Apostila 2 para publicar

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Apostila de inspeção de soldagem parte 2, siderurgia, processos de fabricação, processos de soldagem, processos de corte térmico, consumíveis para soldagem

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Apostila 2 para publicar

  1. 1. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM TREINAMENTO COMPLETO EM INSPEÇÃO DE SOLDAGEM APOSTILA II Curso de inspetor de soldagem N1 SE GOSTAR CONTRIBUA: AGENCIA 00175 CONTA 173061 VAR 51
  2. 2. APOSTILA II SUMÁRIO 1 SIDERURGIA ............................................................................................................... 4 2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ............................................................................... 13 3 PROCESSOS SOLDAGEM ......................................................................................... 31 4 PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO ......................................................................... 61 5 CONSUMIVEIS PARA SOLDAGEM ......................................................................... 66 6 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 97 WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 2
  3. 3. APOSTILA II Siderurgia WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 3
  4. 4. APOSTILA II 1 SIDERURGIA INTRODUÇÃO Ao de iniciarmos o estudo da siderurgia e dos processos de fabricação é de extrema importância identificar e classificar os tipos de materiais empregados atualmente no mercado. Para serem bonitos, baratos, práticos, leves, resistentes, duráveis, os produtos são feitos de materiais que conseguem atender não só às exigências do mercado, mas, também, às exigências técnicas de adequação ao uso e ao processo de fabricação. Esses materiais recebem uma classificação de acordo com sua estrutura e propriedades. Todos os materiais estão agrupados em duas famílias:   Materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos; Materiais não-metálicos naturais e sintéticos. O quadro a seguir apresenta uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades. Classificação das ligas metálicas
  5. 5. APOSTILA II SIDERURGIA A siderurgia é a parte da técnica que se ocupa da produção dos materiais ferrosos. A indústria siderúrgica abrange todas as etapas necessárias para, a partir das matérias-primas, produzirem-se o ferro e o aço. o processo clássico e mais usado para a redução do minério de ferro é o alto forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado líquido, é encaminhado à aciaria, onde em fornos adequados, é transformado em aço. O ferro gusa obtido nos altos fornos e nos baixos fornos pode ser empregado diretamente, neste caso, passa a ser refinado para a produção dos aços através de vários processos. Este é vazado na forma de lingotes, no sistema de lingotamento convencional, ou de tarugos, nos sistemas de lingotamento contínuo, os quais por sua vez, são submetidos à transformação mecânica por intermédio de laminadores, resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por intermédio de laminadores, são transformados em formas estruturais como tês, duplos tês, cantoneiras, etc, e em outros produtos siderúrgicos importantes, tais como trilhos, tubos, chapas, barras, etc. As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:    Minério de ferro Carvão Calcáreo Outras matérias-primas, minérios principalmente, são igualmente importantes, sobressaindo-se o minério de manganês, pela sua presença constante em todos os tipos de produtos siderúrgicos. O minério de ferro, como é óbvio, constitui a matéria-prima essencial, pois dele se extrai o ferro. O carvão atua em três sentidos alternadamente: como combustível como redutor do minério, que é basicamente constituído de óxido de ferro, e como fornecedor de carbono, que é o principal elemento de liga dos produtos siderúrgicos. O calcáreo atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza básica, com as substâncias estranhas ou impurezas contidas no minério e no carvão (geralmente de natureza ácida), diminuindo seu ponto de fusão e formando a escória, subproduto, por assim dizer, do processo clássico do Alto Forno. Alto forno Os Altos Fornos são aparelhos siderúrgicos com alturas superiores a 30 metros, construídos basicamente por dois cones truncados unidos pela base. O tronco inferior ou “étalages” prolonga-se por uma parte cilíndrica de 8 metros ou mais de diâmetro chamado “cadinho” no qual se acumulam os produtos obtidos: a gusa e a escória. Pelos “algaraviz”, que são tubos cônicos colocados no alto do cadinho, insufla-se um enorme volume de ar quente, cuja temperatura varia de 800 a 1200 o C destinado a provocar a combustão do coque. O tronco superior ou “cuba” termina num orifício chamado “goela”. É pela goela, que é constituída por um orifício de fechamento duplo, que são introduzidos em camadas WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 5
  6. 6. APOSTILA II alternadas as matérias-primas, as cargas, que são transportadas em caçambas por um monta cargas vertical ou em plano inclinado. A utilização de correias transportadoras é cada vez mais frequente. A figura abaixo mostra um forno de combustão e nele podem-se distinguir 5 (cinco) partes principais, que são:      Boca de carga; Cuba; Ventre; Bojo; Cadinho. O Alto Forno é carregado por camadas alternadas de minério de ferro, carvão, cobre e calcário. O calcário tem a função de aumentar a fluibilidade do ferro gusa e favorecer a formação de escória, a qual tem como finalidade de absorver as impurezas. O minério de ferro, antes de ser introduzido no forno, passa por processos preliminares de lavagem, seleção e enriquecimento. Funcionamento do alto forno As cargas de minério, carvão e fundentes, são introduzidos no Alto Forno por meio de carrinho ou monta carga, que podem ser verticais ou em rampa ( plano inclinado). Na boca de carga do Alto Forno temos uma temperatura entre 150ºC e 400ºC e permite esta secar o minério. Na parte sucessiva formada pela cuba e pelo ventre o minério encontra uma corrente de óxido de carbono (CO) deixando neste gás o próprio oxigênio (O2) e transformando-se em ferro espumoso. Isto porque o minério é constituído essencialmente por óxido de ferro, composto de ferro com oxigênio (Fe2 O3 , Fe3 O4).
  7. 7. APOSTILA II Esta parte recebe o nome de redução indireta, enquanto a eliminação do oxigênio dos minerais ferrosos é feita gradualmente e só em parte. A redução é completada na zona de redução direta, onde os óxidos de ferro são diretamente transformados em ferro por meio do carbono contido no carvão que se combina com o oxigênio formando óxido de carbono. Produtos dos altos fornos Os produtos dos Altos Fornos são o ferro fundido, as escórias e o gás. O ferro fundido é o produto fundamental da fusão no Alto Forno. Com relação à sua composição química e ao seu emprego, o ferro fundido se divide em fundição gris, ferro fundido e fundição especial; e segundo a classe de combustível empregado, em ferro de coque e de carvão vegetal. A fundição gris é utilizada para moldar objetos e peças nas indústrias de fundição. O ferro fundido se utiliza para a obtenção de aço. O ferro fundido segundo o método de transformação, chama-se fundição branca de Martin (M), Bessemer (B) ou Thomas (T). A composição do ferro fundido é apresentada na tabela abaixo, na qual se vê que ele tem pouco silício e muito manganês, especialmente o que se destina à produção do aço nos Fornos Martin. O ferro fundido contém carbono em estado ligado; por isso tem fraturas brancas e normalmente recebe o nome de fundição branca. Os ferros fundidos com alto teor de silício ou manganês são chamados de ferros ligas. Os ferros-ligas são empregados como adições especiais para produzir aço e peças de ferro fundido. Ferro fundido silício manganês fósforo enxôfre As escórias dos Altos Fornos são utilizadas na produção de tijolos, blocos, cimento e outras aplicações agrícolas e químicas. As escórias ácidas se empregam para obter lã de escória que, em conseqüência de sua baixa condutividade térmica é utilizada como material de isolamento térmico. O gás de Alto Forno (de tragante) limpo de pó se usa como combustível nos recuperadores, nas caldeiras a vapor e outras instalações de produção. Produção do ferro gusa nos fornos elétricos Os Baixos Fornos Elétricos usam a energia elétrica como meio de calor. Também os Fornos Elétricos necessitam de uma carga de carvão para as reações químicas dos metais não ferrosos como o carbono. A vantagem deste forno é possibilitar a regulagem da temperatura que permite um produto de melhor qualidade.
