eletrodo (E) utilizado. 269 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Tabela IV - Especificações AWS para eletrodos e fluxos para soldagem SAW Especificação Tipo de metal de adição AWS A 5.9 Arames e varetas para soldagem de aço inoxidável AWS A 5.14 Arames e varetas para soldagem de níquel e suas ligas AWS A 5.17 Arames e fluxos para soldagem SAW de aço carbono AWS A 5.21 Arames e varetas para revestimento AWS A 5.23 Arames e fluxos para soldagem SAW de aço de baixa liga A figura 4 mostra o esquema de designação do par arame-fluxo adotado pela especifi cação AWS A 5.17, e a Tabela V mostra as classificações eletrodo-fluxo e as propriedades mecânicas do metal depositado com elas. _____________________________ Indica fluxo para soldagem ao arco submerso Indica que o fluxo que está sendo classificado é fabricado somente de escória moida ou de -------------------------------------------- escória misturada com fluxo virgem. A omissão do ”8" indica que o fluxo é virgem. Indica a tensão mínima à tração (em incrementos de 10 MPa no sistema Internacional ou de 10 ksi _________________________ no sistema inglês) do metal depositado. Por exemplo, quando for 43, a tensão requerida está entre 430 e 560 MPa e, quando for 7, está entre 70 e 95 ksi. Designa a condição de tratamento térmico do _______________________metal de solda antes dos ensaios: "A" para como soldado e "P”para com tratamento após soldagem Indica a temperatura em °C (sistema internacional) ou eF (sistema inglôs) em que ou acima da qual a --------------------------------- resistência ao impacto do metal de solda iguala ou excede 27 J (sistema internacional) ou 20 fUbf (sistema inglôs). Classificação do arame utilizado para produzir o metal de soida. A letra " F indica eletrodo. A ____________letra "C , opcional, indica que é um eletrodo tubular com enchimento metálico. A omissão do "C" indica um eletrodo sóSdo. r Designação suplementar opcional indicando hidrogônto difusivel. FSXXX - ECXXX+ÍX Figura 4 Sistema de classificação de consumiveis para soldagem a arco submerso, segundo a especificação AWS A 5.17 CAftTUL016 SOIOAGEM A ARCO SUBMERSO Tabela V - Propriedades mecânicas do metal depositado Limite de resistência MPa (ksi) Limite de escoamento mínimo 0,2% MPa (ksi) Alongamento em 51 mm F43XX (F6XX) - EXXX (*) 4 3 0 -5 6 0 (60-80) 3 3 0 (4 8 ) 22 F48XX (F7XX) — EXXX(#) 4 8 0 -6 6 0 (70-95) 4 0 0 (5 8 ) 22 F55XX (F8XX) -EXX-XX 5 5 0 -7 0 0 (80-100) 4 7 0 (68) 20 F62XX (F9XX) -EXX-XX 6 2 0 -7 6 0 (9 0 -1 1 0 ) 5 4 0 (7 8 ) 17 Classificação (% ) F69XX (F10XX) -EXX-XX 6 9 0 -8 3 0 (100-120) 6 1 0 (8 8 ) 16 F76XX(F11X X)-E XX -X X 7 6 0 -9 0 0 (1 1 0 -1 3 0 ) 6 8 0 (98) 15 F83XX (F12X X ) -EXX-XX 8 3 0 -9 7 0 (120-140) 7 4 0 (1 0 8 ) 14 * Referem-se à norma AWS 5.17 para aços carbono. Demais, referem-se à norma AWS 5.23 para aços baixa liga. Os arames são especificados com base em sua composição química, sendo divididos em três tipos: de baixo (L), médio (M) e alto (H) teor de manganês. Dentro de cada grupo, os arames podem ter diferentes teores de carbono e teores de silício baixo ou alto (K). De uma forma geral, os arames com maiores teores de carbono, manganês e silício favorecem a deposição de cordões com maior resistência e dureza. O silício aumenta a fluidez da poça de fusão, melhorando o formato de cordões depositados com alta velocidade de soldagem e aumentando a resistência à porosidade. A Tabela VI mostra os requisitos de composição química de eletrodos para soldagem SAW. segundo a especificação AWS A 5.17. Tabela VI - Composição química de eletrodos para soldagem SAW Classe AWS Composição química {% peso) Carbono Manganês Silício Enxofre Fósforo Cobre Titânio E le tr o d o s c o m b aixo m a n g a n ê s EL 8 0.10 0 ,2 5 - 0 ,6 0 0,07 0 ,0 3 0 0,0 3 0 0.35 EL 8K 0.10 0 ,2 5 - 0 .6 0 0 ,1 0 - 0 ,2 5 0 ,0 3 0 0.030 0,3 5 EL 12 0 .0 4 - 0 .1 4 0 ,2 5 -0 .6 0 0.07 0 ,0 3 0 0,030 0,3 5 0.3 5 E le tr o d o s c o m m é d io m a n g a n ê s E M 11K 0 , 0 7 - 0 .1 5 1 ,0 0 - 1 .5 0 0 .6 5 - 0 ,8 5 0 ,0 3 0 0,025 E M 11 0 ,0 6 -0 ,1 5 0 ,8 0 -1 .2 5 0 ,1 0 0 ,0 3 0 0,0 3 0 0 ,3 5 E M 12K 0 ,0 5 - 0 .1 5 0 ,8 0 -1 ,2 5 0 ,1 0 - 0 ,3 5 0 ,0 3 0 0,030 0,3 5 EM 13K 0 . 0 6 - 0 ,1 6 0 ,9 0 - 1 ,4 0 Ò .3 5 - 0 . 7 5 0 ,0 3 0 0,0 3 0 0,3 5 E M 14K 0 , 0 8 - 0 ,1 9 0 ,9 0 -1 ,4 0 0 ,3 5 - 0 ,7 5 0 ,0 3 0 0,0 2 5 0 ,3 5 E M 15K 0 .1 0 - 0 ,2 0 0 ,8 0 -1 .2 5 0 .1 0 - 0 .3 5 0 ,0 3 0 0 .0 3 0 0 ,3 5 0 ,3 5 E le tr o d o s c o m a lto m a n g a n ê s ^ EH 10K 0 ,0 7 - 0 ,1 5 1 ,3 0 - 1 ,7 0 0 ,0 5 - 0 ,2 5 0 ,0 2 5 0,0 2 5 EH 11K 0 ,0 7 - 0 .1 5 0 ,4 0 -1 ,8 5 0 ,8 0 -1 ,1 5 0,0 3 0 0,0 3 0 0,35 EH 12K 0 . 0 6 - 0 .1 5 1 .5 0 - 2 ,0 0 0 ,2 5 -0 .6 5 0,0 2 5 0,025 0 ,3 5 EH 14 0 ,1 0 - 0 ,2 0 1 .7 0 -2 .2 0 0.1 0 0.0 3 0 0,030 0 ,3 5 0 ,0 3 - 0 ,1 7 fj-j* 1 0 7 9 1 L 9 L \ SOLDAGEM FUNOAMENTOS £ TECKOtOGIA Embora o sistema de classificação de consumíveis para soldagem SAW da especifi cação AWS A 5.23 seja similar ao da A 5.17, esta envolve maiores valores de resistência mecânica {até 825-965 MPa) para o metal depositado, alongamentos variados, requisitos de impacto a temperaturas mais baixas e separação em grupos segundo a composição química, que não serão apresentados neste texto. As propriedades reais do metal depositado com uma dada combinação eletródo-fluxo dependem do procedimento de soldagem específico usado numa determinada opera ção. Por outro lado, existe um número relativamente grande de consumíveis disponíveis comercialmente, muitos desenvolvidos para situações especiais, e que não foram enquadrados nas especificações usuais. A seleção final de uma combinação eletrodo-fluxo geralmente é feita com base na soldagem de corpos de prova de qualificação, segundo uma determinada norma, e na avaliação ou medida das propriedades de interesse da solda desejada. 4. Técnica Operatória Além das variações já citadas, outras técnicas podem ser usadas para aumentar ainda mais a velocidade de soldagem ou de enchimento da junta. Adições de arames sólidos e tubulares frios têm sido usadas, sem deterioração das propriedades da solda. Esta técnica não tem uso generalizado na indústria. 0 equipamento requerido é o mesmo para aplica ções de vários arames, mas um arame não é conectado à fonte de energia. Aumentos na taxa de deposição de até cerca de 70% são possíveis. No entanto, uma maior deposição para uma quantidade fixa de calor resulta numa penetração mais baixa. Adições de arame quente (aquecido) são muito mais eficientes que arames frios ou utilização de um arco adicional, porque a corrente introduzida é usada inteiramente para aquecer o metal de adição e não para fundir o metal de base ou o fluxo. A taxa de deposição pode ser au mentada de 50% a 100% sem prejuízo das propriedades do metal de solda. 0 processo requer equipamento adicional e atenção maior do operador. Adição de pó metálico ao fluxo pode aumentar as taxas de deposição em até .70%. A técnica fornece fusão suave, melhora a aparência do cordão e diminui a penetração e a diluição e pode ser usada também para modificar a composição química da solda. Os pós podem ser adicionados à frente da poça de fusão ou diretamente nela, tanto por gravidade como usando o campo magnético em volta do arame para o transporte. A adição de pó não requer energia adicional, não deteriora a resistência do metal de solda nem aumenta riscos de fissuração. De um modo geral, o uso de técnicas especiais para aumento na taxa de deposição deve ser acompanhado de outros cuidados especiais, como: projeto e preparação da junta, sequência de soldagem e fixação das peças adequadas. As principais variáveis operacionais na soldagem por arco submerso, em ordem apro ximada de importância, são: • v a lo r e t ip o d e c o r r e n te • t ip o d e flu x o e d is trib u iç ã o d a s p a rtíc u la s • te n s ã o CAPÍTUL016 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO • v e lo c id a d e d e s o ld a g e m • d iâ m e tro d o e le tr o d o • e x te n s ã o d o e le tr o d o • tip o d e e le t r o d o • larg u ra e p r o f u n d id a d e d a c a m a d a d e flu x o . A corrente é a variável mais importante, pois influi diretamente na taxa de fusão do eletrodo na taxa de deposição, na penetração, no reforço e na diluição. Correntes muito elevadas resultam em cordões com elevada razão penetração/largura, que favorece a fissuração a quente, reforço excessivo e formação de mordeduras. Já correntes muito baixas promovem penetração ou fusão incompletas. O tipo de corrente mais usado é a contínua com eletrodo positivo, que resulta em maior penetração. Corrente direta (eletrodo negativo) aumenta a taxa de fusão. Corrente alternada apresenta resultados intermediários e minimiza a ocorrência de sopro magnético, particularmente na soldagem com arames múltiplos. A tensão influi diretamente no comprimento do arco, na largura do cordão e no con sumo de fluxo e inversamente na penetração e no reforço. Ela tem pouco efeito sobre a taxa de deposição. Como mostrado na Tabela III, a tensão do arco pode ter forte influên cia na composição química e nas propriedades de soldas feitas com fluxo ativo. Tensão excessivamente alta aumenta a dificuldade para remoção de escória. A dimensão transversal do cordão de solda é inversamente proporcional à velocidade de soldagem, isto é, largura, penetração e reforço tendem a diminuir com o aumento da velocidade. Velocidade excessivamente alta promove a ocorrência de mordedura, porosidade e cordão irregular. O diâmetro do eletrodo afeta a geometria do cordão e a taxa de deposição, para uma corrente fixa. Para um valor fixo de corrente, a largura do cordão aumenta e a penetração e a taxa de deposição tendem a cair com o aumento do diâmetro. A estabilidade do arco e a facilidade de abertura deste também diminuem para eletrodos de maior diâmetro. Como ocorre em outros processos, para cada diâmetro de eletrodo existe uma faixa de valores de corrente recomendada. Maior produtividade é obtida no limite superior das faixas, mostradas na Tabela VII. Tabela VII - Faixa de corrente para arames de aço ds diferentes diâmetros Diâmetro do arame (mm) Corrente de soldagem (A) 1.6 100a300 2,0 200 a 500 2,4 300 a 600 3,2 300 a 800 4,0 400 a 900 4,8 500 a 1.200 5,6 600 a 1.300 6,4 600 a 1.600 8,0 1.000 a 2.500 ■j 97/1 SOW AOfl* FlfflDAMENTOS t TICNOUOU A extensão do eletrodo é o comprimento energizado do arame e tem o mesmo efeito já citado em outros processos de soldagem. De uma maneira geral, sugerem-se valores entre 20 e 40 mm. A largura e a altura da camada de fluxo, nem sempre lembradas e consideradas pelos operadores, influenciam na aparência da solda e no arco de soldagem. Se a camada de fluxo é muito espessa, a solda terá uma aparência pastosa e áspera. Os gases gerados durante a soldagem não podem escapar imediatamente, e a superfície da solda fica irre gular. Se a camada de fluxo for muito estreita, o arco não ficará inteiramente submerso no fluxo ocorrendo clarões ("flashing") e respingos. A solda terá uma aparência ruim e poderá ficar porosa. A espessura ótima da camada de fluxo pode ser estabelecida na prática, em função das outras condições da soldagem, acrescentando lentamente o fluxo até o arco ficar completamente submerso e não mais se observar o clarão do arco. A inclinação da peça ou da tocha durante a soldagem pode afetar o formato do cor dão de solda. A maioria das soldas é feita na posição plana. Entretanto, algumas vezes é necessário ou desejável soldar com a peça levemente inclinada para que a tocha avance em declive ou aclive. Por exemplo, em uma soldagem de alta velocidade de chapas de aço de 6 mm de espessura, consegue-se uma solda melhor quando a peça está inclinada de 15° a 18° em declive, com aumento da penetração em relação à soldagem plana. O ângulo de inclinação deve ser reduzido com o aumento da espessura para aumentar a penetração. Na soldagem puxando a poça tende a escoar e pré-aquecer o metal de base. parti cularmente na superfície. Isto produz uma zona de fusão de forma irregular. Quando o ângulo de inclinação cresce, forma-se uma depressão no meio da solda, a penetração decresce e a largura do cordão cresce. Soldagem empurrando afeta o contorno poça de fusão e a superfície da solda. A força da gravidade faz a poça ficar defasada para trás em relação ao eletrodo e as laterais da poça de fusão se deslocam e para o meio do cordão. Quando o ângulo de inclinação cresce, o reforço e a penetração crescem e a largura decresce. O ângulo limite para a soldagem em aclive com correntes até 800 A está por volta de 6o. ou uma inclinação de 10%. Se forem usadas correntes maiores, o ângulo deve diminuir. Inclinações superiores a 6o tornam a solda incontrolável. Diferentes procedimentos podem ser usados na soldagem de uma dada junta, depen dendo de seu tipo, espessura, material, posição de soldagem e propriedades desejadas. As Tabelas VIII e IX mostram algumas condições típicas para soldagem de topo e de filete, respectivamente. Tabela VIII - Parâmetros de soldagem SAW de juntas de topo, chanfro reto, em aço Diâmetro do Cobre-junta (mm) Espessura Abertura de Corrente Tensão Velocidade de raiz (mm) (V) soldagem (mm/s) eletrodo (mm) Espessura Largura (A) (mm) 3.6 1.6 65 0 28 20 3 .2 3.2 16 4 ,8 1.6 850 32 15 4 .8 4 .8 18 6.4 3.2 900 33 11 4 .8 6 .4 25 9.5 3.2 950 33 10 5 .6 6 .4 25 12.7 4 .8 1.100 34 8 9 .5 9 .5 25 CAPtmt016 SOUMSEM A ARCO SUBMERSO 97 K Tabela IX - Parâmetros de soldagem SAW de filete horizontal, em aço Perna do filete (mm) Corrente (A) Tensão (V) Velocidade de soldagem (mm/s) Diâmetro do eletrodo (mm) 3.2 400 24 27. 3.2 4.0 4.8 500 26 18 6.4 650 30 14 4.0 8.0 700 33 10 4.0 5. Aplicações Industriais A soldagem a arco submerso é usada em uma larga faixa de aplicações industriais. Soldas de alta qualidade, altas taxas de deposição, penetração profunda e adaptação à automação tomam o processo adequado para a fabricação em larga escala, encontrando grande aplicação em estaleiros, caldeirarias de médio e grande porte, mineradoras, siderúrgicas, fábricas de perfis e estruturas metálicas etc., sendo usado na fabricação de vasos de pressão, navios e barcos, vagões, tubos, no revestimento ou recuperação de peças que necessitam de ligas com propriedades específicas como resistência ao desgaste abrasivo e tenacidade, entre outras. A soldagem a arco submerso é utilizada também na manutenção e recuperação das peças metálicas e na recuperação de cilindros de laminação e de rolos de lingotamento contínuo, cones de altos-fornos, material rodante e outras superfícies desgastadas em geral. O processo é usado para soldar peças com espessura a partir de 1,5 mm até chapas com 300mm de espessura, porém não é aplicável para todos os metais e ligas. Ele é largamente usado em aços carbono, aços estruturais de baixa liga e aços inoxidáveis e ainda alguns aços estruturais de alta resistência, aços de alto carbono e ligas de níquel. As composições de ligas que podem ser soldadas por SAW têm se expandido com a crescente disponibilidade de eletrodos e fluxos. 6. Exercícios e Práticas de Laboratório a) Que justificativas podem ser dadas para a pequena utilização da soldagem a arco submerso no modo semiautomático? b) Que fatores devem influenciar na possibilidade de uso de corrente alternada na soldagem SAW? c) Por que há necessidade de movimento do cabeçote no sentido transversal à direção de soldagem quando se usam trilhadores de-juntas? d) Existe possibilidade de utilização da técnica "narrow-gap" com outros processos? Quais? Por quê? 0*7cl ffWPAffW ruKQurarrosEmKOiMA e> Que dificuldades podem existir para se estabilizar um arco de soldagem quando se usa um eletrodo em forma de fita? Haveria necessidade do uso de dispositivos especiais para isso? f) Quais as vantagens de se usarem arames tubulares na soldagem a arco submerso? g} Por que aumenta o consumo de fluxo quando se aumenta a tensão do arco de soldagem SAW? h) Experimente depositar cordões de solda com cerca de 25 cm de comprimento sobre chapas de aço doce, com espessura de 10 a 12 mm, com diferentes parâmetros de soldagem. Por exemplo, pode-se depositar três cordões com diferentes correntes, mantendo-se fixas a tensão e a velocidade de soldagem. As correntes utilizadas devem ser compatíveis com o diâmetro do arame e o equipamento disponíveis. A seguir, mantendo fixa a corrente de soldagem, depositar outros cordões variando-se a tensão. Repetir variando a velocidade de soldagem. Observar o aspecto superficial do cordão e suas dimensões (largura e reforço). Se possível, fazer cortes transversais dos cordões, preparar macrografias das seções e determinar a penetração da solda. Anote suas observações e discuta os resultados. Cordão N» Parâmetros de soldagem Corrente (A) Tensão (V) Velocidade (cm/min) * Dimensões do cordão Largura (mm) Reforço (mm) Penetração (mm) Diâmetro do eletrodo:____ (mm), Dimensão do eletrodo :_____ (mm) CAPÍTULO 17 SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA E ELETROGÁS A - SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA 1. Fundamentos A soldagem por eletroescória (Electroslag Welding - ESW) é um processo que produz a coalescência de metais através da fusão do metal de adição e das partes a unir por meio do calor gerado pela passagem de corrente elétrica numa poça de escória fundida. O processo é iniciado pela abertura de um arco elétrico entre um eletrodo e uma peça metálica. Um fundente ou fluxo de soldagem é então adicionado ao arco, de modo que, uma vez fundido, forme uma camada de escória que sirva como resistência elétrica e proteja a poça de fusão contra a contaminação pela atmosfera. Quando a poça de escória atinge um tamanho suficiente, o arco é extinto e a corrente elétrica flui através do eletrodo (ou eletrodos) e da escória, gerando, por efeito Joule, calor suficiente para a fusão do(s) eletrodo(s) e das superfícies das peças que serão unidas. Ajunta, geralmente de forma retangular, é posicionada de modo que seu eixo fique aproxima damente na vertical e é formada pelas peças a unir e por um par de sapatas de contenção. À medida que o metal de adição se funde, a junta vai sendo preenchida, até ser com pletada, num único passe. O processo é mecanizado e, exceto no caso de soldagem circunferencial, não há movimentação das peças depois de iniciada a soldagem. A Figura 1 mostra esquematicamente o processo. OTO 1 ^ ' 0 i SOI DAREM FUNDAMENTOS E TECNOIOGIA Figura 1 Soldagem por eletroescória: (a) esquemática e (b) corte latera! A soldagem por eletroescória não exige a abertura de chanfros mas requer, por outro lado, cuidadosa preparação da junta, isto é, a colocação de prolongam entos de chanfro nas partes inferior e superior desta, de m odo a form ar cavidades adequadas para, res pectivam ente, início e fim do processo e a colocação e. às vezes, a m ovim entação das sapatas de contenção. Não há perdas do material de adição, respingos, e o consum o de fluxo é relativamente' baixo, quando comparado à soldagem a arco subm erso. O processo apresenta alta taxa de deposição, econom ia de energia e tem po em relação aos processos de soldagem a arco, deposição em passe único, resultando em alta produtividade. Quase não há form ação de descontinuidades de soldagem, com o porosidades e inclusões de escória. A distorção angular é desprezível e a contração vertical é mínima. Geralmente, a penetração no metal de base é relativamente elevada. A m istura do metal de base e de adição fundidos é hom ogênea devido ao fluxo líquido causado por forças eletrom agnéticas e de convecção. Devido à alta energia de soldagem geralm ente usada (25 a 400 kJ/mm, contra 0,4 a 5,0 kJ/mm nos processos convencionais a arco), o metal depositado e a zona term icam ente afetada tendem a apresentar baixa resistência ao im pacto, o que pode exigir cuidadosa seleção do metal de base e de adição e/ou tratam entos térm icos pós-soldagem , que po dem inviabilizar técnica ou econom icam ente o processo em algumas aplicações. Quando comparada com processos de soldagem a arco, a soldagem por eletroescória apresenta baixa taxa de resfriamento. Um balanço térm ico de uma solda eletroescória típica indica que aproxim adam ente 60% do calor gerado é absorvido pela peça, cerca de 25% é gasto para fusão do eletrodo. CAPÍTULO 17 Q SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA E ELETROGÁS ^ •3 e aproximadam ente 10% do calor é utilizado para superaquecer o metal fundido. A quan tidade de calor extraído pelas sapatas de contenção varia com a espessura das peças a soldar e as condições de soldagem. Na união de placas de aço com espessura de 90 mm, menos de 10% do calor gerado é transferido às sapatas. No caso de placas mais finas, entretanto, as sapatas refrigerantes têm uma participação mais significativa no balanço térm ico. Diversos m odelos matem áticos podem ser utilizados para estim ara distribuição tridim ensional das tem peraturas na escória, na poça de fusão e nas peças, para predizer as dim ensões e o crescim ento dos grãos na zona term icam ente afetada (ZTA). Caso haja interrupção do processo ao longo da junta, há a necessidade de retrabalho de preparação e m ontagem da junta. A soldagem ESW, apesar de sua lim itação quanto à posição de soldagem, perm ite produzir união de peças estruturais, revestim ento e recuperação. Devido às suas carac terísticas, tem grande aplicação na soldagem de chapas grossas e de peças forjadas ou fundidas de grande porte. Na união de chapas, existe uma espessura mínima e tam bém um com prim ento mínimo, abaixo dos quais o processo não é viável. A literatura recomenda a soldagem ESW para espessuras entre 30 e 300 mm. Quanto aos materiais soldáveis, o processo por eletroescória tem sido usado em a ço s-carbono e de baixa liga e aços inoxidáveis austeníticos, sendo que em alguns casos há necessidade de uso de tratam entos térm icos pós-soldagem. 