8.4 soldagem

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8.4 soldagem

  1. 1. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 1 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Sumário 1 Definição .......................................................................................................................... 2 1.1 Métodos de união dos metais ................................................................................... 2 1.2 Formação de uma junta soldada............................................................................... 2 1.3 Processos de soldagem por pressão (ou por deformação)....................................... 5 2 Processos de soldagem por fusão ................................................................................... 6 2.1 Soldagem a arco ....................................................................................................... 6 2.1.1 Soldagem com eletrodos revestidos .................................................................. 6 2.1.2 Soldagem GTAW............................................................................................... 9 2.1.3 Soldagem GMAW (MIG/MAG) ......................................................................... 12 2.1.4 Soldagem com Arame Tubular......................................................................... 15 2.1.5 Soldagem ao arco submerso ........................................................................... 15 2.1.6 Soldagem a Plasma......................................................................................... 17 3 Inspeção de soldagem ................................................................................................... 18 3.1 Descontinuidades dimensionais.............................................................................. 18 3.1.1 Distorção.......................................................................................................... 18 3.1.2 Preparação incorreta da junta.......................................................................... 19 3.1.3 Dimensão incorreta da solda............................................................................ 19 3.1.4 Perfil incorreto da solda ................................................................................... 19 3.1.5 Formato Incorreto da Junta.............................................................................. 20 3.2 Descontinuidades estruturais em soldas por fusão................................................. 20 3.2.1 Porosidade....................................................................................................... 20 3.2.2 Inclusões de escória ........................................................................................ 20 3.2.3 Inclusão de tungstênio ..................................................................................... 21 3.2.4 Falta de fusão .................................................................................................. 21 3.2.5 Falta de Penetração......................................................................................... 21 3.2.6 Mordedura........................................................................................................ 22 3.2.7 Trincas ............................................................................................................. 22 3.3 Propriedades inadequadas ..................................................................................... 22 3.4 Descontinuidades em outros tipos de solda............................................................ 23 4 Inspeção de juntas soldadas .......................................................................................... 23 4.1 Ensaios não destrutivos .......................................................................................... 25 5 Qualificações de soldagem ............................................................................................ 25 5.1 Documentos técnicos de soldagem......................................................................... 32 5.1.1 Especificação de procedimento de soldagem.................................................. 32 5.1.2 Registros de qualificação de procedimento de soldagem................................ 32 5.1.3 Registro de qualificação de soldador ............................................................... 32 5.1.4 Variáveis essenciais......................................................................................... 32 5.1.5 Variáveis essenciais suplementares ................................................................ 33 5.1.6 Variáveis não essenciais.................................................................................. 33 5.2 Tabelas de variáveis ............................................................................................... 33 Rev. 0
  2. 2. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 2 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 1 Definição Soldagem é um processo de fabricação de coalescência (ligação) entre metais sólidos, com adição ou não de material, de pontos de fusão diferentes ou não, formando na zona de fusão um material de características diferentes dos metais base e de adição. Os processos de soldagem estão definidos, de modo genérico, na Figura 1, conforme a AWS1. Rev. 0 Figura 1 – Processos de soldagem e afins, conforme AWS. 1.1 Métodos de união dos metais Os métodos de união de metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto é. aqueles baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forcas microscópicas (interatômicas ou intermoleculares). No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, 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 caso, a união é conseguida pela aproximação dos átomos e moléculas das partes a serem unidas, ou destas e um material intermediário, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem. 1.2 Formação de uma junta soldada De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no 1 AWS – American Welding Society
  3. 3. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 3 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância ro, na qual a energia do sistema é mínima, como mostra a Figura 2. Figura 2 – Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em funçõa da Rev. 0 distância de separação entre eles. Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tendendo 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 se 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 3. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo. Figura 3 – 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: · As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e sub-microscópica (Figura 4). Mesmo uma superfície com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50 nm 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.
  4. 4. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 4 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 4 – Representação da superfície metálica limpa · As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxidos, umidade, gordura, poeira, etc. 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. Dois métodos principais são utilizados para superar estes obstáculos, os quais originam os dois grandes grupos de processos de soldagem. O primeiro consiste em deformar as superfícies de contato permitindo a aproximação dos átomos a distâncias da ordem de ro (Figura 5). As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitar a deformação das superfícies de contato. Figura 5 – Soldagem por pressão ou deformação. O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região de união até a sua fusão e do metal de adição (quando este é utilizado), destruindo as superfícies de contato e produzindo a união pela solidificação do metal fundido (Figura 6). Figura 6 – (a) – Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) – macrografia de uma junta soldada. Desta forma, uma forma de classificação dos processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos de soldagem por fusão.
  5. 5. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 5 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em sub-grupos, por exemplo, de acordo com o ripo 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 importância industrial na atualidade. Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar as reações. A tabela da Figura 7 mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas característica principais. Rev. 0 Figura 7 – Processos de soldagem por fusão. 1.3 Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por ultra-som, por fricção, por forjamento. por resistência elétrica, por difusão, por explosão, entre outros. Diversos destes processos, como por exemplo, os processos de soldagem por resistência, apresentam características intermediárias entre os processos de soldagem por fusão e por deformação. Para fins de classificação, estes processos serão incluídos neste grupo.