  8. 8. APOSTILA II FABRICAÇÃO DOS AÇOS Já sabemos que o produto que sai do alto forno é o ferro-gusa, uma matéria-prima com grandes quantidades de carbono e impurezas normais, como o silício, o manganês, fósforo e o enxofre. Por causa disso, o gusa é duro e quebradiço. Para transformar o gusa em aço, é necessário que ele passe por um processo de oxidação - combinação do ferro e das impurezas com o oxigênio - até que a concentração de carbono e das impurezas se reduza a valores desejados. Até que se descobrisse como fazer isso, os engenheiros deram tratos à bola. A idéia apresentada, simultaneamente, por um inglês, Henry Bessemer, e por um americano, William Kelly, em 1847, foi injetar ar sob pressão a fim de que ele atravessasse o gusa. Esse processo permitiu a produção de aço em grandes quantidades. Os fornos que usam esse princípio, ou seja, a injeção de ar ou oxigênio diretamente no gusa líquido, são chamados “conversores” e são de vários tipos. Os mais são:    Conversor Bessemer Conversor Thomas Conversor LD (Linz Donawitz) Conversor Bessemer É constituído por uma carcaça de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Essa carcaça é revestida, internamente, com uma grossa camada de material refratário, isto é, aquele que resiste a altas temperaturas. Seu fundo é substituível e é cheio de orifícios por onde entra o ar sob pressão. A grande sacada desse forno é seu formato (os livros técnicos dizem que ele se parece a uma pêra bem estilizada) que permite seu basculamento. Quer dizer, ele é montado sobre eixos que permitem colocá-lo na posição horizontal, para a carga do gusa e descarga do aço, e na posição vertical para a produção do aço. Este forno não precisa de combustível. A alta temperatura é alcançada e mantida, devido às reações químicas que acontecem quando o oxigênio do ar injetado entra em contato com o carbono do gusa líquido. Nesse processo, há a combinação do oxigênio com o ferro, formando o óxido de ferro (FeO) que, por sua vez, se combina com o silício (Si), o manganês (Mn) e o carbono (C), eliminando as impurezas sob a forma de escória e gás carbônico. Esse ciclo dura, em média, 20 minutos e o aço resultante desse processo tem a seguinte composição: 0,10% (ou menos) de carbono, 0,005% de silício, 0,50% de manganês, 0,08% de fósforo e 0,25% de enxofre. Conversor Thomas O outro conversor é o Thomas, bastante semelhante ao Bessemer: ele também é basculante, também processa gusa líquido e também usa ar nesse processo. A diferença está no revestimento refratário desse conversor, que é feito com um material chamado dolomita, que resiste ao ataque da escória à base de cal e, por isso, esse material permite trabalhar com um gusa com alto teor de fósforo. As reações químicas que acontecem dentro desse conversor são as mesmas que acontecem no conversor Bessemer, ou seja, oxidação das impurezas, combustão do carbono e oxidação do ferro. Esse processo, porém, tem duas desvantagens: não WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 8
  9. 9. APOSTILA II elimina o enxofre do gusa e o revestimento interno do forno é atacado pelo silício. Assim, o gusa deve ter baixo teor de silício. Conversor LD (Linz Donawitz) O conversor LD usa também o princípio da injeção do oxigênio. A diferença é que o oxigênio puro é soprado sob pressão na superfície do gusa líquido. Essa injeção é feita pela parte de cima do conversor. Esse tipo de conversor é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor, revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita. A injeção do oxigênio é feita por meio de uma lança metálica composta de vários tubos de aço. O jato de oxigênio é dirigido para a superfície do gusa líquido e essa região de contato é chamada de zona de impacto. Na zona de impacto, a reação de oxidação é muito intensa e a temperatura chega a atingir entre 2.500 e 3.000ºC. Isso provoca uma grande agitação do banho, o que acelera as reações de oxidação no gusa líquido. Nesse conversor, a contaminação do aço por nitrogênio é muito pequena porque se usa oxigênio puro. Isso é um fator importante para os aços que passarão por processo de soldagem, por exemplo, pois esse tipo de contaminação causa defeitos na solda. O uso de conversores tem uma série de vantagens: alta capacidade de produção, dimensões relativamente pequenas, simplicidade de operação e o fato de as altas temperaturas não serem geradas pela queima de combustível, mas pelo calor que se desprende no processo de oxidação dos elementos que constituem a carga de gusa líquido. Por outro lado, as desvantagens são: impossibilidade de trabalhar com sucata, perda de metal por queima, dificuldade de controlar o processo com respeito à quantidade de carbono, presença de considerável quantidade de óxido de ferro e de gases, que devem ser removidos durante o vazamento. Vazamento É a operação de descarga do aço do conversor. Dos conversores, saem aços usados na fabricação de chapas, tubos soldados, perfis laminados, arames. Lingotamento Contínuo O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado em um produto semi-acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente laminação. Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos anos 50, o aço era vazado em moldes estacionário (lingoteiras). O lingotamento do aço pode ser realizado de três maneiras distintas:    DIRETO: o aço é vazado diretamente na lingoteira; INDIRETO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela sua base; CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde de cobre refrigerado à água. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 9
  10. 10. APOSTILA II Seções possíveis no lingotamento contínuo (mm) Tipos de fornos (resumo)
  11. 11. APOSTILA II Diagrama de fabricação do aço
  12. 12. APOSTILA II Processos de fabricação WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 12
  13. 13. APOSTILA II 2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Os processos metalúrgicos provocam alterações na estrutura cristalina do metal e consequentemente nas suas propriedades o quadro abaixo mostra os atuais processos de fabricação metalúrgica. Fundição Areia verde Areia seca Shell molding Coquilha Die casting Centrifuga Soldagem Processos afins Corte térmico Comformação mecânica Forjamento Laminação Trefilação Extrusão Estampagem A arco (AW) A gás combustível (OFW) No estado solido (SSW) Brasagem fraca (S) Brasagem forte (S) Por resistência (RW) Pulverização térmica (THSP) Colagem (ABD) Corte a oxigênio (OC) Corte a arco (AC) Outros metodos FUNDIÇÃO Transformação dos metais e suas ligas em peças de uso industrial tendo como ponto de partida o metal líquido ou fundido derramamento do metal no interior de uma cavidade ou forma, chamada molde.
  14. 14. APOSTILA II Molde Dispositivo e ou forma que pode corresponder à forma final da peça desejada ou pode sofrer posteriores tratamentos de conformação no estado sólido até que a peça chegue as dimensões desejadas. Solidificação dos metais no interior dos moldes A transição do estado líquido para o sólido pode levar ao surgimento de heterogeneidades, que se não controladas podem provocar defeitos e rejeição das peças. Cristalização Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como núcleos para o posterior crescimento dos cristais, dando origem aos grãos definitivos e à estrutura granular típica dos metais. O crescimento dos cristais não ocorre de maneira uniforme dependem da velocidade da direção dos eixos cristalográficos no interior do molde, depende da proximidade das paredes, que vai determinar também a velocidade de resfriamento. Processos de fundição     Fundição por gravidade Fundição sob pressão Fundição por centrifugação Fundição de precisão Etapas dos processos de fundição:         Projeto da peça Projeto do modelo Confecção do modelo (modelagem ou modelação) Confecção do molde (moldagem) Fusão do metal Vazamento no molde Limpeza e rebarbação Controle de qualidade
  15. 15. APOSTILA II PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA FORJAMENTO O forjamento, um processo de conformação mecânica em que o material é deformado por martelamento ou prensagem, é empregado para a fabricação de produtos acabados ou semi-acabados de alta resistência mecânica, destinados a sofrer grandes esforços e solicitações em sua utilização. Embora, hoje em dia, o forjamento seja feito por meio de equipamentos, o princípio do processo continua o mesmo: aplicação individual e intermitente de pressão, quer dizer, o velho martelamento, ou então, a prensagem. O forjamento por martelamento é feito aplicando-se golpes rápidos e sucessivos no metal. Desse modo, a pressão máxima acontece quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente de intensidade à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do material. O resultado é que o martelamento produz deformação principalmente nas camadas superficiais da peça, o que dá uma deformação irregular nas fibras do material. Pontas de eixo, virabrequins, discos de turbinas são exemplos de produtos forjados fabricados por martelamento.