2. Equipamentos O equipam ento básico para soldagem ESW consiste de uma fonte de energia elétrica, um cabeçote de soldagem , onde geralmente são colocados um alim entador de arame e um sistema de m ovimentação, sapatas de contenção, sistem a de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o(s) eletrodo(s), dizendo-se então que a soldagem é balanceada. A soldagem por eletroescória apresenta duas variações básicas: o m étodo tradicional, que utiliza um tubo-guia não consumível para direcionar o eletrodo, e o m étodo com tu b o -guia consumível. No prim eiro caso o cabeçote de soldagem move-se progressivamente para cima durante a operação e no segundo este permanece estacionário no topo da junta enquanto o tubo-guia se funde. Em am bos os casos pode ou não haver m ovim ento das sapatas de contenção, mas de modo geral este m ovim ento é mais comum quando se usa guia não consumível. Tubos-guia não consumíveis são geralm ente feitos em liga berílio-cobre devido ao fato deste material m anter resistência considerável a tem peraturas elevadas. Eles são envoltos com fita isolante para evitar curto-cir(cuitos e geralmente têm diâm etro m enor que 12 mm. Geralmente o tubo-guia consumível é feito de aço compatível com o metal de base e é ligeiram ente mais com prido que a junta. Com um ente tem diâm etro externo de 12 a 16 m m e diâmetro interno de 3,2 a 4,8 m m. Diâmetros menores são necessários para soldar seções de espessura inferior a 19 mm. Oon ; L ° U SOLDAGLM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Para soldas longas é necessário isolar os tubos-guia e para isso todo o com prim ento do tubo pode ser revestido com fluxo ou então usar anéis isolantes, espaçados de 300 a 450 mm, que podem ser m antidos em seus lugares por pequenos pontos de solda feito s no tubo. A cobertura de fluxo ou os anéis isolantes fundem e ajudam a abastecer o banho de escória à medida que o tubo é consum ido. A Figura 2 ilustra, esquem aticam ente, essas duas variações: Figura 2 Variações da soldagem ESW (esquemáticas) CAPÍTUL017 SOLOAGEM POR ELETROESCÓRIA E ELETROGÁS As fontes de potência são tipicam ente do tipo transformador-retificador de tensão cons tante e capacidade nominal de 750 a 2.000 A e ciclo de trabalho de 100%. São similares às empregadas na soldagem a arco submerso e a tensão mínima em vazio deve ser 60 V. Fontes de corrente alternada são utilizadas para algumas aplicações. Na soldagem com mais de um eletrodo utiliza-se em geral uma fonte de potência para cada um deles. O alim entador de arame é do tip o velocidade constante, similar ao usado em outros processos, com o GMAW ou SAW e é usualmente m ontado sobre o cabeçote de solda gem. Em geral utiliza-se um alim entador independente para cada eletrodo a ser usado. A velocidade de alimentação do eletrodo fica usualm ente na faixa de 15 a 150 mm/s. Dispositivos de oscilação do eletrodo são necessários quando a espessura da junta é maior que 60 mm por eletrodo, aproximadamente. A oscilação do(s) tubo(s)-guia do eletrodo pode ser proporcionada por mecanismos com acionamento mecânico operado por motor, tal com o parafuso direcionador ou cremalheira com pinhão. O sistema de oscilação deve perm itir ajustes na velocidade e am plitude do deslocam ento e do tem po de parada nos extremos. As sapatas de contenção servem para conter o banho na cavidade de solda, acelerar a solidificação do metal fundido e moldar lateralmente o contorno da junta. São feitas normalmente de cobre e refrigeradas a água. No m étodo convencional, as sapatas normal mente acompanham o m ovim ento de deslocam ento vertical do cabeçote de soldagem, durante a operação, enquanto que no m étodo de guia consumível ficam presas às peças por fixadores externos. A estanqueidade do conjunto peças-sapatas pode ser melhorada com a aplicação de massa refratária, antes do início da soldagem. O sistema de controle perm ite ajustar as diversas variáveis de soldagem, com o em outros processos, e pode form ar um conjunto único ou estar disperso pelos vários equi pamentos do sistem a de soldagem. Os cabos servem para conduzir corrente elétrica e devem ter diâm etros compatíveis com as correntes e distâncias envolvidas. 3. Consumíveis Os consumíveis do processo eletroescória são os eletrodos, os fluxos e, no método de guia consumível, os tubos-guia. Os eletrodos podem ser arames sólidos ou tubulares. Na soldagem com eletrodos sólidos há necessidade de se adicionar fluxo m anualm ente, de m odo a manter a cama da de escória com características adequadas. Isto é feito mais facilm ente com o uso de arames tubulares. Os eletrodos têm diâmetro norm alm ente entre 1,6 e 4 mm e estão disponíveis com várias com posições químicas/ perm itindo a obtenção de propriedades mecânicas numa ampla faixa. Os eletrodos devem ser embalados de forma que se consiga uma alimentação uniforme e ininterrupta e são fornecidos em bobinas com peso entre 27 e 340 kg, num tamanho adequado para com pletar toda a solda sem interrupção. q q 1 1 9Q7 muMGai ío e - n n o A ira n o s E iK ira to s u A especificação AWS A 5.25 trata especificamente de consumíveis para soldagem ESW de aços carbono e aços ARBL {alta resistência e baixa liga). Consumíveis para a solda gem SAW, FCAW e até mesmo GMAW, tratados em outras especificações AWS. podem também ser utilizados. Geralmente são feitos testes de qualificação para se verificar a adequabilidade de um ou outro consumível para uma dada aplicação. Os fluxos para soldagem ESW são invariavelmente do tipo fundido em vez de aglo merados. A sua principal função é produzir a escória que servirá para gerar o calor de soldagem e proteger o material fundido contra oxidação. Podem ainda ter outras funções como refinar o metal de solda e adicionar elementos de liga e nesse caso o controle da adição de fluxo durante o processo é muito mais crítico. Em geral, a escória produzida por fluxos para soldagem por eletro-escória tem maior resistividade que a dos fluxos utilizados em processos de soldagem a arco. Às vezes um fluxo aglomerado de parti da, com condutividade térmica elevada, é utilizado para iniciar o processo e formar a poça de fusão e ém seguida um fluxo contínuo de resistividade elevada é adicionado. A composição química típica de um fluxo para soldagem ESW de aços baixo carbono é apresentada na Tabela I. Tateia I - Fluxo típico para soldagem ESW de aços baixo carbono C onstituinte Teor (% peso) 25 Si02 MnO • 10 CaF2 15 A IA 25 GaO 15 MgO 10 A escória formada pelo fluxo fundido deve conduzir corrente elétrica, gerar o calor necessário para a fusão, proteger a região da solda e às vezes adequar a composição química do metal depositado, sendo necessário que apresente as seguintes caracte rísticas: ■ resistência elétrica: a escória deve ser condutora, mas com resistência suficientemente elevada para gerar, por efeito Joule, o calor necessário para a fusão, assegurando a não abertura de arcos durante o processo. Uma escória de resistência elevada (ou condutividade baixa) requererá menos corrente, resultando em uma poça de fusão mais fria, o que gerará uma menor penetração no metal de base. Ela também permitirá que o eletrodo penetre mais profundamente na poça. Por outro lado, uma escória de baixa resistência pode re querer mais corrente, aumentando a temperatura do banho até o processo se estabilizar com extensão mais curta do eletrodo. Entretanto, se a resistência for baixa demais, poderá ocorrer formação de arco entre o eletrodo e a superfície do banho de escória, especialmente com tensões mais elevadas. Esta condição é agravada no caso de escórias que apresen tem condutividade fortemente crescente com a temperatura. Em termos de parâmetros o p e ra c io n a is do processo, menor resistividade da escória pode resultar em tensões mais 'baixas. CAPfUH017 U p o SOLDAKM POR EUETBOíSCteA E BfIROGtó | • viscosidade: além de sua capacidade de gerar calor, a escória fundida também deve ter fluidez suficiente para provocar convecção rápida e boa circulação, necessárias para distribuir o calor através da junta. A fluidez da escória depende principalmente de suas características químicas e da temperatura de operação. Viscosidade elevada favorece a retenção de escó ria e formação de inclusões de escória no metal de solda e viscosidade muito baixa pode permitir vazamentos entre as peças e as sapatas de contenção. • densidade: deve ser menor que a do metal fundido, de modo a sobrenadar na poça de fusão, e dificultar a formação de inclusões de escória. • temperatura de fusão: o ponto de fusão da escória pode ser inferior ou superior ao do metal fundido. Por motivos econômicos, é desejável que seja inferior. O ponto de ebulição dos componentes deve ser superior à temperatura de operação, para evitar a perda de elementos e mudança das características da escória durante o processo. • estabilidade: o fluxo fundido deve ser estável numa ampla faixa de condições de operação. • destacabilidade: a escória deve ser facilmente destacável das laterais da junta. • comportamento químico: a escória deve ser razoavelmente inerte, minimizando as reações com o metal fundido, a não ser as desejáveis, como desoxidação etc. • compatibilidade metalúrgica: finalmente, a escória deverá ser metalurgicamente compatível com a liga sendo soldada. Rara soldas de aço, os fluxos geralmente são uma mistura de óxidos. Fluoreto de Cálcio (CaF2) é adicionado aos óxidos ou silicatos básicos para produzir resistividade e fluidez apropriadas. A viscosidade, o ponto de fusão e a resistividade dimi nuem com o aumento no teor de CaF2. Adições de Ti02 também reduzem a resistividade, enquanto que Al20 3 a aumenta. T102também aumenta a viscosidade da escória. Aplicações especiais, tal como controle de inclusões ou dessulfuração podem necessitar de adição de compostos de terras raras. Em geral, a capacidade de desprendimento da escória após solidificação do metal de solda não constitui problema maior na soldagem ESW, mas a adi ção de grandes quantidades de TiOz dificultará a remoção a escória enquanto que adições de fluoretos a melhoram. Os fluxos são normalmente constituídos de óxidos complexos de Si, Mn, Ti, Ca, Mg, Al e fluorita. Material refratário, à base de alumina, é necessário para manter o contato sapata/metal de base, geralmente na forma de massa moldável. A classificação e seleção de eletrodos para soldagem ESW é feita com base na composição química e propriedades mecânicas do metal depositado, como em outros processos. 4. Técnica Operatória As principais etapas de realização de uma soldagem por eletroescória são a preparação da junta, abertura do arco e formação da cámada de escória, enchimento da junta, fina lização do processo e limpeza. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A preparação da junta envolve diversas atividades que podem variar, dependendo do m étodo de soldagem utilizado. Os principais tipos de junta que podem ser utilizados são m ostrados na Figura 3. Figura 3 Tipos de junta comuns na soldagem por eletroescória Os chanfros usados são norm alm ente retos, preparados por corte térm ico e limpeza de camadas de óxidos. As peças são posicionadas com o eixo de soldagem aproxima dam ente na vertical, com desvio máxim o adm issível em torno de 10°. A separação das peças na parte inferior da junta é norm alm ente de 3 a 6 mm menor que na parte superior, com pensando a contração que ocorre durante a soldagem. Depois do posicionam ento, são m ontados prolongadores auxiliares de material de com posição sim ilar à do metal de base ou de cobre refrigeradas à água, que form arão cavidades apropriadas para início e fim de processo, respectivam ente nas extrem idades inferior e superior da junta. Estes prolongadores e o material nelas contido são rem ovidos após a soldagem. Também é feita a m ontagem das sapatas de contenção, que podem ser fixas ou móveis. Na parte inferior da cavidade form ada pelos prolongadores e metal de base é montada uma chapa, chamada de chapa de partida, onde vai ser aberto o arco elétrico inicial. A Figura 4 ilustra esquem aticam ente esta preparação. C A P ÍT U I017 L SOLDAGEM POR EIETROESCÓR1A E ELETROGÁS Aletas superiores _____ inferiores Chapa de partida Figura 4 Preparação esquemática de uma junta para soldagem ESW Após esta preparação, é feito o posicionam ento do(s) tubo(s)-guia. Na soldagem con vencional o tubo-guia é mantido de 50 a 75 mm acima do fluxo fundido e vai se deslocando para cima, juntam ente com as sapatas de contenção e o cabeçote de soldagem, durante a operação. A velocidade de deslocam ento deve ser igual à velocidade de enchim ento da junta. Sim ultaneamente, quando usado, é feito o deslocamento lateral do tubo-guia, isto é, o m ovim ento de balanceamento. Na soldagem com guia consumível, o cabeçote de soldagem permanece estacionário acima da junta e o tubo-guia penetra todo o com prim ento da junta, até ficar próxim o da chapa de partida. Depois disso, é feita a abertura do arco, simlarm ente ao que é feito na soldagem SAW, sobre a chapa de partida, e é adicionado fluxo de soldagem, em geral manualmente, até que uma camada de escória com espessura suficiente seja formada. O arco é então naturalm ente extinto, e a geração de caior passa a ser feita por efeito Joule, na camada de escória. Com a fusão do(s) eletrodo(s), ajunta vai sendo preenchida, na posição plana. Novas adições manuais de fluxo devem ser feitas, de m odo a manter mais ou menos constante a espessura da camada de escória, compensando as perdas por retenção que norm alm ente ocorrem entre o metal de base eas sapatas de contenção. Esta etapa prossegue até que toda a junta seja preenchida e o nível do metal de solda fique acima da superfície superior da junta, isto„é, até que a deposição de metal passe a ser feita na cavidade formada pelos prolongadores superiores, a cavidade do fim de processo. A passagem de corrente elétrica e a alimentação de arame são interrompidas e, após a solidifi cação total da poça de fusão, é feita a remoção das sapatas de contenção, dos prolongadores auxiliares, do m etal excedente e da escória retida, finalizando a soldagem. Qr ooc soioAsaa FUNDAMENTOS ETECNOLOGIA Na soldagem circunferencial, as sapatas de contenção se adaptam à curvatura das peças, que são giradas durante a operação. Uma limitação neste caso é que a operação deve ser completada por outro processo de soldagem. A soldagem por eletroescória apresenta algumas variáveis comuns a outros processos de soldagem a arco elétrico e outras específicas, por sua própria natureza. As principais variáveis do processo e sua influência serão apresentadas a seguir. A forma da poça de metal fundido influencia na tendência à fissuração a quente da zona fundida e pode ser expressa pelo seu "fator de forma", definido pela razão da largura da poça de fusão pela sua profundidade máxima. Este fator pode variar de 0,8 a 10, sendo que em termos práticos, geralmente fica compreendido entre 1,5 e 4. Baixos fatores de forma favorecem a fissuração a quenté. O fator de forma depende de outras variáveis de soldagem, como a tensão corrente e velocidade de deslocamento, além das composições dos metais de base e de adição, entre outras. Tensões elevadas ou baixas correntes favorecem um fator de forma elevado, enquanto que baixas velocidades de soldagem dão origem a poças de fusão rasas, com alto fator de forma. A corrente de soldagem pode ser contínua ou alternada e influencia diretamente a taxa de fusão e a produtividade, que tendem a aumentar com o aumento da corrente, mas por outro lado, o fator de forma tende a diminuir. Assim, uma combinação ótima de qualidade e produtividade deve ser procurada na determinação da corrente de soldagem, levando em consideração as outras variáveis do processo, particularmente o diâmetro do(s) eletrodo(s). Aumentando-se a tensão de soldagem aumenta-se a penetração lateral do cordão no metal de base e, portanto, a largura da solda, tendendo a aumentar o fator de forma e a resistência à fissuração. A tensão também influencia a estabilidade do processo. Tensões muito baixas favorecem à ocorrência de curtos-circuitos ou aberturas de arco na poça de solda e tensões muito elevadas aumentam a tendência à abertura de arco sobre a superfície do banho. Valores entre 32 e 55 V são normalmente utilizados. O comprimento energizado de eletrodo ou extensão elétrica ("stickout") só/faz sentido na soldagem convencional, sendo definido como a distância entre a ponta do tubo-guia e a superfície da poça de escória. Uma elevação da extensão elétrica resulta em diminuição da corrente e ligeira elevação do fator de forma. O número de eletrodos é escolhido em função da espessura das peças a serem uni das, da capacidade da fonte e da possibilidade de movimentação lateral do eletrodo ou balanceamento. O espaçamento entre eles deve ser tal que não ocorram falta de fusão lateral ou inclusões de escória na região central. A oscilação lateral produz uma melhor distribuição de calor na junta, além de favorecer uma fusão mais efetiva do metal de base e homogeneização da poça de escória. A extensão do deslocamento e os tempos de parada em cada extremidade são determi nados em função do número de eletrodos e de sua distribuição na junta. Os tempos de parada ficam, geralmente, entre 2 e 7 s para garantir fusão completa do metal de base e evitar o resfriamento da região da poça próxima às sapatas de contenção. Velocidades de oscilação entre 8 e 40 mm/s são usadas, sendo que maiores velocidades devem ser usadas para maiores espessuras. A largura da poça e o fator de forma tendem a diminuir com o aumento da velocidade de oscilação. Um banho de escória com pouca profundidade favorece a ebulição com possibilidade de abertura de arco sobre sua superfície. Profundidade muito elevada inibe a circulação CAPfTULO 17 SOUWU3EM KW ElETROESCÓMA E aETHOGÁS I« « 7 Jí o • da escória, podendo resultar em inclusões de escória no metal de solda. O fator de for ma diminui com o aumento da profundidade da camada de escória. São normalmente utilizados valores entre 25 e 50 mm. É necessário um espaçamento entre as peças ou abertura de raiz mínima para promover tamanho e circulação adequados do banho de escória e conter o tubo-guia e seus isolantes, se for o caso. Aberturas excessivas aumentam o custo da soldagem, em função do tempo de soldagem e consumo de metal de adição, e podem favorecer falta de fusão lateral, além de aumentar o fator de forma. Aberturas entre 20 e 40 mm são mais usadas. Diversos problemas operacionais podem ocorrer na soldagem por eletroescória. depen dendo das condições de operação. A seguir são apresentados alguns deles e suas causas: • p e r d a d e e s c ó r ia e n tr e a s a p a ta e a p e ç a p o d e o c o r r e r d e v id o a o d e s a lin h a m e n to d a s p e ç a s o u irr e g u la r id a d e s s u p e rfic ia is , re s u lta n d o e m r e d u ç ã o d o v o lu m e d o b a n h o d e e s c ó ria e a lte ra ç õ e s n o p ro c e s s o , o u a t é m e s m o a s u a in te rr u p ç ã o ; • b o r b u lh a m e n to d a .e s c ó ria p o d e s e r c o n s e q u ê n c ia d e u m b a n h o m u ito ra s o o u a d iç ã o d e flu x o ú m id o , c a u s a n d o re s p in g o s ; • e v e n tu a lm e n t e p o d e m o c o rr e r a b e rtu r a s d e a r c o . c a u s a d a s p o r u m b a n h o d e e s c ó r ia m u ito ra s o o u fu s ã o d o is o la m e n to o u d o t u b o - g u ia . p r ó x im o a o b a n h o ; • a fu s ã o d a s s a p a ta s o c o rre , à s v e z e s , c o m o c o n s e q u ê n c ia d a in te rru p ç ã o d o flu x o d e á g u a d e r e frig e r a ç ã o o u p a r â m e tr o s in a d e q u a d o s , p o d e n d o le v a r à in te rr u p ç ã o d o p r o c e s s o ;e • n a s o ld a g e m c o m e le tro d o s m ú ltip lo s p o d e a in d a o c o r r e r in te ra ç ã o m a g n é tic a e n t r e o s tu b o s -g u ia o u e n tr e e s te s e a s p a r e d e d e c a v id a d e . 