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Tecnologia da solda apostila

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Soldagem

Engenharia
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1 Tecnologia da Solda Prof. Duperron Marangon Ribeiro Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Naval e Oceânica Última revisão: 27/04/2000
2 Contribuições Esta apostila foi escrita a partir do trabalho desenvolvido na disciplina Tecnologia de Soldagem pelos alunos Jorge Capeto, Rafael Fernandes Fanchini, Bernardo Nietmann, Felippe Fernandes Oliveira e Ulisses Monteiro durante o segundo período de 1999. O alto grau de interesse pela disciplina assim como a dedicação, capacidade e desempenho destes alunos possibilitaram o prazer de poder auferir o grau máximo para três deles. Quero portanto registrar o meu reconhecimento e agradecimento pela contribuição que deixaram para todas as turmas que se sucederão a esta. Duperron Marangon Ribeiro
3 CONTRIBUIÇÕES...................................................................................................2 INTRODUÇÃO ......................................................................................................11 HISTÓRICO DAS TÉCNICAS DE SOLDAGEM ...................................................12 PROCESSOS DE SOLDAGEM ............................................................................14 Eletrodo Revestido - SMAW..........................................................................................................................14 O Eletrodo Revestido....................................................................................................................................16 Vantagens e Limitações................................................................................................................................18 MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas)..........................................................................................20 Vantagens .....................................................................................................................................................20 Limitações.....................................................................................................................................................21 Princípio de Operação...................................................................................................................................22 Arame Tubular - FCAW................................................................................................................................23 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................24 Principais Características..............................................................................................................................24 Arco Submerso - SAW ...................................................................................................................................26 Principais características...............................................................................................................................27 Gravidade........................................................................................................................................................29 Vantagens .....................................................................................................................................................30 Desvantagens ................................................................................................................................................30 Equipamento.................................................................................................................................................30 TIG - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) .................................................................................................30 Introdução.....................................................................................................................................................30 Princípios de Operação .................................................................................................................................31 Vantagens .....................................................................................................................................................32 Limitações e Potenciais Problemas...............................................................................................................32 Eletroescória....................................................................................................................................................33 Eletrogás..........................................................................................................................................................35 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................35 Equipamentos................................................................................................................................................37 Consumíveis..................................................................................................................................................37 Aplicações Industriais...................................................................................................................................38 Oxiacetileno - OFW ........................................................................................................................................38 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................38 Características dos Gases de Combustão ......................................................................................................39 DEFEITOS NA SOLDAGEM.................................................................................45
4 Classificação dos Defeitos...............................................................................................................................45 Defeitos Dimensionais.....................................................................................................................................46 Distorção.......................................................................................................................................................46 Preparação Incorreta da Junta. ......................................................................................................................47 Tamanho Incorreto da Solda.........................................................................................................................47 Perfil Incorreto da Solda...............................................................................................................................48 Descontinuidades Estruturais da Solda ........................................................................................................49 Porosidade.....................................................................................................................................................49 Trincas ..........................................................................................................................................................52 Inclusões Não-metálicas ...............................................................................................................................55 Falta de Penetração .......................................................................................................................................57 Falta de Fusão ...............................................................................................................................................58 Mordedura.....................................................................................................................................................59 ENSAIOS NÃO-DESTRUTIVOS...........................................................................61 Introdução .......................................................................................................................................................61 Exame Visual...................................................................................................................................................61 Líqüido Penetrante .........................................................................................................................................62 Partículas Magnéticas.....................................................................................................................................63 Ultra–som ........................................................................................................................................................64 Generalidades................................................................................................................................................64 Aplicações do ultra-som no estaleiro............................................................................................................65 Medição de Espessura em Navios Velhos ....................................................................................................66 Inspeção de Materiais ...................................................................................................................................66 Inspeção de Soldas........................................................................................................................................66 Exame Radiográfico das Soldas.....................................................................................................................69 Generalidades................................................................................................................................................69 Produção de Raios-X ....................................................................................................................................70 Técnicas de Radiografia................................................................................................................................71 Penetrômetros ...............................................................................................................................................71 Defeitos no filme radiográfico......................................................................................................................73 Utilização Apropriada dos Diferentes Métodos de Ensaios.........................................................................74 TENSÕES RESIDUAIS.........................................................................................76 Conceito de Tensões Residuais em Metais....................................................................................................76 Tensões Residuais na Soldagem.....................................................................................................................78 Formação das Tensões Residuais na Soldagem............................................................................................81 DEFORMAÇÕES ..................................................................................................82 Contração Transversal...................................................................................................................................83
5 Contração Longitudinal .................................................................................................................................84 Distorção Angular...........................................................................................................................................84 Distorção Rotacional.......................................................................................................................................85 Flexão Longitudinal........................................................................................................................................85 Distorção Devido à Instabilidade...................................................................................................................86 EXECUÇÃO DA SOLDAGEM ..............................................................................88 Introdução .......................................................................................................................................................88 Preparação da Solda.......................................................................................................................................88 Seqüência de Passes e Seqüência de Cordões ...............................................................................................88 Seqüência de Deposição dos Passes e Cordões.............................................................................................89 Seqüência de Soldagem...................................................................................................................................91 Chanfros (Goivagem) .....................................................................................................................................93 Escalopes..........................................................................................................................................................94 CORTE..................................................................................................................95 Corte com Oxiacetileno ..................................................................................................................................95 O Processo de Corte......................................................................................................................................95 Equipamento.................................................................................................................................................96 Prevenção de Acidentes................................................................................................................................96 Principais Defeitos dos Cortes......................................................................................................................96 Corte com Arco-plasma..................................................................................................................................97 Precauções para corte com plasma: ..............................................................................................................99 JUNTAS SOLDADAS .........................................................................................101 Preparação dos Chanfros.............................................................................................................................101 Tipos de Juntas .............................................................................................................................................101 Juntas de Topo ............................................................................................................................................102 Juntas em T ou em Cruz..............................................................................................................................102 Juntas de Quina...........................................................................................................................................103 Juntas Superpostas (ou Sobrepostas) ..........................................................................................................103 Juntas de Arestas Paralelas .........................................................................................................................104 Juntas com Talas de Reforço ......................................................................................................................105 Decoesão Lamelar.........................................................................................................................................105 Dimensionamento da Solda..........................................................................................................................108 Soldas de Topo ...........................................................................................................................................108 Soldas de Filete...........................................................................................................................................109
6 Juntas em “T” .............................................................................................................................................109 QUALIFICAÇÃO DE SOLDADORES E PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM .111 Introdução .....................................................................................................................................................111 Qualificação do Procedimento de Soldagem...............................................................................................111 Qualificação de Soldadores..........................................................................................................................112 A SOLDAGEM NA CONSTRUÇÃO NAVAL ......................................................114 Introdução .....................................................................................................................................................114 Mudanças Introduzidas pela Soldagem na Construção Naval .................................................................114 Vantagens da Soldagem na Construção Naval............................................................................................114 Construção do Navio por Blocos ou Seções ...............................................................................................115 Processos de Soldagem Utilizados na Estrutura de Navios.......................................................................116 Processos de Soldagem Utilizados na Montagem dos Blocos ....................................................................116 Técnicas de Construção Naval....................................................................................................................117 Estágios da Fabricação................................................................................................................................118 Estágio da Submontagem............................................................................................................................118 Estágio de Montagem .................................................................................................................................119 Estágio da Edificação..................................................................................................................................120 Processos de Soldagem Utilizados ...............................................................................................................120 MANUTENÇÃO...................................................................................................121 Diferença entre Solda de Produção e Manutenção ....................................................................................121 Manual de Metais .........................................................................................................................................122 Aço..............................................................................................................................................................122 Identificação do Metal..................................................................................................................................123 Aço fundido ................................................................................................................................................123 Aço de Baixo Carbono................................................................................................................................123 Aço de Alto Carbono ..................................................................................................................................123 Aço Rápido .................................................................................................................................................124 Aços Inoxidáveis.........................................................................................................................................124 Corrosão nos Cordões de Solda...................................................................................................................124 ASPECTOS PRÁTICOS DA SOLDAGEM..........................................................126 Local de Soldagem ........................................................................................................................................126 Sistema de Alimentação de Gases................................................................................................................126 Sistema de Alimentação de Corrente Elétrica............................................................................................127
7 Fontes de Corrente Elétrica para a Solda...................................................................................................128 Bancadas de Solda ........................................................................................................................................128 Ensaio de Estanqueidade..............................................................................................................................129 Ensaio com Pressão Hidráulica...................................................................................................................129 Ensaio a vácuo ou ar comprimido...............................................................................................................129 Processo de ensaio por vazamento de gás...................................................................................................129 Objeto de Ensaio sob Super Alta Pressão a Gás de Teste...........................................................................130 Processo de Detecção de Vazamentos por Ultra-som.................................................................................130 Trabalhos de Soldagem e Corte em Recintos Confinados.........................................................................130 Perigos da Soldagem e Corte Oxi-acetilênico em Recintos Confinados.....................................................130 Medidas de Precaução em Recintos Confinados.........................................................................................131 Trabalhos em Áreas com Risco de Incêndio...............................................................................................132 SOLDAGEM SUBAQUÁTICA.............................................................................133 Reparos em Águas Profundas e Ultra-profundas ......................................................................................135 Soldagem em Ambiente Hiperbárico..........................................................................................................135 SOLDAGEM DE AÇOS ESPECIAIS...................................................................138 Classificação do Aço-carbono......................................................................................................................138 Soldagem de Aços de Baixa Liga .................................................................................................................140 Introdução...................................................................................................................................................140 Aços de Alta Resistência...............................................................................................................................141 Aços Criogênicos...........................................................................................................................................141 Soldagem dos aços de baixa liga ..................................................................................................................141 Soldabilidade dos Aços de Baixa Liga........................................................................................................142 Trincas na Solda..........................................................................................................................................142 Fragilização da Zona de Solda....................................................................................................................142 Soldagem do Aço-inoxidável........................................................................................................................143 Classificação dos Aços-inoxidáveis............................................................................................................143 Propriedades dos Aços-inoxidáveis ............................................................................................................144 Soldagem ....................................................................................................................................................144 SOLDAGEM DE LIGAS NÃO-FERROSAS ........................................................147 Soldagem do Magnésio e Suas Ligas ...........................................................................................................147 Considerações gerais...................................................................................................................................147 Soldabilidade ..............................................................................................................................................147 Processos de soldagem................................................................................................................................148 Soldagem do Cobre e Suas Ligas.................................................................................................................148 Considerações Gerais..................................................................................................................................148 Soldabilidade ..............................................................................................................................................148
8 Soldagem ....................................................................................................................................................149 Soldagem do Titânio e Suas Ligas ...............................................................................................................150 Considerações Gerais..................................................................................................................................150 Soldabilidade ..............................................................................................................................................150 Soldagem ....................................................................................................................................................151 Soldagem do Alumínio..................................................................................................................................151 Características do Alumínio e suas Ligas ...................................................................................................151 Aspectos e Problemas de Soldagem............................................................................................................151 Soldabilidade das Ligas de Alumínio: ........................................................................................................154 Execução da Soldagem do Alumínio e suas Ligas......................................................................................154 SOLDAGEM DE MATERIAIS DISSIMILARES...................................................157 Soldagem por Explosão ................................................................................................................................157 Fundamentos...............................................................................................................................................157 Utilização Comercial ..................................................................................................................................157 Vantagens ...................................................................................................................................................158 Princípio de Operação.................................................................................................................................158 Detonação ...................................................................................................................................................160 Velocidade e Ângulo de Sobrechapa ..........................................................................................................160 Colisão, Jato e Soldagem............................................................................................................................161 Natureza da Ligação ...................................................................................................................................161 Propriedades dos Explosivos ......................................................................................................................162 Procedimentos de Soldagem.......................................................................................................................162 Qualidade da Solda.....................................................................................................................................163 Características.............................................................................................................................................164 Segurança....................................................................................................................................................165 Soldagem Por Fricção...................................................................................................................................166 Princípios....................................................................................................................................................166 Soldagem por Fricção Contínua..................................................................................................................167 Soldagem por Fricção Inercial....................................................................................................................169 Aplicações do processo...............................................................................................................................170 Vantagens ...................................................................................................................................................171 Limitações...................................................................................................................................................172 SOLDAGEM DE LINHAS DE DUTOS (PIPELINES) ..........................................173 Aspectos Gerais.............................................................................................................................................173 Posições da Soldagem ...................................................................................................................................173 Processos de Soldagem .................................................................................................................................174 Formato de Juntas ........................................................................................................................................175 Preparação Anterior à Soldagem ................................................................................................................176 Condições dos Chanfros ...............................................................................................................................176 Alinhamento e Fixação .................................................................................................................................176
9 Ponteamento..................................................................................................................................................177 A Operação de Soldagem .............................................................................................................................178 Passe na Raiz ..............................................................................................................................................178 Passes de Enchimento e Passe de Acabamento...........................................................................................181 Tratamento Térmico Antes e Após a Soldagem..........................................................................................182 Ambiente e Altura Mínima do Solo para Execução da Soldagem..............................................................182 Outros Detalhes Pertinentes........................................................................................................................182 Qualificação de Soldadores e Operadores ..................................................................................................183 Inspeções e Ensaios.......................................................................................................................................183 Inspeções Antes da Soldagem.....................................................................................................................183 Inspeção Durante a Soldagem.....................................................................................................................183 Inspeção Visual...........................................................................................................................................183 Ensaio Hidrostático e de Estanqueidade .....................................................................................................184 Ensaios Não-destrutivos..............................................................................................................................184 Defeitos na Soldagem....................................................................................................................................184 DESEMPENO......................................................................................................185 Contração e Tensões na Soldagem ..............................................................................................................185 Contração Transversal.................................................................................................................................185 Contração Angular .......................................................................................................................................186 Contração Angular de Juntas em Ângulo....................................................................................................186 Contração Longitudinal ...............................................................................................................................187 Ação Conjunta das Contrações Transversais e Longitudinais .................................................................187 Prevenção Contra Empenos e Deformações...............................................................................................187 Medidas Contra Contrações Transversais..................................................................................................188 Medidas Contra Empeno Angular ..............................................................................................................188 Tratamento Posterior ...................................................................................................................................188 Plano de Seqüência de Soldagem.................................................................................................................188 PRÉ E PÓS-AQUECIMENTO .............................................................................190 CUSTOS DE SOLDAGEM..................................................................................193 SEGURANÇA NA SOLDAGEM..........................................................................196 Acidentes Provocados por Radiação do Arco.............................................................................................196 Radiação Visível.........................................................................................................................................196 Meios de Proteção.......................................................................................................................................196
10 Acidentes Provocados por Choques Elétricos ............................................................................................197 Precaução Contra Acidentes Causados por Choques Elétricos................................................................198 Acidentes Provocados por Gases Tóxicos ...................................................................................................198 Controle Ambiental ......................................................................................................................................199 Ventilação...................................................................................................................................................199 Protetores de Gases e Fumaça:....................................................................................................................200 Acidentes Provocados por Salpicos e Escórias ...........................................................................................200 Luvas Protetoras .........................................................................................................................................201 SIMBOLOGIA RELATIVA À SOLDAGEM .........................................................202 Símbolos Básicos ...........................................................................................................................................202 Símbolos Suplementares...............................................................................................................................205 Representação dos Símbolos ........................................................................................................................205 Exemplos de Utilização dos Símbolos de Solda ..........................................................................................208 GLOSSÁRIO .......................................................................................................209
11 Introdução A soldagem é hoje em dia, amplamente empregada na união de componentes de estruturas metálicas e de equipamentos para as finalidades mais diversificadas. As grandes vantagens da soldagem sobre os demais processos de união consistem em sua simplicidade e economia, uma vez que a execução das juntas soldadas requerem quantidades relativamente pequenas de material. Os processos de soldagem têm um amplo campo de aplicação, incluindo, entre outros, construção naval, estruturas civis, vasos de pressão, tubulações, etc. A soldagem também encontra grande aplicação em serviços de reparo e manutenção, como o enchimento de falhas em fundidos, reparos de trilhos, depósitos superficiais de alta dureza na recuperação de ferramentas e outras aplicações congêneres. Deve-se alertar, porém, que a soldagem em si não constitui o objetivo principal de uma obra estrutural, entretanto, como ela afeta diretamente a segurança e a economia da construção, seu estudo torna-se cada vez maior, sendo considerado um dos itens principais no processo global da construção de estruturas. Dessa maneira, além do projeto adequado da junta soldada, é necessário seguir uma seqüência de operações, que inclui a qualificação dos procedimentos e dos soldadores, bem como a seleção dos métodos de inspeção para garantir à estrutura as características funcionais segundo as quais foi concebida e projetada. Apesar da aparente simplicidade, a soldagem envolve uma gama bastante grande de conhecimentos que são implicitamente empregados durante a execução de uma junta soldada. Assim, a Engenharia de Soldagem é, na verdade, um somatório de conhecimentos que engloba as áreas de Engenharia Elétrica, Estrutural, Mecânica, Metalúrgica, Química e também Física Aplicada. O conhecimento de assuntos destas áreas é de fundamental importância para solucionar as tarefas envolvidas no projeto e na execução de uma obra estrutural como a seleção dos processos de soldagem, a escolha dos materiais de consumo, o estabelecimento da seqüência de soldagem e os processos de inspeção e controle de qualidade.