  16. 16. APOSTILA II No forjamento por martelamento são usados martelos de forja que aplicam golpes rápidos e sucessivos ao metal por meio de uma massa de 200 a 3.000kg que cai livremente ou é impulsionada de uma certa altura que varia entre 1 e 3,5m. Na prensagem, o metal fica sujeito à ação da força de compressão em baixa velocidade e a pressão atinge seu valor máximo pouco antes de ser retirada, de modo que as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas no processo de conformação. A deformação resultante é, então, mais regular do que a produzida pela ação dinâmica do martelamento. Palhetas de turbinas e forjados de liga leve são produtos fabricados por prensagem. O forjamento por prensagem é realizado por prensas mecânicas ou hidráulicas. As prensas mecânicas, de curso limitado, são acionadas por eixos excêntricos e podem aplicar cargas entre 100 e 8.000 toneladas. As prensas hidráulicas podem ter um grande curso e são acionadas por pistões hidráulicos. Sua capacidade de aplicação de carga fica entre 300 e 50.000 toneladas. Elas são bem mais caras que as prensas mecânicas. As operações de forjamento são realizadas a quente, em temperaturas superiores às de recristalização do metal. É importante que a peça seja aquecida uniformemente e em temperatura adequada. Esse aquecimento é feito em fornos de tamanhos e formatos variados, relacionados ao tipo de metal usado e de peças a serem produzidas e vão desde os fornos de câmara simples até os fornos com controle específico de atmosfera e temperatura. Alguns metais não-ferrosos podem ser forjados a frio. Tipos de matrizes Toda a operação de forjamento precisa de uma matriz. É ela que ajuda a fornecer o formato final da peça forjada. E ajuda também a classificar os processos de forjamento, que podem ser: • forjamento em matrizes abertas, ou forjamento livre; • forjamento em matrizes fechadas. As matrizes de forjamento são submetidas a altas tensões de compressão, altas solicitações térmicas e, ainda, a choques mecânicos. Devido a essas condições de trabalho, é necessário que essas matrizes apresentem alta dureza, elevada
  17. 17. APOSTILA II tenacidade, resistência à fadiga, alta resistência mecânica a quente e alta resistência ao desgaste. Por isso, elas são feitas, em sua maioria, de blocos de aços-liga forjados e tratadas termicamente. Quando as solicitações são ainda maiores, as matrizes são fabricadas com metal duro. No forjamento livre, as matrizes têm geometria ou formatos bastante simples. Esse tipo de forjamento é usado quando o número de peças que se deseja produzir é pequeno e seu tamanho é grande. É o caso de eixos de navios, turbinas, virabrequins e anéis degrande porte. A operação de forjamento livre é realizada em várias etapas. Como exemplo, a ilustração mostra o estiramento de uma parte de uma barra. Observe a peça inicial (a) e o resultado final (e). A operação é iniciada com uma matriz de pequena largura. O estiramento acontece por meio de golpes sucessivos e avanços da barra (b, c, d, e). A barra é girada 90º e o processo repetido (f). Para obter o acabamento mostrado em g, as matrizes são trocadas por outras de maior largura. No forjamento em matrizes fechadas, o metal adquire o formato da cavidade esculpida na matriz e, por causa disso, há forte restrição ao escoamento do material para as laterais. Essa matriz é construída em duas metades: a metade de baixo fica presa à bigorna e nela é colocado o metal aquecido. A outra metade está presa ao martelo (ou à parte superior da prensa) que cai sobre a metade inferior, fazendo o material escoar e preencher a cavidade da matriz.
  18. 18. APOSTILA II Uma peça forjada acabada geralmente não é conformada em um só golpe, porque tanto a direção quanto a extensão na qual o metal pode escoar são pequenas. Por isso, para a confecção de uma única peça são necessárias várias matrizes com cavidades correspondentes aos formatos intermediários que o produto vai adquirindo durante o processo de fabricação. A matriz apresenta uma cavidade extra em sua periferia e que tem o objetivo de conter o excesso de material necessário para garantir o total preenchimento da matriz durante o forjamento. Esse excesso de material chama-se rebarba e deve ser retirado da peça em uma operação posterior de corte. A rebarba é um dos problemas do forjamento por matriz fechada. Para minimizá-lo, as matrizes apresentam calhas para evitar que a rebarba seja muito grande. Para peças não muito complexas, são aplicadas as seguintes etapas no forjamento em matriz fechada: 1. Corte do blank, ou seja, do pedaço de metal em barra no tamanho necessário. 2. Aquecimento - realizado em fornos. 3. Forjamento intermediário, realizado somente quando é difícil a conformação em uma única etapa. 4. Forjamento final - feito em matriz, já com as dimensões finais da peça. 5. Tratamento térmico - para a remoção das tensões, homogeneização da estrutura, melhoria da usinabilidade e das propriedades mecânicas.
  19. 19. APOSTILA II LAMINAÇÃO A laminação é um processo de conformação mecânica pelo qual um lingote de metal é forçado a passar por entre dois cilindros que giram em sentidos opostos, com a mesma velocidade. Assim consegue-se a redução da espessura do metal a cada passe de laminação, que é como se chama cada passagem do metal pelos cilindros de laminação. Ao passar entre os cilindros, o material sofre deformação plástica. Por causa disso, ele tem uma redução da espessura e um aumento na largura e no comprimento. Como a largura é limitada pelo tamanho dos cilindros, o aumento do comprimento é sempre maior do que o da largura A laminação pode ser feita a quente ou a frio. Ela é feita a quente quando o material a ser conformado é difícil de laminar a frio ou quando necessita de grandes reduções de espessura. Assim, o aço, quando necessita de grandes reduções, é sempre laminado a quente porque, quando aquecido, sua estrutura cristalina apresenta a configuração CFC que, como já vimos, se presta melhor à laminação. Além disso, nesse tipo de estrutura, as forças de coesão são menores, o que também facilita a deformação. ENCRUAMENTO É o resultado de uma mudança na estrutura do metal, associada a uma deformação permanente dos grãos do material, quando este é submetido à deformação a frio. O encruamento aumenta a dureza e a resistência mecânica. A laminação a frio se aplica a metais de fácil conformação em temperatura ambiente, o que é mais econômico. É o caso do cobre, do alumínio e de algumas de suas ligas. A laminação a frio também pode ser feita mesmo em metais cuja resistência à deformação é maior. São passes rápidos e brandos cuja finalidade é obter maior precisão nas dimensões das chapas. Em alguns casos, a dureza e a resistência do material melhoram já que, nesse caso, ele fica “encruado”. Quando se necessita de precisão dimensional e ductilidade, a chapa laminada a frio passa por um tratamento térmico chamado recozimento. Sendo a quente ou a frio, a laminação parte dos lingotes que, passando pelos laminadores, pode se transformar em produtos de uso imediato como trilhos, vigas e perfis. Pode se transformar também em produtos intermediários que serão usados em outros processos de conformação mecânica TREFILAÇÃO Acender a luz, falar ao telefone, ligar o som, a televisão ou outro eletrodoméstico qualquer, andar de elevador. Nada disso seria possível sem a trefilação, pois os fios elétricos de cobre ou alumínio, os cabos e arames de aço necessários para essas atividades tão comuns do século vinte são fabricados por esse processo de conformação mecânica. Por esse processo, é possível obter produtos de grande comprimento contínuo, seções pequenas, boa qualidade de superfície e excelente controle dimensional. O princípio do processo de trefilação é de certa forma, parecido com o da extrusão, ou seja, é necessário que o material metálico passe por uma matriz para ter seu diâmetro diminuído e seu comprimento aumentado. A grande diferença está no fato WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 19
  20. 20. APOSTILA II de que, em vez de ser empurrado, o material é puxado. Além disso, a trefilação é normalmente realizada a frio. Existem bancos de tração de até 100 toneladas, capazes de trabalhar a uma velocidade de até 100 metros por minuto, percorrendo distâncias de até 30 metros. Em alguns casos, vários conjuntos desse tipo podem ser montados em série, a fim de produzir arames e fios com diâmetros ainda menores. A barra que deve ser trefilada é chamada de fio de máquina. Ela deve ser apontada, para facilitar a passagem pela fieira, e presa por garras de tração que vão puxar o material para que ele adquira o diâmetro desejado. A fieira é uma ferramenta cilíndrica que contém um furo no centro por onde passa o fio, e cujo diâmetro vai diminuindo. Assim seu perfil apresenta o formato de um funil. A razão da presença desse ângulo, geralmente maior que o ângulo de trefilação, é facilitar a lubrificação e, conseqüentemente, a passagem do material. A lubrificaçãon é necessária para facilitar a passagem do metal pela fieira, a fim de diminuir o atrito entre o fio e o cone de trabalho. O cilindro de calibração serve para ajustar o diâmetro do fio. O cone de saída, por sua vez, permite a saída livre do fio. A fieira é construída de metal duro para fios de diâmetro maior que 2 mm, ou diamante para fios de diâmetro de até 2mm. Esses materiais são usados para que a
  21. 21. APOSTILA II fieira possa resistir às condições severas e grandes solicitações características desse processo. Etapas do processo de trefilação 1. Laminação e usinagem para a produção do fio máquina. 2. Decapagem mecânica ou química que retira os óxidos presentes na superfície do fio máquina. 3. Trefilação. 4. Tratamento térmico de recozimento, quando é necessário restabelecer a ductilidade do material. Para a trefilação propriamente dita, existem dois tipos básicos de máquinas de trefilar:  Sem deslizamento Nessa máquina, o fio é tracionado, ou seja, puxado, e depois de passar pelo furo da fieira, ele vai para um anel tirante que acumula o fio antes de liberar sua movimentação em direção a uma segunda fieira onde o processo se repete. Isso é feito quantas vezes forem necessárias para obter a bitola desejada para o fio. Ao término desse processo, o fio é enrolado em uma bobinadeira.  Com deslizamento Essa máquina é usada para a trefilação de fios metálicos de pequeno diâmetro. Nela, o fio parte de uma bobina, passa por uma roldana e segue alinhado até a primeira fieira. Na saída da fieira, o fio é tracionado por um anel tirante e é enrolado nele com um número de voltas que depende da força do atrito necessária para tracionar o fio através da primeira fieira. O movimento helicoidal do fio provoca seu deslizamento lateral pelo anel e o sistema prossegue dessa forma para as demais fieiras e anéis.