5. Aplicações Industriais Apesar de suas limitações quanto à posição de soldagem, este processo permite produzir união de peças estruturais, revestimento e recuperação. A principal aplicação da soldagem ESW é, provavelmente, a união de componentes estruturais como soldagem de flanges (onde eventuais diferenças de espessuras não apresentam problemas adicio nais). de enrijecedores em colunas, união de chapas para obtenção de peças com largura superior àquelas normalmente produzidas por laminação e união de peças forjadas ou fundidas de grande porte etc. Equipamentos de grande porte como base de prensas de grande porte, fornos, vasos de pressão, carros-torpedo, anéis de turbina e cascos de navios têm sido soldados por eletroes cória com excelentes resultados. A elevada taxa de deposição, economia de energia, menor tempo de execução em relação aos processos de soldagem a arco e o custo relativamente baixo do processo o tornam bastante atrativo parg a fabricação de estruturas pesadas. Os materiais comumente soldados pelo processo são: aços carbono e baixa liga, os aços estruturais, aço inoxidável, e ligas à base de níquel e o alumínio. Refusão por eletroescória tem sido utilizada para desenvolver peças de transição para tubulações de vapor de parede espessa, onde tubos de aço baixa liga cromo-molibdênio devem ser unidos a tubos de aço inoxidável austenítico. f OOO: L° 0 SOLDAGEM FUNDAMENTOS t TECNOLOGIA B - SO L D A G E M ELETRO G ÁS 1. Fundamentos O processo de soidagem por eletrogás (EGW) foi desenvolvido em 1961, a partir da soldagem por eletroescória (ESW), para a soldagem de peças mais finas na posição vertical em um único passe. Até o desenvolvim ento desta técnica, estas peças eram soldadas com eletrodo revestido (SMAW) ou pelo processo de soldagem com arame solido sob proteção gasosa (GMAW). Desde então, foi registrado um grande crescim ento na utilização do processo de soldagem por eletrogás. Isto ocorreu porque além de ser econom icam ente vantajoso, este processo apresenta excelente qualidade e desempenho do metal de solda e elevadas taxas de deposição. A soldagem eletrogás é um processo de soldagem por fusão, que utiliza com o fonte de calor um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo, sólido ou tubular, e um banho de metal fundido ou de escória. O material fundido fica contido numa cavidade com eixo na vertical, form ada pelas peças'e por sapatas de contenção, como no processo eletroescória. É opcional o uso de proteção gasosa do banho, dependendo do tipo de eletrodo usado. A Figura 1 ilustra o processo de soldagem eletrogás. Figura 1 Soldagem eletrogás (esquemática) CAPÍTULO 17 ! O Q Q SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIAE ELETROGÁS O arco elétrico é aberto inicialm ente sobre uma chapa de partida, situada na parte inferior da junta. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e as superfícies do metal de base. Uma poça de m etal líquido é form ada sob o arco. O(s) eletrodo(s) são alimentados continuam ente ao arco e as sapatas de contenção são deslocadas para cima, à medida que a junta vai sendo preenchida. A solidificação do metal depositado consolida a união. Na soldagem com eletrodos sólidos, a proteção é feita por uma nuvem de gás inerte, ativo ou mistura, fornecida por uma fonte externa, geralmente através de orifícios adequados nas sapatas de contenção. Na soldagem com eletrodo tubular a proteção é dada pela fina camada de escória produzida a partir do fluxo de soldagem contido no eletrodo, que pode ser suplementada por uma nuvem de gás, quando se empregam arames tubulares recom endados para uso com proteção gasosa. 2. Equipamentos O equipamento usado na soldagem eletrogás é similar ao da soldagem por eletroescória com guia não consumível, consistindo de uma fon te de energia elétrica, um cabeçote de soldagem , onde geralmente são colocados um alim entador de arame e um sistema de m ovimentação, sapatas de contenção, sistem a de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o eletrodo. A diferença básica é a adaptação das sapatas para injeção de gás protetor e a fon te deste, quando aplicável. A fonte de energia usada é de corrente contínua, com saída do tipo tensão constante, geralm ente um transform ador-retificador ou motor-gerador. A fonte de gás protetor é constituída de um cilindro do gás ou mistura e reguladores de pressão e/ou vazão, com o nos processos G MAW ou FCAW. O eletrod o é a lim en tado co n tin u a m e n te através de uma guia não consum ível. O m ovim ento vertical da m áquina de soldagem deve ser consistente com a taxa de deposição do metal de solda. Este m ovim ento pode ser automático ou controlado pelo operador de soldagem devidam ente treinado. O tubo-guia usado na soldagem eletrogás difere das tochas de soldagem GMAW ou FCAW basicamente em suas dimensões, já que o tubo-guia geralmente tem seu diâmetro limitado em torno de 10 mm, e pelo menos parte deste deve ficar situado na cavidade da junta. Pode-se optar pela injeção de gás de proteção por um bocal colocado na região do tubo-guia. 3. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem EGW são os mesmos dos processos GMAW e FCAW, isto é, eletrodos e gases de proteção. Os eletrodos para soldagem de aços carbono e aços de alta resistência e baixa liga FU KO M ranO S E T K N 0 U 8 U são classificados pela especificação AWS A 5.26, e são divididos em sólidos e tubulares. Os arames sólidos são idênticos aos usados no processo GMAW, com diâmetro entre 1,6 e 4 mm. Os eletrodos tubulares também são encontrados nesta faixa de diâmetro e são classificados quanto à necessidade de uso de proteção gasosa, composição química e propriedades mecânicas do metal depositado. No processo EGW com eletrodos tubulares o fluxo interno cria uma camada fina de escória entre o metal de solda e as sapatas, melhorando o acabamento da solda. Os processos de soldagem EGW com eletrodos tubulares autoprotegidos apresentam taxas de deposição mais elevadas que os eletrodos protegidos por gás. Os gases usados são geralmente o C02 e misturas 80% argônio e 20% C 02 tanto com arames tubulares quanto com arames sólidos. O processo EGW com eletrodos sólidos pode soldar peças cujas espessuras variam de 10 a 100 mm. Os diâmetros de eletrodos mais utilizados estão entre 1,6 e 3,2 mm. 4. Técnica Operatória As características operatórias da soldagem eletrogás são as mesmas da soldagem por eletroescória, com pequenas variações. A abertura de raiz fica, normalmente, em tomo de 17 mm, não há necessidade de uso de prolongadores de topo e de base quando as peças têm espessura inferior a 25 mm e apenas uma das sapatas de contenção pode ser estacionária. A iniciação do arco é feita de modo convencional, como na soldagem GMAW, sendo depois executados ajustes convenientes, de modo a manter o processo estável e sob controle. As variáveis do processo eletrogás e sua influência no processo são similares às da soldagem por eletroescória, com pequenas diferenças. A tensão do arco varia normalmente entre 30 e 55 V, dependendo dos consumíveis usados, das dimensões do eletrodo e da espessura das peças a unir. A extensão elétrica do eletrodo ou "stickout" fica geralmente entre 60 e 75 mm para eletrodos autoprotegidos e em torno de 40 mm para eletrodos com proteção gasosa. Normalmente usa-se oscilação do eletrodo quando a espessura a soldar é superior a 30 mm, com velocidade de oscilação de 7 a 8 mm/s, tempo de parada nas extremidades entre 1 e 3 s e distância mínima entre o tubo guia ou bico de contato e as sapatas de contenção de 10 mm. 5. Aplicações Industriais_____________________ ________________ A soldagem eletrogás é mais usada na união de chapas de aços carbono ou baixa liga posicionadas verticalmente. Esta situação é frequentemente encontrada na montagem de CAFfTUU>17 U Q 1 SOlÒAQMPOftELETOQESCÓRlAE ELETROGÁS I 1 estruturas robustas, como cascos de navios, tanques de armazenagem, vasos de pressão, edifícios etc. O. processo pode ser aplicado a outros tipos de materiais soldáveis pelos processos GMAW e FCAW. Em grande parte dos casos, a soldagem é feita no campo. Os mesmos tipos de juntas soldadas com o processo ESW, mostradas na Figura 3, podem ser soldadas com o processo EGW. Neste processo podem ser utilizadas sapatas de retenção fixas, móveis ou uma fixa e a outra móvel dependendo da aplicação do processo. 5. Exercícios a) A soldagem por eletroescória é um processo de soldagem a arco? E a soldagem por ele trogás? Justifique. b) Que operações devem ser realizadas para se recomeçar uma soldagem por eletroescória interrompida, por exemplo, por falta de energia elétrica? E uma soldagem eletrogás? c) Que medidas podem ser tomadas no sentido de se melhorar a tenacidade de soldas pro duzidas por eletroescória? d) Quais as vantagens de se usar arames tubulares na soldagem por eletroescória? E eletrogás? e) Por qüe baixos fatores de forma favorecem a fissuração a quente de soldas produzidas por eletroescória? f) Quais as vantagens de se usar oscilação lateral do eletrodo? € (f :<f «r<f <í f í CAPÍTULO 18 SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA 1. Fundamentos____________________________________________ A soldagem por resistência compreende um grupo de processos nos quais a união de peças metálicas é produzida em superfícies sobrepostas ou em contato topo a topo, pelo calor gerado na junta através de resistência à passagem de uma corrente elétrica (efeito Joule) e pela aplicação de pressão, podendo ocorrer uma certa quantidade de fusão na interface. Existem diversos processos de soldagem por resistência, tais como: • Soldagem por pontos (Resistance Spot Welding - RSW) • Soldagem por projeção (Projection Welding - RPW) • Soldagem por costura (Resistance Seam Welding - RSEW) • Soldagem topo a topo: • Por resistência (Upset Welding - UW) • Por centelhamento (Flash Welding - FW) • Soldagem por resistência por alta frequência (High Frequency Resistance Welding - HFRW). Estes processos são mostrados esquematicamente na Figura 1. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA \ Impeder Figura 1 Alguns processos de soldagem por resistência (esquemáticos). Soldagem por (a) pontos, (b) costura, (c) projeção, (d) topo a topo por resistência, (e) topo a topo por centelhamento e (f) alta frequência Na soldagem por pontos, a solda é obtida na região das peças colocadas entre um par de eletrodos, e várias soldas podem ser obtidas sim ultaneam ente pela utilização de múltiplos pares de eletrodos. Na soldagem por projeção, o processo é similar ao anterior, sendo que a soldagem ocorre em um local determ inado por uma projeção ou saliência em uma das peças onde fluxo de corrente é concentrado nos pontos de contato preestabelecidos. Duas ou mais soldas podem ser obtidas com um único par de eletrodos. CAPÍTULO 18 i SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA j Na soldagem por costura, uma série de pontos de solda consecutivos é feita, de modo a produzir uma solda contínua, por sobreposição parcial dos diversos pontos. Normal m ente, um ou ambos os eletrodos são discos ou rodas, que giram enquanto as peças a serem unidas passam entre eles. Na soldagem topo a topo por resistência, a corrente elétrica passa através das faces das peças, que são pressionadas frente a frente. As peças são prensadas uma contra a outra, por meio de um dispositivo de com pressão sendo em seguida subm etidas à pas sagem de uma corrente de soldagem adequada. Podem ser soldados com este processo materiais com seção quadrada, redonda, sextavada etc. A Tabela I apresenta faixas de corrente adequadas para a soldagem de alguns materiais. Tabela I - Faixa de parâmetros de soldagem prática para alguns materiais M aterial Faixa de Corrente Aço doce 70 a 80 A/mm1 Alumínio 150 a 200 A/mm2 Cobre 250 a 300 A/mm2 As pressões necessárias são da ordem de 0,5 a 1.2 kg/mm2 Na soldagem topo a topo por centelham ento, ao contrário da solda topo a topo por resistência, em geral não é necessária nenhuma preparação das superfícies de contato. Neste processo as peças são energizadas antes de entrarem em contato, e suas faces são aproximadas até que o contato ocorra em pontos discretos da superfície da junta, gerando o centelham ento. Como o início do contato é provocado por irregularidades nas superfícies dos materiais, o processo de fusão se inicia pelos diversos arcos form ados pelas irregularidades da superfície entre as peças. Este sistem a acelera-se e acaba por estender-se progressivam ente em toda a superfície. Tanto neste processo quanto no anterior, existe um estágio final, quando as faces su ficie n te m e n te aquecidas são fo rte m e n te pressionadas uma contra a outra, sofrendo uma considerável deform ação plástica, que consolida a união. Na soldagem por alta frequência, a solda é obtida pelo calor gerado pela resistência à passagem de uma corrente elétrica alternada de alta frequência (10 a 500 kHz) e pela aplicação rápida de pressão. Todos os processos de soldagem por resistência envolvem a aplicação coordenada de pressão mecânica e passagem de corrente elétrica, com intensidade e duração adequadas. A passagem da corrente elétrica provoca aquecim ento, e em alguns casos uma certa quantidade de fusão das peças a serem unidas. A aplicação de pressão garante a continuidade do circuito elétrico e perm ite a obtenção de soldas com baixo nível de contaminação, seja pela proteção física da região de solda ou pela expulsão do material contam inado para fora da junta. O resfriam ento da junta se dá sobre pressão. O calor gerado pela passagem da corrente elétrica pode ser estimado por 2 g g I m A A sa t R M B A m n O S E TCam O G tA onde, Q é o calor gerado (em Joules), Ré a resistência elétrica (em Ohms),/ é a intensidade de corrente elétrica (em Ampères) e t é o tempo de passagem da corrente (em segundos). A soldagem por pontos é usada na fabricação de peças e conjuntos, a partir de chapas metálicas finas, com espessuras de até aproximadamente 3mm, quando o projeto per mite o uso de juntas sobrepostas e não há necessidade de estanqueidade da junta. Este projeto é usado preferencialmente à parafusagem e à rebitagem, por exemplo, quando a desmontagem para manutenção não é necessária, uma vez que a fabricação se torna mais rápida. É aplicável aos aços carbono, aços inoxidáveis, Al, Cu, Mg, Ni e suas ligas. Em alguns casos pode ser usado para peças de aço com até 6 mm de espessura, embora, nestes casos, a soldagem de topo com arco elétrico possa ser mais vantajosa. A soldagem por projeção é usada principalmente para se unirem pequenas peças estampadas, forjadas ou usinadas, possuindo uma ou mais projeções ou saliências. Pa rafusos, pinos etc. podem ser facilmente soldados em uma chapa fina por este processo. Ele é especialmente útil para se produzirem várias soldas simultâneas entre duas peças. A faixa de espessuras na qual é utilizada a soldagem por projeção é de 0,5 a 3 mm, em aços carbono, aços inoxidáveis e algumas ligas de níquel. A soldagem por costura é usada principalmente para juntas contínuas impermeáveis a gases e líquidos, em aplicações como tanques de combustível para automóveis, extin tores de incêndios, fabricação de tubos etc., na mesma faixa de espessuras citadas para soldagem a pontos. Entretanto, a soldagem por costura exige correntes muito maiores que a soldagem por pontos, já que no primeiro processo uma parcela maior da corrente elétrica circula peia região já soldada. A soldagem de topo por resistência é utilizada para unir arames, tubos, anéis e tiras de mesma seção transversal. Um bom contato superficial entre as peças é imprescindível para a obtenção de uma solda isenta de descontinuidades e, devido a isso, o processo não é utilizado para peças de seção grande ou com formato complicado ou irregular, como, por exemplo, tubos para oleodutos e gasodutos e trilhos. Estas peças geralmente são soldadas por centelhamento. Entretanto, o intenso centelhamento que ocorre durante a soldagem dificulta a sua utilização, devido à necessidade de proteção de pessoal e de partes do equipamento, como eixos, rolamentos etc. A soldagem por alta frequência é utilizada principalmente para a realização de costuras em tubos e outros perfis. 2. Equipamentos O equipamento para soldagem por resistência deve apresentar três sistemas básicos: elétrico, mecânico e de controle. O sistema elétrico consiste de uma fonte de energia, conexões e eletrodos. As fontes de energia elétrica podem ser do tipo "energia direta" ou "energia armazenada”, e fornecer corrente contínua ou alternada. CAPÍTULO 1B I O Q 1 SOUWSEM POR fSStSTÍNOA | » As máquinas de corrente alternada são do tipo energia direta, sendo que a corrente de soldagem é fornecida diretamente por um transformador monofásico. Sua capacidade é limitada, uma vez que este tipo de equipamento provoca um forte desbalanceamento na rede de distribuição de energia elétrica no momento de sua utilização, além de apre sentar um baixo fator de potência (cosseno do ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente), devido à alta indutância do transformador. As máquinas de corrente contínua do tipo energia armazenada são baseadas num banco de capacitores, alimentado por uma fonte de tensão contínua, que armazena a energia necessária para a soldagem. Neste tipo de equipamento, o tempo de acumulação é bem maior que o tempo de descarga. Máquinas do tipo energia direta consistem de um transformador e um circuito retificadortrifásicos. Estas máquinas demandam um consumo bem menor em kVA da rede de distribuição, podendo ter capacidades muito elevadas. Os eletrodos, cujas funções principais são conduzir a corrente de soldagem e transmitir força mecânica, são feitos de ligas com elevada condutividade térmica e elétrica, geral mente à base de cobre, além de serem resistentes à deformação e ao desgaste, mesmo em temperaturas relativamente elevadas. A geometria da ponta tem grande influência na qualidade da solda produzida e deve ser otimizada para cada aplicação. Na maioria das aplicações os eletrodos são formados de ligas Cu-Cr, Cu-Cr-Zr, Cu-Cd e Cu-Be, tratadas termicamente para atingirem as seguintes características. • condutividade elétrica e térmica elevadas • resistência mecânica elevada • fraca tendência para formar ligas com o material a soldar • resfriamento absolutamente seguro das pontas dos eletrodos • alto ponto de amolecimento, temperatura na qual, após um período de tempo determinado, o material perde grande parte de sua dureza e/ou resistência. O resfriamento correto dos eletrodos tem grande importância na execução das soldas e no tempo de vida útil dos mesmos. A água deve ser levada tão perto quanto possível da ponta dos eletrodos. Periodicamente, é necessário que se faça uma vistoria nos ele trodos, pois, o desgaste decorrente do regime de trabalho imposto pode levar a soldas diferentes das feitas em condições ótimas. As pontas dos eletrodos devem estar com o formato correto e limpo. A Figura 2 mostra o circuito de refrigeração usado no resfria mento do eletrodo. I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 2 Circuito de refrigeração do eletrodo Para se exem plificar a im portância da refrigeração na vida de um eletrodo, é possível obter-se 50 vezes mais soldas durante o últim o 1/16" da'ponta do que durante o primeiro, isto porque quando a face do eletrodo ficar mais próxima da parte refrigerada, melhoram-se consideravelmente as condições de resfriam ento. A Figura 3 ilustra o núm ero médio de pontos em função do desgaste de um eletrodo com diâm etro de 5/8 de polegada. COBRE QUEIMADO Rgura 3 Número médio de pontos em função do desgaste do eletrodo O sistem a mecânico consiste de um chassi, que suporta o transform ador de solda gem e outros com ponentes dos sistemas elétrico e de controle, e de um dispositivo para fixação das peças e aplicação de pressão. O dispositivo de aplicação de pressão pode ser acionado manualmente, através de um m otor elétrico, ou ainda por dispositivos pneum áticos ou hidráulicos. As máquinas CAPÍTU L018 SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA de acionamento manuai são usadas norm alm ente quando a produção é muito variável, devido à facilidade de se alterarem as condições ou parâmetros de soldagem. As má quinas hidráulicas ou pneum áticas são geralmente usadas quando a fabricação é mais ou menos homogênea, podendo ser bastante especializadas para uma dada tarefa. As máquinas com acionam ento por m otor elétrico são norm alm ente usadas quando não se dispõe de ar com prim ido perto do local de operação. A Figura 4 m ostra um equipamento típico para soldagem por pontos ou por projeção. Suporta eletrodo Ajuste do Figura 4 Desenho esquemático de equipamento para soldagem por pontos e/ou projeção As máquinas para soldagem por costura são similares às anteriores, porém