  6. 6. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 6 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 2 Processos de soldagem por fusão 2.1 Soldagem a arco A soldagem a arco engloba um grande número de processos que incluem os de maior utilização industrial. Todos estes processos utilizam como fonte de calor para a fusão localizada, o arco que é uma descarga elétrica em um meio gasoso parcialmente ionizado. Na maioria dos casos, o arco elétrico é mantido entre um eletrodo cilíndrico e o metal base existindo, contudo, processos em que o metal base não faz parte do circuito elétrico ou que utilizam eletrodos de diferentes formas ou diversos eletrodos simultaneamente. Em geral, o eletrodo é fundido pelo arco e fornece metal de adição para a solda (soldagem com eletrodos consumíveis), existindo, porém, processos em que o eletrodo (em geral, de tungstèmo ou grafite) não se funde de forma apreciável (soldagem com eletrodos não consumíveis). Nos processos de soldagem a arco, a quantidade de calor fornecida à junta e, portanto, as dimensões e o formato do cordão de solda dependem da corrente e tensão elétncas fornecidas ao arco e. na grande maioria dos processos da velocidade de soldagem (isto é, a velocidade com que o arco é deslocado ao longo da junta). A corrente de soldagem pode variar de valores inferiores a 1 A (na soldagem microplasma) a valores superiores a 1000 ou 2000 A (em processos como a soldagem ao arco submerso). Esta variável afeta, de forma importante, a penetração do cordão e solda e a velocidade de fusão do eletrodo (e, portanto, a taxa de deposição). A tensão de soldagem varia tipicamente de menos de 10 V a valores que podem superar 100 V (na soldagem a plasma). Esta, em geral, controla o comprimento do arco (isto é, a separação entre o eletrodo e o metal base ou entre os eletrodos que mantêm o arco) e a largura do cordão de solda. Por fim, quando a fonte de calor se desloca ao longo da junta, a velocidade de soldagem controla a quantidade de calor que é fornecida ao longo da junta. Quanto maior for a velocidade de soldagem, menor será a quantidade de energia recebida por unidade de comprimento da junta e. em geral, menores serão as dimensões do cordão. Finalmente, deve se deixar claro que, para se garantir uma estabilidade e controle adequados do processo e se obter um cordão de solda com um formato adequado, não se pode selecionar valores de corrente, tensão e velocidade de soldagem de forma independente. Além disto, cada processo de soldagem a arco possui uma extensa lista de variáveis adicionais que devem ser levadas em consideração ao se determinar as condições de soldagem para uma dada aplicação. 2.1.1 Soldagem com eletrodos revestidos A Soldagem a Arco com Eletrodos Revestidos (Shielded Metal Are Welding - SMAW) é um processo no qual a coalescència (união) dos metais é obtida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo especial revestido e a peça. O eletrodo é formado por um núcleo metálico ("alma"), com 250 a 500 mm de comprimento, revestido por uma camada de minerais (argila, fluoretos, carbonates, etc) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas, etc), com um diâmetro total típico entre 2 e 8 mm. A alma do eletrodo conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem da atmosfera a região sendo soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas. A Figura 8 ilustra o processo. O seu equipamento usual consiste de fonte de energia (ou máquina de soldagem), porta-eletrodo e cabos, além de equipamentos de segurança para o soldador (máscara, luvas, avental, etc.) e para a limpeza do cordão e remoção de escória (picadeira e escova de aço). Rev. 0
  7. 7. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 7 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Para soldagem, a parte não revestida do eletrodo é fixada no porta eletrodo e o arco é iniciado tocando-se rapidamente a ponta do eletrodo na peça (que estão conectados, por cabos, aos terminais da máquina de soldagem). O calor do arco funde a ponta do eletrodo e um pequeno volume do metal de base formando a poça de fusão. A soldagem é realizada manualmente, com o soldador controlando o comprimento do arco e a poça de fusão (pela manipulação do eletrodo) e deslocando o eletrodo ao longo da junta. Quando o eletrodo é quase todo consumido, o processo é interrompido para troca do eletrodo e remoção de escória da região onde a soldagem será continuada. A Figura 9 ilustra o equipamento e o processo de soldagem e a Tabela 1 apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais. Rev. 0 Figura 8 – Região do arco na soldagem com eletrodos revestidos. Figura 9 – Equipamentos e ferramentas para soldagem SMAW. Tabela 1 – Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SMAW · Equipamento simples, portátil e barato. · Não necessita fluxos ou gases externos. · Pouco sensível à presença de correntes de ar (trabalho no campo). · Processo muito versátil em termos de materiais soldáveis. · Facilidade para atingir áreas de acesso restrito. · Aplicação difícil para materiais reativos. · Produtividade relativamente baixa. · Exige limpeza após cada passe · Soldagem de produção, manutenção e em montagens no campo. · Soldagem de aços carbono e ligado. sldagem de ferro fundido. · Soldagem de alumínio, níquel e suas ligas. As normas da AWS são amplamente utilizadas para a especificação de consumíveis de soldagem.
  8. 8. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 8 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Eletrodos para a soldagem de aços de baixo carbono são, em geral, especificados com base nas propriedades mecânicas do metal depositado, no tipo de revestimento e em suas características operacionais. A especificação da AWS para estes aços é feita através de um conjunto de letras e dígitos (Figura 10). Por exemplo, de acordo com a norma AWS A5.12, uma classificação do tipo E6010 indica um eletrodo capaz de depositar material com um limite de resistência de 60.000 psi (420 MPa) e que possui um revestimento celulósico, com ligante à base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições com corrente contínua e o eletrodo no pólo positivo. Para os aços carbono, os eletrodos podem ser separados em diferentes tipos em função das características de seu revestimento, destacando-se: Rev. 0 Figura 10 – Chave alfa-numérica de classificação AWS. · Eletrodos Celulósicos (EXX10 e EXXX1): Possuem elevada quantidade de material orgânico (celulose) no revestimento, cuja decomposição pelo, arco gera gases que protegem o metal líquido. A quantidade de escória produzida é pequena, o arco é muito violento, causando grande volume de respingos e alta penetração em comparação com outros tipos de eletrodo. O cordão tende a apresentar escamas irregulares. A solda apresenta propriedades mecânicas adequadas para várias aplicações, contudo, não devem ser usados na soldagem de aços de teor elevado de carbono, de aços ligados e na soldarem de peças de maior espessura devido à possibilidade de fragilização pelo hidrogênio proveniente do revestimento. São particularmente adequados para soldagem fora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulações e na execução de passes de raiz em geral. Devido à sua grande penetração e perda por respingos não são adequados para o enchimento de chanfros. · Eletrodos Rutílicos (EXXX2, EXXX3 e EXXX4): Contém quantidades significativas de rutilo (TiO2) no revestimento e produz uma escória abundante, densa e de fácil destacabilidade. São eletrodos de utilização fácil, que podem ser usados em qualquer posição exceto quando têm uma elevada quantidade de pó de ferro no revestimento (para aumentar a produtividade). Podem operar tanto em CA como em CC e produzem um cordão com bom aspecto visual e de penetração baixa ou média. Sua resistência à formação de trincas na solidificação da poça de fusão é relativamente pequena o que pode ser um problema na soldagem de peça contaminadas com óleo. São eletrodos de grande versatilidade e de uso geral. · Eletrodos Básicos (EXXX5, EXXX6 e EXXX8): Possuem quantidades apreciáveis de carbonatos (de cálcio e de outros elementos) e de fluorita, formam uma escória básica que, juntamente com o CO2 gerado da decomposição dos carbonatos, protege o metal líquido. Esta escória exerce uma ação metalúrgica benéfica sobre a solda, 2 AWS A5.1 – Specification for carbon steel electrodes for shielded metal arc welding
  9. 9. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 9 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem dessulfurando-a e reduzindo o risco de formação de trincas de solidificação. Não possui substâncias orgânicas em sua formulação e, se manuseado corretamente, produz soldas com baixo teor de hidrogênio, minimizando os riscos de fragilização e fissuração por este elemento. A penetração é média e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente quanto à tenacidade. É indicado para aplicações de grande responsabilidade, na soldagem de juntas de grande espessura ou de grande rigidez e na soldagem de aços de maior teor de carbono, de aços de maior resistência mecânica e de aços de composição química desconhecida. Este tipo de eletrodo é altamente higroscópico, requerendo cuidados especiais na sua armazenagem. · Eletrodos Oxidantes (EXX20 e EXX27): Possuem revestimento constituído principalmente de óxidos de ferro e manganês que produz escória oxidante, abundante e de fácil destacamento. O metal depositado possui baixos teores de carbono e manganês e grande quantidade de inclusões. Este tipo de eletrodo é pouco utilizado atualmente, embora exista em certo interesse na sua utilização como eletrodo para a soldagem subaquática. O processo é adequado para unir materiais em uma ampla faixa de espessura, sendo mais utilizado para juntas de 3 a 20 mm. Encontra, também, grande aplicação em juntas de maior espessura, quando a soldagem precisa ser realizada fora da posição plana, particularmente para a soldagem no campo. Trabalha, tipicamente, com uma corrente entre 50 e 600 A (os maiores valores sendo usados com eletrodos de maior diâmetro), resultando em uma taxa de deposição (de metal de adição) de 1 a 8 kgf/h. Para a soldagem de peças finas ou fora da posição plana é necessário usar eletrodos de menor diâmetro, corrente baixa e, assim, uma baixa taxa de deposição. Ainda, a necessidade de interrupção periódica do arco para a troca de eletrodo e remoção de escória, faz com que, neste processo, à proporção do tempo gasto pelo soldador efetivamente soldando (fator de ocupação), seja, em geral, inferior a outros processos de soldagem a arco. Assim, o processo SMAW tende apresentar menor produtividade e maior dependência de mão de obra que outros processos a arco. Estes fatores têm levado, recentemente, a uma substituição desse processo por outros em muitas aplicações, particularmente nos países mais desenvolvidos. 2.1.2 Soldagem GTAW A Soldagem a Arco Gás – Tungstênio (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW) ou, como é mais conhecida no Brasil, TIG (Tungsten Inert Gas) é um processo no qual a união é obtida pelo aquecimento dos materiais por um arco estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça. A proteção do eletrodo e da zona da solda é feita por um gás inerte, normalmente o argônio, ou mistura de gases inertes (Ar e He). Metal de adição pode ser utilizado ou não. A figura 10 mostra esquematicamente o processo. Rev. 0 Figura 11 – Soldagem GTAW: (a) – detalhe da região do arco; (b) – montagem usual.