  22. 22. APOSTILA II EXTRUSÃO Assim como a laminação, a extrusão é um processo de fabricação de produtos semiacabados, ou seja, produtos que ainda sofrerão outras operações, tais como corte, estampagem, usinagem ou forjamento, antes de seu uso final. Como resultado disso, obtém-se uma das importantes características do produto extrudado: seção transversal reduzida e grande comprimento. O processo de extrusão consiste basicamente em forçar a passagem de um bloco de metal através do orifício de uma matriz. Isso é conseguido aplicando-se altas pressões ao material com o auxílio de um êmbolo. Trata-se de um processo de fabricação relativamente novo, se comparado com a maioria dos outros processos de conformação mecânica. As primeiras experiências com extrusão foram feitas com chumbo no final do século passado. O maior avanço aconteceu durante a Segunda Guerra Mundial, com a produção de grandes quantidades de perfis de alumínio para serem usados na indústria aeronáutica. Atualmente, não só metais mais dúcteis, como o alumínio e suas ligas e o cobre e suas ligas, podem passar pelo processo de extrusão. Também é possível fabricar produtos de aço ao carbono e aço inoxidável por meio de extrusão. Produtos de plástico, principalmente embalagens, também são fabricados por extrusão. No que se refere ao uso do alumínio, as variedades de perfis que se pode fabricar é quase ilimitada. As seções obtidas são mais resistentes porque não apresentam juntas frágeis e há melhor distribuição do metal. O processo fornece, também, uma boa aparência para as superfícies. Etapas do processo de extrusão De acordo com o tipo de metal, que deve suportar rigorosas condições de atrito e temperatura, e com a seção a ser obtida, a extrusão pode ser realizada a quente ou a frio. O metais mais duros, como o aço, passam normalmente pelo processo de extrusão a quente. Esse processo envolve as seguintes etapas: 1. Fabricação de lingote ou tarugo de seção circular. 2. Aquecimento uniforme do lingote ou tarugo. 3. Transporte do lingote ou tarugo aquecido para a câmara de extrusão. Essa etapa deve ser executada o mais rapidamente possível para diminuir a oxidação na superfície do metal aquecido. 4. Execução da extrusão: com o tarugo aquecido apoiado diante da câmara de extrusão, o pistão é acionado e o material é empurrado para o interior da câmara.
  23. 23. APOSTILA II 5. Fim da extrusão: o pistão recua e a câmara se afasta para a retirada do disco e da parte restante do tarugo. 6. Remoção dos resíduos de óxido com o auxílio de disco raspador acionado pelo pistão. Lingote é o bloco de metal produzido por fundição. Tarugo é o bloco de metal obtido pela laminação de um lingote. Considerando-se que o trabalho a quente traz problemas de oxidação do bloco de metal e das ferramentas de extrusão, a temperatura de trabalho deve ser a mínima necessária para fornecer ao metal o grau de plasticidade adequado. Devido à intensa deformação produzida durante a extrusão, pode ocorrer um sensível aquecimento do metal. Portanto, a temperatura máxima do processo deve ser seguramente inferior à temperatura de “liquação”, ou seja, aquela em que acontece a fusão do contorno dos grãos. Se a temperatura de extrusão ficar muito próxima à de liquação, o aquecimento produzido pelo atrito e pela compressão da matriz poderá atingir a temperatura de fusão e impedir a fabricação do produto por extrusão. Deve-se lembrar, também, de que a temperatura do material na zona de deformação depende da velocidade de deformação e do grau de compressão. Isso significa que a temperatura aumenta quando aumentam a velocidade e a deformação, por causa do aumento do atrito devido ao aumento da velocidade de deformação e do grau de compressão. Na extrusão a quente, as reduções de área conseguidas são da ordem de 1:20 (um para vinte). Isso significa que, se você tiver uma barra de 100mm2 de área, ela pode ter sua área reduzida para 5 mm². Os materiais mais dúcteis, como o alumínio, podem passar por extrusão tanto a frio quanto a quente e obtêm reduções de área da ordem de 1:100 (um para cem). Na extrusão a frio, o material endurece por encruamento durante a deformação porque os grãos do metal se quebram e assim permanecem, aumentando as tensões na estrutura e, conseqüentemente, sua dureza. Na extrusão a quente, os grãos se reconstituem após a extrusão por causa da alta temperatura. ESTAMPAGEM Estampagem é um processo de conformação mecânica, geralmente realizada a frio, que engloba um conjunto de operações. Por meio dessas operações, a chapa plana é nsubmetida a transformações que a fazem adquirir uma nova forma geométrica, plana ou oca. Isso só é possível por causa de uma propriedade mecânica que os metais têm: a plasticidade. As operações básicas de estampagem são: • corte • dobramento • estampagem profunda (ou "repuxo") Assim como nem todo material pode ser laminado, nem todo material pode passar pelas operações de estampagem. As chapas metálicas de uso mais comum na estampagem são as feitas com as ligas de aço de baixo carbono, os aços inoxidáveis, as ligas alumínio-manganês, alumínio-magnésio e o latão 70-30, que tem um dos melhores índices de estampabilidade entre os materiais metálicos. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 23
  24. 24. APOSTILA II O latão 70-30 é uma liga com 70% de cobre e 30% de zinco. Além do material, outro fator que se deve considerar nesse processo é a qualidade da chapa. Os itens que ajudam na avaliação da qualidade são: a composição química, as propriedades mecânicas, as especificações dimensionais, e acabamento e aparência da superfície. A composição química deve ser controlada no processo de fabricação do metal. A segregação de elementos químicos, por exemplo, que pode estar presente no lingote que deu origem à chapa, causa o comportamento irregular do material durante a estampagem. As propriedades mecânicas, como dureza e resistência à tração, são importantíssimas na estampagem. Elas são determinadas por meio de ensaios mecânicos que nada mais são do que testes feitos com equipamentos especiais. Esses dados, juntamente com dados sobre a composição química, geralmente são fornecidos nas especificações dos materiais, presentes nos catálogos dos fabricantes das chapas e padronizados através de normas. As especificações das dimensões ajudam no melhor aproveitamento possível do material, quando é necessário cortá-lo para a fabricação da peça. Uma chapa fora dos padrões de dimensão impede seu bom aproveitamento em termos de distribuição e quantidade das peças a serem cortadas. O ideal é obter a menor quantidade possível de sobras e retalhos que não podem ser aproveitados. Esse aproveitamento ideal envolve também o estudo da distribuição das peças na chapa. Os defeitos de superfície prejudicam não só a qualidade da peça estampada como também influencia no acabamento quando o produto deve receber pintura ou algum tipo de revestimento como a cromação, por exemplo. Por isso, esse é um fator que também deve ser controlado. As operações de estampagem são realizadas por meio de prensas que podem ser mecânicas ou hidráulicas, dotadas ou não de dispositivos de alimentação automática das chapas, tiras cortadas, ou bobinas. A seleção de uma prensa depende do formato, tamanho e quantidade de peças a serem produzidas e, conseqüentemente, do tipo de ferramental que será usado. Normalmente, as prensas mecânicas são usadas nas operações de corte, dobramento e estampagem rasa. As prensas hidráulicas são mais usadas na estampagem profunda. ESTAMPAGEM PROFUNDA A estampagem profunda é um processo de conformação mecânica em que chapas planas são conformadas no formato de um copo. Ela é realizada a frio e, dependendo da característica do produto, em uma ou mais fases de conformação. Por esse processo, produzem-se panelas, partes das latarias de carros como páralamas, capôs, portas, e peças como cartuchos e refletores parabólicos.
  25. 25. APOSTILA II Na estampagem profunda, a chapa metálica sofre alongamento em ao menos uma direção e compressão em outra direção. Geralmente, um compensa o outro e não há mudança na espessura da chapa. Assim como no dobramento, a estampagem profunda também é realizada com o auxílio de estampos formados por um punção, uma matriz e um sujeitador presos a prensas mecânicas ou hidráulicas. A chapa, já cortada nas dimensões determinadas, é presa entre a matriz e o sujeitador que mantém sobre ela uma pressão constante durante o embutimento. Isso evita que ocorra o enrugamento da superfície da peça. O punção é acionado, desce e força a chapa para baixo, através da matriz. Nessa operação, também é necessário um controle sobre a folga entre o punção e a matriz. Quando a profundidade do embutimento é grande, ou seja, tem a altura maior que o diâmetro da peça, e são necessárias várias operações sucessivas para obtê-la, temse a reestampagem. Isso pode ser feito com o mesmo punção, ou com punções diferentes quando o perfil da peça deve ser alterado numa segunda ou terceira estampagem. A ferramenta deve ter uma superfície lisa e bem acabada para minimizar o atrito entre matriz-chapa-punção e, desse modo, diminuir o esforço de compressão e o desgaste da ferramenta. Para diminuir o atrito pode-se usar também um lubrificante.