os ele trodos são discos e, dependendo da posição de seus eixos, pode-se soldar na direção paralela ou perpendicular ao chassi do equipam ento. A Figura 5 mostra a operação de uma máquina de solda por costura. Figura 5 Equipamento para soldagem por costura 9 qq “ 3 -D n n JU U SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA No que se refere ao sistema elétrico, as máquinas de soldagem por centelhamento pos suem ainda um dispositivo para provocar o centelhamento entre as peças a serem unidas. Q uanto ao sistema m ecânico, as máquinas para soldagem por centelham ento (FW), de topo (UW) e por alta frequência (HFRW) possuem um sistema de aplicação de pressão final, e. quando aplicável, um sistem a de aproximação progressiva das peças a serem unidas, sendo que uma delas fica geralm ente fixa e a outra é móvel. A soldagem por resistê ncia não utiliza con sum íveis. Apenas os ele tro d o s, com o já fo i citad o, são peças que se desgastam com o te m p o e devem ser sub stituídas eve ntualm ente. 3. Técnica Operatória As principais variáveis da soldagem por resistência são a corrente elétrica, a resistência elétrica do circuito de soldagem , o tempo, a força nos eletrodos e a forma e a preparação destes. A corrente de soldagem possui um lim ite inferior, abaixo do qual o aquecim ento e eventual fusão adequados não são obtidos na interface de união. Este valor depende da área de contato entre os eletrodos e as peças ou das peças entre si, do material a ser soldado e da espessura deste. Aumentando-se a intensidade de corrente, pode-se diminuir o tem po de fluxo desta. Entretanto, existe um lim ite superior que, se excedido, provocará o aquecimento de toda a espessura do material entre os eletrodos, de tal forma que haverá deformação plástica de toda a seção sob a ação dos eletrodos, com possíveis penetrações excessivas destes na superfície de material. A resistência mecânica máxima na junta é obtida, de modo geral, para valores de corrente ligeiramente abaixo deste limite superior. Condições ótimas de operação e resultados são, quase sempre, obtidas nesta situação. A quantidade de calor gerada na junta é diretam ente proporcional ao tem po de pas sagem da corrente elétrica. Assim , este tem po deve ser otimizado em função dos outros parâmetros de soldagem. De acordo com a equação citada na primeira parte deste capítulo, quantidades iguais de calor podem ser geradas na junta, com diferentes parâmetros de operação, desde que o produto l2.t seja m antido constante. Isto significa que, em princípio, soldas equivalentes podem ser obtidas para diferentes níveis de corrente, se o tem po de passagem desta fo r variado de form a conveniente. Entretanto, isto não é totalm ente verdadeiro, pois um aum ento no tem po de soldagem dim inui a eficiência do processo, já que uma perda maior de calor ocorrerá, através de condução pelas peças e pelos eletrodos, antes da fusão da interface. Assim , para reduzir a extensão da zona term icam ente afetada, é preferível se trabalhar com correntes elevadas e tem pos curtos. Isto é particularm ente interessante na soldagem de m ateriais de alta condutividade térm ica. Na soldagem por costura, além do tem po de passagem da corrente, deve-se controlar a relação entre o intervalo de tem po das descargas e a velocidade de deslocam ento das peças, de modo a se obter uma superposição adequada dos pontos de solda que formarão o cordão. Neste processo, devido à condução de corrente pela parte m etálica já soldada, a corrente de soldagem deve ser de 30% a 50% superior àquela usada na soldagem por pontos nas mesmas condições. CAPÍTULO 18 i Q n < j SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA j ^ • A resistência total do circuito de soldagem é dada pela soma das resistências dos eletrodos, das resistências de contato eletrodo-peça, da resistência interna das peças e da resistência de contato entre as peças, desprezando-se a resistência interna do equipa mento. Como o aquecim ento em cada uma destas regiões é proporcional ao valor local da resistência elétrica, a resistência de contato entre as peças deve ser a maior delas, de m odo que o aquecim ento se dê principalm ente nesta interface. Esta resistência pode ser controlada pela condição superficial das peças a unir e pela força aplicada. No caso de soldagem de metais dissim ilares ou de peças de diferentes espessuras, a variação de resistividade dos materiais ou a variação de resistência com a espessura deve ser compensada pela geom etria dos eletrodos. Assim por exemplo, eletrodos com maior área devem ser colocados em contato com as peças de m aior resis tividade e vice-versa, para promover um balanço térm ico, com o m ostrado na Figura 6. Liga com alta condutividade, Eletrodo com maior Liga com baixa condutividade (a) (b) (c) condutividade, menor espessura (d) Figura 6 Desenho esquemático mostrando variações na geometria do eletrodo como forma de compensação para variações na resistividade ou espessura das peças a soldar. (a) Eletrodo de menor diâmetro em contato com a peça de maior condutividade. (b) Eletrodo de maior resistência em contato com a peça de maior condutividade. (c) Igual (b). mas com eletrodo maior em contato com a peça de menor condutividade. (d) Eletrodos iguais com peça de maior condutividade mais espessa. Existem vários fatores que influenciam diretam ente a qualidade da solda, dentre os quais podem-se citar com o os mais im portantes: • espaçamento entre os eletrodos: deverá ser de aproximadamente o dobro da espessura das chapas a serem soldadas, ou seja, o mais próximo possível da peça; • condições dos materiais: é necessário que seja feita uma boa limpeza nas chapas, visando a eliminação de sujeiras, gorduras, pintura, óleo. Estes elementos funcionam como isolante elétrico, não contribuindo positivamente para a execução da soldagem; • uniformidade dos pontos de solda: para se obter soldas de boa qualidade e com resistência mecânica adequada, é necessário que haja uma uniformidade dos pontos de solda. Aqueles pontos que apresentam um tamanho maior, em geral possuem menor resistência mecânica; • presença de rebarbas e ondulações: as rebarbas e ondulações impedirão um perfeito contato entre as chapas, iogo a solda resultante não terá resistência mecânica adequada; • corrente: é controlada na fonte de energia, em geral pela tensão do secundário, através de "taps", influindo diretamente no aquecimento a que as peças serão submetidas; 0 0 9 w U t SO U M Q ai FUNDAMENTOS ETECNOUMUA • tempos: basicamente são controlados por temporizadores os tempos de centelhamento, soldagem, e retenção e resfriamento, quando usados; e • pressão: é ajustada por reguladores de pressão e depende quase que exclusivamente da ' espessura do material a ser soldado. Diferentes metais podem ser soldados pelos processos por resistência, sendo sua soldabilidade controlada, de maneira geral, pela resistividade, condutividade térmica, temperatura de fusão e suas características metalúrgicas. Metais com elevada resistividade, baixa condutividade térmica e ponto de fusão relativamente baixo, como ligas não ferrosas, são facilmente soldáveis. Certos aços, particularmente os de maior teor de carbono, podem necessitar de tratamentos térmicos pós-soldagem para ajuste de suas propriedades mecânicas. Certos metais com menor resistividade elétrica e maior condutividade térmica, como o Al, o Mg e suas ligas, são mais difíceis de soldar. Metais preciosos e o Cu. devido à sua elevada condutividade tér mica e elétrica, são problemáticos para soldagem por resistência. Finalmente, os metais refratários. devido ao seu elevado ponto de fusão, são também difíceis de soldar por estes processos. 0 efeito destas propriedades pode ser combinado em uma fórmula que indica a sol dabilidade relativa (W) de diferentes materiais com relação à soldagem por resistência, em particular a soldagem por pontos: W = -^ -x i0 0 T xK (Eq.2) onde. "R” é a resistividade do material (/jQ.cm), "T" é a temperatura de fusão (°C) e "K" é a condutividade térmica relativa ao cobre, que vale 1. Se W for inferior a 0,25, o material é considerado como de baixa soldabilidade e se acima de 2,0, a soldabilidade é consi derada excelente. De acordo com esta fórmula, o aço tem uma soldabilidade relativa superiora 10. A força aplicada pelos eletrodos ou outros dispositivos apropriados não influencia diretamente na quantidade de calor gerado no processo, mas indiretamente, através de seu efeito na resistência de contato entre as peças. Quanto maior for a força aplicada, melhor o contato, e. portanto, menor a resistência na interface peça-peça. Por outro lado, a aplicação de uma força muito pequena pode causar flutuações na resistência de contato, levando a flutuações na qualidade dos pontos obtidos e. em casos extremos, à abertura de arco entre as peças. Em trabalhos em série, é muito importante a uniformidade das condições de soldagem. Variações na condição superficial das peças ou na força aplicada podem levar a soldas inaceitáveis. Assim, por exemplo, condições adequadas para a soldagem de peças que apresentam oxidação superficial possivelmente não poderão ser usadas na soldagem de peças com a superfície limpa, com os mesmos resultados. A escolha dos parâmetros de soldagem é feita em função do material e da espessura das peças a serem unidas. Algumas tabelas com parâmetros típicos de soldagem para diversas situações podem ser encontradas na literatura. A Figura 7 apresenta um ciclo de soldagem mais ou menos complexo, que ilustra a sequência de soldagem por pontos. CAPÍTUL019 S01DAGEM POR RESISTÊNCIA r&Tntno (a) CUo do soMagon ccm fanpubo únk» (b)Cfctodo nidagerncoin lmptf*oúrtoo e aumentoe «ftrtnufçío gtadaBvtatdacuronlodeHMaQBm Conprewflotoiaii Tecnpode r ^ (c)CJctode MUagarn eom knpt&os mOSpto» (d) CUo de cottoam obm fenpul»Moo 0 póMquadniento Figura 7 Ciclos esquemáticos de soldagem por pontos Na soldagem por centelhamento, o ciclo operacional pode envolver outras etapas es pecíficas que seriam: aproximação inicial e contato entre as peças, para pré-aquecimento por efeito Joule; afastamento e reaproximação das peças para início de centelhamento; período de centelhamento; com aproximação progressiva e compressão final das pe ças. quando as superfícies em contato são deformadas plasticamente e a passagem da corrente de soldagem é interrompida. Depois desta etapa, pode-se fazer um tratamento térmico da junta soldada através do aquecimento pela passagem de uma corrente elétrica de valor inferior àquela usada para pré-aquecimento e para soldagem. A Rgura 8 mostra um ciclo típico de soldagem por centelhamento. ono JU J 304 COUMQEM FUNOM dM TBS E TECNOtOOM (A) Posicionamento aiúes dasoidagem (B) Perfodo «to ccntalhamento (C) Posldonamento após aioidagem Abertura tfttdal Duração do eido de saktagem Rgura 8 Ciclo esquemático de soldagem por centeihamento 4. Aplicações Industriais A soldagem por resistência é um dos métodos mais versáteis de união de metais, tanto do ponto de vista das peças a serem soldadas, como espessuras, formas, materiais etc.. como do equipamento que, com pequenas alterações, pode ser adaptado para a soldagem de diferentes peças. Dependendo do número de peças a serem soldadas, pode-se ter um equipamento especializado, para elevadas taxas de produção de uma mesma peça, ou um equipamento produzindo vários tipos de peças. A soldagem por resistência é muito usada para a união de componentes fundidos, quando a fundição da peça inteira é difícil ou onerosa para a união de aços ferramenta com aço carbono e para a união de metais dissimilares, quando suscetíveis a formar uma liga ou quando se introduz entre eles um material intermediário que pode ligar-se aos metais base. cAKTuune i onc SOtOAffMPOHRESSTfNOA Como exemplos de materiais que podem ser soldados por este processo, podem-se citar os aços carbono, as ligas inoxidáveis, os aços galvanizados, as ligas de alumínio e magnésio além de outros não ferrosos como o zinco, cobre, bronze, prata, níquel etc. Assim, a soldagem por resistência encontra grande aplicação na indústria automo bilística, eletro eletrônica, fabricação de eletrodomésticos, tubulações, equipamento ferroviário, esportivo etc. Atualmente, os equipamentos para soldagem por resistência vêm sendo melhorados, com a introdução de novos métodos de controle de parâmetros que levam a um melhor nível de controle do processo, automação de etapas etc., já que o número de aplicações vem aumentando continuamente. Quanto a aspectos econômicos, pode-se fazer uma análise de custos a partir dos se guintes itens: custo da mão de obra e do equipamento selecionado, custo da operação e manutenção, economia de material, melhoria na qualidade do produto e investimentos. O custo da mão de obra deve ser analisado levando-se em conta o salário e a pro dução por hora, a partir dos quais determina-se o custo unitário do trabalho. Este custo está relacionado com o equipamento, considerando-se que quanto mais mecanizado ou automatizado o equipamento, maior o seu custo; entretanto, a habilidade e especialização exigidas do operador são menores, assim como o custo da mão de obra. Além disso, um mesmo operador pode supervisionar mais de um equipamento simultaneamente, dependendo de seu grau de informação. O custo de operação do equipamento é relativamente baixo e para este importam o consumo de energia elétrica, fator de potência, demanda e carga total conectada. O fator de potência é um parâmetro importante, uma vez que baixos valores deste implicam condutores de maior seção e taxas especiais da companhia fornecedora de energia elétrica. Quanto à manutenção, devem-se levar em conta as condições oferecidas pelo fabri cante. a complexidade do equipamento, a existência de concorrência etc. Uma das vantagens da soldagem por resistência é a economia de material, em função da não necessidade de consumíveis de soldagem ou de outros meios auxiliares de união, como parafusos, porcas etc, e de usinagem. como furação etc., além da possibilidade de montagem de peças complexas a partir de componentes simples, de baixo custo de produção. A solda por resistência pode apresentar excelente qualidade, tanto do ponto de vista de propriedades mecânicas quanto de aparência, sendo muitas vezes virtualmente invisível, o que simplifica operações de acabamento e evita pontos para acumulação de poeiras, graxas etc. Quanto ao investimento de capital, devem-se considerar que. de um modo geral, equi pamentos especiais devem ter um tempo de amortização relativamente curto, uma vez que uma mudança na linha de produção praticamente inutiliza o equipamento, no todo ou em parte, enquanto que equipamentos de ugo mais geral podem ser mais facilmente adaptados para as novas condições de fabricação, podendo ter o prazo de amortização maior. Além disso, devem-se considerar os custos de transporte e instalação, assim como necessidade de instalações auxiliares como linhas de água, subestações elétricas, equipamentos pneumáticos etc. «UD 306 S01ÜABBN FUHOAMSVTDS E TECNOLOGIA 5. Exercícios a) Quais os fatores importantes na soldagem por resistência elétrica? b) A soldagem por resistência elétrica pode ser considerada uma soldagem por fusão? Justifique. c) Estes processos podem produzir uma zona termicamente afetada na junta soldada? Explique. d) Eletrodos para soldagem por resistência elétrica podem ser refrigerados a água. Qual a vantagem? e) Faça soidas por resistência com diferentes parâmetros operacionais e observe as caracte rísticas das sodas produzidas. Discuta os resultados. CAPÍTULO 19 PROCESSOS DE SOLDAGEM DE ALTA INTENSIDADE Os processos de soldagem de alta intensidade são caracterizados por fornecer uma grande quantidade de energia em tempos reduzidos e através de pequena área para as peças a serem soldadas. Existem basicamente dois processos de alta intensidade: a Laser (LBW - Laser Beam Welding) e o por feixe de elétrons (EBW - Electrons Beam Welding). O processo Plasma, dependendo das condições de operação, também pode ser considerado um processo de alta intensidade. A -SOLDAGEM A LASER 1. Fundamentos Após a teoria da relatividade, Einstein, em 1917, publicou uma pesquisa descrevendo o terceiro processo de integração da matéria, a emissão estimulada de radiação e assim forneceu os princípios teóricos para um novo tipo de luz. Pôsteriormente, Gold chamou-o de "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação), e o processo ficou conhecido pela sigla LASER. A radiação Laser surge quando os átomos de uma estrutura recebem energia externa, levando-os a um estado excitado. Para voltar ao estado fundamental, a estrutura libera energia na forma de fótons. Esse processo se repete e os.fótons podem ser refletidos dentro de um tubo, resultando numa cadeia de emissão de fotônica, numa amplificação ono ouo| SOUMOEM RJfttMMENTDS CTECN010BIA da emissão inicial. A radiação emitida é monocromática, isto é, os fótons têm sempre o mesmo comprimento de onda e energia e isto ocorre porque os elétrons nos átomos só podem ter níveis discretos de energia (quantizada) e ao serem excitados, estes saltam de um nível de energia mais baixo para outro mais alto e ao voltarem ao estado original a diferença de energia entre esses níveis será liberada com a emissão de um fóton, como mostrado na Figura 1. Semtespelho Espoo» j L j L • Âtomcs no rtive) fundamente) de energia o Átomos excitados Figura 1 Produção de fótons Laser (Esquemática) O desenvolvimento do Laser revolucionou a ciência em diversos campos e resul tou do trabalho de inúmeros investigadores, durante várias décadas, sendo que dois cientistas americanos {Schawlow e Townes) e dois cientistas russos (Basov e Projorov), trabalhando em lugares diferentes, apresentaram quase que simultaneamente trabalhos que demonstraram a possibilidade de se construir aparelhos capazes de emitir esse tipo de luz. Por este feito, os quatro cientistas dividiram o Prêmio Nobel de Física, em 1964. A construção do primeiro aparelho de emissão de Laser para a área médica foi realizada por Maiman. em 1960, que utilizou o rubi como meio para geração. O Laser de rubi tem comprimento de onda eletromagnética situada na faixa de luz visível. Na área industrial, o Laser tem várias aplicações, como soldagem, corte e gravação. PROCESSOS DE SOLDAGEM DE ALTA n Í Í n S D A K 13 0 9 A tecnologia de soldagem a Laser evoluiu muito. Dois tipos de Lasers estão sendo usados para soldagem: o de C 02e o de Nd:YAG ("Neodymiun - Yttrium Aluminum Garnet”). Ambos emitem radiação eletromagnética em comprimento de ondas entre as faixas do ultravioleta e infravermelho. Apesar de nem todo Laser emitir radiação visivel ao olho humano {400-750 nm), este tipo de radiação é designado como a luz. A Tabela I mostra o espectro das radiações eletromagnéticas e vibrações mecânicas. Tabela i - Espectro eletromagnético Tipo de radiação eletro magnética ou vibração Frequência (Hz) Comprimento de onda (cm) Comp. de onda (unidades práticas) Zero - - Até 500 1,2x10® a 6x107 103 a 104 km 20 a 20.000 1,5x10» a 1,5x10® 10* a 104 km 2x10* a 8x10® 103a 10* 10"* a 103 mm 104 a 54x10« 550 a 3x10« 0,5 m a 300 km 54x10« a 1,3x1010 2.3 a 550 2 cm a 5 m 10’° a 101í 0.03 a 3 10'* a 4x10'4 7,5x10* a 3x10^ Luz visivel 4x1014 a 8x1014 3,75x1 O* a 7,5x1o6 Ultravioleta 8x10,4a5x10,s 3.75x10« a 6x1 a ’ Raios X 5x10’6 a 3x1o2' 6x10-7 a 10*1’ Campo estático Potência (energia elétrica) Áudio Ultrassom Ondas de rádio Ondas de TV (VHF e UHF) Micro-ondas 0,3 a 30 mm Infravermelho (calor) 3750 a 7500 Â* 60 a 3750 Â 0.001 a 60Â {*) Á - Ângstrom. 1 Á = 10 ’° m. 10'7mm ou O .lfjm . O processo de soldagem a Laser é caracterizado então pela fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por feixe de luz concentrada, de alta intensidade, capaz de fundir e até mesmo vaporizar parcialmente o material da junta no ponto de incidência, causando um furo ("keyhole”), que penetra profundamente no metal de base. Esta é uma ferramenta poderosa que pode ser usada na fabricação de peças complexas, na união de diversos materiais, em juntas formadas por partes de espessuras e materiais iguais ou diferentes, em alta velocidade. Como a energia é fornecida de forma muito concentrada, os volumes de material afetados pelo calor da soldagem são reduzidos, bem como a energia total necessária para produzir a solda. 2. Equipamentos Os equipamentos necessários para soldagem a Laser são uma fonte de energia e seus controles, a fonte do Laser e seu sistema de refrigeração. Um conjunto para soldagem a Laser é mostrado na Figura 2. 