  10. 10. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 10 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem A soldagem GTAW pode ser usada na forma manual ou mecanizada e é considerada como um dos processos de soldagem a arco que permite um melhor controle das condições operacionais. Rev. 0 Figura 12 – Soldador atuando em soldagem TIG. Permite a execução de soldas de alta qualidade e excelente acabamento, particularmente em juntas de pequena espessura (inferior a 10 mm e mais comumente entre 0,2 e 3 mm). Seções de maior espessura podem ser soldadas, mas, nesse caso, considerações econômicas tendem a favorecer processos com eletrodo consumível. A soldagem GTAW é mais utilizada para aços ligados, aços inoxidáveis e ligas não ferrosas. Um uso comum, para aços estruturais, é a execução de passes de raiz na soldagem de tubulações, com os outros passes sendo realizados com outro processo (SMAW ou GMAW). A Tabela 2 apresenta as vantagens, limitações e aplicações principais da soldagem GTAW. O seu equipamento básico consiste de uma fonte de energia (CC e/ou CA), tocha com eletrodo de tungstênio, fonte de gás de proteção (Ar ou He) e um sistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta freqüência). Este ignitor ioniza o meio gasoso, dispensando a necessidade de tocar o eletrodo na peça para a abertura do arco (o que pode causar a mútua contaminação do eletrodo e do metal base). O equipamento para GTAW é mais caro e complicado do que o usado na soldagem com eletrodos revestidos (SMAW). A fonte de energia é similar à utilizada em SMAW, mas, devido às características do processo GTAW, deve apresentar uma melhor precisão no ajuste da corrente e permitir a soldagem com menores níveis de corrente (até cerca de 5A). O processo é mais utilizado com corrente contínua e o eletrodo de W no pólo negativo (CC-). Esta configuração garante uma fusão mais eficiente do metal base e um menor aquecimento do eletrodo. Contudo, na soldagem de ligas de alumínio e de magnésio, que são recobertos por uma camada de óxido de elevado ponto de fusão, é importante que o metal base esteja ligado ao pólo negativo da máquina, pois, nesta polaridade, a emissão de elétrons da peça para o arco permite a quebra e remoção da camada de óxido. Para garantir este efeito sem aquecer excessivamente o eletrodo, é comum se trabalhar com CA na soldagem desses materiais. Neste caso, como o arco tende a se apagar a cada inversão de polaridade de corrente, o ignitor de alta freqüência deve operar continuamente para manter o arco aceso.
  11. 11. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 11 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Tabela 2 – Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GTAW. Vantagens e limitações Aplicações · Excelente controle da poça de fusão · Permite soldagem sem o uso de metal de adição · Permite mecanização e automação do processo · Usado para soldar a maioria dos metais · Produz soldas de alta qualidade e excelente acabamento · Gera pouco ou nenhum respingo. · Exige pouca ou nenhuma limpeza após a soldagem · Permite a soldagem em qualquer posição · Produtividade relativamente baixa · Custo de consumíveis e equipamento é relativamente elevado · Soldagem de precisão ou de elevada qualidade. · Soldagem de peças de pequena espessura e tubulações de pequeno diâmetro. · Execução do passe de raiz em tubulações. · Soldagem de ligas especiais, não ferrosas e materiais exóticos. O seu equipamento básico consiste de uma fonte de energia (CC e/ou CA), tocha com eletrodo de tungstênio, fonte de gás de proteção (Ar ou He) e um sistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta freqüência). Este ignitor ioniza o meio gasoso, dispensando a necessidade de tocar o eletrodo na peça para a abertura do arco (o que pode causar a mútua contaminação do eletrodo e do metal base). O equipamento para GTAW é mais caro e complicado do que o usado na soldagem com eletrodos revestidos (SMAW). A fonte de energia é similar à utilizada em SMAW, mas, devido às características do processo GTAW, deve apresentar uma melhor precisão no ajuste da corrente e permitir a soldagem com menores níveis de corrente (até cerca de 5A). O processo é mais utilizado com corrente contínua e o eletrodo de W no pólo negativo (CC–). Esta configuração garante uma fusão mais eficiente do metal base e um menor aquecimento do eletrodo. Contudo, na soldagem de ligas de alumínio e de magnésio, que são recobertos por uma camada de óxido de elevado ponto de fusão, é importante que o metal base esteja ligado ao pólo negativo da máquina, pois, nesta polaridade, a emissão de elétrons da peça para o arco permite a quebra e remoção da camada de óxido. Para garantir este efeito sem aquecer excessivamente o eletrodo, é comum se trabalhar com CA na soldagem desses materiais. Neste caso, como o arco tende a se apagar a cada inversão de polaridade de corrente, o ignitor de alta freqüência deve operar continuamente para manter o arco aceso. Equipamentos modernos de soldagem GTAW apresentam recursos como o uso de corrente contínua pulsada e de corrente alternada com onda retangular (não senoidal). Na primeira técnica, a cada pulso de corrente, a poça de fusão cresce para as suas dimensões esperadas e se contrai ao final do pulso. Este efeito permite um melhor controle da poça de fusão na soldagem de peças de pequena espessura ou fora da posição plana. A segunda técnica é usada na soldagem de ligas de AI ou de Mg e dispensa a necessidade de se manter o ignitor de alta freqüência operando continuamente para manter o arco funcionando a cada inversão de polaridade. Os eletrodos são varetas de W sinterizado puro ou com adições de óxido de Th, Zr ou de outros metais. A faixa de corrente utilizável para um eletrodo depende de seu tipo e diâmetro e, também, do tipo e polaridade da corrente de soldagem (Tabela 3).