  26. 26. APOSTILA II Na estampagem, além das prensas, são usadas ferramentas especiais chamadas estampos que se constituem basicamente de um punção (ou macho) e uma matriz. Essas ferramentas são classificadas de acordo com o tipo de operação a ser executada, Assim, temos:    Ferramentas para corte Ferramentas para dobramento Ferramentas para estampagem profunda Na prensa, o punção geralmente é preso na parte superior que executa os movimentos verticais de subida e descida. A matriz é presa na parte inferior constituída por uma mesa fixa. Esse ferramental deve ser resistente ao desgaste, ao choque e à deformação, ter usinabilidade e grande dureza. De acordo com a quantidade de peças e o material a serem estampados, os estampos são fabricados com aços ligados, chamados de aços para ferramentas e matrizes. O fio de corte da ferramenta é muito importante e seu desgaste, com o uso, provoca rebarbas e contornos pouco definidos das peças cortadas. A capacidade de corte de uma ferramenta pode ser recuperada por meio de retificação para obter a afiação. CORTE DE CHAPAS O corte é a operação de cisalhamento de um material na qual uma ferramenta ou punção de corte é forçada contra uma matriz por intermédio da pressão exercida por uma prensa. Quando o punção desce, empurra o material para dentro da abertura da matriz. Dica tecnológica Em princípio, a espessura da chapa a ser cortada deve ser igual ou menor que o diâmetro do punção. As peças obtidas por corte podem, eventualmente, ser submetidas a uma operação posterior de estampagem profunda, que será estudada mais adiante nesta aula. O corte permite a produção de peças nos mais variados formatos. Estes são determinados pelos formatos do punção e da matriz. A folga entre um e outra é muito importante e deve ser controlada, já que o aspecto final da peça depende desse fator. Ela está relacionada também com a espessura, a dureza e o tipo de material da chapa.
  27. 27. APOSTILA II Dica tecnológica Para o aço, a folga é de 5 a 8% da espessura da chapa; para o latão, ela fica entre 4 e 8%; para o cobre, entre 6 e 10%; para o alumínio, em torno de 3% e para o duralumínio, entre 7 e 8%. Folgas muito grandes provocam rebarbas que podem ferir os operadores. As folgas pequenas provocam fissuras, ou seja, rachaduras, que causarão problemas nas operações posteriores. Quanto menores forem as espessuras das chapas e o diâmetro do punção, menor será a folga e vice-versa. Dependendo da complexidade do perfil a ser cortado, o corte pode ser feito em uma única etapa ou em várias etapas até chegar ao perfil final. Isso determina também os vários tipos de corte que podem ser executados: CORTE (SIMPLES) Produção de uma peça de um formato qualquer a partir de uma chapa. PUNCIONAMENTO Corte que produz furos de pequenas dimensões. ENTALHE Corte de um entalhe no contorno da peça. CORTE PARCIAL Corte incompleto no qual uma parte da peça cortada fica presa à chapa. RECORTE Corte de excedentes de material de uma peça que já passou por um processo de conformação. Um corte, por mais perfeito que seja sempre apresenta uma superfície de aparência “rasgada”. Por isso, é necessário fazer a rebarbação, que melhora o acabamento das paredes do corte.
  28. 28. Fique por dentro Pode-se cortar papel, borracha e outros materiais não-metálicos com um punção de ângulo vivo. Nesse caso, o material fica apoiado sobre uma base sólida de madeira ou outro material mole. DOBRAMENTO E CURVAMENTO O dobramento é a operação pela qual a peça anteriormente recortada é conformada com o auxílio de estampos de dobramento. Estes são formados por um punção e uma matriz normalmente montados em uma prensa. O material, em forma de chapa, barra, tubo ou vareta, é colocado entre o punção e a matriz. Na prensagem, uma parte é forçada contra a outra e com isso se obtém o perfil desejado. Em toda e qualquer operação de dobramento, o material sofre deformações além do seu limite elástico. No lado externo há um esforço de tração, o metal se alonga e há uma redução de espessura. No lado interno, o esforço é de compressão.
  29. 29. APOSTILA 2 Por causa da elasticidade do material, sempre há um pequeno retorno para um ângulo ligeiramente menor que o inicial, embora a chapa tenha sido dobrada além de seu limite elástico. Por causa disso, quando se constrói o estampo, o cálculo do ângulo de dobramento deve considerar esse retorno e prever um dobramento em um ângulo levemente superior ao desejado. Dica tecnológica Existe uma região interna do material que não sofre nenhum efeito dos esforços de tração e compressão aos qual a chapa é submetida durante o dobramento. Essa região é chamada de linha neutra. Outro fator a considerar é a existência dos raios de curvatura. Cantos vivos ou raios pequenos podem provocar a ruptura durante o dobramento. Em geral, a determinação do raio de curvatura é função do projeto ou desenho da peça, do tipo de material usado, da espessura da peça e do sentido da laminação da chapa. Materiais mais dúcteis como o alumínio, o cobre, o latão e o aço com baixo teor de carbono necessitam de raios menores do que materiais mais duros como os aços de médios e altos teores de carbono, aços ligados etc. Até atingir o formato final, o produto pode ser dobrado com o auxílio de apenas um estampo em uma única ou em mais fases ou, então, com mais de um estampo. E para obter os variados formatos que o dobramento proporciona, realizam-se as seguintes operações:
  30. 30. APOSTILA 2 Processos de Soldagem WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 30
  31. 31. APOSTILA 2 3 PROCESSOS SOLDAGEM INTRODUÇÃO 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 forças 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 exemplos desta categoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem. Definição de Soldagem Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo SOLDAGEM. Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados com os de soldagem são utilizados para o corte ou para o recobrimento de peças. Diversos aspectos dessas operações de recobrimento e corte são similares à soldagem e, por isso, muitos aspectos destes processos são abordados juntamente com esta. Algumas definições de soldagem são:  "Processo de junção de metais por fusão". (Deve-se ressaltar que não só metais são soldáveis e que é possível soldar metais sem fusão).  "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando, na junta soldada, a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas".  "Operação que visa obter a coalescência localizada produzida pelo aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição." (Definição a adotada pela AWS - American Welding Society).  “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento, na região de contato entre os materiais sendo unidos, de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais.” WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 31
  32. 32. APOSTILA 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 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. 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 Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo. 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 r0. 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.
  33. 33. APOSTILA 2 Mesmo uma superfície com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades na 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 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 r0. As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitar a deformação das superfícies de contato. 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. Desta forma, podemos agrupar os processos de soldagem em dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda:   Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) Processos de soldagem por fusão. 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 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 estas reações. A tabela abaixo mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características principais.
  34. 34. APOSTILA 2 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. Alguns dos processos de soldagem e processos correlatos de importância na indústria serão discutidos de uma forma reduzida a seguir. Deve-se colocar, contudo, que este é um tema extenso e importante, existindo ema ampla bibliografia sobre o assunto. Para um estudo complementar, mais aprofundado, dos processos de soldagem, consultar a bibliografia citada ao final deste texto.
  35. 35. APOSTILA 2 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 tungstênio 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 elétricas 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 1A (na soldagem microplasma) a valores superiores a 1000 ou 2000A (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. Algumas destas variáveis serão apresentadas e discutidas na descrição suscita abaixo dos principais processos de soldagem a arco. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 35
  36. 36. APOSTILA 2 A SOLDAGEM A ARCO COM ELETRODOS REVESTIDOS (SHIELDED METAL ARC WELDING - SMAW) É um processo no qual a coalescência (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, carbonatos, etc.) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas, etc.), com um diâmetro total típico entre 2 e 8mm. 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. 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). Para soldagem, a parte não revestida do eletrodo é fixado 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 abaixo ilustra o equipamento e o processo de soldagem.