3 1 0 SOIDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 2 Sistema básico para soldagem a Laser (esquemático) Na fonte de Laser, tam bém chamada de cavidade ressonante, ocorre o processo de amplificação da radiação. A cavidade possui dois espelhos que têm por finalidade am pli ficar o feixe de Laser. Um destes espelhos é to ta lm e n te refletor, enquanto o outro tem um pequeno orifício central m edindo aproxim adam ente 1% da área. São m ontados de frente um para o outro, sendo que entre eles é m ontado o meio ativo. É possível usar elementos com o prismas, que são utilizados para com prim entos de ondas específicos, para uma determinada tarefa. Isto se faz necessário, pois o meio ativo pode produzir ondas em vários com prim entos. Um óutro m étodo é o posicionam ento dos espelhos em ângulo, ou seja, dependendo de sua posição, é possível separar os com prim entos de ondas do feixe. Com estes dispositivos, os fótons produzidos saem da cavidade já direcionados para o trabalho. Uma característica fundam ental da cavidade do Laser é o cuidado na sua construção, pois é necessário que o sistem a seja livre de contam inações e que suas lentes sejam precisas para a aplicação desejada, a fim de aum entar sua eficiência. Uma im portante característica do Laser de C 0 2 é a possibilidade de se alterar a densi dade de energia na superfície do material, variando-se a potência e o foco do feixe. Lasers de C 0 2 de alta potência são utilizados para corte e soldagem . Neste tipo de equipam ento é necessária a entrada contínua do gás no sistem a, que usa uma alimentação de tensão contínua de algumas dezenas de kV. Os equipamentos Laser de Nd:YAG produzem um feixe contínuo, mas apresentam menor consumo de energia e são empregados em aplicações em que se exige menores temperaturas. 3. Técnica Operatória As principais variáveis da soldagem a Laser são a energia do feixe, a distância focal, a velocidade de soldagem, a refletividade das peças e a duração do pulso, no caso de Laser pulsado. I 11 CAPÍTULO 19 n PROCESSOS DE SOLDAGEM DE AlTA INTENSIDADE [ ° ‘ 1 Normalmente, a soldagem é autógena, isto é, não é necessária a adição de material, contudo esta pode ser usada na união de peças de grande espessura, para compensar algum afundamento da poça de fusão. As operações com fontes de alta intensidade podem ser feitas utilizando-se duas técnicas: a da fusão convencional, como em outros processos de soldagem, e a técnica "keyhole" ou do furo. A técnica "keyhole” é a mais utilizada e som ente é possível se a densidade de energia for suficientem ente alta para fundir rapidamente toda a espessura junta. Para isso é necessário que o feixe esteja perpendicular à superfície das peças e que seja bem absorvido. Pode ocorrer alguma vaporização do material. As temperaturas dentro do furo podem alcançar valores extrem am ente altos, tom ando a técnica "keyhole" m uito eficiente, pois o calor é conduzido em form a radial para fora, form ando uma região fundida que cerca o vapor. Quando o feixe de Laser se move ao longo da peça, o metal fundido preenche o espaço atrás do furo e se solidifica, formando a solda, com o mostrado na Figura 3. Esta técnica perm ite velocidades de soldagens m uito altas e é necessário um controle m uito preciso das variáveis operacionais para que a operação tenha sucesso. Penacho de plasma Poça de fusão Metal base Figura 3 Técnica do "Keyhole” Aum entando-se um pouco mais a energia na técnica do furo, torna-se possível o corte, que pode ser feito com grande precisão dim ensional e alta velocidade. Neste tipo de operação é com um a utilização de um gás, chamado gás de assistência, que tem por finalidade remover o material fundido e óxidos da região de incidência do Laser. Norm alm ente utiliza-se o oxigênio, no corte de materiais ferrosos, devido à liberação de calor na reação exotérmica de oxidação do ferro, o que possibilita aum entar ainda mais a velocidade de corte. A tualm ente o processo corte a Laser tem sido usado em chapas de aço carbono de até 20 m m de espessura. Para materiais não ferrosos o nitrogênio tem sido usado como gás de assistência. A Figura 4 mostra uma operação de corte e peças cortadas a Laser. O IO ° 1 L SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA F igura 4 Processo de corte e peça cortada a LASER 4. Aplicações industriais A evolução dos equipam entos permitiu um aum ento significativo no número de aplica ções industriais do Laser. Ele tem sido usado na indústria metal-mecânica para operações de corte, soldagem e gravação de peças metálicas-, particularm ente em aplicações em que se necessita grande precisão dimensional em peças de baixa espessura. Em fábricas de autom óveis tem -se usado Laser de C 0 2 com o auxílio de robôs para soldagem, o que perm ite posicionam ento e m ovim entação m uito precisos sobre a peça de trabalho, com alta relação custo-benefício, apesar do custo elevado dos equipam entos. CAPITULO 19 l o i O PROCESSOS DE SOlDAGtM DE ALTA INTENSIDADE j J 1 J B - SO L D A G E M C O M FEIXE DE ELÉTRONS 1. Fundamentos Um feixe de elétrons pode ser obtido num dispositivo conhecido como "canhão eletrô nico", que consiste de um filam ento, geralmente de tungsténio, capaz de em itir elétrons quando aquecido, e de um ânodo tubular, em geral de cobre. Os elétrons em itidos pelo cátodo são acelerados em direção ao ânodo por um forte campo elétrico, passam por ele, são focados e atingem a peça a ser soldada com velocidades em torno de 0,3 a 0,7 vezes a velocidade da luz, numa área bem reduzida. Este conjunto é montado em uma câmara sob alto vácuo. O processo produz cordões de solda estreitos, com grande penetração e distribuição de calor bastante concentrada, que resulta em pequenas mudanças metalúrgicas e baixas tensões residuais e distorções na peça soldada, além de boa resistência mecânica. Ele perm ite soldar facilm ente diferentes metais e ligas, numa ampla faixa de espessuras, dependendo do tipo de material, capacidade do equipamento, desenho da junta e pro cedim ento de soldagem . Algumas das vantagens do processo são a menor energia de soldagem em relação aos processos convencionais para realizar trabalhos equivalentes, transferência localizada de energia para um volum e restrito de material, alta velocidade de soldagem, controle preciso dos parâm etros de soldagem e da geometria do cordão e soldagem em locais de difícil acesso através da deflexão magnética do feixe. Uma desvantagem do processo feixe de elétrons é seu alto custo operacional, devido à necessidade de vácuo, conseguido com o uso de bombas. Além disso, exige-se também um operador bem qualificado e treinado para a realização da soldagem e o ajuste preciso do feixe e seu posicionam ento em relação à peça de trabalho. 2. Equipamentos Um sistema para a soldagem por feixe de elétrons, com o mostrado na Figura 1, con siste de um canhão eletrônico, uma fonte de energia e câmara de vácuo, todos protegidos contra vazamento de Raio X. bom bas para produção de vácuo, lentes eletromagnéticas de focalização e sistem as para m ovim entação das peças durante a soldagem. O I« SOLDAGEM FUXMttBnDS E TKNOtOCU Figura 1 Equipamento para soldagem EBW (esquemático) A soldagem por feixe eletrônico pode ser feita em alto vácuo, médio vácuo, ou mesmo à pressão atmosférica, sendo que o tipo de equipamento deve ser escolhido em função do tamanho das peças a serem unidas, do número de peças e da precisão exigida entre outros fatores, incluindo os custos. 3. Técnica Operatória Na soldagem com feixe de elétrons, as principais variáveis são a potência do feixe, que depende da corrente e do potencial acelerador no canhão de elétrons, da capacidade de focalização e da câmara na qual é realizada a operação. O poder de penetração, a pre cisão de focalização e a velocidade de soldagem diminuem com o aumento da pressão na câmara de soldagem. A Figura 2 mostra a relação entre algumas variáveis usadas na soldagem por feixe eletrônico de diferentes ligas. I CAPfTLRD 19 PROCESSOS DE SOIDAGIM DE AtfA INTENSIDADE n«e J 1U Figura 2 Relação entre a potência do feixe, velocidade de soldagem e espessura das peças, na soldagem por feixe eletrônico de alguns materiais A incidência do feixe eletrônico de alta velocidade sobre a peça que está sendo soldada gera. além de calor, radiação eletromagnética na faixa dos raios X, que é extremamente danosa ao ser humano. Assim, um cuidado especial precisa ser tomado para evitar vaza mento deste tipo de radiação da câmara de soldagem. 4. Aplicações Industriais A maioria dos metais pode ser soldada com feixe de elétrons e ele tem sido usado com frequência na união de aços de alta liga, metais mais reativos, como o titânio e zircônio, metais refratários como o tungsténio e tântalo, aços inoxidáveis e muitas combinações de metais dissimilares como cobre e alumínio, aço e cobre, cobre e aço inoxidável. As espessuras soldáveis vão desde uma tão fina quanto uma folha de papel até aproxima damente 150 mm em cobre. 250 mm em aço e 450 mm em ligas leves. As soldas apre sentam excelentes características mecânico-metalúrgicas. 5. Exercícios a) Descreva o princípio de geração de Laser. b) Qual o princípio para a soldagem com Laser? c) Cite pelo menos uma vantagem no uso de Laser na soldagem. d) Qual a diferença fundamental entre feixe de elétrons e arco elétrico? e) Cite uma vantagem da soldagem com feixe de elétrons. Comente. (f t € CAPÍTULO 20 OUTROS PROCESSOS DE SOLDAGEM 1. Soldagem por Fricção Convencional 1.1 - Fundamentos A soldagem por fricção é um processo de união no estado sólido, no qual a coales cência entre peças metálicas é obtida por aquecimento através de atrito entre as peças e pela aplicação de pressão. No processo, uma das peças a serem soldadas é girada com velocidade constante e a outra fica parada. Após o contato inicial entre as peças, calor é gerado por atrito devido a forças aplicadas no sentido axial, aquecendo as superfícies. A força axial e o calor gerado provocam a deformação plástica das peças, à medida que o processo continua. Ao final, aplica-se uma força final, gerando-se uma rebarba e a con solidação da união, como mostrado na Figura 1. Existem duas variações do processo: por arraste contínuo e por inércia, como mostra a Figura 2. o 3 1 n| 1 0 i SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA (c) (d) Rgura 1 Princípios da soldagem por fricção: (a) rotação rápida de uma das peças, (b) aplicação de pressão, (c) deformação plástica e (d) recalque final Na soldagem por arraste contínuo, as peças são fixadas nas garras da máquina e uma delas é acelerada até atingir a velocidade adequada, por interm édio de uma unidade motora. A peça que está parada é deslocada por uma força axial até tocar a peça girante. Este contato provoca o aquecim ento das superfícies por atrito. Quando as superfícies em contato atingem a tem peratura de forjam ento dos materiais, a unidade m otora é desacoplada da peça que está em rotação, esta é parada e a força axial é aumentada, para se obter forjamento. Esta força é mantida até que as peças resfriem e estejam soldadas. Na soldagem por inércia o processo é semelhante, mas a garra que segura a peça girante está ligada a um volante, que é acelerado pefa unidade motora até atingir a veloci dade de soldagem. Quando esta velocidade é atingida, a unidade motora é desacoplada e só então a peça estacionária é deslocada em direção à peça que está girando. 1.2 - Equipamentos O equipamento básico para soldagem por fricção consiste de cabeçote de fixação das peças, sistema para produzir o m ovim ento de rotação e sistem a para aplicação de forças axiais de pressão, com o m ostrado na Figura 2. (a) (b) Figura 2 Equipamento para soldagem por fricção (esquemáticos): (a) por arraste contínuo e (b) por inércia I capitulo20 01 q OUTROSPROCESSOS0ESOLDAGEM J J 1 3 1.3 - Técnica operatória As principais variáveis da soldagem por arraste contínuo são: velocidade de rotação, pressão de aquecimento, pressão de soldagem, tem po de aquecimento, tem po de frenagem, tem po de forjam ento e tem po de espera. Na soldagem por inércia, as principais variáveis são: m om ento de inércia do cabeçote móvel, velocidade de rotação no instante do contato e a pressão. As duas primeiras es tão relacionadas à energia de soldagem e a última é função do material e tipo de seção a unir. As velocidades de giro ficam em torno de 600 rpm. As pressões de aquecim ento requeridas variam com o tipo de material a ser soldado, geralmente entre 30 e 60 MPa e as pressões de soldagem variam entre 80 e 155 MPa. O tem po de aquecim ento é um parâmetro crítico e varia com a pressão de aquecimento. Tempos muito curtos podem levar a soldas com inclusões de óxidos e porosidades e tem pos m uito longos favorecem uma fusão excessiva do material. Em ambos os casos a qualidade da junta é com prom etida. O processo de soldagem por atrito está lim itado às juntas de topo planas e angulares, desde que perpendiculares e concêntricas com eixo de rotação. A superfície a ser soldada não precisa ter bom acabamento e superfícies forjadas, cortadas com tesoura, a gás ou disco abrasivo são aceitáveis. A qualidade da solda depende da escolha correta das variáveis de processo. Por ser uma soldagem no estado sólido e não necessitar de metal de adição ou fluxos, prati camente não ocorrem defeitos com o poros, inclusões de escória e form ação de fases frágeis. Os defeitos mais com uns são: cisalham ento na zona afetada pelo calor e defeitos centrais causados por pequenos orifícios no centro de uma das peças. A variação de dureza ao longo da zona term icam ente afetada (ZTA) é m uito pequena e a resistência à fadiga tam bém não é m uito afetada, principalm ente quando o material fo r tem perado e revenido após a soldagem. 1.4 - Aplicações industriais A maioria dos metais pode ser soldada por atrito, com exceção do ferro fundido, porque a grafite age com o lubrificante, e certas ligas que possuem baixo coeficiente de atrito, com o bronze e latão com mais 0,3% de chum bo. Certos aços com inclusões de sulfetos de m anganês tam bém não podem ser soldados devido à form ação das fases frágeis na solda. A soldagem por fricção é aplicada em diversas indústrias: aeronáutica, metal-mecânica, petrolífera (soldagem subaquática), militar, agrícola e autom obilística. SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 2. Variações Recentes da Soldagem por Fricção 2.1 -"Friction stir welding" Neste processo, uma ferramenta não consum ível gira rapidam ente entre duas chapas posicionadas topo a top o fazendo com que o material de ambas as chapas seja m istura do, destruindo a interface de separação entre elas e consolidando a união, com o mostra a Figura 3. Pressão suficiente para manter contato Junta Contorno da solda Superfície de contato Ferramenta Suporte da ferramenta Solda Figura 3 ' Friction stir welding” 2.2 - "Friction hydro pilar processing" (FHPP) Este processo consiste de duas etapas: uma primeira de furação e uma segunda de en chim ento. Nesta última, o consumível ou m aterial de enchim ento, equivalente ao material a ser reparado, é posto prim eiram ente em rotação e em seguida introduzido axialm ente dentro da cavidade previam ente aberta. Devido ao contato inicial do consumível com o fundo da cavidade, calor será gerado por fricção, prom ovendo assim o escoam ento do material plastificado ao longo do plano de cisalham ento na base do consumível. Assim , com uma escolha apropriada de pressão e velocidade relativa, os planos de cisalham ento são induzidos a mover-se axialmente, de form a que o material de adição entre em contato íntim o com a parede interna da cavidade. Devido à fricção e deform ações a que o material é subm etido, a solda acontece entre as paredes da cavidade e o consumível, num tem po entre 5 e 20 segundos, dependendo do material, da velocidade relativa, da pressão axial e da profundidade da cavidade. A Figura 4 apresenta um esquema m ostrando o processo CAPÍTULO20 I OJTROSPROCESSOSOESOLDAGEM e a Figura 5 apresenta uma série de macrografias m ostrando a sequência de eventos desde o contato inicial até a com pleta finalização da solda. Consumível Superfície de fricção Metal depositado Figura 4 "Friction hydro pilar processing" (esquemático) Figura 5 Sequência de deposição de metal Como o consumível sofre intenso trabalho a quente e severas deformações, uma refi nada microestrutura consequentem ente será formada, alterando assim as propriedades estáticas e dinâmicas do material. Entretanto, essa estrutura poderá ainda ser modificada por posterior tratam ento térm ico, para que as propriedades mecânicas desejadas sejam alcançadas. Deve ser considerado tam bém que todo o processo acontece com ausência de fusão macroscópica, ou seja, ocorre inteiram ente em estado sólido. Assim, todos os problemas associados com a fusão e solidificação do material, particularmente absorção e evolução de hidrogênio e nitrogênio, são reduzidos significativamente ou até mesmo com pletam ente eliminados. Por ser um processo em estado sólido, a soldagem por fricção, diferentem ente dos processos a arco elétrico, não é afetada pela pressão ambiente e por isso o processo pode ser empregado com sucesso na soldagem subaquática molhada, mesmo em pro fundidades superiores àquelas com um ente utilizadas para a passagem de oleodutos. Na verdade, a soldagem por fricção já tem sido usada com êxito no reparo e manutenção de estruturas de conexão nas indústrias "offshore" e naval há alguns anos. A ausência de uma 1 0 0 9 3 £ £ ! SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA zona de fusão é tam bém uma característica im portante do processo FHPP e problem as sérios da soldagem por fusão são reduzidos ou praticam ente não existem. O processo FHPP está bem adaptado para autom atização e controle rem oto, uma vez que o ciclo de soldagem é pré-program ado e não é preciso que o operador tenha habilidades e não há necessidade de ajustar parâmetros ao longo da operação. Deve ser mencionado que a aplicação desse processo exige grande capacidade de fixação para lidar com as forças de reação intrínsecas ao processo de soldagem. Braçadeiras usando dispositivos mecânicos, blocos de eletroím ãs ou sucção podem ser usados para ajudar os sistemas de manipulação durante a operação de reparo. A precisão da posição é de extrema importância para FHPR porque o consumível tem que ser posicionado coaxialm ente e centrado com a cavidade para que uma solda de boa qualidade seja produzida. Um programa de teste deve ser executado para se obter inform ações confiáveis sobre o máximo desalinhamento permissível e, consequentem ente, empregá-lo no projeto e dim ensionam ento dos sistemas de manipulação. 2.3 - Costura por fricção ("Friction stitch welding") A costura por fricção usa o m étodo FHPP apresentado anteriorm ente, para o reparo de trincas. 0 processo se caracteriza por produzir uma série de soldas sobrepostas, em um ou mais passes até que a trinca seja com pletam ente restaurada. Este processo é m ostrado esquematicamente nas Figuras 6 e 7. . Figura 6 Esquema da costura por fricção com pontos alinhados Figura 7 Esquema da costura por fricção com pontos intercalados CAPfTUUO 20 OUTROS PROCESSOS DE SOIOAGEW Duas técnicas diferentes, m ostradas na Figura 8 , podem ser usadas na soldagem de costura por fricção: a primeira envolve um consumível e uma cavidade de form ato cônico, usada para reparos de estruturas de parede fina, uma vez que as forças envolvidas são melhor distribuídas. A segunda envolve uma configuração cilíndrica, na qual as forças atuantes são maiores porque são concentradas no fundo da cavidade. Em ambas as técnicas, criadas pelo TWI em Cambridge (Inglaterra) e desenvolvidas pela GKSS em Geesthacht (Alemanha), a qualidade da união entre a superfície da cavidade e o consumível é excelente. Figura 8 Variações do processo FHPP — cônica e cilíndrica As principais aplicações da soldagem de costura por fricção são os reparos de estru turas "offshore", reparos de oleodutos submarinos, manutenção e reparos de trincas na indústria nuclear. 3. Soldagem por Explosão 3.1 - Fundamentos A soldagem por explosão (Explosion Welding - EXW) é um processo que utiliza a energia de detonação de um explosivo para promover a união das peças metálicas no estado sólido. A solda é produzida pelo impacto em alta velocidade das peças de trabalho, como resultado de uma detonação controlada, sem adição de, metal. O processo em si é m uito rápido e dura uma fração de segundo. Ele ocorre à temperatura am biente e quase não há aquecim ento das peças, embora as superfícies de contato sejam aquecidas pela energia de colisão e a soldagem conseguida pelo fluxo plástico do metal da camada superficial. «3 *0 0 0 /1 ; ° j SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A explosão e a soldagem são progressivas, de uma extrem idade da junta à outra. As deform ações obtidas podem variar com o tipo de material e podem ser imperceptíveis em várias soldas sem perda mensurável de metal. A operação é normalmente executada ao ar livre, mas tam bém pode ser feita com atm osfera controlada ou em vácuo. Em geral as soldas têm área relativam ente grande, porém existem aplicações em pequenas superfícies com sucesso. A interface entre os dois com ponentes soldados por explosão é normalmente ondu lada. O com prim ento da onda depende das condições de soldagem. Estas ondas são conhecidas com o "ondas de Bahrani" e ocorrem a pressões de até 105 atm. O metal com porta-se com o fluido, sem estar fundido. A Figura 9 mostra a interface de uma junta soldada por explosão. Figura 9 Seção de uma solda por explosão 3.2 - Equipamentos Na utilização deste processo são necessários equipam entos de proteção e pessoal capacitado. 