12 Histórico das Técnicas de Soldagem A arte de unir dois ou mais materiais metálicos já era conhecida desde as eras pré-históricas. Um exemplo típico é a brasagem que utiliza ligas de ouro e cobre, ou então de chumbo e estanho, empregada desde os anos 3000 ac. Obviamente, fontes de energia conhecidas naquela época restringiam-se à lenha ou ao carvão mineral, de modo que as limitações não permitiram um avanço maior das técnicas de união de metais. Foi somente após a descoberta da energia elétrica que a soldagem teve o impulso necessário para atingir o estágio que se encontra agora. Prova disso consiste no fato de que os processos de soldagem modernamente empregados, em sua maioria, foram desenvolvidos somente a partir do fim do século XIX. O arco elétrico de soldagem foi empregado pela primeira vez em 1885, por Bernados, que utilizou um eletrodo de grafita para obter o arco. O arco elétrico era gerado, mantendo-se o eletrodo de grafita cerca de 2mm distante do metal base, após o fechamento do circuito elétrico. Após o estabelecimento do arco, a soldagem se processava, um vez que o calor por ele gerado era suficiente para promover a fusão do metal base e do metal de enchimento, que era introduzido manualmente na poça da fusão. Utilizando o mesmo princípio, Zerner desenvolveu, em 1889, um novo método para fundir o metal base. O processo consistia em usar dois eletrodos de grafita para o arco elétrico, que por sua vez, era defletido em direção à junta da solda, empregando-se um campo magnético de alta intensidade. Em 1892, Slavianoff utilizava pela primeira vez na história da soldagem um eletrodo metálico que se fundia diretamente na poça de fusão. Posteriormente, o sueco Oscar Kjellberg descobriu que um eletrodo metálico, revestido por um material formando escória, melhorava sensivelmente a qualidade da junta soldada, dando assim início à era dos eletrodos revestidos, tão difundidos nos dias atuais. Anteriormente aos trabalhos de Slavianoff e Kjellberg, que foram marcos históricos no desenvolvimento tecnológico da soldagem, há de se destacar alguns outros desenvolvimentos de grande importância. Em 1886, Thompson inventou o processo de soldagem por resistência elétrica; em 1895 Goldschmitt desenvolveu a solda Termite e, em
13 1901, a chama oxiacetilênica foi empregada com grande sucesso na união de materiais metálicos, por Fouché e Piccard. Em termos práticos, pode-se considerar que os quase 20 anos compreendidos entre 1885 e 1901 constituíram a primeira fase áurea da Engenharia de Soldagem, uma vez que grande parte do desenvolvimento que levaria aos métodos de soldagem empregados atualmente teve origem naquele período. Após um intervalo de relativa estagnação, iniciou-se, em 1926, a segunda fase áurea da tecnologia de soldagem, cabendo a Lungumir desenvolver, naquele ano, o processo de soldagem por meio de hidrogênio atômico. Logo em seguida, Hobart e Denver patentearam o processo de soldagem em atmosfera de gás inerte, cujo emprego é largamente utilizado nos dias atuais. Em 1935, Kennedy divulgava seus trabalhos sobre um método automatizado de soldagem, e que deu origem ao processo de arco submerso. Logo a automatização do processo de soldagem trouxe seus reflexos na qualidade das juntas soldadas experimentaram uma melhoria considerável. Os aperfeiçoamentos posteriores introduzidos no processo de soldagem por arco submerso acabaram por elevá-lo à posição de destaque que ocupa hoje em dia, em todos os países. O rápido progresso da ciência e da tecnologia, a partir dos anos 50, proporcionaram um novo impulso à Engenharia de Soldagem, o que possibilitou o desenvolvimento de novas técnicas, desta vez muito sofisticadas e mais voltadas para aplicações específicas. Durante esta terceira fase áurea, vários processos foram patenteados, dentre os quais poderiam ser destacados os métodos de soldagem por pressão a frio, por atrito, em atmosfera de gás ativo ou CO2, a soldagem por eletroescória , a soldagem ultrassônica, por feixe de elétrons, a plasma , por laser e outros. Apesar do grande número de métodos existentes, é necessário frisar que nem todos foram utilizados em toda a sua potencialidade, esperando-se que isto aconteça à medida que novas técnicas, cada vez mais precisas e perfeitas, sejam requisitadas para a construção de estruturas cada vez mais complexas.
14 Processos de Soldagem Eletrodo Revestido - SMAW No processo de soldagem com eletrodo revestido, um arame coberto é fundido sobre a peça de trabalho pelo calor de um arco elétrico que é estabelecido entre o eletrodo e a peça. A corrente elétrica que sustenta o arco pode ser alternada ou continua, e nesta última a polaridade depende de qual parte é conectada aos pólos negativo e positivo da fonte. O pólo negativo, pelo qual os elétrons entram no arco é chamado “cátodo” e o pólo positivo é conhecido como “ânodo”. Em soldagem com eletrodo revestido, bem como outros processos que usam eletrodos consumíveis, a polaridade reversa (ânodo positivo) é usada para a maioria das aplicações. A soldagem com eletrodo revestido é tipicamente realizada manualmente, mas equipamentos semi-mecanizados estão também disponíveis. A fonte de soldagem é comumente de “corrente constante” para prevenir mudanças da tensão durante a soldagem manual. Na operação manual, o soldador toca a ponta do eletrodo sobre o metal de base para iniciar o arco. Este procedimento aquece a face descoberta do arame no núcleo do eletrodo e queima o revestimento próximo, induzindo a ionização de alguns elementos, que estabilizam o arco. Em processos semi-mecanizados este procedimento é realizado conectando o eletrodo e a peça de trabalho com uma pequena peça de palha de aço ou sobrepondo alta freqüência ao fornecimento de corrente principal ao eletrodo até formar o arco. No primeiro caso, a pequena peça de palha de aço queima quando a corrente de soldagem é aplicada. A emissão de elétrons ou ionização de alguns ingredientes do revestimento também ocorre. Com a alta freqüência, a ionização de moléculas entre a ponta do eletrodo e a peça de trabalho resultam em um fluxo de corrente de soldagem.
15 Depois do arco estabilizado, o soldador deve ser capaz de iniciar um movimento de alimentação (mergulho), para manter o comprimento do arco constante enquanto se mantém um movimento de translação para distribuir o metal fundido ao longo do comprimento de solda. Com equipamento mecanizado, esta operação pode ser realizada pela translação do porta-eletrodo, usando um carro automático e realizando o movimento de mergulho por meio de motores elétricos ou sistemas pneumáticos e hidráulicos. Alguns equipamentos mecanizados podem ser pré-programados com as duas velocidades, e a soldagem é conduzida com um comprimento de arco e uma velocidade de alimentação constantes. Outros com motores de passos podem ser equipados com um sistema de
16 controle com realimentação de tensão (feedback) entre o porta-eletrodo e a peça a ser soldada, o que controla o movimento de mergulho, mantendo a tensão preestabelecida. Durante a soldagem, a corrente elétrica passa do porta-eletrodo para o eletrodo e através deste para a coluna do arco, entrando na poça de fusão no metal de base. O calor gerado pelo arco funde ambos, o metal de base e o eletrodo e causa a transferência do metal líquido, na forma de gotas da ponta do eletrodo para a poça de fusão. Entre 60 e 90 segundos, tempo em que um eletrodo é consumido, vários fenômenos físico-químicos, metalúrgicos e elétricos ocorrem na zona do arco, os quais são decisivos na morfologia, nas propriedades mecânicas e na microestrutura da solda. Interações metal/escória na poça da solda e aquecimento do eletrodo devido ao efeito Joule, e também devido ao calor conduzido do arco, são alguns destes fenômenos. Soldagem a arco com eletrodo revestido O Eletrodo Revestido A fabricação de eletrodos revestidos para o processo SMAW se torna cada vez mais complicada à medida em que a faixa aplicada se amplia requerendo consideração especial. O revestimento do eletrodo é geralmente compactado em torno de um arame por meio de prensas extrusoras com grande capacidade de pressão. O material do
17 arame do núcleo do eletrodo, para eletrodos de aço doce ou de baixa liga, é, na maioria dos casos, o aço de baixo carbono. Para aços de alta liga, um arame com composição química similar à do metal base é mais usado. A primeira importante para o fluxo que será utilizado como revestimento é a sua extrudabilidade em torno do arame do núcleo. Ele deve aderir tenazmente ao arame e não se deteriorar ou se decompor de maneira prematura com o calor vindo da poça de fusão durante a soldagem. Deve também resistir a impactos ou vibrações durante a embalagem ou o transporte. Outro fator importante a ser considerado na manufatura dos eletrodos é a razão entre as áreas de seção transversal do arame e do revestimento, definida como a “razão do revestimento”. Esta razão é definida como: R D d d = −( ) * 2 2 2 100 Onde: - R - razão do revestimento (%); - D - diâmetro externo do revestimento em milímetros; - d - diâmetro do arame do núcleo do eletrodo em milímetros. A razão do revestimento junto com a concentricidade do revestimento, tem uma grande influência na estabilidade do arco e pode afetar significativamente o aquecimento do eletrodo durante a soldagem. Dependendo do tipo de eletrodo sendo usado, o revestimento efetua uma ou várias das seguintes funções: 1. Gera a atmosfera de proteção para o arco e a poça de solda fundida; 2. Fornece a quantidade suficiente de elementos desoxidantes ao metal de solda para refinar a microestrutura; 3. Fornece elementos de liga ao metal de solda; 4. Forma uma escória para proteger o metal de solda durante a solidificação e o resfriamento;
18 5. Sustenta a estabilidade do arco, etc. Vantagens e Limitações O processo SMAW é um dos processos mais amplamente utilizados. Ele é o mais simples em termos de necessidade de equipamentos. Apesar da perícia do soldador ser um fator importante, muitos operários adquirem habilidade através de treinamento e experiência no trabalho. O custo de investimento em equipamentos é relativamente baixo, e os eletrodos para soldagem (exceto os para metais muito reativos, tais como o titânio, magnésio, e outros), são facilmente encontrados no mercado e estão disponíveis para aplicações em manutenção, construção e outros processos que necessitem de soldagem. O processo SMAW possui a maior flexibilidade entre todos os processos de soldagem, pois pode ser usado em todas as posições (plana, vertical, horizontal, etc) além de trabalhar com praticamente todas as espessuras do metal base e em áreas de acesso limitado, o que representa uma vantagem muito importante. O processo SMAW possui várias outras vantagens, tais como: 1. O metal de solda e os meios de proteção desta solda são fornecidos pelo eletrodo revestido; 2. O processo de soldagem é menos sensível a correntes de ar do que o processo de solda a arco de proteção gasosa (GMAW); 3. Não necessita de gás auxiliar de proteção; 4. É apropriado para a maioria dos metais e ligas metálicas comumente usadas. Os eletrodos são disponíveis para aço carbono e aços de baixa liga, cobre, níquel e suas ligas, e para algumas ligas de alumínio. Por ser um processo tipicamente manual e o nível de habilidade do soldador é de fundamental importância para se obter uma solda de qualidade aceitável. O processo SMAW tem algumas limitações tais como, as baixas taxas de deposição quando comparado com o processo GMAW, e um fator do operação baixo. Como o eletrodo pode
19 ser consumido até um comprimento mínimo, quando este comprimento é atingido, o soldador deve trocar a parte não consumida por um outro eletrodo. Esta troca de eletrodos torna o rendimento do processo menor, comparado aos demais. Metais como o zinco e suas ligas não são soldados pelo SMAW, pois a intensidade do calor do arco é muito alta para eles. Este processo não é adequado para metais reativos como o titânio, o zircônio e o tântalo, pois o revestimento fornecido não permite evitar a contaminação do oxigênio na solda. Uma limitação importante é que, assim que o arco é estabelecido, a corrente atravessa o comprimento inteiro do eletrodo. A quantidade de corrente que pode ser usada, portanto, é limitada pela resistência elétrica do arame do núcleo do eletrodo. Uma amperagem excessiva sobreaquece o eletrodo e danifica o revestimento. Isso provoca mudança nas características do arco e da própria proteção obtida. Devido a esta limitação, as taxas de fusão são geralmente menores do que no processo GMAW. Obs.: Revestimentos de eletrodo podem ser fabricados para serem usados em corrente alternada AC. Com AC, o arco se extingue cada vez que a corrente passa pelo zero e é restabelecido cada vez que a corrente inverte a sua direção. Para uma boa estabilidade do arco, é necessário que tenha um gás no fluxo do arco, que permaneça ionizado a cada inversão da corrente. Este gás tornará ,possível a reignição do arco. Os gases que rapidamente ionizam são facilmente encontrados em compostos, incluindo aqueles com potássio. É a inclusão destes compostos no revestimento que torna possível a operação em AC. Ex.: Eletrodo rutílico(TiO2). A ação de proteção do arco é basicamente a mesma para todos os eletrodos, mas o método e o volume de escória produzido variam de um tipo para outro. Alguns materiais de revestimento têm o seu volume convertido em gás, gerando uma escória muito fina. Esse tipo de eletrodo depende de uma proteção gasosa para prevenir contaminações do ar atmosférico. Por outro lado, existem eletrodos cujo volume de revestimento é transformado em escória pelo calor do arco e um volume pequeno de gás de proteção. Pequenos glóbulos de metal transferido são inteiramente protegidos por uma pequena
20 camada fina de escória fundida. Esta escória flutua na superfície da poça de fusão pois é mais leve, e solidifica depois do metal de solda. A soldagem com este tipo de eletrodo é caracterizada por grandes deposições de escória, cobrindo completamente a camada de solda. Entre estes dois extremos, existe uma variedade de eletrodos, cada um com uma combinação diferente de gás e escoria de proteção. MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas) Gas Metal Arc Welding - GMAW é um processo que utiliza o arco elétrico para aquecer a peça, e um metal de alimentação contínua para a união de peças metálicas. Esse processo utiliza uma fonte externa de gás de proteção para a poça de solda, contra contaminação do ar externo. A concepção básica do GMAW iniciou-se em 1920, entretanto somente em 1948 o processo tornou-se comercial. Inicialmente, altas densidades de corrente e pequenos diâmetros de eletrodos consumíveis com proteção de gás inerte eram utilizados. Por causa dessa característica, o processo era conhecido como Metal Inert Gas - MIG. Com a evolução do processo, permitiu-se a união de peças com baixas densidades de corrente, podendo a corrente ser pulsada, e empregar gás ativo ou mistura de gases. Esse processo ficou conhecido como Metal Ative Gas - MAG. O processo GMAW pode operar nos modos automático e semi- automático, para soldagem de uma enorme gama de materiais ferrosos e não ferrosos (aço carbono, high strength low alloy steel - HSAS, aço liga, aço inoxidável, alumínio, cobre, titânio e ligas de níquel), em todas as posições de soldagem. A soldagem GMAW é usada em processos de fabricação e manutenção de equipamentos e peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no recobrimento de superfícies metálicas com materiais especiais. Vantagens 1. Operação fácil e suave; 2. Alta eficiência; 3. Velocidade de deposição elevada;
21 4. Alta taxa de deposição; 5. Soldagem com longos cordões de solda, sem interrupção; 6. Não existência de fluxos de soldagem; 7. Não há praticamente formação de escória; 8. Soldagem em todas posições; 9. Alto fator de ocupação do soldador; 10. Grande versatilidade quanto ao tipo de material e espessuras aplicáveis; 11. A junta soldada apresenta características de elasticidade, tenacidade, estanqueidade e resistência à propagação de trincas, superiores às obtidas por meio de outros processos equivalentes, No gráfico abaixo tem-se a relação entre a velocidade de deposição e a corrente de soldagem, mostrando a elevada eficiência do processo GMAW (possui a maior taxa de deposição entre os processos). Limitações 1. Equipamento complexo, menos portátil em relação ao SMAW, de maior investimento e custo operacional;
22 2. Dificuldade de realização de soldas em lugares estreitos; 3. Necessita-se de proteção contra ventos, onde correntes de ar são consideráveis; 4. Maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco; 5. Ajuste rigoroso de parâmetros para se obter um determinado conjunto de características para a solda; 6. Menor variedade de consumíveis; 7. Dificuldade de proteção do cordão de solda, principalmente na zona termicamente afetada (ZTA); Princípio de Operação A soldagem GMAW é um processo normalmente semi-automático em que a alimentação do arame é feita mecanicamente (através de um alimentador motorizado), sendo o soldador responsável pela iniciação e interrupção da soldagem, além da movimentação da tocha ao longo da junta.