  12. 12. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 12 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Tabela 3 – Faixas de corrente e bocais para a soldagem GTAW Corrente Diâmetro do de Soldagem (A) Eletrodo [mm] Diâmetro do Bocal (mm) CC- (a/b) CC+ (a/b) CA (a) CA (b) 0,5 6,4 5-20 – 5-20 5-15 1.0 6,4 15 - 80 – 15-80 10-60 1,6 9,5 70 - 150 10-20 70-150 50-100 2.4 9.5 150-250 15-30 140-235 100-160 3.2 12,5 250-400 25-40 225-325 150-210 4.0 12,5 400-500 40-55 300-400 200-275 4.8 16,0 500-750 55-80 400-500 250-350 6,4 19,0 750-1000 80-125 500-630 325-450 Eletrodos: (a) EWTh-2 (W-2%ThO2 (b) EWP (Tungstênio puro) Eletrodos com adição óxido de tório, podem conduzir uma maior corrente sem fundir parcialmente a sua ponta como ocorre com os de W puro e tendem a apresentar um menor desgaste do que estes. A extremidade desses eletrodos pode ser apontada com um esmeril, ocasionando um arco mais estável e rígido quando se trabalha com menores densidades de corrente. A extremidade de eletrodos de W puro tende a se fundir se tornando hemisférica, não sendo estes, em geral, apontados. Os eletrodos de tungstênio puro são usados principalmente na soldagem de alumínio com corrente alternada, A forma da ponta do eletrodo, assim como o seu diâmetro, influencia o formato do cordão de solda, sendo, portanto, uma variável do processo, particularmente importante na soldagem mecanizada ou automática. 2.1.3 Soldagem GMAW (MIG/MAG) A Soldagem a Arco Gás-Metal (Gás Metal Are Welding - GMAW) é um processo de soldagem a arco que produz a união dos metais pelo seu aquecimento com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico continuo (e consumível) e a peça (Figura 13). Figura 13 – Esquema da soldagem GMAW. A proteção do arco e poça de fusão é obtida por um gás ou mistura de gases. Se este gás é inerte (Ar/He), o processo é também chamado MIG (Metal Inert Gás). Por outro lado, se o gás for ativo (CO2 ou misturas Ar/O2/CO2), o processo é chamado MAG (Metal Active Gás). Gases inertes puros são, em geral, usados na soldagem de metais e ligas não ferrosas, misturas de gases inertes com pequenas quantidade de gases ativos são usadas, em geral, com aços ligados, enquanto que misturas mais ricas em gases ativos ou CO2 puro são usados na soldagem de aços carbono.
  13. 13. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 13 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem O processo é normalmente operado de forma semi-automática, podendo ser, também, mecanizado ou automatizado. E o processo de soldagem a arco mais usado com robôs industriais. Como trabalha com um (ou mais) arame(s) contínuo(s), o que permite um alto fator de ocupação, com elevadas densidades de corrente no eletrodo (elevada taxa de deposição) e, assim, tende a apresentar uma elevada produtividade. Estes aspectos têm levado a uma utilização crescente deste processo (e da soldagem com arames tubulares) em países desenvolvidos, onde o decréscimo do número de soldadores e a necessidade de maior produtividade causaram a substituição da soldagem com eletrodos revestidos em várias aplicações. A tabela 5 apresenta as principais vantagens, limitações e aplicações do processo GMAW. Rev. 0 Tabela 4 – Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GMAW. Vantagens e limitações Aplicações · Processo com eletrodo contínuo · Permite soldagem em qualquer posição · Elevada taxa de deposição de metal · Elevada penetração · Pode soldar diferentes ligas metálicas · Exige pouca limpeza após soldagem · Equipamento relativamente caro e complexo · Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso difícil · Proteção do arco é sensível a correntes de ar · Pode gerar elevada quantidade de respingos · Soldagem de ligas ferrosas e não ferrosas · Soldagem de carrocerias e estruturas de veículos · Soldagem de tubulações, etc. O equipamento básico para a soldagem GMAW consiste de fonte de energia, tocha de soldagem, fonte de gás e alimentador de arame (Figura 14). A fonte de energia tem, em geral, uma saída de tensão constante, regulável entre 15 e 50 V. que é usada em conjunto com um alimentador de arame de velocidade regulável entre cerca de 1 e 20 m/min. Este sistema ajusta automaticamente o comprimento do arco através de variações da corrente, sendo mais simples do que sistemas alternativos. Na soldagem GMAW, utiliza-se, em praticamente todas as aplicações, corrente contínua com o eletrodo ligado ao pólo positivo (CC+). Recentemente, o processo tem sido utilizado com corrente alternada (CA) para a soldagem de juntas de pequena espessura de alumínio. A tocha possui um contato elétrico deslizante (bico de contato), que transmite a corrente elétrica ao arame, orifícios para passagem de gás de proteção, bocal para dirigir o fluxo de gás e interruptor para acionamento do processo. O alimentador de arame é composto basicamente de um motor, sistema de controle da velocidade do motor e rolos para impulsão do arame.
  14. 14. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 14 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 14 – Esquema do equipamento GMAW. Neste processo de soldagem, mais do que em qualquer outro, a forma como o metal de adição se transfere do eletrodo para a poça de fusão pode ser controlada e determina várias de suas características operacionais. A transferência de metal através do arco se dá, basicamente, por três mecanismos: aerossol, globular e curto-circuito, dependendo de parâmetros operacionais, tais como o nível de corrente, sua polaridade, diâmetro e composição do eletrodo e a composição do gás de proteção. Uma quarta forma de transferência (pulsada) é possível com equipamentos especiais. Na transferência por aerossol, o metal se transfere como finas gotas sob a ação de forças eletromagnéticas do arco e independentemente da ação da gravidade. Esta forma de transferência ocorre na soldagem com misturas de proteção ricas em argônio e com valores elevados de corrente. Ela é muito estável e livre de respingos. Infelizmente, a necessidade de correntes elevadas torna difícil, ou impossível, a sua aplicação na soldagem fora da posição plana (a poça de fusão tende a ser muito grande e de difícil controle) ou de peças de pequena espessura (excesso de penetração). Na transferência globular, o metal de adição se destaca do eletrodo basicamente por ação de seu peso (gravidade), sendo, portanto, similar a uma torneira gotejando. E típica da soldagem com proteção de CO2 para tensões mais elevadas e uma ampla faixa de correntes. Na soldagem com misturas ricas em Ar, a transferência globular ocorre com corrente baixa e tensão elevada. Com esta forma de transferência, um elevado nível de respingos e grande flutuação da corrente e tensão de soldarem são comuns e a operação está estrita à posição plana. Na transferência por curto circuito, o eletrodo toca a poça de fusão periodicamente (de 20 a 200 vezes por segundo), ocorrendo transferência de metal de adição durante estes curtos por ação da tensão superficial e das forças eletromagnéticas. É a forma de transferência mais usada na soldagem de aços (particularmente com proteção de CO2) fora da posição plana e de peças de pequena espessura (até 6 mm) devido às pequenas correntes de operação e à sua independência da ação da gravidade. Elevado nível de respingos e uma tendência à falta de fusão da junta (principalmente para juntas de grande espessura) são problemas típicos desta forma de operação. A transferência pulsada é conseguida com fontes especiais que impõem uma forma especial à corrente de soldagem, caracterizada por pulsos periódicos de alta corrente. Esta pulsação permite uma transferência aerossol com valores médios de corrente inferiores aos valores nos quais esta forma de transferência ocorre normalmente. Assim, obtêm-se as vantagens desta transferência com baixos valores de corrente o que permite a sua aplicação na soldagem de juntas de pequena espessura e, também, fora da posição plana. As maiores limitações desta forma de operação são a sua maior complexidade de operação e a necessidade de equipamentos especiais (de maior custo e mais complexos).