0 explosivo é controlado pelo governo, e seu armazenamento e m anuseio precisam de cuidados especiais. O utro aspecto im portante é o local para a realização da solda, geralmente um lugar afastado, em área aberta. 3.3 - Técnica operatória O processo de solda gem por exp lo são é usado n o rm alm e nte para re ve stim e n to envolvendo três com p o n e n te s: o m etal de base, o metal de revestim ento e o explosivo. O metal de base permanece estacionário e, particularmente quando é relativamente delgado. CAPÍTULO 20 owaos PHOCESSOS DE SOLDAGEM pode ser suportado por uma base ou matriz, que deve possuir massa suficiente para minimizar as distorções durante a operação. O metal de revestim ento é posicionado usualmente paralelo ao metal de base; po rém em situações especiais ele pode estar inclinado em relação ao com ponente base. No arranjo paralelo, os dois são separados por uma distância adequada, referida como "distancia de afastam ento". No arranjo angular, o afastam ento pode ou não ser utilizado no vértice do ângulo. A explosão localizada deforma e acelera o metal de revestimento, a alta velocidade, de form a que ele colida com o metal de base num ângulo específico. A frente de colisão e soldagem progride à medida que a explosão avança. A Figura 10 mostra os dois arranjos citados. O explosivo, norm alm ente em form a granular, é distribuído uniform em ente sobre a superfície superior do metal de adição. A força que a explosão exerce sobre este depende das características da detonação e da quantidade de explosivo. Um separador de um material tipo neoprene pode ser necessário entre o explosivo e o metal de revestimento, para proteção deste contra a erosão provocada pela detonação do explosivo. Explosivo Detonador Metal de revestimento Espaçamento uniforme Metal de base (a) Explosivo Amortecedor Detonador Metal de revestimento Ângulo de soldagem (b) Figura 10 Arranjo típico para soldagem por explosão: (a) paralela e (b) em ângulo Os explosivos utilizados têm usualm ente uma com posição baseada em nitrato de amónia. A velocidade de detonação do explosivo depende da sua composição, espessura e compactação e fica entre 2.000 e 3.000 m/s. o o r «J n o c j ° L 0 j SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3.4 - Aplicações industriais A soldagem por explosão pode ser usada para soldar praticam ente todos os metais que possuam resistência e ductilidade suficientes para suportar a deformação em alta velocidade associada ao processo, em geral os que possuem alongamento mínimo de 5 a 6 % em 51 mm de com prim ento de m edição e resistência ao im pacto Charpy entalhe em V maior que 13,6 J. Metais que sofrem fratura quando expostos a choques associados com a detonação do explosivo e à colisão dos dois com ponentes não podem ser soldados por explosão. Em casos especiais, metais com baixa ductilidade podem ser soldados com um pré-aquecimento do com ponente à uma tem peratura em que se tenha uma resistência ao im pacto adequada, o que requer cuidados especiais de segurança. Este processo tem sido utilizado industrialm ente para revestim entos, fabricação de chapas bimetálicas e união de metais m etalurgicam ente incom patíveis. O revestim ento de chapas planas constitui a maior aplicação industrial da soldagem por explosão. O processo pode tam bém ser utilizado para revestir as superfícies interna ou externa de cilindros, para fabricação de juntas de tubos com espelhos de trocadores de calor etc. 4. Soldagem por Aluminotermia 4.1 - Fundamentos A soldagem alum inotérm ica (Thermit W elding - T W ) é um processo no qual a união de peças metálicas é obtida a partir do calor e do metal produzidos numa reação química entre um óxido m etálico e o alumínio (Figura 11) e surgiu no final do século XIX, quando o químico Hans G oldschm idt descobriu que a reação exotérm ica entre o pó de alumínio e um óxido m etálico pode ser iniciada por uma fon te externa de calor gerando altas tem peraturas e grandes quantidades de calor. Desde então, este processo tem sido bastante utilizado em aplicações específicas, nas quais outros processos de soldagem existentes não apresentam flexibilidade e condições adequadas para realização da solda no campo. Uma das vantagens desse processo é que a reação pode ser autossustentada com ou sem pressão. A Tabela I mostra algumas reações norm alm ente usadas: CAPÍTULO 20 OUTROS PROCESSOS DE SOLDAGEM E scória Cadinho. Tampa. Aço super aquecido Peças préaquecidas Figura 11 Soldagem por aluminotermia (esquemático) T a b e la I - R e a ç õ e s q u ím ic a s u s u a is n a s o ld a g e m a lu m in o té r m ic a Óxido m etálico + Alum ínio -> M e tal + Óxido de AI + C a lo r(k J ) 3 Fe30 4 8 Al 9 Fe 4 A I20 3 3 FeO 2 Al 3 Fe A I2 ° 3 880 Fe20 3 2 Al 2 Fe AIA 850 3 C uO 2 Al 3 Cu a i 2o 3 1.210 3 CUjO 2 Al 6 Cu a i 2o 3 1.060 3.350 A reação 3Fe 30 4 + 8AI -> 9Fe + 4AI 20 3 + 3.350 kcal (3.100°C) é uma das mais utiliza das e a relação em peso é de três partes de óxido de ferro para uma parte de alumínio. A temperatura teórica de 3.100°C é reduzida por perdas de calor no cadinho e por radiação e pelo auxílio de com ponentes não reagentes normalmente adicionados à mistura, para que se consiga tem peratura de cerca de 2.480°C. Isto é im portante, pois o alumínio vaporiza a 2.500°C. Por outro lado, a tem peratura não pode ser m uito baixa, pois a escória de alumínio (Al20 3) se solidifica a 2.040°C. Aditivos tam bém podem ser usados para aumentar a fluidez e baixar a tem peratura de solidificação da escória. Caso necessário, é possível adicionar elem entos de liga ao metal de adição, para melhoria das propriedades mecânicas. As vantagens da soldagem alum inotérm ica são a flexibilidade para soldagem no campo, o tem po de execução que é pequeno, dispensa o uso de energia elétrica e o uso de equipam entos, complexos, as soldas podem ser feitas com as peças praticam ente em qualquer posição, desde que a cavidade do cadinho tenha paredes suficientem ente verticais para o m etal escorrer rapidam ente. As desvantagens são a necessidade de cuidados especiais quanto à segurança do operador e do local, a necessidade de moldes específicos para cada aplicação e necessidade de um pré-aquecimento. 007 1 niNMMENTOS E TECNOUXUA 4.2 - Equipamentos O equipamento necessário para a realização deste processo constitui-se de um molde específico para determinada aplicação, que é feito de areia refratária e de um cadinho que é colocado acima do molde e onde ocorre a reação. O molde deve ter saídas para gases e permitir que o metal escorra sobre a área a ser trabalhada. 4.3 - Consumtveis Os consumíveis para o processo são o óxido metálico e o alumínio em pó, ambos com uma granulometria adequada. Em alguns casos utiliza-se ferro-ligas para se obter melhores propriedades mecânicas. 4.4 - Técnica operatória Para se ter uma solda com qualidade são necessários alguns cuidados importantes. As peças devem estar limpas e alinhadas, sendo o alinhamento crítico neste processo. A separação entre as peças a serem soldadas é estimada empiricamente por (Eq. 1) ondeS é separação entre as peças, e / l é área da seção transversal, em mm2. A colocação do molde refratário com o formato das peças a unir é uma operação tra balhosa e normalmente usa-se pré-aquecimento por maçarico do molde e da peça para prevenir fissuração. A reação que ocorre no cadinho colocado acima do molde deve ser acompanhada, de modo que todo o metal fundido escorra para dentro do molde e a escória, que é mais leve, flutue acima do metal, ficando retida no cadinho. Após a solidificação, o molde deve ser retirado e faz-se a remoção de rebarbas manual ou mecanicamente, usando esmerilhadeira. 4.5 - Aplicações industriais As principais aplicações da soldagem aluminotérmica são a união de trilhos em fer rovias, soldagem de cabos e fios elétricos, soldagens de barras de reforço e para trata mento térmico de soldas, onde somente o calor da reação é aproveitado. Atualmente ela vem sendo usada também na indústria naval e construção civil, na união de barras e em reparos. t CAFfniLOZO I OO A OUTROSPROC£SSOSOESOlííAG£M 5. Soldagem a Frio____________ . ____ 5.1 - Fundamentos O processo de soldagem a frio (Cold Welding - CW), também conhecido como solda gem por pressão, ocorre pelo forte preSsionamento de peças lisas e polidas, uma contra a outra, à temperatura ambiente. A união baseia-se na eliminação da interface entre as peças, pela quebra e expulsão dás camadas oxidadas e contaminadas das superfícies em contato. A quebra expõe as superfícies internas dos metais a serem soldados, facilitando o contato entre elas e gerando forças interatômicas suficientes e necessárias para formar a solda. A união é feita no estado sólido. O custo do processo pode ser relativamente elevado, pois depende do número de peças a unir e do equipamento necessário. A maioria das aplicações é para a união de materiais não ferrosos. 5.2 - Equipamentos O equipamento necessário para a soldagem a frio inclui um sistema mecânico ou servo-hidráulico para a aplicação da pressão, de um sistema de controle e um dispositivo para polir as peças. 5.3 - Técnica operatória Existem várias técnicas para a soldagem a frio e o processo pode ser executado por deformação, por expulsão, por extração e por rotação. Na soldagem em juntas sobrepostas, as duas chapas são sobrepostas e a direção que o material deforma é perpendicular à direção de aplicação de pressão. A espessura sofre uma redução e a junta é formada. A pressão pode ser aplicada de forma mecânica ou hidráulica. Na soldagem de topo as extremidades de duas barras metálicas de diâmetro iguais ou diferentes são unidas com interferência. As duas barras são colocadas num dispositivo ou máquina que tem grampos apropriados e a força de compressão é aplicada axialmente, causando uma expansão das superfícies em contato. As barras são mantidas unidas até que o recalque das peças seja alcançado, em um comprimento pré-definido. A soldagem por amassamento é utilizada.quando necessita de um tamanho determinado interna e externamente. É uma técnica usada para metais não ferrosos (cobre e alumínio). 330 FUNOAMEMTDSElSNOtOQlA 5.4 -Aplicações industriais Este processo é usado em aplicações específicas e o custo de desenvolvimento de um produto é, em geral, muito alto. Sua principal aplicação é a união a frio de metais não ferrosos, particularmente cobre e alumínio. Uma aplicação típica deste método é a fabricação de congeladores de alumínio. 6. Soldagem por Ultrassom 6.1 - Fundamentos \ A soldagem por ultrassom produz a união de peças pela aplicação local de ener gia vibracional de alta frequência, enquanto as peças a serem unidas são mantidas sob pressão. A pressão é aplicada perpendicularmente às superfícies e a vibração ultrassônica induz forças de cisalhamento de alta frequência. Quando estas forças ultrapassam o limite de escoamento do material, deformações locais ocorrem. As forças de cisalhamento de alta frequência quebram e removem os contaminantes superficiais e produzem a ligação superficial dos metais. A vibração induzida é paralela à superfície das peças e a união se dá por aquecimento e deformação plástica das superfícies em contato. 6.2 - Equipamentos O equipamento necessário para a soldagem inclui uma fonte de energia elétrica, um transdutor, para transformação da energia elétrica e vibração mecânica e um sonotrodo, que é uma ferramenta ressonante para amplificação do ultrassom, cujo tamanho é inversa mente proporcional à frequência operacional, e um mecanismo para aplicação de pressão. Em geral utilizam-se altas potências e baixas frequências. A fonte de potência determina a frequência das vibrações. Um sinal elétrico de alta frequência é aplicado num transdutor e a energia elétrica é convertida em vibrações mecânicas. As vibrações são então ampliadas pelo sonotrodo e transmitidas à peça. As peças são colocadas entre o sonotrodo e a bigorna (suportes da máquina), e oscilam superficialmente em frequências usualmente entre 20 e 40 kHz, durante o tempo de soldagem. C A ftn jlD 20 I q o i OUTROS PROCESSOS DE SOLDAGEM | < 3 0 l 6.3 - Técnica operatória As variáveis básicas do processo de soldagem por ultrassom são três: a amplitude da vibração, a força aplicada (pressão) e o tempo. Deve-se fornecer energia suficiente para romper as camadas de óxidos e promover deformação superficial, criando condi ções para a formação de ligações atômicas. A potência é uma função da amplitude da vibração, da força aplicada (prensa pneumática) e a energia fornecida é proporcional ao tempo de soldagem. 6.4 - Aplicações industriais Este processo tem sido usado em uniões de metais não ferrosos diferentes sem a utilização de consumíveis, com um tempo de soldagem relativamente baixo (inferior a um segundo), baixo consumo de energia e quase nenhuma dissipação de calor e ainda na união de plásticos e na fabricação de embalagens herméticas. Algumas aplicações industriais importantes são a fabricação de juntas de transição cobre-alumínio nas bobinas do motor de arranque de automóveis e outras uniões de fios elétricos automotivos como a soldagem em conjunto de fios elétricos em cabos de fita (FFC); soldagem de fios de grande bitola e de múltiplos fios em terminais. Os metais mais adequados para a soldagem por ultrassom são os metais não ferrosos como cobre, alumínio e suas ligas. Materiais contendo chumbo, zinco e estanho não são recomendados para serem soldados, pois estes elementos atuam como lubrificante, minimizando a abrasão exigida para realização da soldagem. 7. Soldagem por Laminação 7.1 - Fundamentos A soldagem por laminação é um processo realizado no estado sólido e produz a união de peças metálicas por aquecimento e deformação superficial pela aplicação de pressão através de rolos laminadores. Os metais soldáveis por este processo devem apresentar uma ductilidade elevada para serem plasticamente deformados deforma localizada, sem apresentar fratura. * 0091 S8LMQEM RMQMianottnanuiQU 7.2 - Equipamentos Na soldagem por laminação convencional utilizam-se cilindros de trabalho de mesmo diâmetro, mas cilindros de diâmetros distintos podem ser usados. Nestes casos a sol dagem é chamada de assimétrica e o cilindro de menor diâmetro fica em contato com o metal menos resistente do par, possibilitando uma maior deformação do mesmo durante o processo. É necessário que se tenha um controle individual da temperatura de cada chapa para se ter um melhor controle da deformação. Uma outra técnica conhecida como cisalhamento cruzado ("cross shear rolling”) permite uma redução das chapas laminadas com cargas inferiores de laminação, com acionamentos e velocidade dos cilindros independentes. 7.3 - Técnica operatória No processo de soldagem por laminação, é necessário o desengraxamento das peças através de soluções ou detergentes, seguido do escovamento com escovas de aço para a remoção de filmes contaminantes. O uso de pré-aquecimento é opcional e possibilita a remoção de contaminantes, graxas, gases e vapores. Para facilitar a ruptura das cama das de óxidos. o que é fundamental para se conseguir a união em fase sólida, pode-se realizar recobrimentos superficiais por eletrodeposição de níquel e cromo. Normalmente, tratamento térmico para alívio de tensões é requerido. 7.4 - Aplicações industriais As principais aplicações da soldagem por laminação são o revestimento de chapas de aço carbono e aço de baixa liga com um aço ligado, como, por exemplo, o aço inoxidável e fabricação de chapas de cobre-alumínio utilizadas nà prõü irção d ercrtensftiüSHomestiços e painéis e estruturas metálicas utilizadas na construção civil, fabricação de reservatórios e componentes de caldeiras. Chapas de ferro-alumínio empregadas na construção de refletores para aquecedores elétricos e silenciadores de automóveis são uma aplicação interessante da soldagem por laminação, téndó em vista a completa incompatibilidade destes metais. Chapas de aço recobertas com camadas de bronze auto lubrificante usadas na fabricação de mancais de eixos na indústria automotiva são também fabricadas por soldagem por laminação. Outra aplicação típica é a produção de chapas aço inoxidável colaminado com co bre, utilizadas na fabricação de panelas domésticas e de equipamentos elétricos como comutadores e cabos. Cobre e aço soldados por laminação são usados em cápsulas de projéteis, reduzindo em 80% o consumo de cobre. Várias combinações de metais colaminados são usadas na produção de moedas, como, por exemplo, combinações de prata-cobre, níquel-cobre, níquel-ferro e bronze-ferro. CApfruuo 20 OUTROS PROCESSOS DE SOUMG&I 8. Exercícios a) Explique os dois métodos de fornecimento de energia utilizados na soldagem por Fricção, indicando as aplicações, vantagens e desvantagens de cada um deles. b) Qualitativamente, como variam os parâmetros de soldagem por fricção de acordo com o tempo de soldagem? c) Qual o requisito básico de um material para que ele possa ser soldado por fricção? d) Explique os princípios do processo de soldagem por explosão. Discuta sobre as variáveis do processo e os parâmetros que as influenciam. e) Discuta sobre as condições que determinam a possibilidade de se efetuar uma soldagem por explosão entre dois metais. f) Quais as principais aplicações para a soldagem por explosão? g) Quais os principais componentes da mistura Thermit e qual a finalidade de cada um? h) Quais os aspectos positivos e negativos do processo? i) Quais parâmetros são responsáveis para a realização de uma solda de boa qualidade no processo de soldagem a frio? j) Na soldagem por ultrassom, por que a temperatura de fusão e a condutividade térmica dos materiais a serem soldados não são fatores importantes do processo? k) Quais as variáveis do processo e a influência delas na qualidade da solda? CAPÍTULO 21 BRASAGEM 1. Fundamentos O termo brasagem abrange um grupo de processos de união que produz a coalescência dos metais pelo aquecimento a uma temperatura adequada e pelo uso de metal de adição que tem um ponto de fusão abaixo da temperatura "solidus" do metal de base. Ou seja, na brasagem, diferentemente da soldagem, o metal de base nunca é levado à fusão. Se o ponto de fusão do metal de adição é superior a 450°C, o processo é dito "brasagem forte" ("brazing”) e, em caso contrário, é dito "brasagem fraca" ("soldering"). Na brasagem o metal de adição preenche a junta por ação capilar, assim, para realização de uma junta brasada com boa qualidade, é necessário que haja um perfeito molhamento das faces a serem unidas pelo metal de adição fundido. Para isto, é imprescindível que o metal de base esteja metalicamente limpo, isto é, que as superfícies estejam comple tamente isentas de óxidos, graxas etc. Faz-se isto normalmente por decapagem química ou mecânica. Ainda assim, os metais precisam ser protegidos durante o aquecimento por um fluxo ou uma atmosfera adequada. > Os fluxos usados se fundem a temperaturas inferiores às de fusão do metal de adição e atuam sobre as superfícies a serem unidas e áreas próximas, dissolvendo as camadas de óxido eventualmente formadas após a decapagem, permitindo assim que o metal de adição possa fluir livremente sobre as superfícies a serem unidas e aderir ao metal da base. o o c ° 0 0 | SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A brasagem pode ser feita em atm osfera ativa, inerte ou sob vácuo, e o uso de atm osferas protetoras reduz a necessidade de limpeza após a operação, para elim inar da junta os m ateriais corrosivos dos fluxos. As juntas brasadas são preenchidas por capilaridade e, para que este fenômeno ocorra de forma adequada, é necessário um controle rígido da distância de separação entre as peças. Se o espaçam ento entre elas for m uito pequeno, o preenchim ento da junta é m uito lento e pode ser apenas parcial. Espaçamentos exagerados tam bém podem levar a tem pos de preenchim ento m uito longos e à formação de bolhas de gás ou de inclusões de fluxo e óxidos. A ligação entre metal de adição e metal de base se dá por difusão, com a formação de ligas interm etálicas na interface entre estes materiais, e é sólida e resistente. Os processos de brasagem podem ser classificados de acordo com os m étodos de aquecim ento usados. Em term os industriais, os mais im portantes são a brasagem por chama, em forno, por indução, por resistência, por imersão e por infravermelho. Na brasagem por chama, o aquecimento é feito por uma ou mais tochas. Dependendo da tem pe ratura e da quantidade de calor requeridos, o gás com bustível pode ser o acetileno, propano, gás de rua etc. O m etal de adição pode ser colocado previam ente na junta ou alim entado m anualm ente, com o na soldagem a gás. Para este processo, o uso de fluxo é essencial. A brasagem em forno é m uito usada quando o metal de adição pode ser colocado previamente na junta. Este processo é aplicável geralm ente em produção em série e em grande escala. A proteção é feita por fluxo, por atmosfera controlada ou a vácuo. Na brasagem por indução, o calor é obtido por uma corrente induzida nas peças a unir. Estas peças são colocadas no interior de uma bobina, na qual circula uma corrente alternada. É necessário um cuidadoso projeto da junta e da bobina para se garantir que as superfícies a serem brasadas atinjam ao mesmo tem po a temperatura de trabalho. O metal de adição é normalmente colocado com antecedência na junta e a proteção é feita por fluxo. Na brasagem por resistência, o calor é obtido por efeito Joule. O metal de adição também é colocado previamente na junta e a proteção é feita por fluxo ou atmosfera adequada. A brasagem por imersão pode ser feita de duas maneiras: imersão em banho químico ou e metal fundido. No processo com imersão em banho químico, o metal de adição é colocado previamente na junta e o conjunto é imerso em um banho de sal fundido. O conjunto é aquecido por resistência elétrica. A proteção pode ser feita pelo próprio banho ou pelo uso de fluxo. Na brasagem por imersão em metal fundido, as partes a serem unidas são imersas em um banho fundido do metal de adição, contido em um recipiente adequado. A brasagem por infravermelho é um processo que utiliza o calor em itido por fontes de radiação infravermelha, em geral lâmpadas. A brasagem encontra hoje grande aplicação industrial, principalmente para peças finas, para união de peças tratadas term icam ente, para união de metais dissimilares etc. . Um processo de união que se assemelha a brasagem é a solda-brasagem ("braze welding"), que difere da primeira pelo desenho da junta e pela forma de deposição do metal de adição, que são sem elhantes ao que ocorre na soldagem . A tem peratura de fusão do metal de adição é superior a 450cC. A solda-brasagem pode ser realizada com chama, em forno CAPÍTULO 21 BRASAGLM e a arco. Quando o aquecim ento é a arco pode-se utilizar os processos GTAW e GMAW. Um processo de solda-brasagem que tem sido m uito usado recentem ente é o "Mig-Brazing” . Este processo reúne características da brasagem e da soldagem MIG (GMAW). Nele o arco elétrico é utilizado com o fonte de calor e a transferência ocorre por spray, em corrente pulsada, e curto-circuito. Como o aporte térm ico é relativamente baixo e os efeitos térm icos são mínimos, o processo tem sido largamente utilizado na união de chapas galvanizadas, em vários ramos industriais, em situações em que é fundamental preservar as características da camada de zinco. 