23 O soldador deve aproximar a tocha da peça e acionar o gatilho. Quando o eletrodo tocar a peça, dá-se a abertura do arco, iniciando o fluxo de gás protetor e alimentação do arame. Depois da formação da poça de fusão, a tocha é deslocada ao longo da junta com velocidade uniforme, podendo-se realizar movimentos de tecimento do cordão se necessário. Ao final da operação, o soldador deve soltar o gatilho, interrompendo todo o processo. A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua de arame ao arco, e seu comprimento é mantido aproximadamente constante, independentemente dos movimentos do soldador, dentro de certos limites. Essa característica se dá devido à utilização de fontes de soldagem de corrente constante que permitem grandes variações de tensões para pequenas variações de corrente. Entretanto, para soldagem em alumínio, a manutenção da velocidade de alimentação do arame e a utilização de fontes de soldagem de corrente constante resultam em uma pequena diferença de temperatura na superfície do material, o que poderá não ser suficiente para fundir a camada de óxido refratário superficial. Nesse caso, uma alta habilidade do soldador será requerida. O calor gerado pelo arco durante o processo é usado para a fusão das peças a serem unidas, sendo o arame transferido para a junta em forma de metal de adição. Arame Tubular - FCAW Os processos de soldagem a arco tiveram início nos anos 20, quando definiram que o arco e o metal fundido deveriam ser protegidos da contaminação da atmosfera. De qualquer modo o desenvolvimento do eletrodo revestido, reduziu o interesse pelos métodos de soldagem com proteção gasosa. Argônio e Hélio foram os dois primeiros gases de proteção deste tempo. Trabalhos de pesquisas lideraram o assunto de soldagem, parte com eletrodo revestido e parte com a soldagem com proteção gasosa. Os resultados destas análises mostraram que o gás predominante era o conhecido CO2. O processo com arame tubular é um contínuo aprimoramento. Fontes de energia e arame tubulares são no momento o grande acontecimento. Os eletrodos estão em
24 contínuo desenvolvimento. As ligas de eletrodos em pequenos diâmetros são os mais avançados. Fundamentos do Processo 1. É um processo que forma um arco entre o eletrodo e a poça de fusão; 2. É um processo que usa a proteção que vem do fluxo interno do arame, podendo ou não ter proteção gasosa adicional; 3. O eletrodo tubular é composto de um arame oco e um núcleo com vários ingredientes em pó e estes ingredientes exercem determinadas funções tais como: proteção contra a atmosfera, desoxidação, estabilização do arco, formação de escória e pode também conter elementos de liga; 4. Durante a soldagem há uma grande formação de escória, que protege a solidificação do metal soldado; 5. A principal característica operacional do processo resulta das propriedades que são atribuídas ao desenvolvimento do eletrodo; 6. O aspecto que distingue o FCAW dos outros processos de soldagem a arco, é o enclausuramento dos ingredientes do fluxo dentro do eletrodo. Principais Características As principais características estão concluídas em: 1. Produção de arame contínuo para soldagem; 2. A possibilidade de produzir o fluxo conforme metalurgia; 3. A ajuda da escória na forma e aspecto da gota. O processo de soldagem com arame tubular tem duas versões. Na 1a versão (Eletrodo com proteção gasosa) o fluxo interno tem principalmente a função de
25 desoxidante e de introdutor de elementos de liga. As funções de proteção do arco e da criação de uma atmosfera mais ionizável ficam mais a cargo do gás introduzido a parte que tem a finalidade de proteger o metal fundido dos gases da atmosfera externa. O gás de proteção usualmente é o dióxido de carbono ou uma mistura de argônio e dióxido de carbono. O processo de proteção a gás é apropriado para produção de peças pequenas e soldagem de profunda penetração. No processo com proteção a gás, o extremo do arame emerge do interior de um tubo que estabelece o contato elétrico e há um outro tubo que forma uma coifa (regador) de onde flui o gás de proteção do arco. Soldagem a arco com arame tubular com proteção gasosa Na 2a versão (Eletrodo auto-protegido) a proteção é obtida pelos ingredientes do fluxo, que vaporizam e se deslocam com o ar para os componentes da escória que cobrem a poça para protegê-la durante a soldagem. O arame tubular emerge de um tubo guia eletricamente isolado e o contato elétrico fica mais distante da extremidade do arame.
26 Soldagem a arco com arame tubular auto-protegido Características de alguns eletrodos auto-protegidos, é o uso de eletrodos com grande extensão. A extensão dos eletrodos é o comprimento do mesmo não fundido até o final do tubo de contato durante a soldagem e varia de 19 a 95 mm, dependendo da aplicação. Aumentando a extensão do eletrodo aumenta a resistência elétrica do eletrodo, este pré-aquece e diminui a tensão requerida do arco. Em alguns casos a corrente de soldagem diminui o que reduz o calor disponível para fundir o metal de base, resultando assim uma solda estreita e rasa. Alguns eletrodos auto-protegidos têm sido desenvolvidos especificamente para soldagem de revestimento de zinco, aço e alumínio, comuns em produção automobilística. Grandes extensões dos eletrodos não podem ser igualmente aplicados para outros métodos de proteção a gás, por causa de efeitos desfavoráveis na proteção. Normalmente o processo com eletrodo auto-protegido é usado para trabalhos em campo, porque eles permitem correntes de ar maiores. Arco Submerso - SAW SAW é um processo no qual a união de metais se dá pelo calor fornecido por um arco elétrico entre um eletrodo nu e uma peça. O nome desse processo é devido ao
27 fato do arco e do metal fundido pelo calor estarem submersos numa cobertura de um fluxo granular fusível. Não é usada pressão e o metal de enchimento é obtido do eletrodo ou de uma fonte suplementar como uma varinha (welding rod) ou metal granular. O fluxo desempenha importante função na soldagem pois dele dependem a estabilidade do arco, as propriedades mecânicas e químicas da solda e a qualidade da mesma. O processo SAW é um processo capaz de fazer soldas com correntes acima de 2000 amperes, alternadas ou contínuas e também um ou mais arames como enchimento. O arco elétrico gerado entre um arame de enchimento e o metal-base permanece sob uma camada de um material fundente, denominado fluxo, o qual tem a função de proteger a poça de fusão dos efeitos da atmosfera. A figura abaixo esquematiza este processo de soldagem. Principais características 1. Como o arco e a poça de fusão são totalmente protegidos pelo fluxo, obtém–se um metal depositado de alta qualidade; 2. Como os arames de enchimento, normalmente, têm grandes diâmetros, as correntes de soldagem também são altas, o que proporciona uma penetração bastante profunda, associada
28 igualmente a uma grande eficiência de deposição; 3. Devido ao alto rendimento térmico do processo, os chanfros da junta são pequenos, permitindo uma alta economia de material consumível; 4. A automatização do processo não requer treinamento especializado do operador, e este tem pouca influência sobre a qualidade final da junta soldada; 5. Como o arco não é visível, uma combinação inadequada das variáveis de soldagem poderá condenar totalmente uma junta soldada e executada sob estas condições; 6. A soldagem só poderá ser executada na posição plana; 7. A automação do processo oferece poucas alternativas de aplicação, se comparada a outros tipos de soldagem, semi–automáticos ou manuais. A maior vantagem da soldagem por arco submerso reside em sua alta eficiência e na possibilidade de usar altas correntes, de modo que, quando se empregam múltiplos eletrodos simultaneamente, a intensidade da corrente pode atingir valores de até 3000 amperes. Um dos pontos críticos do processo reside na manutenção do alinhamento do arco com a linha de centro da junta, uma vez que todo o sistema fica sob o fluxo. Além disso, devido ao diâmetro do arame de enchimento, é impossível a execução manual da soldagem, razão pela qual o processo deve ser automatizado. Existem vários tipos de equipamentos para soldagem por arco submerso, na figura abaixo podemos ver um dos mais comumente empregados na prática. Nele, o cabeçote da soldagem é montado sobre um carro, que se movimenta ao longo de trilhos apropriados. O fluxo é alimentado por meio de um tubo, ligado ao reservatório, que também está montado no carro. Um carretel de arame completa o sistema móvel e a sua alimentação se faz por meio de um mecanismo alimentador de arame de enchimento. Para aumentar a velocidade de deposição do processo, costuma-se, muitas vezes, utilizar dois ou três arames de enchimento simultaneamente.
29 Fontes de alimentação de CA com características tombantes e fontes de CC com tensão constante são utilizados na soldagem por arco submerso. As primeiras têm um custo acessível e são facilmente operáveis, tendo como vantagem a eliminação do sopro magnético, mesmo com altas intensidades de corrente. Por outro lado as fontes de CA exigem um controle mais preciso da velocidade de alimentação do arame. Isto é conseguido através de um circuito apropriado no qual a tensão do arco controla a velocidade do eletrodo, para manter o comprimento do arco o mais estável possível. Já nas fontes de CC, é possível trabalhar com uma velocidade de alimentação constante e a polaridade inversa do arame de enchimento. O processo a CC é também empregado na soldagem de chapas finas de aço, a altas velocidades e na utilização do método de múltiplos eletrodos. Os arames de enchimento são apresentados em uma grande gama de diâmetros. Atualmente, existem no mercado os arames de 2,4; 3,2; 4,0; 4,8; 5,6; 6,4; e 8,0 milímetros. Do ponto de vista de eficiência de deposição, os arames de 4,0 a 6,4 milímetros de diâmetro são os mais empregados. Gravidade Os princípios básicos da solda por gravidade são os mesmos da solda com eletrodo revestido, mas tem sua utilização limitada por ser usada somente para solda de filete. Os eletrodos têm um revestimento com pó de ferro e óxido de ferro, e tem comprimentos de 635 a 760 mm.