  37. 37. APOSTILA 2 A tabela abaixo apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais. 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 mostra esquematicamente o processo. 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. 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, neste 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 3 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
  38. 38. APOSTILA 2 a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta frequência). 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 frequência deve operar continuamente para manter o arco aceso. A tabela abaixo apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais. 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 Al 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 sintetizado 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. Eletrodos “toriados”, isto é, com adições de óxido de tório, podem conduzir uma maior corrente sem fundir parcialmente a sua ponta como ocorre com os de W puro
  39. 39. APOSTILA 2 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. Faixas de corrente e bocais para a soldagem GTAW. SOLDAGEM GMAW (MIG/MAG) A Soldagem a Arco Gás-Metal (Gas Metal Arc 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 contínuo (e consumível) e a peça. 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 Gas). Por outro lado, se o gás for ativo (CO2 ou misturas Ar/O2/CO2), o processo é chamado MAG (Metal Active Gas). Gases inertes puros são, em geral, usados na soldagem de metais e ligas não ferrosas, misturas de gases inertes com pequenas quantidades 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. O processo é normalmente operado de forma semi-automática, podendo ser, também, mecanizado ou automatizado. É 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
  40. 40. APOSTILA 2 (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. O equipamento básico para a soldagem GMAW consiste de fonte de energia, tocha de soldagem, fonte de gás e alimentador de arame (figura 12). A fonte de energia tem, em geral, uma saída de tensão constante, regulável entre 15 e 50V, 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. 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 (spray), 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 equipamento especial. Na transferência por spray, 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. É 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
  41. 41. APOSTILA 2 elevado nível de respingos e grande flutuação da corrente e tensão de soldagem são comuns e a operação está restrita à posição plana. Na transferência por curto circuito, o eletrodo toca a poça de fusão periodicamente (de 20 a 200 vezes por segundo), ocorrendo a 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 spray 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). A tabela abaixo apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais. ARAMES TUBULARES O processo de soldagem com arames tubulares (Flux Cored Arc welding) é fundamentalmente um processo de soldagem GMAW ( Gás Metal Welding), pois é baseado nos mesmos princípios e utiliza basicamente os mesmos equipamentos. As principais diferenças entre ambos os processos estão relacionadas a versatilidade , produtividade e integridade do metal depositado.
  42. 42. APOSTILA 2 Flux Cored São arames empregados na soldagem utilizando gás de proteção e são constituídos de metal de adição com fluxo interno não metálico proporcionando uma proteção secundaria adicionalmente ao gás de proteção. Metal Cored São arames empregados na soldagem onde o fluxo pode fazer e controlar e ou ajustar o teor de oxigênio do metal de solda aumentando-o ou diminuindo-o conforme as necessidades de cada aplicação. Da mesma forma que nas escórias resultantes da fabricação dos aços, algumas escórias de solda são capazes de remover certas impurezas como o enxofre do metal fundido. Funções dos componentes do fluxo     Estabilização do arco elétrico Formação de escoria Estabilizar o arco elétrico Melhorar as propriedades mecânicas do metal depositado das aplicações, na forma semi-automática, utilizando basicamente o mesmo equipamento do processo GMAW. Seção transversal de um arame tubular. Observar o fluxo interno contendo diferentes materiais inclusive adições metálicas.
  43. 43. APOSTILA 2 A tabela abaixo apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais. SOLDAGEM AO ARCO SUBMERSO A Soldagem ao Arco Submerso (Submerged Arc Welding, SAW) é um processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo 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 metal fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo. 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 frequentemente com correntes de soldagem elevadas, que podem ser superiores a 1000A, o que pode levar a taxas de deposição de até 45kg/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. 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.
  44. 44. APOSTILA 2 Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SAW. 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. Esta 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 abaixo ilustra o princípio de operação do processo PAW.
  45. 45. APOSTILA 2 Um pequeno fluxo de argônio passa através bocal constritor para formar a chama de plasma. A proteção do plasma e da poça de fusão é feita por um gás (normalmente argônio 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. 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 1A, 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 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. SOLDAGEM DE PINOS Pinos metálicos, ou componentes similares podem ser soldados a uma peça metálica de diversas maneiras, incluindo por arco elétrico, resistência, fricção e percussão (descarga de capacitores). O presente item apresenta o processo de soldagem a arco de pinos (Stud Welding, SW) que trabalha com equipamentos desenvolvidos especificamente para este tipo de aplicação. Assim, na soldagem de pinos, este é unido a uma peça pelo seu aquecimento e da peça por um arco estabelecido entre ambos. Quando as superfícies a serem unidas estão adequadamente aquecidas, elas são colocadas em contato com uma leve pressão. Bocais cerâmicos são comumente usados entre o pino e a peça para concentrar o calor do arco e limitar a entrada de ar na região aquecida. O processo é muito rápido, apresentando tempo de operação inferior a um segundo, e simples, utilizando, em geral, pistolas semi-automáticas. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 45
  46. 46. APOSTILA 2 Este processo é muito usado em construção metálica, com os pinos ajudando a prender conectores em geral, tubulações, caixas de interruptores, etc. à estrutura metálica. Podem ser também usados como pontos de ancoramento de outros materiais (madeira ou concreto, por exemplo) ao aço. Em maquinário, servem para a fixação de tampas. SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA A soldagem por eletroescória (Eletroslag Welding, ESW) é um processo de soldagem por fusão que utiliza a passagem de uma corrente elétrica através de uma escória condutora fundida para gerar o calor necessário à fusão localizada da junta e do metal de adição. Esta escória também protege a poça de fusão e o metal de adição da contaminação pelo ambiente. O processo é usado primariamente para a união de duas ou mais peças (em geral, de grande espessura) em um único passe com a soldagem sendo feita na posição vertical ascendente. O metal e a escória fundidos são mantidos em posição com o auxílio de sapatas, em geral de cobre e refrigeradas a água. Existem duas variações básicas do processo: o método tradicional que utiliza um tubo guia não consumível e o segundo método no qual o tubo guia é consumido juntamente com o arame. No primeiro caso, o cabeçote move-se progressivamente durante o processo, mantendo uma distância constante à poça de fusão. Na soldagem ESW com guia consumível, o cabeçote permanece estacionário no alto da
  47. 47. APOSTILA 2 junta. Assim, o tubo guia feito de um material compatível com o metal de adição, é progressivamente fundido com o arame a medida que a solda é depositada. Essa configuração é mais simples dispensando o uso de dispositivos para a movimentação do cabeçote. Para juntas de grande espessura, é comum a utilização, para ambos os processos, de sistemas de múltiplos arames podem ser usados e, no caso da soldagem ESW com guia não consumível, os eletrodos podem sofrer um movimento de oscilação ao longo da junta para garantir uma distribuição mais uniforme de temperaturas na junta. Taxas de deposição de até 13kg/h por eletrodo podem ser conseguidas com este processo. A soldagem ESW é usada na fabricação de peças pesadas, principalmente de aço estrutural. O processo é usado tipicamente em juntas de 13 a 500 mm de espessura, competindo de forma favorável com processos de soldagem a arco quanto maior for a espessura da junta. Entretanto, como a velocidade de soldagem deste processo tende a ser muito baixa (cerca de 0,5 mm/s), a solda e regiões do metal de base adjacentes são aquecidas a temperaturas muito elevadas por períodos de tempos relativamente longos e resfriadas lentamente. Assim, a solda e o metal de base adjacente tendem a apresentar uma estrutura de granulação grosseira e de tenacidade baixa, exigindo, para algumas aplicações, um tratamento térmico de normalização após a soldagem, para o refino da estrutura. Uma vez iniciado, o processo não deve ser interrompido até o término da soldagem, pois o reinício deste processo sobre uma solda interrompida é difícil e resulta, em geral, em grandes descontinuidades na solda. Soldagem Oxi-Gás A soldagem oxi-gás (Oxifuel Welding, OFW) compreende um grupo de processos de soldagem que utilizam o calor produzido por uma chama de combustível gasoso e oxigênio para fundir o metal de base e, se usado, o metal de adição. O processo é usado principalmente na forma manual, mas existem aplicações mecanizadas, particularmente quando o processo é utilizado com a aplicação de pressão, sendo, neste caso, denominado de soldagem a gás por pressão (Pressure Gás Welding, PGW). Diferentes gases combustíveis podem utilizados, mas o mais comum para a soldagem dos aços e de outras ligas metálicas é o acetileno (C2H2). Durante a operação, a chama resultante da mistura gás-oxigênio na ponta do maçarico é usada para a fusão localizada do metal de base e a formação da poça de fusão. O soldador movimenta a tocha ao longo da junta para conseguir a sua fusão uniforme e progressiva, adicionando, se for o caso, metal de adição processo.