2. Equipamentos O equipam ento usado para brasagem varia, dependendo do m étodo de aquecimento utilizado. A Figura 1 apresenta alguns equipam entos empregados na brasagem. Para brasagem por chama, o equipam ento é similar ao usado na soldagem a gás. Diferentes tochas podem ser usadas, dependendo do gás combustível empregado. Misturas de gases combustíveis são tam bém utilizadas. FORNO BANHO Figura 1 Alguns equipamentos para brasagem (esquemáticos) Para a brasagem em forno, são usados fornos a gás, a óleo ou elétricos, sendo este últim o o tipo preferido. Os fornos devem perm itir um bom controle de temperatura e uma distribuição homogênea de calor em seu interior. Os fom os podem ainda ser contínuos ou interm itentes e terem atmosfera controlada ou operarem com vácuo. O equipam ento para brasagem por indução consiste de uma fonte de energia elétrica e de uma bobina de indução. A corrente elétrica empregada é alternada, com frequência entre 60 e 450.000 Hz. As frequências mais usadas são 10 kHz, obtida de um motor-gerador e entre 350 e 450 kHz, obtidas em geradores de faísca. A bobina é geralmente refrigerada a água e deve ter uma forma que permita envolver as peças a serem brasadas. Existem dois tipos de equipam ento para brasagem por resistência. O primeiro se assemelha ao equipam ento usado à soldagem por resistência e suas características dependem da dimensão, form a e material das peças a brasar. A proteção pode ser feita por fluxo ou atmosfera controlada. O segundo utiliza eletrodos de carvão, algumas vezes chamado de brasagem a arco. O aquecim ento é obtido pela passagem de uma corrente elétrica pelo eletrodo de carvão e pelas peças. O O "7 * o n p à »5 O SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA A brasagem por imersão em metal fundido norm alm ente é feita em peças pequenas. O metal fundido fica em um cadinho aquecido, que tem um tamanho adequado. O m étodo de aquecimento deve garantir que o banho líquido e as peças fiquem a uma tem peratura superior à tem peratura de brasagem. Na brasagem por imersão em banho químico o aquecimento pode ser feito por resistência elétrica ou por uma tocha. Na brasagem por infravermelho são usadas lâmpadas de quartzo de alta intensidade. Estas lâmpadas são capazes de liberar até 5.000W de energia radiante. Norm alm ente são empregados refletores para a concentração da radiação sobre a região a ser brasada. A solda-brasagem é feita com equipamentos sim ilares aos usados na soldagem a gás. Em alguns casos é necessário o uso de pré-aquecimento. Para a realização de Mig-Brazing, os equipamentos utilizados são semelhantes aos equipam entos utilizados no processo de soldagem MIG (GMAW) convencional. A brasagem fraca pode ser feita com os mesmos tipos de equipamento usados na bra sagem forte. Entretanto, o equipamento mais simples e de uso mais corrente é o "ferro de solda", geralmente de cobre, com aquecimento por resistência elétrica ou por chama. 3. Consumíveis A escolha de um metal de adição para uma determinada operação de brasagem é crítica para se obter uma junta com características adequadas.'a uma dada aplicação. Esta escolha é feita em função do metal de base, do método de aquecimento, do desenho da junta e da proteção. Além disso, o metal de adição deve ter uma temperatura de fusão adequada, boa molhabilidade, boa fluidez e propriedades mecânicas compatíveis com a aplicação. Uma característica im portante das ligas de adição para brasagem é o seu intervalo de fusão. Metais puros e ligas eutéticas possuem tem peraturas de fusão bem definidas. Já as demais ligas apresentam intervalos de fusão, isto é, as fases líquida e sólida coexistem numa determinada faixa de tem peratura. A Figura 2 apresenta, com o exemplo, as carac terísticas de fusão de ligas binárias cobre-prata. A linha "solidus" é definida pelas mais altas temperaturas em que a liga é com pletam ente sólida e a linha "liquidus" é definida pelas mais baixas temperaturas em que a liga é com pletam ente líquida. No intervalo de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus, coexistem o líquido e o sólido. Composição (%Cu) Figura 2 Diagrama de equilíbrio de ligas Cu-Ag CAPÍTULO 21 OOQ BHASAGEM I 0 De um modo geral, se utilizam ligas de curto intervalo de fusão para juntas curtas e ligas de amplo intervalo para juntas longas. Em juntas horizontais, a distância percorrida pelo material de adição durante a brasagem, com o mostra a Figura 3, pode ser estimada por: x - I T O ilí ” . (Eq. 1) onde x é a distância brasada num tem po t, D é o espaçamento entre as peças, T é a tensão superficial do líquido e ^ é a viscosidade do metal líquido. (a) Figura 3 Junta brasada (a) horizontal e (b) vertical Como se observa, a distância percorrida depende das propriedades físicas do metal de adição, da abertura da junta e do tem po. A tem peratura não aparece explicitam ente na equação, mas influencia fortem ente a viscosidade do líquido. Nota-se ainda que não há lim ite teórico para o com prim ento da junta horizontal; o processo continua indefini damente enquanto houver metal líquido de adição suficiente e a tem peratura das peças for mantida elevada. Para juntas verticais, por ou tro lado, existe um lim ite m áxim o para o com p rim en to da junta dado por Ymáx .= 2 ^ g D (Eq. 2) onde T é a tensão superficial, R é a densidade do metal líquido, g é a aceleração da gravidade e D é o espaçamento entre as peças. Este limite ocorre quando a pressão da coluna de líquido se iguala à pressão de Laplace, que é a força motriz do processo de capilaridade. Deve-se observar que ambas as equações valem para uma determ inada faixa de espaçamento (D) entre as peças. Espaçamentos grandes favorecem o fluxo, mas dificuitam a ação capilar e vice-versa. Outra consideração que deve ser levada em conta na escolha do metal de adição para brasagem é a possibilidade de interação metal de adição-metal de base (formação de com postos, difusão e solubilização), que depende fortemente do ciclo térm ico de brasagem. Os metais de adição para brasagem são classificados pela norma A 5.8 ("Specification for filler metais for brazing"). A Tabela I mostra algumas ligas para brasagem, segundo a AWS, e algumas de suas características. O / in OHU SOIOASEM RMDAMEKIDSE TECNOLOGIA Os metais de adição à base de prata são usados para a união de muitos metais ferrosos e não ferrosos, exceto Al e Mg. Podem ser empregados com todos os métodos de aquecimento. Os metais à base de níquel são usados devido à sua boa resistência à corrosão e ao fato de que podem trabalhar a temperaturas até 980°C, em regime contínuo, e são geral mente empregados em aços inoxidáveis das séries 300 e 400, ligas de níquel e cobalto. Também podem ser usados na brasagem de aços carbono, aços de baixa liga e cobre, quando são requeridas as propriedades específicas deste material de adição. Tabela I - Metais de adição para brasagem Classificação AW S Temperatura (°C) Temperatura de Brasagem (°C) Solidus Liquidus Ugas à base de prata Classificação AW S Temperatura (°C) Soiidus Liquidus Temperatura de Brasagem (°C) Ligas à base de slumfnio e silício BAg-1 607 618 618-760 BAISi-2 577 613 599-621 BAg-1a 627 635 635-760 BAISi-3 521 585 571-604 582-604 BAg-2 607 702 702-843 BAISi-4 577 582 BAg-2a 607 710 710-843 BAISi-5 577 591 588-604 BAg-3 632 688 688-816 BAISi-7 559 696 588-604 BAg-4 671 779 779-899 BAISi-9 562 582 582-604 BAg-5 663 743 743-843 BAlSi-11 559 596 588-604 BAg-6 6B8 774 774-871 1120 1149 1149-1232 1016-1093 Ligas à base de cobalto BAg-7 618 652 652-760 BAg-8 779 779 779-899 BAg-8a 766 766 766-871 BAu-1 991 1016 BAg-13 718 857 857-968 BAu-2 891 891 891-1010 BAg-13a 771 893 871-982 BAu-3 974 1029 1029-1091 BAg-18 602 718 718-843 BAu-4 949 949 949-1004 BAg-19 760 891 877-382 BAu-5 1135 1166 1166-1232 BAg-20 677 766 766*71 BAg-21 691 802 802-899 Ligas è base de ntquel BNi-1 977 1038 1066-1204 BNi-1a 977 1077 1077-1204 BNi-2 971 999 1010-1177 BNi-3 982 1038 1010-1177 BNi-4 982 1068 1010-1177 BNi-5 1079 1135 1149-1204 BNi-6 877 877 927-1043 BNi-7 888 888 927-1093 982 BNi-8 1010 1010-1093 BCo-1 Ligas à base de ouro Ligas â base de magnésio BMg-1 BMg-1 BMg-1 BMg-1 BMg-2a BMg-2a BMg-2a BMg-2* Ligas à base de cobre e zinco RBCuZn-A 888 899 910-954 RBCuZn-C 866 . 888 910-954 BBCuZn-D . 921 935 938-882 924 788-927 Ligas à base de cobre e fósforo BCuP-1 710 BCuP-2 710 793 732-843 BCuM 634 813 718-816 BCuFM 634 718 691-788 Ugas ò base de cobre BCu-1 1082 1082 1093-1149 BCuP-5 634 802 704-816 BCuR6 634 788 732-816 BCuP-7 634 771 704-816 BCu-1a 1082 1082 1093-1149 BCu-2 1082 1082 1093-1149 Ligas de cobalto são usadas para serviço a alta temperatura em metais de base também à base de cobalto. Atmosferas protetoras de alta qualidade são necessárias. As ligas à base de alumínio-silício são adequadas à brasagem em forno epor imersão e, em certos casos, por chama. Ouro e suas (igas são usados para a brasagem de ferro, níquel e cobalto, quando a resistência à oxidação é necessária ou em aplicações em que componentes voláteis são indesejáveis. Geralmente são aplicados em seções finas, com aquecimento em forno ou por resistência, e atmosfera redutora ou sob vácuo. As ligas de cobre e cobre-zinco são usadas na união de materiais ferrosos e não ferrosos, em juntas sobrepostas ou de topo, com os diferentes métodos de aquecimento. A resistência à corrosão de ligas cobre-zinco é geralmente inadequada para juntas de cobre, bronze-silício, ligas de níquel e aços inoxidáveis. Cobre puro é usado com metais ferrosos, níquel e ligas Cu-P são usadas principalmente com o cobre e suas ligas. Sua resistência à corrosão é satisfatória, exceto em atmosferas sulfurosas a temperaturas elevadas. Elas podem ser usadas com todos os métodos de aquecimento. Metais de adição à base de magnésio são adequados para brasagem por chama, em forno ou por imersão de ligas de magnésio, resultando em juntas com boa resistência a corrosão. Podem ainda ser usadas com outros materiais. A Tabela II apresenta algumas combinações usuais metal de base e metal de adição. Tabela II - Metais de adição recomendados para brasagem de diferentes materiais Metal base Aço Alumínio Magnésio Cobre e Ferro carbono e e ligas e figas ligas fundido baixa liga Nfquel e Aço inoxidável ligas Aço ferra* menta Aço ferrmenta (a) (a) BAg, BAu, RBCuZn, BNi BAg. BAu. BCu, BNi. RBCuZn BAg, BAu. RBCuZn. BNi BAg, BAu. RCu. BNi BAg. BAu, BAg. BAu. BCu. BNi, BCu. BNi. RBCuZn RBCuZn Nfquel e ligas (a) (a) BAg, BAu, RBCuZn BAg. BAu. BCu. BNi. RBCuZn BAg, BCu. RBCuZn BAg, BAu. BCu, BNi BAg, BAu. BCu. BNi Aço inoxidável BAISi (a) BAg, BAu BAg, BAu. BCu. BNi BAg. BAu. BCu. BNi BAg. BAu. BCu, Bni Ferro fundido (a) (a) BAg, BAu. BAg. BNi. BAg, RBCuZn RBCuZn RBCuZn Aço carbono e baixa liga BAISi (a) BAg. BAu. RBCuZn Cobre e ligas (a) (a) BAg, BAu, BCuR RBCuZn Magnésio e ligas (a) BMg Alumínio e ligas BAISi BAg. BAu. BCu. BNi. RBCuZn ' • (a) Não recomendado, mas técnicas especiais podem ser utilizadas para determinadas combinações de metal de base e metal de adição. 342 fUNDAIIWTOSETXCMUKU A brasagem é um processo atrativo na montagem de conjuntos em metais refratários, em particular, para seções finas. Os metais de adição usados para metais refratários têm temperatura de fusão na faixa de 650 a 2.095°C. Metais de adição como Ag,Cu,Zn.CuP e Cu são usados para brasagem de tungsténio, em aplicações onde é necessário um bom contato elétrico. Metais de adição à base de Ta e Nb são usados para aplicações em que a temperatura de serviço é elevada. Uma boa variedade de metais de adição está disponível para a brasagem de molibdênio, com intervalo de fusão na mesma faixa dos usados para tungsténio. Outros materiais de adição são também disponíveis para união de nióbio e tântalo. Os metais de adição para solda-brasagem são, geralmente, à base de Cu e Zn. como mostra a Tabela III. A junta solda-brasada pode estar sujeita à corrosão galvânica em certos ambientes e o metal de adição pode ser menos resistente que o metal de base em certas soluções químicas. Os metais de adição para brasagem fraca são mostrados na Tabela IV. Tabala 111- Matais da adição para solda-brasagem Classe AWS Composição química aproximada (% peso) Cu Zn Sn Fe Limite de resistência mínimo (MPa) Temperatura líquidus (°C) Nf RBCuZn-A 60 39 1 - - 275 900 RBCuZrvB 60 37.5 1 1 0.5 344 890 RBCuZn-C 60 38 1 1 - 344 890 RBCuZn-D 50 40 - - 10 413 935 CAPlTULO Zt BRASAGEM Tabela IV - Metais da adição para brasagam fraca Estanho - Zinco Estanho - Antimônio Composição (% peso) °C Zn Sn 91 Solidus Liquidus °C 9 199 199 80 20 199 269 70 30 199 311 60 40 199 340 30 70 199 375 Cádmio - Prata Composição (% peso) Solidus Liquidus Cd Ag °C °C 95 5 338 393 Solidus Composição (% peso) Sn °C °C 95 5 232 240 Ugas de índio • Composição (% peso) Sn ín Solidus Liquidus Pb °C °C 50 50 - 117 125 37,5 25 37,5 138 138 - 50 50 180 209 Cádmio - Zinco Composição (% peso) Solidus Liquidus Cd Zn °c °C 82,5 17,5 265 265 Liquidus 40 60 265 335 10 90 265 399 Solidus Liquidus Estanho-Prata e Estanho-Chumbo-Prata Composição (% peso) Solidus Liquidus Sb Sn Pb Ag °C «c 96 -, 4 221 221 62 36 2 180 190 5 94,5 0,5 294 301 2,5 97 0.5 303 310 1.0 97,5 1.5 309 309 Estanho - Chumbo Composição (% peso) Sn Pb °C °C 5 95 300 315 10 90 268 301 15 85 225 290 20 80 183 280 25 75 183 267 30 70 183 255 35 65 183 247 40 60 183 235 in 55 183 228 50 50 183 217 60 40 183 192 70 30 183 190 Zinco - Alumínio Composição (% peso) Solidus Liquidus Zn Zn Zn Zn 95 95 95 95 tO D M E M FUTOAJtWTOí E TECM8UHÍM A interação dos metais com o ambiente depende do metal e das condições ambientes, particularmente da temperatura, podendo levar a formação de óxidos e nitretos, que são prejudiciais ao processo de brasagem e ao desempenho da junta. Os fluxos de brasagem precisam permanecer em contato com a área a ser brasada para impedir a formação de óxidos e facilitar a remoção de camadas já existentes. A vis cosidade do fluxo na temperatura de operação é uma característica importante para que o metal de adição consiga expulsar o fluxo da junta, preenchendo-a. Outra propriedade importante é a tensão superficial do fluxo, que também afeta a molhabilidade do metal de base e o deslocamento do metal de adição dentro da junta. De um modo geral, os constituintes de fluxos para brasagem são cloretos, fluoretos, fluoboratos, boratos, bórax, ácido bórico, agentes umectantes e água. A maioria dos fluxos usados é uma combinação de alguns destes constituintes, misturados numa proporção adequada para produzir bons resultados numa dada situação. Na maioria dos trabalhos, o fluxo é aplicado na peça sob a forma de uma pasta, embora em algumas aplicações um fluxo volátil pode ser introduzido com o gás da chama. Este último método só pode ser usado quando a chama incide diretamente na superfície a ser coberta com metal de adição, não dando bons resultados em juntas nas quais a ligação é realizada por capilaridade. As substâncias mais usadas nos fluxos são: • Boratos - Na, K e Li. Para uso acima de 760°C. Têm boa capacidade de dissolução dos óxidos e oferecem boa proteção contra oxidação; • Fluoboratos - Na e K. Possuem melhor capacidade de dissolução dos óxidos e maior fluidez do que os boratos. São usados na ligação de materiais para uso a elevadas temperaturas: • Fluoretos • Na, K e Li. São muito ativos, aumentando o efeito da capilaridade. Utilizados especialmente na ligação de alumínio e suas ligas. Produzem fumos tóxicos. Têm fraca proteção contra a oxidação; • Cloretos - Têm propriedades e aplicações idênticas às dos fluoretos, embora sejam menos eficazes; e • Ácido Bórico Calcinado - Constitui a base de muitos fluxos. É um bom agente de limpeza das superfícies: reduz a viscosidade do fluxo e facilita a remo ão dos resíduos de fluxo. Não existe um único fluxo aplicável a todas as situações. Os fluxos são classificados em quatro grupos, dependendo do seu desempenho em um certo tipo de metal de base, numa determinada faixa de temperatura. Estes grupos são apresentados na Tabela V de acordo com a AWS A5.31 ("Specification for fluxes for brazing and braze welding”). Tabela V - Fluxos para brasagem Faixa de temperatura recomendada (°C) Forma de fornecimento BAISi 540-615 Pó BMg 480-620 Metal de base Metal de adição recomendado FB1 Ligas de Al FB2 Ligas de Mg FB3 Aço carbono e aço inoxidável FB4 Alumínio- Bronze BAg. BCuR BCu. BNi. BAu, RBCuZn BAg e BCuP Classe AWS 565-1205 595-870 Pó Pó. paste e liquido Pasta CAPtTUlXJ 21 |Q . r BRASAGEM Alguns metais de adição são autofluxantes em certas ligas. Por exemplo, o constituinte Cu3P do cobre-fósforo age como fluxo quando usado em cobre e suas ligas. Entretanto, como este efeito fluxante ocorre apenas quando o metal de adição está líquido, pode ocorrer a oxidação das peças durante o aquecimento e resfriamento da junta brasada. Assim, na brasagem de juntas grandes, quando o tempo de aquecimento pode ser muito longo, o uso de fluxo adicional é vantajoso. Por outro lado, metais de adição autofluxantes, em muitos casos, podem produzir resultados iguais ou melhores do que quando se usa fluxo adicional. Atmosferas controladas também podem ser usadas para prevenir a formação de óxidos. Esta técnica é usada principalmente na brasagem em forno, mas pode também ser empregada na brasagem por indução ou por resistência. Diversas combinações de gases, fluxos sólidos ou líquidos e vácuo podem ser usadas. A Tabela VI apresenta alguns exemplos. Tabela VI - Atmosferas para brasagem Classe AWS Composição aproximada Aplicação (% ) H, Ns CO cos Metal de adição Metal de base 1 5-1 87 5-1 5-6 BAg*. BCuR RBCuZn* Cobre e latão* 2 14-15 70-71 9-10 - BAg*. BCu, BCuR RBCuZn* Cobre**, latão, aço baixo C, Monel. aço médio C *** 3 15-16 73-75 10-11 - BAg*. BCuR RBCuZn* Idem acima + aço alto C 4 38-40 41-45 17-19 - BAg*, BCuR RBCuZn* Idem acima Mesmos usados em 1 ,2 .3 e 4 + ligas contendo C r**** 5 75 25 - - BAg*. BCu, BCuR RBCuZn*. BNi 6 97-100 - - - Mesmos usados em 2 Mesmos usados em 2 Mesmos usados em 2 Mesmos usados em 5 + ligas a base de Co, C re W **** Latão 7 100 8 Vapores inorgânicos (Zn, Cd. Li etc.) BAg 9 Gases inertes (Ar, He etc.) Mesmos usados em 5 Mesmos usados em 5 + Tl e Zr dem metal de base Alguns metais que não se vaporizam 10 Vácuo * Requer também o uso de fluxo quando são usadas ligas que contenham constituintes voláteis. ** O cobre precisa ser completamente desoxidado. * ** O tempo de aquecimento deve ser o mínimo possível para evitar descarbonetação. • * * * Se quantidades apreciáveis de Al, Ti, Si ou Be estiverem presentes, usar fluxo. Devido à sua utilização na união de chapas galvanizadas, os metais de adição indicados para o "MIG-Brazing" são arames de bronze. Ligas de Cobre-Silício e Ligas de Alumínio-Bronze. Como gás de proteção o mais utilizado é o argônio, entretanto, na utilização de arames de liga de cobre e silício poderão ser utilizadas misturas empobrecidas de oxigênio e gás carbônico. Este último contribui para um arco mais estável. No "MIG-Brazing” não utiliza-se fluxos. 