30 Vantagens O operador pode operar de 4 a 6 suportes de eletrodo simultaneamente, ganhando produtividade e diminuindo o custo de H/H, já que o operador não necessita ser um soldador altamente qualificado. Desvantagens Difícil montagem dos suportes em lugares confinados. Equipamento O suporte é formado por um tripé, onde o grampo de eletrodo desce por uma guia inclinada enquanto o eletrodo é consumido. Quando o eletrodo é consumido, o operador troca o eletrodo para prosseguir com a solda. Equipamento utilizado para a solda por gravidade TIG - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) Introdução O processo de soldagem TIG, como é mais conhecido atualmente, é um processo de soldagem a arco elétrico que utiliza um arco entre um eletrodo não consumível
31 de tungstênio e a poça de soldagem. Conforme pode-se notar pela figura abaixo, a poça de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é soprado pelo bocal da tocha. No processo, pode-se utilizar adição ou não (solda autógena), e seu grande desenvolvimento deveu-se à necessidade de disponibilidade de processos eficientes de soldagem para materiais difíceis, como o alumínio e magnésio, notadamente na indústria da aviação no começo da segunda grande guerra mundial. Assim, com o seu aperfeiçoamento, surgiu um processo de alta qualidade e relativo baixo custo, de uso em aplicações diversas, com inúmeras vantagens que descreveremos a seguir. Princípios de Operação O GTAW funciona através do eletrodo de tungstênio (ou liga de tungstênio) preso a uma tocha. Por essa mesma tocha é alimentado o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da atmosfera. O arco elétrico é criado pela passagem de corrente elétrica pelo gás de proteção ionizado, estabelecendo-se o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Em termos básicos, os componentes do GTAW são: 1. Tocha; 2. Eletrodo;
32 3. Fonte de Potência; 4. Gás de Proteção. Por suas características resume-se, então, as vantagens e limitações do processo: Vantagens 1. Produz soldas de qualidade superior, geralmente livres de defeitos; 2. Está livre dos respingos que ocorrem em outros processos a arco; 3. Pode ser utilizado com ou sem adição; 4. Permite excelente controle na penetração de passes de raiz; 5. Pode produzir excelentes soldagem autógenas (sem adição) a altas velocidades; 6. Permite um controle preciso das variáveis da soldagem; 7. Pode ser usado em quase todos os metais, inclusive metais dissimilares; 8. Permite um controle independente da fonte de calor e do material de adição. Limitações e Potenciais Problemas 1. Taxas de deposição inferiores com processos de eletrodos consumíveis; 2. Há necessidade de maior destreza e coordenação do operador em relação ao SMAW e GMAW; 3. É menos econômico que os processos de eletrodos consumíveis para espessuras a 10 mm; 4. Há dificuldade de manter a proteção em ambientes turbulentos; 5. Pode haver inclusões de Tungstênio, no caso de haver contato do mesmo com a poça de soldagem;
33 6. Pode haver contaminação da solda se o metal de adição não for adequadamente protegido; 7. Há baixa tolerância a contaminantes no material de base ou adição; 8. Vazamento no sistema de refrigeração pode causar contaminação ou porosidade, sopro ou deflexão do arco, como em outros processos. Eletroescória A soldagem por eletroescória é um processo no qual o coalescimento do metal–base e o do metal de enchimento é provocado pelo calor gerado pelo efeito de resistência elétrica no interior de uma escória em fusão. O eletrodo é continuamente alimentado para o interior da escória e o calor aí gerado deve ser suficiente para fundir tanto o metal – base, como o próprio eletrodo. Este vai-se depositando no fundo da junta assim formada, delimitada pelas paredes do metal–base e por duas sapatas de cobre, fixas ou deslizantes e devidamente resfriadas a água. O princípio de funcionamento de soldagem por eletroescória é ilustrado na figura abaixo. Este processo é empregado para soldagem de seções pesadas na posição vertical, e tem-se notícias da execução de juntas com 300 milímetros de espessura, soldadas
34 em um só passe, utilizando três eletrodos simultaneamente. Em termos comparativos, a eficiência do processo eletroescória é superior ao do arco submerso, principalmente para chapas bastante espessas, sendo, por isso, muito utilizado na soldagem de equipamentos para a indústria química e motores marítimos. A preparação de juntas de geometria complicada é dispensável na soldagem por eletroescória, sendo suficiente a junta de bordas retas, ou em I, na maioria dos casos. A abertura entre as chapas deve se situar entre 20 e 35 milímetros, que é aparentemente exagerada para chapas de menor espessura, mas relativamente baixa para chapas bastante grossas. Devido às características do processo eletroescória, o metal-base e a zona termicamente afetada apresentam-se com granulação grosseira, o que acarreta uma diminuição da sua tenacidade. Nos casos em que se exige um nível mínimo de tenacidade para a junta soldada, deve-se proceder a um tratamento térmico adequado, como por exemplo a normalização. Um aperfeiçoamento do processo ora em estudo consiste na soldagem por eletroescória, utilizando um tubo-guia consumível, que permite uma operação mais simples. Por este método, um tubo-guia, revestido com fundente apropriado, é imerso no banho de escória e, através dele, o arame de enchimento é alimentado de modo contínuo. O tubo–guia funciona como supridor de fundente para o banho, um guia para o arame de soldagem e uma fonte adicional de energia. A figura abaixo apresenta uma ilustração do funcionamento do processo, bem como dois tipos de tubo-guia consumível.
35 Os tubos-guia são fabricados a partir de tubos de aço e revestidos com fundentes apropriados. O diâmetro dos tubos varia entre 8 e 12 milímetros e o comprimento, entre 500 e 1200 milímetros. O diâmetro a ser utilizado é função da espessura da chapa a ser soldada e a extensão da junta é, em geral, limitada pelo comprimento do tubo–guia. Quando se deseja uma junta mais extensa, é comum utilizar-se mais de um tubo–guia. Nesse caso, uma corrente suplementar de soldagem é alimentada na altura do ponto médio dos tubos, para diminuir o efeito de baixa de seu isolamento, devido ao aquecimento pelo efeito de resistência elétrica. As propriedades da zona de solda são similares às obtidas pelo processo eletroescória convencional. Eletrogás Fundamentos do Processo A soldagem eletrogás (Electrogas Welding - EGW) é uma variação dos processos de soldagem a arco com eletrodo metálico e proteção gasosa (GMAW) e soldagem a arco com arames tubulares (FCAW). Por outro lado, seus aspectos operacionais são similares aos da soldagem por eletroescória, a partir do qual foi desenvolvido. A soldagem eletrogás é um processo de soldagem por fusão, que utiliza como fonte de calor um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo,
36 sólido ou tubular, e um banho de metal fundido ou de escória. O material fundido fica contido numa cavidade com eixo na vertical, formada pelas chapas e sapatas de contenção, como no processo eletroescória. É opcional o uso de proteção gasosa do banho, dependendo do tipo de eletrodo usado. O arco elétrico é aberto inicialmente sobre uma chapa de partida, situada na parte inferior da junta. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e as superfícies do metal de base. Uma poça de metal líquido é formada sob o arco. 0(s) eletrodo(s) são alimentados continuamente ao arco e as sapatas de contenção são deslocadas para cima à medida que a junta vai sendo preenchida. A solidificação do metal depositado consolida a união. Na soldagem com eletrodos sólidos, a proteção é feita por uma nuvem de gás inerte, ativo ou mistura, fornecida por uma fonte externa, geralmente através de orifícios adequados nas sapatas de contenção. Na soldagem com eletrodo tubular a proteção é dada pela fina camada de escória produzida a partir do fluxo de soldagem contido no eletrodo, que pode ser suplementada por uma nuvem de gás, quando se empregam arames tubulares recomendados para uso com proteção gasosa. Neste processo, a escória utilizada na soldagem eletroescória é substituída pela blindagem de CO2, mas as operações de soldagem são bastante similares. Como no processo MAG, o CO2 tem também a função de proteger o arco elétrico, que é gerado entre o arame de enchimento, de alimentação contínua, e a poça de fusão. O gás é introduzido na região de solda por meio de orifícios apropriados existentes na sapata deslizante de cobre. A soldagem eletrogás é bastante utilizada na união vertical de chapas de aço de até 30 milímetros de espessura. Como no caso do processo eletroescória, o eletrogás também proporciona alta eficiência, possibilidade de executar juntas pesadas em um só passe e dispensa a necessidade de preparar as juntas de solda. Do ponto de vista operacional, o processo em discussão apresenta as seguintes vantagens em relação ao seu similar que utiliza o banho de escória: 1. A abertura entre as chapas é mais reduzida, economizando, dessa maneira, material consumível e energia despendida na soldagem; 2. As tolerâncias no contato das sapatas de cobre são mais brandas,
37 pois elas não têm a função específica de vedar o banho de escória. Conseqüentemente, um pequeno desalinhamento das chapas não irá influenciar na qualidade da junta soldada; 3. É aplicável a chapas de espessuras menores; 4. O comprimento da região de pouca penetração é menor no início da soldagem, comparativamente ao processo por eletroescória. Equipamentos O equipamento usado na soldagem eletrogás é similar ao da soldagem por eletroescória com guia não consumível, consistindo de uma fonte de energia elétrica, um cabeçote de soldagem, onde geralmente são colocados um alimentador de arame e um sistema de movimentação, sapatas de contenção, sistema de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o eletrodo. A diferença básica é a adaptação das sapatas para injeção de gás protetor e a fonte deste, quando aplicável. A fonte de energia usada é de corrente contínua, com saída do tipo tensão constante, geralmente um transformador-retificador ou motor-gerador. A fonte de gás protetor é constituída de um cilindro do gás ou mistura e reguladores de pressão e/ou vazão, como nos processes GMAW ou FCAW. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem EGW são os mesmos dos processos GMAW e FCAW, isto é, eletrodos e gases de proteção. Os eletrodos para soldagem de aços-carbono e aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são classificados pela especificação AWS A 5.26-78, e são divididos em sólidos e tubulares. Os arames sólidos são idênticos aos usados no processo GMAW, com diâmetro entre 1,6 e 4 milímetros. Os eletrodos tubulares também são encontrados nesta faixa de diâmetro e são classificados quanto à necessidade de uso de proteção gasosa, composição química e propriedades mecânicas do metal depositado.
38 Os gases usados são geralmente o CO2 e misturas 80% argônio e 20% CO2, tanto com arames tubulares quanto com arames sólidos. Aplicações Industriais A soldagem eletrogás é mais usada na união de chapas de aços-carbono ou ARBL posicionadas verticalmente. Esta situação é freqüentemente encontrada na montagem de estruturas robustas, como cascos de navios, tanques de armazenagem, edifícios, etc. O processo pode ser aplicado a outros tipos de materiais soldáveis pelos processes GMAW e FCAW. Em grande parte dos casos, a soldagem é feita no campo. Oxiacetileno - OFW Fundamentos do Processo Soldagem a oxigás (OFW) inclui qualquer operação que usa a combustão de um gás combustível com oxigênio como fonte de calor. O processo envolve a fusão do metal base e normalmente de um metal de enchimento, usando uma chama produzida na ponta de um maçarico. O gás combustível e o oxigênio são combinados em proporções adequadas dentro de uma câmara de mistura. O metal fundido e o metal de enchimento, se usado, se misturam numa poça comum e se solidificam ao se resfriar. Uma vantagem deste processo é o controle que o soldador exerce sobre o calor e a temperatura, independente da adição de metal. O tamanho do cordão, a forma e a viscosidade da poça são também controlados no processo. OFW é adequado para soldagem de reparo, para soldagem de tiras finas, tubos e tubos de pequeno diâmetro. Soldar seções espessas, exceto para trabalho de reparo, não é economicamente viável quando comparada com outros processos disponíveis. O equipamento usado em OFW tem um custo baixo, é normalmente portátil e versátil o bastante para ser usado para uma variedade de operações, tais como dobramento e retificação, pré-aquecimento, pós-aquecimento, deposição superficial, brazagem e soldabrazagem.
39 Acessórios de corte, bicos para multichama e uma variedade de acessórios para aplicações especiais aumentam a versatilidade do equipamento. Com mudanças relativamente simples no equipamento, operações de cortes manuais e mecânicos podem ser realizadas. Aços-carbono e de baixa liga e muitos metais não ferrosos, mas geralmente não refratários ou reativos, são normalmente soldados. Gases comerciais têm uma propriedade em comum, requerem oxigênio para sustentar a combustão. Um gás, para ser conveniente às operações de soldagem, deve apresentar as seguintes propriedades quando queimado: 1. Alta temperatura de chama; 2. Alta taxa de propagação de chama; 3. Conteúdo de calor suficiente; 4. Mínimo de reação química da chama com os metais base e de enchimento. Dentre os gases comercialmente disponíveis, o acetileno é o que mais se aproxima destes requisitos. Outros gases como propano, gás natural, propileno e gases baseados nestes, oferecem temperaturas de chama suficientemente altas, mas exibem baixas taxas de propagação de chama. As chamas finais destes outros gases são excessivamente oxidantes pelas proporções de oxigênio-gás combustível que são altas para gerar taxas de transferência de calor utilizáveis. Características dos Gases de Combustão A Tabela 1 lista algumas das principais características de gases comerciais. A fim de reconhecer o significado das informações nesta tabela, é necessário entender alguns termos e conceitos.
40 Tabela 1 – Características de gases combustíveis comuns Fórmula G.E. V.E R.E. T chama Calor da Combustão Gás (Ar=1 a (m 3 /kg) (oC) 1 a 2 a 3 a 15,6 o C) MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 Acetileno C2H2 0,906 0,91 2,5 3087 19,0 36 55 Propano C2H3 1,520 0,54 5,0 2526 10,0 94 104 Metil Acetileno C3H4 1,480 0,55 4,0 2927 21,0 70 91 Propileno C3H6 1,480 0,55 4,5 2900 16,0 73 89 Metano CH4 0,620 1,44 2,0 2538 0,4 37 37 Hidrogênio H2 0,070 11,77 0,5 2660 - - 12 Obs: G.E. = Gravidade específica; V.E. = Volume específico; R.E. = Razão estequiomética Gravidade Específica A gravidade específica de um gás, com referência ao ar, indica como o gás pode acumular em caso de vazamento. Por exemplo, gases com uma gravidade específica menor que o ar tendem a subir e podem juntar-se nos cantos superiores e no teto. Aqueles gases com gravidade específica maior que o ar tendem a se acumular em áreas baixas. Volume Específico Uma quantidade específica de gás a uma temperatura e pressão padrão pode ser descrita pelo seu volume ou peso. Os valores mostrados na Tabela 1 fornecem o volume específico a 15,6 ºC e sob pressão atmosférica. Se conhecermos o peso e o multiplicarmos pelo valor da tabela, teremos o volume e vice-versa. Razão de Combustão ou Estequiométrica A Tabela 1 indica o volume de Oxigênio teoricamente requerido para a combustão completa de cada gás. Estas razões Oxigênio-gás combustível (chamadas de estequiométricas) são obtidas do balanço químico das equações dado na Tabela 2. Os valores mostrados para combustão completa são úteis para os cálculos, porém, eles não representam a razão Oxigênio-gás combustível normalmente liberada na operação do
41 maçarico, porque a combustão completa é parcialmente sustentada pelo Oxigênio do ar das vizinhanças. Calor de Combustão O calor total de combustão de um gás de hidrocarboneto é a soma dos calores gerados nas reações primária e secundária que acontecem na chama global. Isto está mostrado na Tabela 1. Normalmente, o conteúdo de calor da reação primária é gerado na chama interna ou primária, onde a combustão é sustentada pelo Oxigênio fornecido pelo maçarico. A reação secundária acontece na chama externa (secundária), que envolve a primária, e é onde os produtos de combustão da reação primária são sustentados pelo Oxigênio do ar. Tabela 2 - Equações químicas para a combustão completa de gases combustíveis comuns Gás Combustível Reação com Oxigênio Acetileno C2H2 + 2,5 O2 = 2 CO2 + H2O Metilacetileno-propadieno (MPS) C3H4 + 4 O2 = 3 CO2 + 2 H2O Propileno C3H6 + 4,5 O2 = 3 CO2 + 3 H2O Propano C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O Gás Natural ( Metano ) CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O Hidrogênio H2 + 0,5 O2 = H2O Embora o calor da chama secundária seja importante em várias aplicações, o calor mais concentrado da chama primária é a principal contribuição para a capacidade de soldagem de um sistema a oxigás. A chama primária é dita neutra quando a equação da reação primária está balanceada, fornecendo apenas monóxido de carbono e hidrogênio. Sob estas condições, a atmosfera da chama primária não é nem carburizante nem oxidante. Desde que a reação secundária depende necessariamente dos produtos finais da reação primária, o termo neutro serve como um ponto de referência conveniente para descrever as razões de combustão e comparar os vários calores característicos de diferentes gases combustíveis.