  15. 15. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 15 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 2.1.4 Soldagem com Arame Tubular A Soldagem a Arco com Eletrodo Tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) é um processo no qual a coalescência dos metais é obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubular contínuo e a peça. O eletrodo tubular apresenta internamente um fluxo que desempenha funções similares ao revestimento do eletrodo em SMAW, isto é, estabilização do arco, ajuste de composição da solda, proteção, etc. O processo apresenta duas variações principais: soldagem auto-protegida, em que o fluxo fornece toda a proteção necessária na região do arco, e soldagem com proteção gasosa, em que parte da proteção é fornecida por um gás, de forma semelhante ao processo GMAW. Em ambas as formas, ele é operado, na maioria das aplicações, na forma semi-automática, utilizando basicamente o mesmo equipamento do processo GMAW (Figura 14, página 14). A Tabela 5 mostra as principais vantagens, limitações e aplicações do processo FCAW. Rev. 0 Tabela 5 – Vantagens, limitações e aplicações principais do processo FCAW. Vantagens e limitações Aplicações · Elevada produtividade e eficiência · Soldagem em todas as posições · Custo relativamente baixo · Produz soldas de boa qualidade e aparência · Equipamento relativamente caro · Pode gerar elevada quantidade de fumos · Necessita de limpeza após soldagem · Soldagem de aços carbono e ligados · Soldagem em fabricação, manutenção e em montagem no campo · Soldagem de partes de veículos 2.1.5 Soldagem ao arco submerso A Soldagem ao Arco Submerso (Submerged Are Welding, SAW) é um processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico continuo e a peça. O arco é protegido por uma camada de material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo, na forma de arame, é alimentado continuamente. O fluxo na região próxima ao arco é fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada sólida de escória sobre o cordão. Este material pode também ajudar a estabilizar o arco e desempenhar uma função purificadora sobre o melai fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo. A Figura 16 ilustra o processo. Figura 15 – Soldagem ao arco submerso.
  16. 16. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 16 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Este processo é muito usado na soldagem de estruturas de aço, na fabricação de tubulações e na deposição de camadas de revestimento tanto na fabricação como na recuperação de peças desgastadas. Trabalha freqüentemente com correntes de soldagem elevadas, que podem ser superiores a 1000 A, o que pode levar a taxas de deposição de até 45 kgf/h. Sua maior utilização é na forma mecanizada ou automática, existindo equipamentos para soldagem semi-automática Devido à camada de fluxo e às elevadas correntes de soldagem, este processo tem de ser utilizado na posição plana ou horizontal (para soldas de filete), o que torna importante o seu uso conjunto com dispositivos para o deslocamento e posicionamento das peças. A Tabela 6 apresenta as principais vantagens, limitações e aplicações do processo SAW. Rev. 0 Figura 16 – Representação esquemática da solda ao arco submerso. Tabela 6 – Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SAW. Vantagens e limitações Aplicações · Altas velocidades de soldagem e taxas de deposição · Produz soldas uniformes e de bom acabamento superficial · Ausência de respingos e fumos · Dispensa proteção contra radiação devido ao arco não visível · Elevada produtividade · Soldagem limitada às posições plana e filete horizontal · Aporte térmico elevado pode prejudicar propriedades da junta em alguns casos. · Necessário retirar escória entre passes · Soldarem de aço carbono e ligados · Soldagem de níquel e suas ligas · Soldagem de membros estruturais e tubos de grande diâmetro · Soldagem em fabricação de peças pesadas de aço · Recobrimento, manutenção e reparo O equipamento necessário consiste normalmente de fonte de energia do tipo tensão constante, alimentador de arame e sistema de controle, tocha de soldagem, porta fluxo e sistema de deslocamento da tocha é mostrado esquematicamente na Figura 17.
  17. 17. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 17 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 17 – Equipamento para soldagem ao arco submerso. 2.1.6 Soldagem a Plasma A soldagem a plasma (PAW - Plasma Arc Welding) é um processo que utiliza o arco operando em condições especiais que atua como uma fonte extremamente estável de calor que permite a soldagem da maioria dos metais com espessuras de 0,02 a 6 mm. Essa fonte especial de calor garante maior concentração de energia, maior estabilidade e maior capacidade de penetração do que os processos GTAW, SMAW e GMAW. Esse processo é baseado no processo GTAW, apresentando, como diferença fundamental, a utilização de um bocal extra (bocal constritor) que causa a concentração (constrição) do arco elétrico. A Figura 18 ilustra o princípio de operação do processo PAW. Figura 18 – Processo PAW operando no modo "keyhole". Um pequeno fluxo de argõnio passa através bocal constritor para formar a chama de plasma (Figura 18). A proteção do plasma e da poça de fusão é feita por um gás (normalmente argònio ou hélio) fornecido pelo bocal externo. O arco de soldagem é iniciado com o auxílio de um arco piloto de baixa corrente mantido entre o eletrodo e o bocal. Quando a peça é parte do circuito elétrico de soldagem, o processo é denominado de plasma "transferido"; quando a peça não faz parte do circuito elétrico (o arco é mantido entre o eletrodo e o bocal) tem-se plasma "não transferido". Este último permite pode ser aplicado em materiais não condutores de eletricidade. No processo PAW, metal de adição, quando utilizado, é fornecido de forma similar ao processo GTAW.
  18. 18. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 18 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Duas formas de operação são usadas na soldagem PAW, a operação convencional (''melt-in") e a operação em "keyhole". A operação convencional é normalmente usada na soldagem de juntas de pequena espessura (0,02 a 3mm) com correntes, em geral, inferiores a 100A. Para a soldagem das menores espessuras, com correntes de cerca de 1 A, o processo é comumente denominado de soldagem "Microplasma". A operação em keyhole é caracterizada pela formação de um furo que atravessa a poça de fusão (figura 15). O metal líquido escoa em torno deste furo e solidifica na parte posterior da poça de fusão. Soldas obtidas com esta forma de operação têm penetração total na espessura da junta e apresentam uma elevada relação penetração/largura o que reduz problemas de distorção. Esta forma de operação permite soldar, em um único passe, juntas de até 10 mm, ou mesmo mais. A soldagem a plasma é aplicável à maioria dos metais e a muitos materiais não metálicos. Entretanto, seu custo relativamente elevado e a maior complexidade do processo (em comparação com GTAW) limitam o seu uso principalmente para aplicações críticas em indústrias de alta tecnologia (indústria aeronáutica e aeroespacial, por exemplo) para as quais a utilização do processo é justificável. Por outro lado equipamentos de plasma desenvolvidos para o corte de materiais estão se tornando cada vez mais usados industrialmente. 3 Inspeção de soldagem Designa-se como descontinuidade a qualquer interrupção da estrutura típica (ou esperada) de uma junta solda. Neste sentido, pode-se considerar, como descontinuidade, a falta de homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas do material ou da solda. A existência de descontinuidades em uma junta não significa necessariamente que a mesma seja defeituosa. Esta condição depende da aplicação a que se destina o componente e é, em geral, caracterizada pela comparação das descontinuidades observadas ou propriedades medidas com níveis estabelecidos em um código, projeto ou contrato pertinente. Assim, considera-se uma junta soldada contém defeitos quando esta apresenta descontinuidades ou propriedades (neste caso, defeitos) que não atendam ao exigido, por exemplo, por um dado código. Juntas defeituosas precisam, em geral, ser reparadas ou, mesmo, substituídas. Existem quatro tipos gerais de descontinuidades: (a) descontinuidades dimensionais (b) descontinuidades estruturais (c) descontinuidades relacionadas com propriedades indesejáveis da região da solda e (d) descontinuidades relacionadas com as propriedades do metal de base. 3.1 Descontinuidades dimensionais Para a fabricação de uma estrutura soldada, é necessário que tanto a estrutura como as suas soldas tenham dimensões e formas similares (dentro das tolerâncias exigidas) às indicadas em desenhos, projetos ou contratos. Uma junta que não atenda a esta exigência pode ser considerada defeituosa, sendo necessário a sua correção antes da aceitação final da estrutura. As principais descontinuidades estruturais são: 3.1.1 Distorção É a mudança de forma da peça soldada devido às deformações térmicas do material durante a soldagem. Problemas de distorção são controlados ou corrigidos por medidas como: (1) projeto cuidadoso da peça ou estrutura (2) planejamento da sequência da deposição das soldas (3) projeto adequado do chanfro Rev. 0