  48. 48. APOSTILA 2 Este processo é mais usado na soldagem de chapas finas (em geral, com uma espessura inferior a 6mm) e de tubos de pequeno diâmetro e na soldagem de reparo, podendo ser usado para aços, em particular aços carbono, e para ligas não ferrosas. Dependendo do material a ser soldado, é preciso usar um fluxo para garantir a escorificação de impurezas. A qualidade da solda tende a ser inferior à da soldagem a arco devido à menor eficiência da proteção. O equipamento básico para soldagem manual consiste de fontes de oxigênio e gás combustível, reguladores de vazão, mangueiras e do maçarico. O oxigênio é, em geral, fornecido em cilindros de gás comprimido (200atm). Em locais onde este gás é muito utilizado, ele pode ser fornecido a partir de instalações centralizadas. O acetileno é fornecido em geral dissolvido em acetona dentro de cilindros próprios. Geradores de acetileno, onde este é produzido pela reação de carbureto de cálcio e água também podem ser usados. Os maçaricos são dispositivos que recebem o oxigênio e o gás combustível, fazem a sua mistura na proporção correta e liberam esta mistura, no seu bico, com uma velocidade adequada para a sua queima. O equipamento para soldagem OFW é muito versátil, podendo ser utilizado, através de mudanças de regulagem ou troca de bicos do maçarico, para corte a oxigênio, tratamento térmico de pequenas peças e para brasagem. Principais características e aplicações deste processo são:       Equipamento portátil e muito versátil, Baixo custo, Baixa intensidade do calor transferido à peça implica em baixa velocidade de soldagem, Necessita de fluxo para a soldagem de alguns metais, Usado em manutenção e reparo, Usado na soldagem de peças finas, tubos de pequeno diâmetro. SOLDAGEM COM FEIXE DE ELÉTRONS A soldagem com feixe de elétrons (Electron Beam Welding, EBW) é um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de elétrons de alta velocidade. O feixe de elétrons é emitido por um canhão eletrônico e focalizado, através de lentes eletromagnéticas, em uma região muito pequena da junta (diâmetro da ordem de 10-1 mm) o que permite uma elevada concentração de energia. Durante o bombardeamento, parte da energia cinética dos elétrons é convertida em calor, fundindo e vaporizando parte do material da junta e criando um furo (keyhole) através do material. Quando este furo é movido ao longo da junta, o material líquido flui em torno do mesmo e se solidifica na parte posterior da poça formando a solda. Esta forma de operação permite obter cordões de solda com uma elevada razão penetração/largura (de até 30:1) e com velocidades de até 200 mm/s. A baixa energia de soldagem resultante minimiza problemas de distorção e contração da junta e permite trabalhar com peças já usinadas. Permite também soldar mais facilmente metais dissimilares de condutividade térmica diferente desde que estes tenham compatibilidade metalúrgica. O feixe de elétrons pode atravessar uma junta de menor espessura, soldando-a e, ainda, atingir uma outra junta abaixo da primeira, permitindo, assim, a soldagem de juntas não acessíveis por outros processos. Com um feixe menos focalizado pode-se obter menor concentração de energia e operar o processo de forma similar à soldagem a arco. WENDEL FERNANDES DA ROCHA INSTRUTOR DE SOLDAGEM Página 48
  49. 49. APOSTILA 2 A soldagem EBW é geralmente feita em alto vácuo (0,13 a 133 MPA), embora existam variações do processo, que trabalham com menores penetrações, que podem operar com um vácuo médio (0,13 a 3000Pa) ou à pressão ambiente. Um equipamento típico para a soldagem EBW inclui a câmara de vácuo, uma fonte de energia e canhão eletrônico (operando tipicamente com 30 a 175kV e 50 a 1000mA), dispositivos de focalização do feixe, um sistema para observação ou rastreamento do feixe e um sistema para manipulação da peça e/ou do canhão eletrônico. O equipamento de soldagem EBW é relativamente caro (pode custar mais de US$ 1.000.000) e complexo. O processo é extremamente rápido e pode soldar, em um único passe, peças de grande espessura (aço, até 100 mm e alumínio, até 150 mm). Por outro lado, a necessidade de um alto vácuo, reduz a produtividade do processo. Este problema pode ser reduzido pelo uso de câmara auxiliares para o estabelecimento de um pré-vácuo nas peças antes de sua soldagem ou pelo uso de equipamentos que trabalham com menor vácuo. A desaceleração de elétrons na peça gera radiação penetrante (raios X) o que implica em cuidados especiais para a proteção de pessoal. O cordão estreito e de elevada penetração exige um ajuste perfeito dos componentes sendo soldados (abertura de junta inferior a 0,13mm) o que necessária a usinagem cuidadosa dos componentes. A soldagem é basicamente limitada a juntas de topo e sobrepostas. SOLDAGEM A LASER A soldagem a laser (Laser Beam Welding, LBW) é um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de luz concentrada coerente e monocromática de alta intensidade. De forma similar à soldagem EBW, este feixe de alta intensidade é suficiente para fundir e vaporizar parte do material da junta no ponto de entrada do feixe no material, causando um furo (keyhole) que penetra profundamente no metal de base. Para a produção do laser podem ser usadas fontes contínuas a dióxido de carbono, capazes de produzir laser de infravermelho e densidades de energia em torno de 1X1010W/m2, ou fontes pulsadas de YAG (Ytrium aluminum garnet) no estado sólido. As primeiras são usadas para a soldagem laser de elevada penetração, enquanto que os lasers de estado sólido são mais usados para a soldagem de ponto e de costura em juntas de pequena espessura, soldagem em microeletrônica e em outras aplicações que exijam um controle preciso da quantidade de energia fornecida à peça. Em comparação com a soldagem EBW, a soldagem a laser apresenta as seguintes características favoráveis:
  50. 50. APOSTILA 2     Laser pode ser transmitido no ar, não necessitando de um vácuo sobre a peça. Contudo, o uso de uma proteção gasosa é recomendável, particularmente para materiais reativos. Não ocorre a geração de raios X com laser. Feixe de laser pode ser facilmente direcionado e focalizado o que facilita a automação do processo. Devido à menor intensidade do feixe de laser, a poça de fusão deste processo é menos sensível que a da soldagem EBW a problemas de instabilidade (porosidade na raiz, fusão incompleta, respingos sob o cordão, etc.). De forma similar à soldagem EBW, a soldagem a laser é um processo de alta velocidade, ideal para aplicações automatizadas, mas exigindo um perfeito ajuste das peças. O custo do equipamento de soldagem tende a ser elevado, em torno de US$ 500.000, fazendo com que o processo seja tipicamente usado apenas em aplicações com um grande volume de soldas ou em aplicações críticas que necessitem de características especiais do cordão ou uma grande reprodutibilidade. O processo é mais utilizado na soldagem de peças de menor espessura com uma elevada velocidade de deslocamento. Por exemplo, um laser de CO2 de 5kW de potência pode soldar chapas de 2,5mm de aço carbono ou inoxidável com velocidades acima de 65mm/s. A soldagem LBW tem substituído, em alguns casos, a soldagem de resistência por pontos na fabricação da carroceria de veículos. A eficiência do equipamento LBW é baixa, de 8 a 15%, necessitando de grandes unidades de refrigeração para aplicações de alta potência. Embora o equipamento seja muito sofisticado, ele é projetado para ser usado por operadores, não necessitando de soldadores altamente treinados. Vários equipamentos LBW podem, com pequenas modificações, ser usados para operações de corte ou de tratamento térmico superficial. PROCESSOS HÍBRIDOS DE SOLDAGEM A combinação de mais de um processo de soldagem (em geral, um processo a arco e algum outro) permite a obtenção de um nosso processo que pode apresentar vantagens sobre cada um dos processos iniciais. Os processos híbridos mais conhecidos são os que envolvem o uso conjunto da soldagem GMAW e a soldagem laser ou a plasma. O uso em conjunto dos processos afeta o funcionamento de cada um (por exemplo, a interação do laser com o material gera um plasma que pode estabilizar o arco e a poça de fusão gerada pelo arco facilita a penetração do laser no material) e o formato final do cordão de solda.