42 Temperatura da Chama A temperatura da chama de um gás combustível variará de acordo com a razão de Oxigênio a ser queimado. Embora a temperatura da chama dê uma indicação da capacidade de aquecimento do gás combustível, ela é apenas uma das muitas propriedades físicas a considerar se fizermos uma avaliação global. As temperaturas de chama listadas na Tabela 1 são para as chamadas chamas neutras, i.e., a chama primária que não é nem oxidante nem carburizante. Temperaturas maiores que as listadas na tabela podem ser encontradas, mas, em todo o caso, aquela chama será oxidante, uma condição indesejável na soldagem de muitos metais. Velocidade de Combustão Uma propriedade característica de um gás combustível, sua velocidade de combustão (taxa de propagação da chama), é um fator importante no calor produzido pela chama oxigás. Esta é a velocidade na qual a chama viaja através do gás adjacente não queimado. Ela influencia o tamanho e a temperatura da chama primária. Também afeta a velocidade na qual os gases podem escoar do bico do maçarico sem causar o afastamento da chama ou seu “engolimento”. O afastamento da chama ocorre quando a combustão acontece em alguma distância longe da extremidade do maçarico ao invés de acontecer na extremidade. O engolimento é o recuo momentâneo da chama para dentro do maçarico, seguido pela reaparição ou completa extinção da chama. Como mostra o gráfico a seguir, a velocidade de combustão de um gás combustível varia de maneira característica de acordo com as proporções de Oxigênio e combustível na mistura.
43 Velocidade normal de combustão da mistura de vários gases com oxigênio. Intensidade de Combustão Temperaturas de chama e os valores de aquecimento de combustíveis têm sido usados quase exclusivamente como critério para avaliação dos gases. Estes dois fatores sozinhos, entretanto, não fornecem informação suficiente para uma completa avaliação dos gases para fins de aquecimento. Um conceito conhecido como intensidade de combustão é usado para avaliar diferentes combinações Oxigênio-gás combustível. A intensidade de combustão considera a velocidade de queima da chama, o valor de aquecimento da mistura de Oxigênio e gás combustível e a área do cone da chama fluindo pelo bico. A intensidade de combustão pode ser expressa como segue: Ci = Cv . Ch Onde:
44 Ci - intensidade de combustão em Btu/pés2 .s ( J/ m2 .s) Cv - velocidade normal de combustão da chama em pés/s (m/s) Ch - valor de aquecimento do gás de mistura em consideração em Btu/pés3 (J/m3 ) A intensidade de combustão (Ci), portanto, é máxima quando o produto da velocidade normal de combustão da chama (Cv) e o valor de aquecimento do gás de mistura (Ch) é máximo. Como o calor de combustão, a intensidade de combustão de um gás pode ser expressa como a soma das intensidades de combustão das reações primária e secundária. Entretanto, a intensidade de combustão da chama primária, localizada próxima do bico do maçarico, é da maior importância na soldagem. A intensidade de combustão secundária influencia o gradiente térmico nas proximidades da solda. Intensidade Total de Combustão
45 Defeitos na Soldagem Classificação dos Defeitos Os defeitos de soldagem podem ser assim agrupados: (1) os que estão ligados às exigências de projeto ou especificações; (2) os que estão associados às descontinuidades estruturais na própria solda, (3) os que dizem respeito às propriedades do metal de solda ou da junta soldada. Estas três classes de defeitos podem ser subdivididas como segue: 1. Defeitos dimensionais 1.1. Distorção; 1.2. Preparação incorreta da junta; 1.3. Tamanho incorreto da solda; 1.4. Perfil incorreto da solda. 2. Descontinuidades Estruturais na Solda 2.1. Porosidade; 2.2. Inclusões não-metálicas; 2.3. Fusão imperfeita; 2.4. Penetração Incompleta; 2.5. Mordedura; 2.6. Trincas; 2.7. Defeitos superficiais 3. Deficiências nas propriedades 3.1. Deficiências nas propriedades mecânicas; 3.2. Deficiências nas propriedades químicas.
46 Defeitos Dimensionais A fabricação ou montagem de obras soldadas, para ser considerada satisfatória deve, entre outras exigências, manter as dimensões especificadas, não só no que se refere ao formato e tamanho das soldas mas também às de todo conjunto. Distorção A operação de soldagem envolve a aplicação de calor e a fusão do metal em seções localizadas. Daí decorrem expansões e contrações que podem dar origem a tensões de alta magnitude que persistem na parte soldada após haver a estrutura resfriado. Tais tensões tendem a causar distorção na estrutura. Pode-se eliminar ou reduzir a distorção, introduzindo-se outras tensões que ajam em sentido contrário, contrabalançando- se por meio de uma seleção criteriosa de seqüências de soldagem e pelo emprego de dispositivos de rígida fixação. Até certo ponto, pode-se também fazer uso do martelo de bola, para diminuir a distorção. Distorção Angular Embicamento
47 Preparação Incorreta da Junta. As práticas estabelecidas de soldagem requerem adequadas dimensões das juntas, para cada processo de soldagem, para cada bitola de chapa, para cada composição de metal base e para exigência de serviço. O afastamento destes requisitos pode conduzir a muitos defeitos inclusive, como vimos, tendência à distorção, bem como descontinuidades estruturais. Exemplo com desalinhamento da junta Tamanho Incorreto da Solda O tamanho de uma solda em ângulo é definido como o comprimento correspondente ao lado do maior triângulo retângulo isósceles que possa ser inscrito dentro do corte transversal desta solda. As deficiências das soldas devidas ao tamanho excessivo ou reduzido podem ser determinadas por inspeção de um calibre. Solda de filete assimétrica
48 Perfil Incorreto da Solda O perfil da solda acabada pode ter considerável influência no comportamento da estrutura sob carga bem como na ocorrência de defeitos tais como a falta de fusão, inclusão de escórias, etc. Ângulo excessivo Concavidade
49 Convexidade excessiva Deposição insuficiente Penetração excessiva Descontinuidades Estruturais da Solda Porosidade São os vazios globulares freqüentemente encontrados nas soldas, causados por gases que foram aprisionados, provindos de qualquer fonte, seja da atmosfera,
50 do revestimento dos eletrodos, da umidade na superfície que esta sendo soldada, etc. Quando o metal base contem mais de 0,05% de enxofre e está na presença do hidrogênio contido na atmosfera do arco, formam-se bolhas de ácido sulfídrico (H2 S) que ficam prisioneiras no metal base. O hidrogênio provém quase sempre do revestimento do eletrodo. Utiliza-se eletrodos de baixo hidrogênio, eliminando-se ou reduzindo-se esta forma de porosidade. Também o carbono do metal base pode provocar porosidade pois reage com o oxigênio para formar o monóxido de carbono (CO). O oxigênio pode provir da atmosfera, do revestimento do eletrodo, dos óxidos dos fluxos, da ferrugem, das crostas, etc. Tal tipo de porosidade pode ser reduzida empregando-se metal de enchimento de aço totalmente acalmado. O nitrogênio dissolvido também é motivo de porosidade. A presença na superfície das juntas de óleo, graxa, pintura e matérias orgânicas, por óbvias razões, conduz a porosidade. Então, os vazios são causados devido aos gases que são absorvidos quando o material está em fusão e expelidos quando ele resfria mas, não expelidos suficientemente depressa para evitar o aprisionamento. São causados também pelos gases provenientes de reações químicas que ocorrem durante a soldagem. Intensidades de correntes elevadas e comprimentos de arco excessivos provocam porosidade porque tais condições resultam em consumo indevido de elementos desoxidantes do revestimento dos eletrodos. A falta de desoxidantes na poça de fusão para combinar com os gases durante o resfriamento significa liberação para os gases. A distribuição da porosidade dentro de uma solda é de alguma importância. Sua ocorrência pode ser geralmente classificada como segue: 1. Bolsões mais ou menos uniformemente espalhados pelo metal de solda. Os valores dos bolsões vão de 1/8" de diâmetro a dimensões microscópicas; Porosidade em Bolsão
51 2. Porosidades em grupos: muitas vezes associadas a determinadas condições de soldagem como por exemplo, quando se substitui um eletrodo, interrompendo-se e reacendendo-se o arco; Porosidade agrupada 3. Porosidade linear : Ocorre no primeiro passe e é encarada como caso especial de penetração incompleta . Geralmente, são três ou mais cavidades tendo um diâmetro médio não menor que 1/16", distribuídos em linha paralela ao eixo longitudinal da solda, sendo a distância média entre cada cavidade não maior que 3/4" ou menor que 1/16". Porosidade alinhada Em síntese, as causas e curas da porosidade podem ser assim apresentadas: 1. Causa: hidrogênio excessivo, oxigênio, nitrogênio ou umidade na atmosfera de soldagem; Correção: mudar de eletrodos ou regular o gás protetor (caso se trate do processo TIG ou MIG);
52 2. Causa: solda resfriando muito rapidamente; Correção: retardar o resfriamento ou pré-aquecer; 3. Causa: metal base com alto teor de enxofre; Correção: mudar de metal. Empregar eletrodos de baixo hidrogênio; 4. Causa: óleo, pintura ou ferrugem na superfície da junta; Correção: limpar a junta; 5. Causa: comprimento do arco indevido; Correção: corrigir a técnica de soldagem; 6. Causa: intensidades de correntes excessiva; Correção: diminuir a amperagem; 7. Causa: manipulação errada de eletrodo; Correção: corrigir a técnica de soldagem; 8. Causa: umidade excessiva na junta ou eletrodo; Correção: secar a junta com ligeiro pré-aquecimento e manter o eletrodo com estufa; 9. Causa: desenho incorreto da junta; Correção: corrigir o afastamento ou preparo da junta; Trincas Resulta da presença de tensões localizadas em alguns pontos e que excedem a resistência à ruptura do material, podendo ocorrer a qualquer temperatura. Geralmente classifica-se as trincas em: 1. Trincas a quente; 2. Trincas a frio. Trincas a Quente
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Tecnologia da solda apostila

  • 1. 1 Tecnologia da Solda Prof. Duperron Marangon Ribeiro Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Naval e Oceânica Última revisão: 27/04/2000
  • 2. 2 Contribuições Esta apostila foi escrita a partir do trabalho desenvolvido na disciplina Tecnologia de Soldagem pelos alunos Jorge Capeto, Rafael Fernandes Fanchini, Bernardo Nietmann, Felippe Fernandes Oliveira e Ulisses Monteiro durante o segundo período de 1999. O alto grau de interesse pela disciplina assim como a dedicação, capacidade e desempenho destes alunos possibilitaram o prazer de poder auferir o grau máximo para três deles. Quero portanto registrar o meu reconhecimento e agradecimento pela contribuição que deixaram para todas as turmas que se sucederão a esta. Duperron Marangon Ribeiro
  • 3. 3 CONTRIBUIÇÕES...................................................................................................2 INTRODUÇÃO ......................................................................................................11 HISTÓRICO DAS TÉCNICAS DE SOLDAGEM ...................................................12 PROCESSOS DE SOLDAGEM ............................................................................14 Eletrodo Revestido - SMAW..........................................................................................................................14 O Eletrodo Revestido....................................................................................................................................16 Vantagens e Limitações................................................................................................................................18 MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas)..........................................................................................20 Vantagens .....................................................................................................................................................20 Limitações.....................................................................................................................................................21 Princípio de Operação...................................................................................................................................22 Arame Tubular - FCAW................................................................................................................................23 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................24 Principais Características..............................................................................................................................24 Arco Submerso - SAW ...................................................................................................................................26 Principais características...............................................................................................................................27 Gravidade........................................................................................................................................................29 Vantagens .....................................................................................................................................................30 Desvantagens ................................................................................................................................................30 Equipamento.................................................................................................................................................30 TIG - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) .................................................................................................30 Introdução.....................................................................................................................................................30 Princípios de Operação .................................................................................................................................31 Vantagens .....................................................................................................................................................32 Limitações e Potenciais Problemas...............................................................................................................32 Eletroescória....................................................................................................................................................33 Eletrogás..........................................................................................................................................................35 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................35 Equipamentos................................................................................................................................................37 Consumíveis..................................................................................................................................................37 Aplicações Industriais...................................................................................................................................38 Oxiacetileno - OFW ........................................................................................................................................38 Fundamentos do Processo.............................................................................................................................38 Características dos Gases de Combustão ......................................................................................................39 DEFEITOS NA SOLDAGEM.................................................................................45
  • 4. 4 Classificação dos Defeitos...............................................................................................................................45 Defeitos Dimensionais.....................................................................................................................................46 Distorção.......................................................................................................................................................46 Preparação Incorreta da Junta. ......................................................................................................................47 Tamanho Incorreto da Solda.........................................................................................................................47 Perfil Incorreto da Solda...............................................................................................................................48 Descontinuidades Estruturais da Solda ........................................................................................................49 Porosidade.....................................................................................................................................................49 Trincas ..........................................................................................................................................................52 Inclusões Não-metálicas ...............................................................................................................................55 Falta de Penetração .......................................................................................................................................57 Falta de Fusão ...............................................................................................................................................58 Mordedura.....................................................................................................................................................59 ENSAIOS NÃO-DESTRUTIVOS...........................................................................61 Introdução .......................................................................................................................................................61 Exame Visual...................................................................................................................................................61 Líqüido Penetrante .........................................................................................................................................62 Partículas Magnéticas.....................................................................................................................................63 Ultra–som ........................................................................................................................................................64 Generalidades................................................................................................................................................64 Aplicações do ultra-som no estaleiro............................................................................................................65 Medição de Espessura em Navios Velhos ....................................................................................................66 Inspeção de Materiais ...................................................................................................................................66 Inspeção de Soldas........................................................................................................................................66 Exame Radiográfico das Soldas.....................................................................................................................69 Generalidades................................................................................................................................................69 Produção de Raios-X ....................................................................................................................................70 Técnicas de Radiografia................................................................................................................................71 Penetrômetros ...............................................................................................................................................71 Defeitos no filme radiográfico......................................................................................................................73 Utilização Apropriada dos Diferentes Métodos de Ensaios.........................................................................74 TENSÕES RESIDUAIS.........................................................................................76 Conceito de Tensões Residuais em Metais....................................................................................................76 Tensões Residuais na Soldagem.....................................................................................................................78 Formação das Tensões Residuais na Soldagem............................................................................................81 DEFORMAÇÕES ..................................................................................................82 Contração Transversal...................................................................................................................................83
  • 5. 5 Contração Longitudinal .................................................................................................................................84 Distorção Angular...........................................................................................................................................84 Distorção Rotacional.......................................................................................................................................85 Flexão Longitudinal........................................................................................................................................85 Distorção Devido à Instabilidade...................................................................................................................86 EXECUÇÃO DA SOLDAGEM ..............................................................................88 Introdução .......................................................................................................................................................88 Preparação da Solda.......................................................................................................................................88 Seqüência de Passes e Seqüência de Cordões ...............................................................................................88 Seqüência de Deposição dos Passes e Cordões.............................................................................................89 Seqüência de Soldagem...................................................................................................................................91 Chanfros (Goivagem) .....................................................................................................................................93 Escalopes..........................................................................................................................................................94 CORTE..................................................................................................................95 Corte com Oxiacetileno ..................................................................................................................................95 O Processo de Corte......................................................................................................................................95 Equipamento.................................................................................................................................................96 Prevenção de Acidentes................................................................................................................................96 Principais Defeitos dos Cortes......................................................................................................................96 Corte com Arco-plasma..................................................................................................................................97 Precauções para corte com plasma: ..............................................................................................................99 JUNTAS SOLDADAS .........................................................................................101 Preparação dos Chanfros.............................................................................................................................101 Tipos de Juntas .............................................................................................................................................101 Juntas de Topo ............................................................................................................................................102 Juntas em T ou em Cruz..............................................................................................................................102 Juntas de Quina...........................................................................................................................................103 Juntas Superpostas (ou Sobrepostas) ..........................................................................................................103 Juntas de Arestas Paralelas .........................................................................................................................104 Juntas com Talas de Reforço ......................................................................................................................105 Decoesão Lamelar.........................................................................................................................................105 Dimensionamento da Solda..........................................................................................................................108 Soldas de Topo ...........................................................................................................................................108 Soldas de Filete...........................................................................................................................................109