0 /1 C OH U SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 4. Técnica Operatória Para se fazer uma brasagem com qualidade aceitável, além das técnicas normais de limpeza, brasagem propriam ente dita e limpeza final, o projeto da junta é fundamental. A seleção do tipo de junta e de seus detalhes para uma dada aplicação depende larga mente da composição do metal de base, do metal de adição, das condições de serviço, do processo de brasagem, da quantidade de peças, do m étodo de aplicação do metal de adição, do fluxo etc. Apenas dois tipos de junta são usados em brasagem: juntas sobrepostas e juntas de topo. Algumas variações destes dois tipos podem ser empregadas, para aumentar a área da junta, com o m ostrado na Figura 4. Deve-se lem brar que juntas sobrepostas são usadas preferencialmente, sem pre que possível, para melhorar a resistência. z: B I r Figura 4 Juntas usadas em brasagem O espaçamento entre as peças pode ter grande influência sobre as características mecâni cas da junta, independentemente do tipo de solicitação e do desenho desta. A Figura 5 mostra esquematicamente a variação da resistência ao cisalhamento de uma junta de aço de baixo carbono brasada com BAg-1 com o espaçamento entre as peças, de modo esquemático, e a Figura 6 mostra variação da resistência à tração, nas mesmas condições. CAPÍTULO 2) BRASAGEM Espaçam ento Figura 5 Variação da resistência ao cisalhamento com a distância e separação entre as peças (esquemática) Espaçamento Figura 6 Variação do limite de resistência de uma junta brasada com a distância de separação entre as peças (esquemática) Pode-se observar que a resistência da junta tende a dim inuir para espaçamentos m uito pequenos, 0 que pode ser devido à existência de falhas de preenchim ento da junta com o metal de adição. Para espaçamentos excessivos, a junta tem maior flexibilidade, porém menor resistência. A Tabela VII apresenta espaçamentos recomendados para diferentes m etais de adição. 0 / I -7 I FUNDAMENTOS E TECNOlOOtA Tabela VII - Espaçamentos recomendados è temperatura de brasagem M e ta l de adição E spaçam ento da ju n ta (m m ) BAISi 0,15—0,61 BCuP 0,03 — 0,12 BAg 0,05— 0,12 BAu 0,05 — 0,12 BCu 0,00 — 0,05 RBCuZn 0,05 — 0,12 BMg 0,10 — 0,25 BNi 0,05 — 0,12 O espaçamento entre as peças pode variar em função da temperatura considerada. Em metais similares, de massas aproximadamente iguais, o espaçamento medido à temperatura ambiente é aproximadamente igual ao espaçamento à temperatura de brasagem. Entretanto, na brasagem de metais dissimilares, com diferentes coeficientes de expansão térmica (ou diferentes massas), este espaçamento pode variar bastante na temperatura de brasagem, em relação ao espaçamento à temperatura ambiente. Diferen tes equações e ábacos, são encontrados na literatura, para previsão dos espaçamentos de juntas brasadas. Estes ábacos ou equações apresentam, em geral, a variação do espaçamento em fun ção da temperatura, Este fato deve ser considerado na preparação das juntas a brasar. Após uma limpeza adequada da superfície a ser brasada, faz-se a aplicação do fluxo. Fluxos na forma de pasta ou líquidos são aplicados diretamente sobre a junta. Fluxos em pó são borrifados sobre a junta ou colocados no metal de adição, na forma de revestimento deste. Em geral isto é feito pelo aquecimento e mergulho da vareta em um recipiente contendo o fluxo. As peças devem ser imediatamente posicionadas logo após a aplicação do fluxo, antes que este tenha tempo de "secar". O método mais econômico de se fazer isto é quando as peças ficam posicionadas pela ação de seu próprio peso. Muitas vezes, o uso de. posicionadores é necessário para manter um adequado alinhamento e garantir um espaço condizente. Os posicionadores devem ser colocados o mais longe possível da região a ser brasada e devem ter a menor área possível de contato com as peças, a fim de minimizar as perdas de calor por condução. Na brasagem por chama, os posicionadores devem permitir o acesso da tocha e a alimentação do metal de adição. Na brasagem em fomo, os fixadores não devém possuir constituintes voláteis, para não interferir com a atmosfera protetora, quando for o caso. Na brasagem por indução, os fixadores são cerâmicos, para evitar a introdução de materiais estranhos no campo de indução da bobina. ' .Independentemente doprocesso de brasagem, o fluxo deve ser removido da junta após a operação, em geral por água quente. Em alguns casos é necessário o uso de agentes químicos para isto. Áreas oxidadas durante o processo podem ser recondicionadas por meios químicos ou mecânicos. CAPfTUUO 21 BRASAGEM 5. Aplicações Industriais A brasagem forte, fraca e a solda-brasagem têm hoje uma grande faixa de aplicações industriais, sendo as principais: junção de metais dissimilares, união de peças de peque na espessura, que poderiam se deformar excessivamente se fossem soldadas, união de materiais tratados termicamente, para evitar perda do tratamento, união metal-cerâmica etc. O MIG Brazing, como comentado anteriormente, tem sua grande aplicação a união de chapas galvanizadas e mais recentemente chapas finas de aço inoxidável. 6. Exercícios a) Diferencie os processos de soldagem, brasagem e soldabrasagem. b) Em que situações a brasagem pode substituir com vantagens operações de soldagem? c) Quais as vantagens da brasagem em relação à soldagem? E as desvantagens? d) Existem limites para o comprimento de uma junta brasada vertical? E horizontal? Por quê? e) Os fluxos para soldagem e para brasagem têm as mesmas funções? Explique. I BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ALMEIDA. M. B. Q. Oxi-corte. 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Recent advances in welding power systems for automated welding. Trans. Of The JWRI, 23(1), p. 1-6.1994 WAWER. E. ICoord.l Soldagem. 14. ed. SSo Paulo: ABM. 1979. 720 p. WAINER, E.: BRANDI. S. D.; MELLO.S.D.H. Soldagem-, processos e metalurgia. São Paulo: LTC.1992. 494 p. i \ ÍNDICE ALFABÉTICO Abertura de arco - 209 Acetileno Arco elétrico características elétricas - 52 i cilindro de - 163 característica^ magnéticas - 57 retirada máxima de -164 características térmicas - 56 Ações para soldar -128 comprimento do - 53 Alimentador de arame curva característica estática do tipos de - 246 Arames definição - 51 diferença de potencial no - 53 classificação dos - 249, 257 estabilidade do - 56 com fluxo - 249 formato do - 52 com pó metálico - 249 ionização no - 54, 55 diâmetro do - 252 polaridade do - 56 "metal cored" - 249 sólidos - 249 tubulares - 249 Arames tubulares autoprotegidos - 249 classificação dos - 249 seção transversal de - 259 pressão do - 58 queda de tensão no - 53 radiação no - 57 regiões de um - 52 temperaturas no - 56 Austenita - 85 Automação aplicações -134 ; 354 SOIDAKM FUNDAMENTOS E TO N O U ® A definição -129 Carbono equivalente -110 objetivos - 129 Célula robótica -132 fixa-129 Cementita - 85 flexível -129 Certificação 144 Bainita - 86 Chama Bicos de corte - 175 acendimento da -171 Bocal constritor - 222 acetilênica -171 Brasagem carburante - 171 aplicações - 336, 349 neutra -171 atmosferas para - 336, 345 oxidante-171 consumíveis para - 338 tipos de - 171 definição - 335 Chanfro em forno - 336 elementos de um - 32 equipamentos para - 337, 346 tipos de - 30 especificações AWS para - 339 Choque elétrico - 45 fluxos para - 344 Ciclo térmico - 89 forte - 338 Ciclos de soldagem - 302 fraca - 338 Cilindros juntas para - 336 armazenagem de - 49,164 ligas para - 338 de acetileno - 163 por chama - 336, 348 de oxigênio - 163 por indução - 336 Classificação -1 3 8 ,1 4 4 por imersão - 336 Códigos-138 por infravermelho - 336 Coluna de plasma - 53 por resistência - 336 Comprimento do arco - 53 técnicas de - 346 Consumíveis Cabos fluxos-167 bitolas de - 185 varetas - 168 Contração comprimento máximo de -185 Camada - 33 Características da zona fundida - 93 • longitudinal - 122 transversal -1 2 2 Controle da zona termicamente afetada - 98 "CVCC"- 243 da poça de fusão - 93 adaptativo -130, 244 fMOlCE ALFABÉTICO eletrônico - 72 de outros materiais -156 intrínseco - 245 de soldagem -151 pela tensão do arco - 242 por "taps" - 69 exemplo de cálculo -157 Descontinuidades por bobina móvel - 70 dimensionais-100 sinérgico - 241 estruturais - 103 Cordão de solda dimensões de um - 33 Corrente de transição - 237 Corrosão sob tensão -120 Corte a gás aplicações - 179 consumíveis -176 definição -174 efeitos dos elementos de liga no -179 propriedades inadequadas -110 Diagrama de equilíbrio - 338 TRC - 88 Diluição - 93 Dimensão incorreta -102 Diodos SCR- 73 Distorções controle d a s -124 equipamentos para -175 definição -101 reações químicas durante 0 - 1 7 4 origem das - 121 Corte a laser - 311 Corte a plasma tipos básicos - 122 Efeito aplicações - 232 “pinch" - 59 definição - 228 de limpeza-216 equipamentos - 228 Eficiência gases para - 228 de deposição - 154 variações - 228 térmica - 88 variáveis - 230 Costura por fricção - 322 Custos de consumíveis -153 ‘de depreciação -155 Efementos de liga - 87 Eletrodos classificação dos - 271 diâmetro dos - 264, 273 v em fita - 267 de energia elétrica -155 extensão dos - 274 de mão de obra -152 geometria dos - 297,301 de manutenção -156 número de - 286 355 o rR 030 SOLOACCM nmoAManosEUCMotostA inclusão de -104 oscilação dos - 279, 289 resfriamento dos - 297 Especificação -138 tipos de' - 295 Espectro eletromagnético - 309 vida útil de - 298 Estrangulamento - 59 Estrutura Eletrodos de tungsténio classificação dos - 213 cristalina - 83 tipos d e -213 eletrônica - 83 macroestrutura - 83,92 Eletrodos revestidos abertura do arco na soldagem com -198 microestrutura - 83 aplicações da soldagem com -182,202 relação com as propriedades - 82 armazenagem de -195 secundária - 97 classificação de -189 Exaustão - 48 corrente de soldagem com -197 Explosões - 48 definição - 181 Fadiga-119 diâmetro de -18 6 ,1 9 6 Falta de equipamentos para soldagem com -183 fusão - 105 fabricação de - 193 penetração-105 instalação centralizada para soldagem com -184 movimentos para soldagem com -199 posicionamento na soldagem com - 200 reiniciação da soldagem com -199,201 seleção de - 192,196 tensão na soldagem com -184,198 tipos de - 188 Fator de ocupação -182 Feixe de elétrons - 313 a frio - 109 a quente - 108 na raiz -107 velocidade de soldagem com -198 Emissão de Elétrons na cratera -107 por hidrogênio -1 0 9 a frio - 55 Fluxo de calor - 88 termiônica - 55 i Escória - 280, 282 Fator de forma - 286 Fissuração soldagem por gravidade com -185 EPS-141 diagrama de - 84 Ferrita soldagem com -181 Ensaios-142 Fases Fluxos alimentador de - 266 classificação dos - 268 ' J ÍNKCEAUABÍTICO fabricação dos - 268 tipos de - 268 Fontes de energia de proteção-219 Gases - 48 ativos - 251 características estáticas - 64 de proteção-211 características dinâmicas - 64 efeitos dos - 251 ciclo de trabalho - 66 inertes - 251 classificação das - 67 misturas d e -211 comparação entre - 79 Gerador -71 construção de - 68 Guia - 138 convencionais - 64 Histórico da soldagem - 25 corrente constante - 65 Ignitor de alta frequência - 209 eletrônicas - 72 Incêndios - 48 geradores - 71 Inclusão híbridas - 78 de escória -104 inversoras - 77 de tungsténio -104 resposta dinâmica de - 64 índice de basicidade - 94, 269 tiristorizadas - 73 Instabilidade dimensional -121 transistorizadas analógicas - 74 Jato de plasma - 58 transistorizadas chaveadas - 76 Junta requisitos básicos de • 63 tensão constante - 65 tipos de - 30 Junta brasada Força de Lorentz - 57 resistência de uma - 347 Formato incorreto -102 espaçamento - 346 Fratura frágil -119 "Friction hydro pilar processing" - 320 Junta soldada formação de uma -1 9 "Friction stitch welding" - 322 "Keyhole" - 225, 311 "Friction stir welding" - 320 Laser Fumos - 48 definição de - 307 Fusão tipos de - 309 falta de - 105 Lentes de proteção - 47 poça de - 93 Maçarico Gás de plasma - 219, 223 bicos ou extensões de -166 * injetor-165 OCO JU O SCIM G EM FUNOAMIHTOS E TECKOLCGtA misturador - 167 Ponte retificadora - 69 Mangueiras - 167 Porosidade - 94 Martensita - 86 Porta-eletrodos -184 Mata-junta - 33 Posição de soldagem - 34 Metal de adição - 30 Posicionadores -132, 210 Metal de base - 30 Pressão Método -138 Microplasma - 221 Misturadores de gás - 208 Mordedura -106 Níveis estruturais - 83 Normas sistemas para aplicação de - 298 Processos de brasagem classificação dos - 21 Processos de soldagem classificação dos - 21 Propriedades autoridade -138 inadequadas-110 interpretabilidade -139 mecânicas -111 praticidade-139 j químicas -111 Orifício - 222 Qualificação - 141 Oscilação do eletrodo - 281, 290 Radiação - 46 Oxigênio - 168 Região Passe - 33 de crescimento de grão - 99 Penetração de queda anódica - 52 falta de - 105 de queda catódica - 52 incompleta -105 de refino de grão - 99 Perfil incorreto -102 intercrítica - 99 Perlita - 85 Regulador de pressão -167 Plasma Respingos - 44. 49 coluna de - 53 corte a - 228 gás d e -219 líquido an ti--252 Revestimento de eletrodos ' composição do -187 jato de - 58 funções d o -182,186 não transferido - 220 tipos d e -188 soldagem a - 219 umidade no - 194 transferido - 220 Poça de fusão - 30 Riscos de soldagem - 43 (NDXEAlFABcRCO 359 outros - 49 energia de - 88 Robô industrial histórico da - 25 definição-130 manual-35. 127 tipos de - 131 mecanizada - 35,129 programação de um -133 por pressão ou deformação - 21 Roupas de proteção - 44 por fusão - 21 R Q P S-142 processos de - 21 RTQS-143 posiçõesde - 34 Sapatas de contenção - 278 robotizada-129 Segregação - 97 Segurança em soldagem - 43 "" semiautomática-35.128 simbologia de - 36 Soldagem a arco submerso recomendações de - 43 aplicações da - 265,275 vestuário de - 44 arames para - 266, 271 Símbolo de solda - 36 características da - 265 Simbologia de soldagem - 36 definição - 263 Símbolos equipamentos para - 265 básicos - 36 especificações AWS para - 269 de acabamento - 38 limitações da - 265 suplementares - 38 taxas de deposição na - 264, 272 Solda cordão de - 33 dimensões de uma - 32 seção transversal de uma - 33 técnicas de - 264, 272 variações da - 264 variáveis da - 272 Soldagem a frio Solda-brasagem - 336 aplicações - 330 Soldagem definição - 329 ; a frio-109 equipamentos - 329 a quente - 108 arco de - 51 técnicas de - 329 Soldagem a gás automática - 35,128 aplicações - 161 ciclo térmico de - 89 características - 162 comparação com outros processos - 23 consumíveis para -167 definições de - 18 definição - 161 n n n M M m u i T R in u o w equipamentos para -162 especificações AWS para * 169 técnicas - 314 Soldagem eletrogás gases para -168 aplicações da - 290 técnicas de - 172 arames para - 290 velocidade de* 172 características da - 290 Soldagem a laser definição - 288 aplicações-312 equipamentos para - 289 equipamentos - 309 especificações AWS para - 290 técnicas-310 gases para - 290 Soldagem a plasma limitações - 290 aplicações - 221, 227 preparação para - 290 características - 220 técnicas de - 290 eletrodos para - 224 variáveis da - 290 equipamentos para - 221 Soldagem MIG/MAG especificações AWS para - 224 aplicações da - 233 gases para - 223 arames para - 248 técnicas de - 225 características da - 234 variações da - 220 definição - 233 variáveis de - 226 equipamentos para - 244 Soldagem com arames tubulares aplicações da - 256, 261 especificações AWS para - 249 gases para - 251 arames para - 257 limitações - 235 características da - 255 técnicas de - 252 definição - 255 variáveis da - 252 equipamentos para - 256 Soldagem por aluminotermia especificações AWS para - 257 aplicações - 328 gases para - 260 consumíveis - 328 técnicas de - 260 definição - 326 variações da - 255 equipamentos - 328 variáveis da - 260 Soldagem com feixe de elétrons Soldagem por eletroescória aplicações da ~ 287 aplicações -315 arames para - 281 equipamentos-313 características da - 278 iwttt ALFABÉTICO definição - 277 topo a topo - 295 equipamentos para - 279 variações da - 293 especificações AWS para - 282 variáveis da - 300 limitações - 279. 286 Soldagem por ultrassom preparação para - 284 aplicações - 331 técnicas da - 283 definição - 330 variáveis da - 281. 286 equipamentos - 330 Soldagem por explosão aplicações - 326 técnicas de - 331 Soldagem TIG definição * 323 aplicações - 206, 217 equipamentos - 324 características - 206 técnicas de - 324 definição - 205 Soldagem por fricção dispositivos auxiliares - 209 aplicações -319 equipamentos para - 206 definição-317 eletrodos para - 213 equipamentos - 318 especificações AWS para - 212 técnicas d e -319 tocha para - 208 variações - 317 varetas para -212 Soldagem por laminação aplicações - 332 variáveis da-215 técnicas para-2 1 4 definição - 331 Solidificação - 95 equipamentos - 332 Solubilidade - 94 técnicas de - 332 Sopro magnético - 59 Soldagem por resistência "Stickout" - 253 aplicações - 304 Taxa de depreciação -156 a pontos - 294 Tecimento -199 definição - 293 Temperatura de pico - 89 eletrodos - 297 Tempo de permanência - 99 equipamentos - 296 Tensões internas -113 por alta frequência - 295 , Tensões residuais por centelhamento - 300 consequências das -1 1 9 por costura - 295 conceito - 113 por projeção - 294 controle d a s -123 361 RWDÍUKKTOS E TKHOIOWA desenvolvimento de -115 coquilhada - 95 medida das - 118 equiaxial - 96 Tensões térmicas -115 fundida - 33 Tocha-221,247 termicamente afetada - 33 Transferência de metal aerosol ou "spray" - 237 características - 93 com arame tubular - 256 composição química da - 93 controlada - 239 diluição - 93 controle da - 240 por curto-circuito - 235 globular - 236 pulsada - 239 "spray" ou aerosol - 237 Transformador - Zona Fandida razão de transformação - 69 Trincas a frio-109 ■ a quente-1 0 8 longitudinais-107 na raiz - 107 na cratera - 1Ò7 transversais -107 Tubo guia consumível - 281, 285 não consumível - 289 União métodos d e -1? Velocidade de fusão - 240 de alimentação - 240 Velocidade de resfriamento - 99 Zona colunar - 95 SOBRE OS AUTORES Paulo Villani Marques é mestre em Engenharia Metalúrgica pela UfMG e doutor pela Unicamp. É professor da Escola de Engenharia da UFMG desde 1984, onde tem orientado trabalhos de iniciação científica e de pós-graduação relativos a processos e metalurgia da soldagem e aspersão térmica. Atua na área de soldagem e processos afins desde 1980, tendo publicado e apresentado mais de uma centena de artigos técnicos em periódicos e congressos nacionais e internacionais. Paulo José Modenesi é mestre em Engenharia Metalúrgica pela UFMG e doutor pelo Cranfield Instituteof Technology, Inglaterra. Especializou-se em soldagem elétrica no Kiev Polytechnicallnstitute, da Ucrânia, em 1983. Leciona na Escola de Engenharia da UFMG. Desenvolve trabalhos sobre os diferentes aspectos da soldagem, como metalurgia da soldagem e física dos processos de soldagem, além de estudos sobre as propriedades mecânicas dos materiais, com ênfase nos processos de fratura. Orientou dezenas de trabalhos de iniciação científica e de pós-graduação. Alexandre Queiroz Bracarense é mestre em Engenharia Metalúrgica (1986) pela UFMG e doutor pela Colorado School of Mines, Estados Unidos. É professor de cursos técnicos em mecânica. Ingressou no magistério superior em 1986 como professor do Departa mento de Engenharia Mecânica/UFMG. Coordena o Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação, orientando mestrandos, doutorandos e alunos de graduação em pesquisas sobre fenômenos físicos, químicos, mecânicos e metalúrgicos associados à soldagem, aplicados na automação dos processos (robotização). Possui cerca de 250 publicações nacionais e internacionais.

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