  51. 51. APOSTILA 2 Nos processos híbridos as fontes de calor atuam sobre a mesma poça de fusão ao contrário de outra opção muito comum, que seria a combinação de processos, na qual cada processo cria a sua própria poça de fusão e atua de forma separada. PROCESSOS DE SOLDAGEM POR DEFORMAÇÃO SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA A soldagem por resistência (Resistance Welding, RW) compreende um grupo de processos de soldagem nos quais o calor necessário à formação da junta soldada é obtido pela resistência à passagem da corrente elétrica através das peças sendo soldadas. O aquecimento da região da junta pela passagem da corrente elétrica abaixa a resistência mecânica do material permitindo, através da aplicação de pressão, a deformação localizada e, assim, a soldagem por deformação da junta. Em alguns casos, ocorre uma fusão localizada na região da junta. Assim, neste processo de soldagem pode ocorrer a formação da solda tanto por fusão como por deformação. Contudo, por razões puramente didáticas, a soldagem RW será considerada como um processo de soldagem por deformação. Existem quatro processos principais de soldagem por resistência: (a) soldagem por ponto (Resistance Spot Welding, RSW), (b) soldagem de projeção (Resistance Projection Welding, RPW), (c) soldagem por costura (Resistance Seam Welding, RSEW) e (d) soldagem de topo por resistência (Upset Welding, UW). Na soldagem por ponto, dois eletrodos cilíndricos aplicam pressão e permitem a passagem de uma alta corrente elétrica em um ponto concentrado de uma junta sobreposta. Em condições adequadas de soldagem, o aquecimento por efeito Joule da região entre os eletrodos permite a fusão localizada da região de contato entre as peças. A pressão aplicada pelos eletrodos no metal de base, causa a deformação plástica do material sólido em torno da “lente” de material fundido, o que impede, em condições adequadas de soldagem, o vazamento (“expulsão”) deste material fundido e, ainda, o protege do contato com o ar atmosférico. Com a interrupção da corrente,
  52. 52. APOSTILA 2 a temperatura cai rapidamente com difusão do calor para eletrodos (em geral, refrigerados a água) e para o restante do metal de base, formando-se, assim, um ponto de solda. A formação de um ponto de solda é muito rápida, por exemplo, na soldagem de duas chapas de 1,6mm de espessura com uma corrente de cerca de 12.000A necessita-se de um tempo de aproximadamente 0,25s. O processo é mais usado na união de peças com espessura inferior a 3 mm, em juntas sobrepostas quando a estanqueidade da junta não é muito importante. Encontra larga aplicação, por exemplo, na fabricação de carrocerias de veículos. O processo de soldagem por costura é muito similar à soldagem RSW, as principais diferenças sendo a utilização de eletrodos na forma de disco, que podem se deslocar ao longo da junta com uma dada velocidade, e a aplicação de uma sequência de pulsos de corrente enquanto os eletrodos se movem. Desta forma obtêm-se uma sequência de pulsos que se sobrepõem e formam a solda de costura. Este processo permite, assim, a soldagem rápida de chapas finas, podendo as soldas obtidas ser, diferentemente daquelas obtidas com RSW, estanques. Velocidades típicas de soldagem são 25 mm/s para chapas de aço de 1,6mm e 17 mm/s para chapas de 3 mm. A soldagem por projeção é, também, muito similar à soldagem RSW. A maior diferença reside na conformação, ou usinagem, em uma das peças, de projeções por onde a corrente passará preferencialmente e, portanto, onde o ponto de solda será formado. Como conseqüência, eletrodos grandes e planos podem ser usados e mais de um ponto de solda pode ser formado de cada vez. Pinos, parafusos e outros tipos de apêndices podem ser facilmente soldados a chapas finas por este processo. Os processos descritos acima são usados na forma semi-automática (na qual o operador posiciona as peças entre os eletrodos do cabeçote de soldagem, que pode ser estacionário ou portátil, aperta o gatilho que inicia a sequência de soldagem e, depois, libera a peça do cabeçote de soldagem) ou automática (na qual todas as operações são controladas pelo equipamento). Na soldagem por pontos em particular, observa-se o uso crescente de robôs industriais para a sua automação. Na soldagem de topo por resistência (UW), ao contrário dos processos anteriores, trabalha-se com juntas de topo, sendo esta comumente usada para a união de arames, tubos, anéis e tiras de mesma seção transversal. Neste processo as duas peças são colocadas em contato e pressionadas uma contra a outra. A seguir, a corrente de soldagem é ligada, passando das garras para as peças e através destas. A região de contato entre as peças, onde a resistência elétrica é maior, é aquecido por efeito Joule, o que causa uma redução de sua resistência mecânica. Como resultado, esta região passa a ser deformada plasticamente por ação da força de compressão aplicada inicialmente, a qual pode
  53. 53. APOSTILA 2 ser aumentada quando a junta estiver adequadamente aquecida. A deformação plástica leva à formação da solda e de uma rebarba lateral entre as peças para onde as impurezas da região da junta tendem a migrar. Ao final do processo, a corrente é desligada, permitindo o resfriamento da solda. Em alguns casos, é possível aplicar, ainda, um tratamento térmico após a soldagem pela passagem de uma corrente menor que a usada na soldagem. Um contato uniforme entre as peças na região a ser soldada é fundamental para garantir uma união isenta de descontinuidades com o processo UW. Assim, este processo não é adequado para a união peças com uma grande seção de contato ou com um formato complicado. Para estes casos, o processo de soldagem por centelhamento (FW) tem um melhor desempenho. SOLDAGEM POR CENTELHAMENTO A soldagem por centelhamento (Flash Welding, FW) é muitas vezes classificado como um processo por resistência pois apresenta diversas características e aplicações similares à soldagem de topo por resistência (UW). Na soldagem FW, as peças a serem soldadas são aproximadas sem, contudo, as suas superfícies entrarem em contato. A energia elétrica é ligada e, então, as peças são colocadas em movimento relativo de forma a se aproximarem com uma velocidade constante. Este movimento causa o contato elétrico das superfícies a serem soldadas das peças, inicialmente em poucos pontos onde ocorre a formação de um arco elétrico (centelhamento). Por ação do centelhamento, ocorre a vaporização dos pontos em contato, permitindo, desta forma, que novos pontos entrem em contato e o centelhamento se espalhe por toda a superfície da junta. Após certo tempo de centelhamento, quando todas as superfícies a serem unidas estiverem suficientemente aquecidas, a corrente de soldagem é desligada e as peças são fortemente pressionadas uma contra a outra, sofrendo considerável deformação plástica nas superfícies da junta o que leva à formação da solda. A soldagem por centelhamento tem aplicações similares ao processo UW, contudo, como a ação de centelhamento permite um aquecimento mais uniforme da junta, mesmo com condições piores de preparação superficial, o processo FW pode ser utilizado para peças de maior espessura e de formato mais complicado. O processo é muito usado na fabricação de tubulações e de rodas de carros e caminhões e na união de trilhos. Por outro lado, o processo é mais complexo e o seu equipamento tende a ser mais caro e complicado.
  54. 54. APOSTILA 2 SOLDAGEM POR ALTA FREQUÊNCIA Na soldagem por alta frequência (High Frequency Induction Welding, HFIW), são utilizadas bobinas por onde passa uma corrente de alta frequência que causa o aparecimento de correntes induzidas na região da junta das peças que estão sendo soldadas. Estas correntes aquecem a junta por efeito Joule o que facilita a deformação localizada e a formação da solda com a aplicação de pressão. Desta forma, este processo apresenta grande semelhança com a soldagem RW, sendo considerado, por diversos autores, como um processo de soldagem por resistência. O processo é bastante usado na fabricação (soldagem longitudinal) de tubos e perfis de aço de parede de pequena espessura (de cerca de 0,13 mm) podendo ser usado, também, para tubos de grande espessura de parede (até 25 mm), com uma grande velocidade de soldagem (até cerca de 300 m/min), sendo adequado para aplicações mecanizadas ou automatizadas onde um grande volume de produção é necessário. O aquecimento da junta tende a ser bem localizado minimizando alterações no metal de base. O processo pode ser usado para diferentes metais e ligas, incluindo aços carbono e de baixa liga, aços inoxidáveis e ligas de alumínio, cobre, titânio e níquel. SOLDAGEM POR FRICÇÃO A soldagem de fricção (Friction Welding, FW) é um processo que utiliza energia mecânica, em geral associada com a rotação de uma peça, para a geração de calor na região da junta a ser soldada. Após o aquecimento adequado da junta, a peças são pressionadas para a formação da junta.
  55. 55. APOSTILA 2 O processo é, em geral, usado para a soldagem de peças de simetria cilíndrica (tubos e barras), que podem ser de metais dissimilares. O processo pode também ser aplicado, através da rotação e pressão de uma barra contra a superfície de uma peça, para a deposição de revestimentos especiais sobre essa peça ou a soldagem de um pino no interior desta. Na década de 90 foi desenvolvido um processo de soldagem por fricção ("Stir Friction Welding”) que utiliza a passagem de uma ferramenta em rotação entre as faces da junta para realizar a união das peças. Este processo tem sido aplicado principalmente na soldagem de ligas de alumínio. SOLDAGEM POR DIFUSÃO A soldagem por difusão (Diffusion Welding, DFW) é um processo de união no estado sólido que produz a solda pela aplicação de pressão a elevada temperatura sem a deformação macroscópica das peças. Um metal de adição pode ser colocado entre as superfícies da junta. A soldagem por difusão é um processo especializado de soldagem de aplicação restrita quando se deseja: (a) evitar problemas metalúrgicos associados com a soldagem por fusão, (b) fabricar componentes de dimensões e forma próximas das desejadas no produto final (“net shape”), e (c) produzir peças espessas com propriedades uniformes ao longo da espessura. O processo só é economicamente viável quando materiais especiais e de elevado custo são utilizados ou quando existe uma grande exigência quanto às dimensões da peça soldada, tendo suas aplicações sidas, até o presente, limitadas, em geral, a indústria eletrônica e aeroespacial. SOLDAGEM POR EXPLOSÃO A soldagem por explosão (Explosive Welding, EXW) é um processo que utiliza a energia de detonação de um explosivo para promover a união de peças metálicas. Uma das peças é lançada ao encontro da outra pela explosão e, durante a colisão, desenvolve-se uma intensa deformação plástica superficial capaz de remover as contaminações superficiais e promover a união das peças. Devido ao forte choque nas superfícies da junta, a solda resultante tem um aspecto típico ondulado. O processo pode ser utilizado para união de praticamente todos os metais e ligas que possuam ductilidade suficiente para não se romper durante a explosão e tem sido utilizado industrialmente para a fabricação de revestimentos, de chapas

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