  • 6. 6 Juntas em “T” .............................................................................................................................................109 QUALIFICAÇÃO DE SOLDADORES E PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM .111 Introdução .....................................................................................................................................................111 Qualificação do Procedimento de Soldagem...............................................................................................111 Qualificação de Soldadores..........................................................................................................................112 A SOLDAGEM NA CONSTRUÇÃO NAVAL ......................................................114 Introdução .....................................................................................................................................................114 Mudanças Introduzidas pela Soldagem na Construção Naval .................................................................114 Vantagens da Soldagem na Construção Naval............................................................................................114 Construção do Navio por Blocos ou Seções ...............................................................................................115 Processos de Soldagem Utilizados na Estrutura de Navios.......................................................................116 Processos de Soldagem Utilizados na Montagem dos Blocos ....................................................................116 Técnicas de Construção Naval....................................................................................................................117 Estágios da Fabricação................................................................................................................................118 Estágio da Submontagem............................................................................................................................118 Estágio de Montagem .................................................................................................................................119 Estágio da Edificação..................................................................................................................................120 Processos de Soldagem Utilizados ...............................................................................................................120 MANUTENÇÃO...................................................................................................121 Diferença entre Solda de Produção e Manutenção ....................................................................................121 Manual de Metais .........................................................................................................................................122 Aço..............................................................................................................................................................122 Identificação do Metal..................................................................................................................................123 Aço fundido ................................................................................................................................................123 Aço de Baixo Carbono................................................................................................................................123 Aço de Alto Carbono ..................................................................................................................................123 Aço Rápido .................................................................................................................................................124 Aços Inoxidáveis.........................................................................................................................................124 Corrosão nos Cordões de Solda...................................................................................................................124 ASPECTOS PRÁTICOS DA SOLDAGEM..........................................................126 Local de Soldagem ........................................................................................................................................126 Sistema de Alimentação de Gases................................................................................................................126 Sistema de Alimentação de Corrente Elétrica............................................................................................127
  • 7. 7 Fontes de Corrente Elétrica para a Solda...................................................................................................128 Bancadas de Solda ........................................................................................................................................128 Ensaio de Estanqueidade..............................................................................................................................129 Ensaio com Pressão Hidráulica...................................................................................................................129 Ensaio a vácuo ou ar comprimido...............................................................................................................129 Processo de ensaio por vazamento de gás...................................................................................................129 Objeto de Ensaio sob Super Alta Pressão a Gás de Teste...........................................................................130 Processo de Detecção de Vazamentos por Ultra-som.................................................................................130 Trabalhos de Soldagem e Corte em Recintos Confinados.........................................................................130 Perigos da Soldagem e Corte Oxi-acetilênico em Recintos Confinados.....................................................130 Medidas de Precaução em Recintos Confinados.........................................................................................131 Trabalhos em Áreas com Risco de Incêndio...............................................................................................132 SOLDAGEM SUBAQUÁTICA.............................................................................133 Reparos em Águas Profundas e Ultra-profundas ......................................................................................135 Soldagem em Ambiente Hiperbárico..........................................................................................................135 SOLDAGEM DE AÇOS ESPECIAIS...................................................................138 Classificação do Aço-carbono......................................................................................................................138 Soldagem de Aços de Baixa Liga .................................................................................................................140 Introdução...................................................................................................................................................140 Aços de Alta Resistência...............................................................................................................................141 Aços Criogênicos...........................................................................................................................................141 Soldagem dos aços de baixa liga ..................................................................................................................141 Soldabilidade dos Aços de Baixa Liga........................................................................................................142 Trincas na Solda..........................................................................................................................................142 Fragilização da Zona de Solda....................................................................................................................142 Soldagem do Aço-inoxidável........................................................................................................................143 Classificação dos Aços-inoxidáveis............................................................................................................143 Propriedades dos Aços-inoxidáveis ............................................................................................................144 Soldagem ....................................................................................................................................................144 SOLDAGEM DE LIGAS NÃO-FERROSAS ........................................................147 Soldagem do Magnésio e Suas Ligas ...........................................................................................................147 Considerações gerais...................................................................................................................................147 Soldabilidade ..............................................................................................................................................147 Processos de soldagem................................................................................................................................148 Soldagem do Cobre e Suas Ligas.................................................................................................................148 Considerações Gerais..................................................................................................................................148 Soldabilidade ..............................................................................................................................................148
  • 8. 8 Soldagem ....................................................................................................................................................149 Soldagem do Titânio e Suas Ligas ...............................................................................................................150 Considerações Gerais..................................................................................................................................150 Soldabilidade ..............................................................................................................................................150 Soldagem ....................................................................................................................................................151 Soldagem do Alumínio..................................................................................................................................151 Características do Alumínio e suas Ligas ...................................................................................................151 Aspectos e Problemas de Soldagem............................................................................................................151 Soldabilidade das Ligas de Alumínio: ........................................................................................................154 Execução da Soldagem do Alumínio e suas Ligas......................................................................................154 SOLDAGEM DE MATERIAIS DISSIMILARES...................................................157 Soldagem por Explosão ................................................................................................................................157 Fundamentos...............................................................................................................................................157 Utilização Comercial ..................................................................................................................................157 Vantagens ...................................................................................................................................................158 Princípio de Operação.................................................................................................................................158 Detonação ...................................................................................................................................................160 Velocidade e Ângulo de Sobrechapa ..........................................................................................................160 Colisão, Jato e Soldagem............................................................................................................................161 Natureza da Ligação ...................................................................................................................................161 Propriedades dos Explosivos ......................................................................................................................162 Procedimentos de Soldagem.......................................................................................................................162 Qualidade da Solda.....................................................................................................................................163 Características.............................................................................................................................................164 Segurança....................................................................................................................................................165 Soldagem Por Fricção...................................................................................................................................166 Princípios....................................................................................................................................................166 Soldagem por Fricção Contínua..................................................................................................................167 Soldagem por Fricção Inercial....................................................................................................................169 Aplicações do processo...............................................................................................................................170 Vantagens ...................................................................................................................................................171 Limitações...................................................................................................................................................172 SOLDAGEM DE LINHAS DE DUTOS (PIPELINES) ..........................................173 Aspectos Gerais.............................................................................................................................................173 Posições da Soldagem ...................................................................................................................................173 Processos de Soldagem .................................................................................................................................174 Formato de Juntas ........................................................................................................................................175 Preparação Anterior à Soldagem ................................................................................................................176 Condições dos Chanfros ...............................................................................................................................176 Alinhamento e Fixação .................................................................................................................................176
  • 9. 9 Ponteamento..................................................................................................................................................177 A Operação de Soldagem .............................................................................................................................178 Passe na Raiz ..............................................................................................................................................178 Passes de Enchimento e Passe de Acabamento...........................................................................................181 Tratamento Térmico Antes e Após a Soldagem..........................................................................................182 Ambiente e Altura Mínima do Solo para Execução da Soldagem..............................................................182 Outros Detalhes Pertinentes........................................................................................................................182 Qualificação de Soldadores e Operadores ..................................................................................................183 Inspeções e Ensaios.......................................................................................................................................183 Inspeções Antes da Soldagem.....................................................................................................................183 Inspeção Durante a Soldagem.....................................................................................................................183 Inspeção Visual...........................................................................................................................................183 Ensaio Hidrostático e de Estanqueidade .....................................................................................................184 Ensaios Não-destrutivos..............................................................................................................................184 Defeitos na Soldagem....................................................................................................................................184 DESEMPENO......................................................................................................185 Contração e Tensões na Soldagem ..............................................................................................................185 Contração Transversal.................................................................................................................................185 Contração Angular .......................................................................................................................................186 Contração Angular de Juntas em Ângulo....................................................................................................186 Contração Longitudinal ...............................................................................................................................187 Ação Conjunta das Contrações Transversais e Longitudinais .................................................................187 Prevenção Contra Empenos e Deformações...............................................................................................187 Medidas Contra Contrações Transversais..................................................................................................188 Medidas Contra Empeno Angular ..............................................................................................................188 Tratamento Posterior ...................................................................................................................................188 Plano de Seqüência de Soldagem.................................................................................................................188 PRÉ E PÓS-AQUECIMENTO .............................................................................190 CUSTOS DE SOLDAGEM..................................................................................193 SEGURANÇA NA SOLDAGEM..........................................................................196 Acidentes Provocados por Radiação do Arco.............................................................................................196 Radiação Visível.........................................................................................................................................196 Meios de Proteção.......................................................................................................................................196
  • 10. 10 Acidentes Provocados por Choques Elétricos ............................................................................................197 Precaução Contra Acidentes Causados por Choques Elétricos................................................................198 Acidentes Provocados por Gases Tóxicos ...................................................................................................198 Controle Ambiental ......................................................................................................................................199 Ventilação...................................................................................................................................................199 Protetores de Gases e Fumaça:....................................................................................................................200 Acidentes Provocados por Salpicos e Escórias ...........................................................................................200 Luvas Protetoras .........................................................................................................................................201 SIMBOLOGIA RELATIVA À SOLDAGEM .........................................................202 Símbolos Básicos ...........................................................................................................................................202 Símbolos Suplementares...............................................................................................................................205 Representação dos Símbolos ........................................................................................................................205 Exemplos de Utilização dos Símbolos de Solda ..........................................................................................208 GLOSSÁRIO .......................................................................................................209
  • 11. 11 Introdução A soldagem é hoje em dia, amplamente empregada na união de componentes de estruturas metálicas e de equipamentos para as finalidades mais diversificadas. As grandes vantagens da soldagem sobre os demais processos de união consistem em sua simplicidade e economia, uma vez que a execução das juntas soldadas requerem quantidades relativamente pequenas de material. Os processos de soldagem têm um amplo campo de aplicação, incluindo, entre outros, construção naval, estruturas civis, vasos de pressão, tubulações, etc. A soldagem também encontra grande aplicação em serviços de reparo e manutenção, como o enchimento de falhas em fundidos, reparos de trilhos, depósitos superficiais de alta dureza na recuperação de ferramentas e outras aplicações congêneres. Deve-se alertar, porém, que a soldagem em si não constitui o objetivo principal de uma obra estrutural, entretanto, como ela afeta diretamente a segurança e a economia da construção, seu estudo torna-se cada vez maior, sendo considerado um dos itens principais no processo global da construção de estruturas. Dessa maneira, além do projeto adequado da junta soldada, é necessário seguir uma seqüência de operações, que inclui a qualificação dos procedimentos e dos soldadores, bem como a seleção dos métodos de inspeção para garantir à estrutura as características funcionais segundo as quais foi concebida e projetada. Apesar da aparente simplicidade, a soldagem envolve uma gama bastante grande de conhecimentos que são implicitamente empregados durante a execução de uma junta soldada. Assim, a Engenharia de Soldagem é, na verdade, um somatório de conhecimentos que engloba as áreas de Engenharia Elétrica, Estrutural, Mecânica, Metalúrgica, Química e também Física Aplicada. O conhecimento de assuntos destas áreas é de fundamental importância para solucionar as tarefas envolvidas no projeto e na execução de uma obra estrutural como a seleção dos processos de soldagem, a escolha dos materiais de consumo, o estabelecimento da seqüência de soldagem e os processos de inspeção e controle de qualidade.
  • 12. 12 Histórico das Técnicas de Soldagem A arte de unir dois ou mais materiais metálicos já era conhecida desde as eras pré-históricas. Um exemplo típico é a brasagem que utiliza ligas de ouro e cobre, ou então de chumbo e estanho, empregada desde os anos 3000 ac. Obviamente, fontes de energia conhecidas naquela época restringiam-se à lenha ou ao carvão mineral, de modo que as limitações não permitiram um avanço maior das técnicas de união de metais. Foi somente após a descoberta da energia elétrica que a soldagem teve o impulso necessário para atingir o estágio que se encontra agora. Prova disso consiste no fato de que os processos de soldagem modernamente empregados, em sua maioria, foram desenvolvidos somente a partir do fim do século XIX. O arco elétrico de soldagem foi empregado pela primeira vez em 1885, por Bernados, que utilizou um eletrodo de grafita para obter o arco. O arco elétrico era gerado, mantendo-se o eletrodo de grafita cerca de 2mm distante do metal base, após o fechamento do circuito elétrico. Após o estabelecimento do arco, a soldagem se processava, um vez que o calor por ele gerado era suficiente para promover a fusão do metal base e do metal de enchimento, que era introduzido manualmente na poça da fusão. Utilizando o mesmo princípio, Zerner desenvolveu, em 1889, um novo método para fundir o metal base. O processo consistia em usar dois eletrodos de grafita para o arco elétrico, que por sua vez, era defletido em direção à junta da solda, empregando-se um campo magnético de alta intensidade. Em 1892, Slavianoff utilizava pela primeira vez na história da soldagem um eletrodo metálico que se fundia diretamente na poça de fusão. Posteriormente, o sueco Oscar Kjellberg descobriu que um eletrodo metálico, revestido por um material formando escória, melhorava sensivelmente a qualidade da junta soldada, dando assim início à era dos eletrodos revestidos, tão difundidos nos dias atuais. Anteriormente aos trabalhos de Slavianoff e Kjellberg, que foram marcos históricos no desenvolvimento tecnológico da soldagem, há de se destacar alguns outros desenvolvimentos de grande importância. Em 1886, Thompson inventou o processo de soldagem por resistência elétrica; em 1895 Goldschmitt desenvolveu a solda Termite e, em
  • 13. 13 1901, a chama oxiacetilênica foi empregada com grande sucesso na união de materiais metálicos, por Fouché e Piccard. Em termos práticos, pode-se considerar que os quase 20 anos compreendidos entre 1885 e 1901 constituíram a primeira fase áurea da Engenharia de Soldagem, uma vez que grande parte do desenvolvimento que levaria aos métodos de soldagem empregados atualmente teve origem naquele período. Após um intervalo de relativa estagnação, iniciou-se, em 1926, a segunda fase áurea da tecnologia de soldagem, cabendo a Lungumir desenvolver, naquele ano, o processo de soldagem por meio de hidrogênio atômico. Logo em seguida, Hobart e Denver patentearam o processo de soldagem em atmosfera de gás inerte, cujo emprego é largamente utilizado nos dias atuais. Em 1935, Kennedy divulgava seus trabalhos sobre um método automatizado de soldagem, e que deu origem ao processo de arco submerso. Logo a automatização do processo de soldagem trouxe seus reflexos na qualidade das juntas soldadas experimentaram uma melhoria considerável. Os aperfeiçoamentos posteriores introduzidos no processo de soldagem por arco submerso acabaram por elevá-lo à posição de destaque que ocupa hoje em dia, em todos os países. O rápido progresso da ciência e da tecnologia, a partir dos anos 50, proporcionaram um novo impulso à Engenharia de Soldagem, o que possibilitou o desenvolvimento de novas técnicas, desta vez muito sofisticadas e mais voltadas para aplicações específicas. Durante esta terceira fase áurea, vários processos foram patenteados, dentre os quais poderiam ser destacados os métodos de soldagem por pressão a frio, por atrito, em atmosfera de gás ativo ou CO2, a soldagem por eletroescória , a soldagem ultrassônica, por feixe de elétrons, a plasma , por laser e outros. Apesar do grande número de métodos existentes, é necessário frisar que nem todos foram utilizados em toda a sua potencialidade, esperando-se que isto aconteça à medida que novas técnicas, cada vez mais precisas e perfeitas, sejam requisitadas para a construção de estruturas cada vez mais complexas.