  19. 19. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 19 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem (4) adoção de técnicas especiais para a deposição da solda (5) desempeno, com ou sem a aplicação de calor, da junta soldada (6) remoção e correção de soldas problemáticas. A forma usada de correção depende do código ou especificação considerados, de acordo entre o fabricante e cliente ou, mesmo, dos equipamentos disponíveis. 3.1.2 Preparação incorreta da junta Inclui a falha em produzir um chanfro com as dimensões ou forma especificadas, por exemplo, em um desenho e adequadas para a espessura do material e para processo de soldagem a ser usado. Uma falha deste tipo pode aumentar a tendência para a formação de descontinuidades estruturais na solda, necessitando, de correção antes da soldagem. 3.1.3 Dimensão incorreta da solda As dimensões (figura 1) de uma solda são especificadas para atender algum requisito como um nível de resistência mecânica adequado. Soldas com dimensões fora do especificado podem ser consideradas como defeituosas uma vez que deixam de atender a estes requisitos ou, no caso de soldas, cujas dimensões ficam maiores que as especificadas, levam ao desperdício de material ou aumentam a chance de distorção e outros problemas. As dimensões de uma solda podem ser verificadas por meio de gabaritos. Figura 19 - Perfis adequados de soldas de filete e suas dimensões: p1 e p2 – pernas e g – garganta. Rev. 0 Cordão côncavo (a) e convexo (b). 3.1.4 Perfil incorreto da solda O perfil de uma solda é importante, pois variações geométricas bruscas agem como concentradores de tensão, facilitando o aparecimento de trincas. O perfil do cordão pode também ser considerado como inadequado quando (i) facilitar o aprisionamento escória entre passes de soldagem (ii) levar ao acúmulo de resíduos e, assim, prejudicar a resistência à corrosão da estrutura ou (iii) fazer com que a solda tenha, em alguns locais, dimensões incorretas. Esta forma de descontinuidade está, em geral, associada com problemas operacionais (manipulação incorreta do eletrodo, parâmetros incorretos de soldagem, instabilidade do processo, etc). A Figura 20 ilustra exemplos de perfis inadequados de soldas. Figura 20 - Exemplos de perfis inadequados de soldas de filete.
  20. 20. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 20 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 3.1.5 Formato Incorreto da junta O posicionamento ou o dimensionamento inadequado das peças pode levar a problemas como o desalinhamento em juntas de topo (Figura 21). Problemas de distorção podem também ser um importante fator para a obtenção de juntas soldas com um formato incorreto. Rev. 0 Figura 21 – Desalinhamento em junta de topo. 3.2 Descontinuidades estruturais em soldas 3.2.1 Porosidade Porosidade é formada pela evolução de gases, na parte posterior da poça de fusão, durante a solidificação da solda. Os poros têm usualmente um formato esférico, embora poros alongados (porosidade vermiforme) possam ser formados, em geral, associados com o hidrogênio. As principais causas operacionais da formação de porosidade estão relacionadas com contaminações de sujeira, oxidação e umidade na superfície do metal de base, de consumíveis de soldagem ou no equipamento de soldagem (como no sistema de refrigeração e em roletes tracionadores de arames). Pode ainda ser causada por perturbações na proteção (turbulência no gás proteção devido a uma vazão muito elevada ou a problemas no equipamento ou por efeito de correntes de ar). Parâmetros inadequados de soldagem como corrente excessiva e um arco muito longo podem, também, causar a formação de porosidade, particularmente, na soldagem SMAW. Neste processo, estas condições favorecem a degradação do revestimento ou o consumo excessivo de desoxidantes, propiciando a evolução de CO na poça de fusão e a formação de porosidade. Quanto à sua distribuição na solda, a porosidade pode ser dividida em: (a) uniformemente distribuída (b) agrupada (associada, em geral, com pontos de abertura ou de interrupção do arco) (c) alinhada (que ocorre, em geral, no passe de raiz), figura 4. Figura 22 - Esquema dos tipos de distribuição de porosidade: (a) distribuída, (b) agrupada e (c) alinhada (radiografia esquemática). 3.2.2 Inclusões de escória Este termo é usado para descrever partículas de óxido e outros sólidos não-metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal de base (figura 5). Em vários processos de soldagem, uma escória é formada por materiais pouco solúveis no metal
  21. 21. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 21 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem fundido e que tendem a sobrenadar na superfície da poça de fusão devido à sua menor densidade. Rev. 0 Figura 23 – Inclusão de escória. A manipulação inadequada do eletrodo durante a soldagem pode fazer com que parte da escória escoe à frente da poça de fusão aprisionando-a sob o cordão. Adicionalmente, na soldagem com vários passes, parte da escória depositada com um passe pode ser inadequadamente removida e não ser refundida pelo passe seguinte ficando aprisionada sob este passe. Diversos fatores podem dificultar a remoção da escória, incluindo, a formação de um cordão irregular ou o uso de um chanfro muito fechado. Este tipo de descontinuidade aparece, em geral, com uma forma alongada em radiografias. Inclusões de escória podem agir como concentradores de tensão favorecendo a iniciação de trincas. 3.2.3 Inclusão de tungstênio Este tipo de inclusão pode ocorrer na soldagem GTAW caso o eletrodo toque a peça ou a poça de fusão, ocorrendo a transferência de partículas de tungstênio para a solda. 3.2.4 Falta de fusão Este termo refere-se à ausência de união por fusão entre passes adjacentes de solda ou entre a solda e o metal de base (Figura 24). A falta de fusão é causada por um aquecimento inadequado do material sendo soldado como resultado de uma manipulação inadequada do eletrodo, do uso de uma energia de soldagem muito baixa, da soldagem em chanfros muito fechados ou, mesmo, da falta de limpeza da junta. Esta descontinuidade é um concentrador de tensões severo, podendo facilitar a iniciação de trincas, além de reduzir a seção efetiva da solda para resistir a esforços mecânicos. Figura 24 – Falta de fusão. 3.2.5 Falta de Penetração O termo refere-se à falha em se fundir e encher completamente a raiz da junta (Figura 25). A falta de penetração é causada por diversos fatores, destacando-se a manipulação incorreta do eletrodo, um projeto inadequado da junta (ângulo de chanfro ou abertura da raiz pequenos) ou, alternativamente, a escolha de um eletrodo muito grande para um dado chanfro (em ambos os casos, torna-se difícil, ou impossível, direcionar o arco para a raiz da junta) e o uso de uma baixa energia de soldagem. Falta de penetração causa uma redução da seção útil da solda além de ser um concentrador de tensões. Deve-se ressaltar que, frequentemente, juntas são especificadas para terem penetração parcial. Nesses casos, a
  22. 22. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 22 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem falta de penetração, desde que mantida nos limites especificados não é considerada como um defeito de soldagem. Rev. 0 Figura 25 – Falta de penetração. 3.2.6 Mordedura Este termo é usado para descrever reentrâncias agudas formadas pela ação da fonte de calor do arco entre um passe de solda e o metal de base ou um outro passe adjacente. Quando formada na última camada do cordão, a mordedura causa uma redução da espessura da junta e atuar como um concentrador de tensões (figura 2 e 8). Quando formada no interior da solda, ela pode ocasionar a formação de uma falta de fusão ou de inclusão de escória. Mordeduras são causadas por manipulação inadequada do eletrodo, comprimento excessivo do arco e por corrente ou velocidade de soldagem elevadas. A tendência à formação desta descontinuidade depende também do tipo de consumível (eletrodo, fluxo ou gás de proteção) usado. Figura 26 – Mordeduras. 3.2.7 Trincas São consideradas, em geral, as descontinuidades mais graves em uma junta soldada por serem fortes concentradores de tensão. Trincas resultam da atuação de tensões de tração (tensões transientes, residuais ou externas) sobre um material incapaz de resistir a elas, em geral, devido a algum problema de fragilização. Elas podem se formar durante, logo após a soldagem, em outras operações de fabricação subsequentes à soldagem ou durante o uso do equipamento ou estrutura soldada. A figura 9 mostra uma trinca formada na solidificação do cordão de solda. Figura 27 - Trinca no centro do cordão formada entre uma chapa de aço baixo carbono de 9 mm de espessura e um pino de aço SAE 1045. Ataque: Nital 10%. 3.3 Propriedades inadequadas Soldas depositadas em uma peça ou estrutura devem possuir propriedades (mecânicas, químicas, etc.) adequadas para a aplicação pretendida. Estas propriedades são, em geral,