  • 14. 14 Processos de Soldagem Eletrodo Revestido - SMAW No processo de soldagem com eletrodo revestido, um arame coberto é fundido sobre a peça de trabalho pelo calor de um arco elétrico que é estabelecido entre o eletrodo e a peça. A corrente elétrica que sustenta o arco pode ser alternada ou continua, e nesta última a polaridade depende de qual parte é conectada aos pólos negativo e positivo da fonte. O pólo negativo, pelo qual os elétrons entram no arco é chamado “cátodo” e o pólo positivo é conhecido como “ânodo”. Em soldagem com eletrodo revestido, bem como outros processos que usam eletrodos consumíveis, a polaridade reversa (ânodo positivo) é usada para a maioria das aplicações. A soldagem com eletrodo revestido é tipicamente realizada manualmente, mas equipamentos semi-mecanizados estão também disponíveis. A fonte de soldagem é comumente de “corrente constante” para prevenir mudanças da tensão durante a soldagem manual. Na operação manual, o soldador toca a ponta do eletrodo sobre o metal de base para iniciar o arco. Este procedimento aquece a face descoberta do arame no núcleo do eletrodo e queima o revestimento próximo, induzindo a ionização de alguns elementos, que estabilizam o arco. Em processos semi-mecanizados este procedimento é realizado conectando o eletrodo e a peça de trabalho com uma pequena peça de palha de aço ou sobrepondo alta freqüência ao fornecimento de corrente principal ao eletrodo até formar o arco. No primeiro caso, a pequena peça de palha de aço queima quando a corrente de soldagem é aplicada. A emissão de elétrons ou ionização de alguns ingredientes do revestimento também ocorre. Com a alta freqüência, a ionização de moléculas entre a ponta do eletrodo e a peça de trabalho resultam em um fluxo de corrente de soldagem.
  • 15. 15 Depois do arco estabilizado, o soldador deve ser capaz de iniciar um movimento de alimentação (mergulho), para manter o comprimento do arco constante enquanto se mantém um movimento de translação para distribuir o metal fundido ao longo do comprimento de solda. Com equipamento mecanizado, esta operação pode ser realizada pela translação do porta-eletrodo, usando um carro automático e realizando o movimento de mergulho por meio de motores elétricos ou sistemas pneumáticos e hidráulicos. Alguns equipamentos mecanizados podem ser pré-programados com as duas velocidades, e a soldagem é conduzida com um comprimento de arco e uma velocidade de alimentação constantes. Outros com motores de passos podem ser equipados com um sistema de
  • 16. 16 controle com realimentação de tensão (feedback) entre o porta-eletrodo e a peça a ser soldada, o que controla o movimento de mergulho, mantendo a tensão preestabelecida. Durante a soldagem, a corrente elétrica passa do porta-eletrodo para o eletrodo e através deste para a coluna do arco, entrando na poça de fusão no metal de base. O calor gerado pelo arco funde ambos, o metal de base e o eletrodo e causa a transferência do metal líquido, na forma de gotas da ponta do eletrodo para a poça de fusão. Entre 60 e 90 segundos, tempo em que um eletrodo é consumido, vários fenômenos físico-químicos, metalúrgicos e elétricos ocorrem na zona do arco, os quais são decisivos na morfologia, nas propriedades mecânicas e na microestrutura da solda. Interações metal/escória na poça da solda e aquecimento do eletrodo devido ao efeito Joule, e também devido ao calor conduzido do arco, são alguns destes fenômenos. Soldagem a arco com eletrodo revestido O Eletrodo Revestido A fabricação de eletrodos revestidos para o processo SMAW se torna cada vez mais complicada à medida em que a faixa aplicada se amplia requerendo consideração especial. O revestimento do eletrodo é geralmente compactado em torno de um arame por meio de prensas extrusoras com grande capacidade de pressão. O material do
  • 17. 17 arame do núcleo do eletrodo, para eletrodos de aço doce ou de baixa liga, é, na maioria dos casos, o aço de baixo carbono. Para aços de alta liga, um arame com composição química similar à do metal base é mais usado. A primeira importante para o fluxo que será utilizado como revestimento é a sua extrudabilidade em torno do arame do núcleo. Ele deve aderir tenazmente ao arame e não se deteriorar ou se decompor de maneira prematura com o calor vindo da poça de fusão durante a soldagem. Deve também resistir a impactos ou vibrações durante a embalagem ou o transporte. Outro fator importante a ser considerado na manufatura dos eletrodos é a razão entre as áreas de seção transversal do arame e do revestimento, definida como a “razão do revestimento”. Esta razão é definida como: R D d d = −( ) * 2 2 2 100 Onde: - R - razão do revestimento (%); - D - diâmetro externo do revestimento em milímetros; - d - diâmetro do arame do núcleo do eletrodo em milímetros. A razão do revestimento junto com a concentricidade do revestimento, tem uma grande influência na estabilidade do arco e pode afetar significativamente o aquecimento do eletrodo durante a soldagem. Dependendo do tipo de eletrodo sendo usado, o revestimento efetua uma ou várias das seguintes funções: 1. Gera a atmosfera de proteção para o arco e a poça de solda fundida; 2. Fornece a quantidade suficiente de elementos desoxidantes ao metal de solda para refinar a microestrutura; 3. Fornece elementos de liga ao metal de solda; 4. Forma uma escória para proteger o metal de solda durante a solidificação e o resfriamento;
  • 18. 18 5. Sustenta a estabilidade do arco, etc. Vantagens e Limitações O processo SMAW é um dos processos mais amplamente utilizados. Ele é o mais simples em termos de necessidade de equipamentos. Apesar da perícia do soldador ser um fator importante, muitos operários adquirem habilidade através de treinamento e experiência no trabalho. O custo de investimento em equipamentos é relativamente baixo, e os eletrodos para soldagem (exceto os para metais muito reativos, tais como o titânio, magnésio, e outros), são facilmente encontrados no mercado e estão disponíveis para aplicações em manutenção, construção e outros processos que necessitem de soldagem. O processo SMAW possui a maior flexibilidade entre todos os processos de soldagem, pois pode ser usado em todas as posições (plana, vertical, horizontal, etc) além de trabalhar com praticamente todas as espessuras do metal base e em áreas de acesso limitado, o que representa uma vantagem muito importante. O processo SMAW possui várias outras vantagens, tais como: 1. O metal de solda e os meios de proteção desta solda são fornecidos pelo eletrodo revestido; 2. O processo de soldagem é menos sensível a correntes de ar do que o processo de solda a arco de proteção gasosa (GMAW); 3. Não necessita de gás auxiliar de proteção; 4. É apropriado para a maioria dos metais e ligas metálicas comumente usadas. Os eletrodos são disponíveis para aço carbono e aços de baixa liga, cobre, níquel e suas ligas, e para algumas ligas de alumínio. Por ser um processo tipicamente manual e o nível de habilidade do soldador é de fundamental importância para se obter uma solda de qualidade aceitável. O processo SMAW tem algumas limitações tais como, as baixas taxas de deposição quando comparado com o processo GMAW, e um fator do operação baixo. Como o eletrodo pode
  • 19. 19 ser consumido até um comprimento mínimo, quando este comprimento é atingido, o soldador deve trocar a parte não consumida por um outro eletrodo. Esta troca de eletrodos torna o rendimento do processo menor, comparado aos demais. Metais como o zinco e suas ligas não são soldados pelo SMAW, pois a intensidade do calor do arco é muito alta para eles. Este processo não é adequado para metais reativos como o titânio, o zircônio e o tântalo, pois o revestimento fornecido não permite evitar a contaminação do oxigênio na solda. Uma limitação importante é que, assim que o arco é estabelecido, a corrente atravessa o comprimento inteiro do eletrodo. A quantidade de corrente que pode ser usada, portanto, é limitada pela resistência elétrica do arame do núcleo do eletrodo. Uma amperagem excessiva sobreaquece o eletrodo e danifica o revestimento. Isso provoca mudança nas características do arco e da própria proteção obtida. Devido a esta limitação, as taxas de fusão são geralmente menores do que no processo GMAW. Obs.: Revestimentos de eletrodo podem ser fabricados para serem usados em corrente alternada AC. Com AC, o arco se extingue cada vez que a corrente passa pelo zero e é restabelecido cada vez que a corrente inverte a sua direção. Para uma boa estabilidade do arco, é necessário que tenha um gás no fluxo do arco, que permaneça ionizado a cada inversão da corrente. Este gás tornará ,possível a reignição do arco. Os gases que rapidamente ionizam são facilmente encontrados em compostos, incluindo aqueles com potássio. É a inclusão destes compostos no revestimento que torna possível a operação em AC. Ex.: Eletrodo rutílico(TiO2). A ação de proteção do arco é basicamente a mesma para todos os eletrodos, mas o método e o volume de escória produzido variam de um tipo para outro. Alguns materiais de revestimento têm o seu volume convertido em gás, gerando uma escória muito fina. Esse tipo de eletrodo depende de uma proteção gasosa para prevenir contaminações do ar atmosférico. Por outro lado, existem eletrodos cujo volume de revestimento é transformado em escória pelo calor do arco e um volume pequeno de gás de proteção. Pequenos glóbulos de metal transferido são inteiramente protegidos por uma pequena
  • 20. 20 camada fina de escória fundida. Esta escória flutua na superfície da poça de fusão pois é mais leve, e solidifica depois do metal de solda. A soldagem com este tipo de eletrodo é caracterizada por grandes deposições de escória, cobrindo completamente a camada de solda. Entre estes dois extremos, existe uma variedade de eletrodos, cada um com uma combinação diferente de gás e escoria de proteção. MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas) Gas Metal Arc Welding - GMAW é um processo que utiliza o arco elétrico para aquecer a peça, e um metal de alimentação contínua para a união de peças metálicas. Esse processo utiliza uma fonte externa de gás de proteção para a poça de solda, contra contaminação do ar externo. A concepção básica do GMAW iniciou-se em 1920, entretanto somente em 1948 o processo tornou-se comercial. Inicialmente, altas densidades de corrente e pequenos diâmetros de eletrodos consumíveis com proteção de gás inerte eram utilizados. Por causa dessa característica, o processo era conhecido como Metal Inert Gas - MIG. Com a evolução do processo, permitiu-se a união de peças com baixas densidades de corrente, podendo a corrente ser pulsada, e empregar gás ativo ou mistura de gases. Esse processo ficou conhecido como Metal Ative Gas - MAG. O processo GMAW pode operar nos modos automático e semi- automático, para soldagem de uma enorme gama de materiais ferrosos e não ferrosos (aço carbono, high strength low alloy steel - HSAS, aço liga, aço inoxidável, alumínio, cobre, titânio e ligas de níquel), em todas as posições de soldagem. A soldagem GMAW é usada em processos de fabricação e manutenção de equipamentos e peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no recobrimento de superfícies metálicas com materiais especiais. Vantagens 1. Operação fácil e suave; 2. Alta eficiência; 3. Velocidade de deposição elevada;
  • 21. 21 4. Alta taxa de deposição; 5. Soldagem com longos cordões de solda, sem interrupção; 6. Não existência de fluxos de soldagem; 7. Não há praticamente formação de escória; 8. Soldagem em todas posições; 9. Alto fator de ocupação do soldador; 10. Grande versatilidade quanto ao tipo de material e espessuras aplicáveis; 11. A junta soldada apresenta características de elasticidade, tenacidade, estanqueidade e resistência à propagação de trincas, superiores às obtidas por meio de outros processos equivalentes, No gráfico abaixo tem-se a relação entre a velocidade de deposição e a corrente de soldagem, mostrando a elevada eficiência do processo GMAW (possui a maior taxa de deposição entre os processos). Limitações 1. Equipamento complexo, menos portátil em relação ao SMAW, de maior investimento e custo operacional;
  • 22. 22 2. Dificuldade de realização de soldas em lugares estreitos; 3. Necessita-se de proteção contra ventos, onde correntes de ar são consideráveis; 4. Maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco; 5. Ajuste rigoroso de parâmetros para se obter um determinado conjunto de características para a solda; 6. Menor variedade de consumíveis; 7. Dificuldade de proteção do cordão de solda, principalmente na zona termicamente afetada (ZTA); Princípio de Operação A soldagem GMAW é um processo normalmente semi-automático em que a alimentação do arame é feita mecanicamente (através de um alimentador motorizado), sendo o soldador responsável pela iniciação e interrupção da soldagem, além da movimentação da tocha ao longo da junta.