  23. 23. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 23 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem especificadas em normas, especificações, projeto ou em contrato e verificadas em testes de qualificação ou em amostras retiradas de um lote da produção. Propriedades mecânicas frequentemente avaliadas incluem o limite de resistência à tração, limite de escoamento, ductilidade e tenacidade do metal de base e da junta soldada. Propriedades ou características químicas de interesse podem incluir a composição química e a resistência a diferentes tipos de corrosão. 3.4 Descontinuidades de outros tipos em soldas Diferentes processos de soldagem podem gerar descontinuidades diferentes das usualmente consideradas para soldas por fusão. Em processos de soldagem de resistência por ponto e costura, aspectos importantes para a qualidade da solda incluem: · Aparência superficial (profundidade de penetração do eletrodo nas peças, fusão da superfície, formato irregular da solda, deposição de material do eletrodo nas peças, trincas e cavidades) · Dimensões da solda · Resistência e ductilidade da junta · Descontinuidades internas (trincas, porosidade, cavidades de contração, etc.) · Separação das peças e expulsão de metal fundido · Variabilidade das características de um conjunto de soldas (por exemplo, como resultado Rev. 0 do desgaste dos eletrodos). Em processos de soldagem de resistência de topo, por centelhamento e outros processos no estado sólido, algumas descontinuidades comuns são: · Desalinhamento · Rebarba excessiva ou insuficiente · Falta de união na linha da solda · Trincas · Oxidação dos contornos de grão · Descarbonetação · Vazios · Inclusões · Mudança na linhas de fluxo do material. 4 Inspeção de juntas soldadas A inspeção de um conjunto soldado envolve atividades relacionadas com o processo e os equipamentos de soldagem, o procedimento de soldagem, a sua especificação e qualificação, a qualificação do soldador ou operador, a metalurgia da soldagem, métodos de avaliação dimensional, visual e não destrutiva, diferentes tipos de testes destrutivos, particularmente ensaios mecânicos, juntamente com o conhecimento de desenhos e diferentes normas e especificações. Os responsáveis pela inspeção estão, em geral, ligados ao contratante do serviço ou a uma organização independente, embora o executor possa ter seus inspetores para o seu controle interno. A inspeção pode ocorrer em diferentes momentos de um processo de fabricação. A extensão e requisitos associados com esta variam bastante em função do tipo de atividade considerada, exigências de contrato e normas e diversos outros fatores. De uma forma geral, a inspeção pode envolver aspectos como: 1) Inspeção antes da soldagem: a) Procedimentos e qualificações b) Planos de fabricação e testes c) Especificação e qualidade do metal base
  24. 24. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 24 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 d) Equipamentos de soldagem e auxiliares e) Consumíveis de soldagem f) Projeto e preparação das juntas 2) Inspeção durante a soldagem a) Controle da montagem e ajuste das peças b) Qualidade das soldas de ponteamento c) Controle da distorção d) Conformidade com procedimentos de soldagem e planos de fabricação e) Controle da temperatura de pré-aquecimento e entre passes e métodos de medição f) Manuseio e controle dos consumíveis de soldagem g) Qualificação dos soldadores para as operações executadas h) Limpeza entre passes e limpeza final da junta i) Inspeção não destrutiva (exame visual e, caso necessário, outros) Figura 28 – Estufa para secagem de consumíveis de soldagem. Figura 29 – Estufa para manutenção e secagem. Figura 30 – Estufa individual para manutenção e secagem. 3) Inspeção após a soldagem a) Conformidade com desenhos e especificações b) Limpeza c) Inspeção não destrutiva
  25. 25. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 25 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 d) Inspeção destrutiva (por exemplo, ensaios mecânicos, em amostras) e) Ensaios de operação f) Controle de reparos g) Controle de tratamento térmico após a soldagem e de outras operações h) Documentação das atividades de fabricação e inspeção. 4.1 Ensaios não destrutivos São ensaios realizados em peças que não interferem ou prejudicam o uso ou processamento posterior das mesmas. Existe um grande número de métodos de ensaio não destrutivo (END), vários dos quais têm aplicação na inspeção de juntas e equipamentos soldados. Os END não medem diretamente uma propriedade. Assim, por exemplo, na inspeção por ultra-som, usualmente se mede a intensidade e tempo de retorno da onda sonora refletida pela descontinuidade, sendo esta informação usada para localizar e dimensionar a descontinuidade. Assim, a confiabilidade de um END depende da unicidade e precisão da correlação entre a propriedade medida e a de interesse. Os tipos de END mais usados na inspeção de juntas soldadas são: · Visual · Líquidos penetrantes · Partículas magnéticas · Ultra-som · Radiografia 5 Qualificações de soldagem A realização de soldas inadequadas durante a fabricação de certos tipos de estruturas ou equipamentos, tais como vasos de pressão, tanques, navios, pontes, oleodutos, gasodutos e componentes automotivos, pode resultar em sérios acidentes com grandes perdas materiais e, eventualmente, humanas e danos ao meio ambiente. Como conseqüência, as operações de soldagem para diversas aplicações são reguladas por diferentes códigos segundo a aplicação específica. Como exemplo de códigos e especificações importantes ligados à soldagem pode-se citar: · ASME Boiler and Pressure Vessel Code · API STD 1104, Standard for Welding Pipelines and Related Facilities · AWS D1.1, Structural Welding Code · Especificações diferentes de associações como a International Organization for Standardization (ISO), American Welding Society (AWS), British Standard Society (BS), Deustches Institute fur Normung (DIN), Association Francaise de Normalisation (NF), etc. Estes códigos e especificações podem cobrir as mais diferentes etapas de soldagem 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. 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 demonstrar que, através do procedimento proposto, soldas adequadas, de acordo com os requisitos colocados pela norma ou estabelecidos em contrato, possam ser obtidas. Além disto, 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
  26. 26. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 26 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem processo estão registrados para serem adotados, pelo soldador ou operador de soldagem, durante a fabricação de uma dada junta soldada. Variáveis importantes 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 exata de uma dada Especificação de Procedimento de Soldagem e as variáveis por ela consideradas dependem da norma técnica que está sendo aplicada. A Figura 31 mostra um exemplo de formulário para uma EPS. Para que possa ser utilizada na produção, uma EPS deve ser antes qualificada. Para isso, amostras adequadas devem ser preparadas e soldadas de acordo com a EPS. Corpos de prova devem ser retirados destas amostras e testados ou examinados, os resultados destes devem 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). 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, pode-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), e · Testes de corrosão. Os resultados dos testes devem ser colocados em um Registro de Qualificação de Procedimento (RQP) 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 qualificada 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 que o mesmo está ocorrendo. Rev. 0
  27. 27. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 27 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 31 – Especificação de procedimento de soldagem – EPS.
  28. 28. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 28 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 32 – Qualificação de procedimento de soldagem – página 1.
  29. 29. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 29 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 33 – Qualificação de procedimento de soldagem – página 2.
  30. 30. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 30 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 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. Para diversas aplicações, o soldador (ou operador) precisa demonstrar, antes de poder realizar 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 produção, 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 · Tipo de junta · Posição de soldagem · Tipo de eletrodo · Espessura da junta e · Situação da raiz Ensaios comumente usados na qualificação de soldador (ou operador) incluem, por exemplo, a inspeção visual da junta, ensaio de dobramento, macrografia, radiografia e ensaios práticos de fratura. Os resultados dos testes de qualificação são colocados em um documento chamado Registro de Teste de Qualificação de Soldador, figura 2. 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 relegado a um segundo plano de prioridades. 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 equipamento, seu código de construção, da empresa usuária, da empresa fabricante, 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, credenciamento 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.: controle da armazenagem e utilização de eletrodos básicos), da preparação, montagem e ponteamento das juntas e da execução da soldagem. (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. Rev. 0
  31. 31. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 31 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0 Figura 34 – Registro da qualificação de soldador.
  32. 32. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 32 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem 5.1 Documentos técnicos de soldagem São documentos previstos no código ASME seção IX e cuja finalidade é prover informações para a execução de soldas de acordo com técnicas previamente aprovadas utilizando pessoal qualificado. A seção IX desse código estabelece regras para a qualificação de procedimentos de soldagem e brazagem, soldadores, operadores de máquinas de soldagem e brazadores. 5.1.1 Especificação de procedimento de soldagem Este documento, também chamado: Especificação de Soldagem, é um procedimento de soldagem escrito e qualificado emitido pelo fabricante para fornecer informações quanto à técnica de soldagem a ser utilizada para a execução de soldas que devam atender aos requisitos do codigo ASME IX. Ele deve conter todas as variáveis essenciais e, quando requerido, variáveis essenciais suplementares para cada processo de soldagem utilizado na EPS. Outras informações que o fabricante julgar úteis ou necessárias para a qualidade da solda podem ser colocadas. A EPS deve estar suportada por um ou mais Registros de Qualificação de Procedimento de Soldagem. As EPS podem ser revisadas ou novas podem ser emitidas desde que os dados alterados ou introduzidos sejam suportados pelas variáveis essenciais ou variáveis essenciais suplementares. Quando isto não ocorre é necessário que seja emitido outro RQPS para suportá-las. Um ou mais RQPS podem então suportar várias EPS. 5.1.2 Registros de qualificação de procedimento de soldagem Este documento é o registro dos dados utilizados para soldar um corpo de prova (chapa ou tubo de teste). Sobre o mesmo devem ser anotados os valores reais das variáveis essenciais e, quando requerido, variáveis essenciais suplementares, efetivamente utilizados na soldagem da chapa ou tubo de teste. Deve também conter os resultados dos testes executados para a qualificação do procedimento. Outros dados ou informações que o fabricante julgar úteis podem ser anotados sobre o RQPS. O RQPS não pode ser revisado salvo alterações editoriais ou alterações do código quanto a dados registrados no documento (ex.: classificação de material). Outras alterações requerem novo teste de qualificação. Os parâmetros utilizados para a execução da soldagem da chapa ou tubo de teste devem estar dentro de faixas estabelecidas em EPS preliminares; ou seja, o RQPS deve ter por base uma ou mais EPS que somente serão consideradas validas após os resultados satisfatórios dos testes exigidos para a qualificação do RQPS. 5.1.3 Registro de qualificação de soldador O RQS é um documento que atesta a habilidade do soldador em executar soldas de acordo com EPS qualificadas. Sobre o RQS são anotadas as variáveis essenciais utilizadas pelo soldador na execução de uma chapa ou tubo de teste, bem como as faixas de qualificação do mesmo e os resultados dos testes executados. 5.1.4 Variáveis essenciais A soldagem é executada utilizando-se técnicas que envolvem muitos parâmetros como, por exemplo: material base, posição de soldagem, processo, eletrodo, etc. Rev. 0
  33. 33. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 33 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Se para cada alteração de qualquer um destes parâmetros tivéssemos que requalificar a EPS, possivelmente o custo da qualificação seria mais caro que o custo do equipamento a fabricar; assim, o código ASME seção IX define quais parâmetros que podem ser alterados sem a necessidade de teste de qualificação e quais que, quando alterados, requerem novo teste de qualificação. Estes últimos são denominados: Variáveis Essenciais. As variáveis essenciais são diferentes de processo para processo bem como para soldador ou operador, já que enquanto para a qualificação de um procedimento de soldagem nos visamos verificar a qualidade metalúrgica da solda executada, na qualificação do soldador, visamos verificar a habilidade do mesmo em executar soldas isentas de descontinuidades e com qualidade de acabamento. 5.1.5 Variáveis essenciais suplementares O código ASME seção IX prevê um grupo de variáveis que somente se tornam essenciais quando a soldagem é executada sobre equipamentos de maior responsabilidade como é o caso de equipamentos para os quais é requerido o teste de impacto. Este teste é exigido por outras seções do código ASME para equipamentos que trabalham em temperaturas baixas, casos em que os materiais se tornam mais frágeis com riscos maiores de ruptura. Os parâmetros pertencentes a este grupo são denominados: variáveis essenciais suplementares. Estas variáveis se aplicam somente a procedimentos de soldagem, não existindo para a qualificação de soldadores. 5.1.6 Variáveis não essenciais Aqueles parâmetros que podem ser alterados sem necessitar de requalificação de procedimento ou soldador são denominados: variáveis não essenciais. As variáveis não essenciais não necessitam ser registradas nos documentos técnicos de soldagem, sendo opção do fabricante inclui-las ou não. 5.2 Tabelas de variáveis A seguir, a título de exemplo, estão listadas as variáveis essenciais, suplementares e não essenciais para o processo de soldagem SMAW conforme no código ASME seção IX. Rev. 0
  34. 34. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 34 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0
  35. 35. Treinamento para Inspetores de Fabricação Folha: 35 de 35 Patrocínio TREINAMENTO ESPECIALIZADO WWW.ISQI.COM.BR Soldagem Rev. 0

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