  • 23. 23 O soldador deve aproximar a tocha da peça e acionar o gatilho. Quando o eletrodo tocar a peça, dá-se a abertura do arco, iniciando o fluxo de gás protetor e alimentação do arame. Depois da formação da poça de fusão, a tocha é deslocada ao longo da junta com velocidade uniforme, podendo-se realizar movimentos de tecimento do cordão se necessário. Ao final da operação, o soldador deve soltar o gatilho, interrompendo todo o processo. A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua de arame ao arco, e seu comprimento é mantido aproximadamente constante, independentemente dos movimentos do soldador, dentro de certos limites. Essa característica se dá devido à utilização de fontes de soldagem de corrente constante que permitem grandes variações de tensões para pequenas variações de corrente. Entretanto, para soldagem em alumínio, a manutenção da velocidade de alimentação do arame e a utilização de fontes de soldagem de corrente constante resultam em uma pequena diferença de temperatura na superfície do material, o que poderá não ser suficiente para fundir a camada de óxido refratário superficial. Nesse caso, uma alta habilidade do soldador será requerida. O calor gerado pelo arco durante o processo é usado para a fusão das peças a serem unidas, sendo o arame transferido para a junta em forma de metal de adição. Arame Tubular - FCAW Os processos de soldagem a arco tiveram início nos anos 20, quando definiram que o arco e o metal fundido deveriam ser protegidos da contaminação da atmosfera. De qualquer modo o desenvolvimento do eletrodo revestido, reduziu o interesse pelos métodos de soldagem com proteção gasosa. Argônio e Hélio foram os dois primeiros gases de proteção deste tempo. Trabalhos de pesquisas lideraram o assunto de soldagem, parte com eletrodo revestido e parte com a soldagem com proteção gasosa. Os resultados destas análises mostraram que o gás predominante era o conhecido CO2. O processo com arame tubular é um contínuo aprimoramento. Fontes de energia e arame tubulares são no momento o grande acontecimento. Os eletrodos estão em
  • 24. 24 contínuo desenvolvimento. As ligas de eletrodos em pequenos diâmetros são os mais avançados. Fundamentos do Processo 1. É um processo que forma um arco entre o eletrodo e a poça de fusão; 2. É um processo que usa a proteção que vem do fluxo interno do arame, podendo ou não ter proteção gasosa adicional; 3. O eletrodo tubular é composto de um arame oco e um núcleo com vários ingredientes em pó e estes ingredientes exercem determinadas funções tais como: proteção contra a atmosfera, desoxidação, estabilização do arco, formação de escória e pode também conter elementos de liga; 4. Durante a soldagem há uma grande formação de escória, que protege a solidificação do metal soldado; 5. A principal característica operacional do processo resulta das propriedades que são atribuídas ao desenvolvimento do eletrodo; 6. O aspecto que distingue o FCAW dos outros processos de soldagem a arco, é o enclausuramento dos ingredientes do fluxo dentro do eletrodo. Principais Características As principais características estão concluídas em: 1. Produção de arame contínuo para soldagem; 2. A possibilidade de produzir o fluxo conforme metalurgia; 3. A ajuda da escória na forma e aspecto da gota. O processo de soldagem com arame tubular tem duas versões. Na 1a versão (Eletrodo com proteção gasosa) o fluxo interno tem principalmente a função de
  • 25. 25 desoxidante e de introdutor de elementos de liga. As funções de proteção do arco e da criação de uma atmosfera mais ionizável ficam mais a cargo do gás introduzido a parte que tem a finalidade de proteger o metal fundido dos gases da atmosfera externa. O gás de proteção usualmente é o dióxido de carbono ou uma mistura de argônio e dióxido de carbono. O processo de proteção a gás é apropriado para produção de peças pequenas e soldagem de profunda penetração. No processo com proteção a gás, o extremo do arame emerge do interior de um tubo que estabelece o contato elétrico e há um outro tubo que forma uma coifa (regador) de onde flui o gás de proteção do arco. Soldagem a arco com arame tubular com proteção gasosa Na 2a versão (Eletrodo auto-protegido) a proteção é obtida pelos ingredientes do fluxo, que vaporizam e se deslocam com o ar para os componentes da escória que cobrem a poça para protegê-la durante a soldagem. O arame tubular emerge de um tubo guia eletricamente isolado e o contato elétrico fica mais distante da extremidade do arame.
  • 26. 26 Soldagem a arco com arame tubular auto-protegido Características de alguns eletrodos auto-protegidos, é o uso de eletrodos com grande extensão. A extensão dos eletrodos é o comprimento do mesmo não fundido até o final do tubo de contato durante a soldagem e varia de 19 a 95 mm, dependendo da aplicação. Aumentando a extensão do eletrodo aumenta a resistência elétrica do eletrodo, este pré-aquece e diminui a tensão requerida do arco. Em alguns casos a corrente de soldagem diminui o que reduz o calor disponível para fundir o metal de base, resultando assim uma solda estreita e rasa. Alguns eletrodos auto-protegidos têm sido desenvolvidos especificamente para soldagem de revestimento de zinco, aço e alumínio, comuns em produção automobilística. Grandes extensões dos eletrodos não podem ser igualmente aplicados para outros métodos de proteção a gás, por causa de efeitos desfavoráveis na proteção. Normalmente o processo com eletrodo auto-protegido é usado para trabalhos em campo, porque eles permitem correntes de ar maiores. Arco Submerso - SAW SAW é um processo no qual a união de metais se dá pelo calor fornecido por um arco elétrico entre um eletrodo nu e uma peça. O nome desse processo é devido ao
  • 27. 27 fato do arco e do metal fundido pelo calor estarem submersos numa cobertura de um fluxo granular fusível. Não é usada pressão e o metal de enchimento é obtido do eletrodo ou de uma fonte suplementar como uma varinha (welding rod) ou metal granular. O fluxo desempenha importante função na soldagem pois dele dependem a estabilidade do arco, as propriedades mecânicas e químicas da solda e a qualidade da mesma. O processo SAW é um processo capaz de fazer soldas com correntes acima de 2000 amperes, alternadas ou contínuas e também um ou mais arames como enchimento. O arco elétrico gerado entre um arame de enchimento e o metal-base permanece sob uma camada de um material fundente, denominado fluxo, o qual tem a função de proteger a poça de fusão dos efeitos da atmosfera. A figura abaixo esquematiza este processo de soldagem. Principais características 1. Como o arco e a poça de fusão são totalmente protegidos pelo fluxo, obtém–se um metal depositado de alta qualidade; 2. Como os arames de enchimento, normalmente, têm grandes diâmetros, as correntes de soldagem também são altas, o que proporciona uma penetração bastante profunda, associada
  • 28. 28 igualmente a uma grande eficiência de deposição; 3. Devido ao alto rendimento térmico do processo, os chanfros da junta são pequenos, permitindo uma alta economia de material consumível; 4. A automatização do processo não requer treinamento especializado do operador, e este tem pouca influência sobre a qualidade final da junta soldada; 5. Como o arco não é visível, uma combinação inadequada das variáveis de soldagem poderá condenar totalmente uma junta soldada e executada sob estas condições; 6. A soldagem só poderá ser executada na posição plana; 7. A automação do processo oferece poucas alternativas de aplicação, se comparada a outros tipos de soldagem, semi–automáticos ou manuais. A maior vantagem da soldagem por arco submerso reside em sua alta eficiência e na possibilidade de usar altas correntes, de modo que, quando se empregam múltiplos eletrodos simultaneamente, a intensidade da corrente pode atingir valores de até 3000 amperes. Um dos pontos críticos do processo reside na manutenção do alinhamento do arco com a linha de centro da junta, uma vez que todo o sistema fica sob o fluxo. Além disso, devido ao diâmetro do arame de enchimento, é impossível a execução manual da soldagem, razão pela qual o processo deve ser automatizado. Existem vários tipos de equipamentos para soldagem por arco submerso, na figura abaixo podemos ver um dos mais comumente empregados na prática. Nele, o cabeçote da soldagem é montado sobre um carro, que se movimenta ao longo de trilhos apropriados. O fluxo é alimentado por meio de um tubo, ligado ao reservatório, que também está montado no carro. Um carretel de arame completa o sistema móvel e a sua alimentação se faz por meio de um mecanismo alimentador de arame de enchimento. Para aumentar a velocidade de deposição do processo, costuma-se, muitas vezes, utilizar dois ou três arames de enchimento simultaneamente.
  • 29. 29 Fontes de alimentação de CA com características tombantes e fontes de CC com tensão constante são utilizados na soldagem por arco submerso. As primeiras têm um custo acessível e são facilmente operáveis, tendo como vantagem a eliminação do sopro magnético, mesmo com altas intensidades de corrente. Por outro lado as fontes de CA exigem um controle mais preciso da velocidade de alimentação do arame. Isto é conseguido através de um circuito apropriado no qual a tensão do arco controla a velocidade do eletrodo, para manter o comprimento do arco o mais estável possível. Já nas fontes de CC, é possível trabalhar com uma velocidade de alimentação constante e a polaridade inversa do arame de enchimento. O processo a CC é também empregado na soldagem de chapas finas de aço, a altas velocidades e na utilização do método de múltiplos eletrodos. Os arames de enchimento são apresentados em uma grande gama de diâmetros. Atualmente, existem no mercado os arames de 2,4; 3,2; 4,0; 4,8; 5,6; 6,4; e 8,0 milímetros. Do ponto de vista de eficiência de deposição, os arames de 4,0 a 6,4 milímetros de diâmetro são os mais empregados. Gravidade Os princípios básicos da solda por gravidade são os mesmos da solda com eletrodo revestido, mas tem sua utilização limitada por ser usada somente para solda de filete. Os eletrodos têm um revestimento com pó de ferro e óxido de ferro, e tem comprimentos de 635 a 760 mm.
  • 30. 30 Vantagens O operador pode operar de 4 a 6 suportes de eletrodo simultaneamente, ganhando produtividade e diminuindo o custo de H/H, já que o operador não necessita ser um soldador altamente qualificado. Desvantagens Difícil montagem dos suportes em lugares confinados. Equipamento O suporte é formado por um tripé, onde o grampo de eletrodo desce por uma guia inclinada enquanto o eletrodo é consumido. Quando o eletrodo é consumido, o operador troca o eletrodo para prosseguir com a solda. Equipamento utilizado para a solda por gravidade TIG - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) Introdução O processo de soldagem TIG, como é mais conhecido atualmente, é um processo de soldagem a arco elétrico que utiliza um arco entre um eletrodo não consumível
  • 31. 31 de tungstênio e a poça de soldagem. Conforme pode-se notar pela figura abaixo, a poça de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é soprado pelo bocal da tocha. No processo, pode-se utilizar adição ou não (solda autógena), e seu grande desenvolvimento deveu-se à necessidade de disponibilidade de processos eficientes de soldagem para materiais difíceis, como o alumínio e magnésio, notadamente na indústria da aviação no começo da segunda grande guerra mundial. Assim, com o seu aperfeiçoamento, surgiu um processo de alta qualidade e relativo baixo custo, de uso em aplicações diversas, com inúmeras vantagens que descreveremos a seguir. Princípios de Operação O GTAW funciona através do eletrodo de tungstênio (ou liga de tungstênio) preso a uma tocha. Por essa mesma tocha é alimentado o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da atmosfera. O arco elétrico é criado pela passagem de corrente elétrica pelo gás de proteção ionizado, estabelecendo-se o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Em termos básicos, os componentes do GTAW são: 1. Tocha; 2. Eletrodo;
  • 32. 32 3. Fonte de Potência; 4. Gás de Proteção. Por suas características resume-se, então, as vantagens e limitações do processo: Vantagens 1. Produz soldas de qualidade superior, geralmente livres de defeitos; 2. Está livre dos respingos que ocorrem em outros processos a arco; 3. Pode ser utilizado com ou sem adição; 4. Permite excelente controle na penetração de passes de raiz; 5. Pode produzir excelentes soldagem autógenas (sem adição) a altas velocidades; 6. Permite um controle preciso das variáveis da soldagem; 7. Pode ser usado em quase todos os metais, inclusive metais dissimilares; 8. Permite um controle independente da fonte de calor e do material de adição. Limitações e Potenciais Problemas 1. Taxas de deposição inferiores com processos de eletrodos consumíveis; 2. Há necessidade de maior destreza e coordenação do operador em relação ao SMAW e GMAW; 3. É menos econômico que os processos de eletrodos consumíveis para espessuras a 10 mm; 4. Há dificuldade de manter a proteção em ambientes turbulentos; 5. Pode haver inclusões de Tungstênio, no caso de haver contato do mesmo com a poça de soldagem;
  • 33. 33 6. Pode haver contaminação da solda se o metal de adição não for adequadamente protegido; 7. Há baixa tolerância a contaminantes no material de base ou adição; 8. Vazamento no sistema de refrigeração pode causar contaminação ou porosidade, sopro ou deflexão do arco, como em outros processos. Eletroescória A soldagem por eletroescória é um processo no qual o coalescimento do metal–base e o do metal de enchimento é provocado pelo calor gerado pelo efeito de resistência elétrica no interior de uma escória em fusão. O eletrodo é continuamente alimentado para o interior da escória e o calor aí gerado deve ser suficiente para fundir tanto o metal – base, como o próprio eletrodo. Este vai-se depositando no fundo da junta assim formada, delimitada pelas paredes do metal–base e por duas sapatas de cobre, fixas ou deslizantes e devidamente resfriadas a água. O princípio de funcionamento de soldagem por eletroescória é ilustrado na figura abaixo. Este processo é empregado para soldagem de seções pesadas na posição vertical, e tem-se notícias da execução de juntas com 300 milímetros de espessura, soldadas
  • 34. 34 em um só passe, utilizando três eletrodos simultaneamente. Em termos comparativos, a eficiência do processo eletroescória é superior ao do arco submerso, principalmente para chapas bastante espessas, sendo, por isso, muito utilizado na soldagem de equipamentos para a indústria química e motores marítimos. A preparação de juntas de geometria complicada é dispensável na soldagem por eletroescória, sendo suficiente a junta de bordas retas, ou em I, na maioria dos casos. A abertura entre as chapas deve se situar entre 20 e 35 milímetros, que é aparentemente exagerada para chapas de menor espessura, mas relativamente baixa para chapas bastante grossas. Devido às características do processo eletroescória, o metal-base e a zona termicamente afetada apresentam-se com granulação grosseira, o que acarreta uma diminuição da sua tenacidade. Nos casos em que se exige um nível mínimo de tenacidade para a junta soldada, deve-se proceder a um tratamento térmico adequado, como por exemplo a normalização. Um aperfeiçoamento do processo ora em estudo consiste na soldagem por eletroescória, utilizando um tubo-guia consumível, que permite uma operação mais simples. Por este método, um tubo-guia, revestido com fundente apropriado, é imerso no banho de escória e, através dele, o arame de enchimento é alimentado de modo contínuo. O tubo–guia funciona como supridor de fundente para o banho, um guia para o arame de soldagem e uma fonte adicional de energia. A figura abaixo apresenta uma ilustração do funcionamento do processo, bem como dois tipos de tubo-guia consumível.
  • 35. 35 Os tubos-guia são fabricados a partir de tubos de aço e revestidos com fundentes apropriados. O diâmetro dos tubos varia entre 8 e 12 milímetros e o comprimento, entre 500 e 1200 milímetros. O diâmetro a ser utilizado é função da espessura da chapa a ser soldada e a extensão da junta é, em geral, limitada pelo comprimento do tubo–guia. Quando se deseja uma junta mais extensa, é comum utilizar-se mais de um tubo–guia. Nesse caso, uma corrente suplementar de soldagem é alimentada na altura do ponto médio dos tubos, para diminuir o efeito de baixa de seu isolamento, devido ao aquecimento pelo efeito de resistência elétrica. As propriedades da zona de solda são similares às obtidas pelo processo eletroescória convencional. Eletrogás Fundamentos do Processo A soldagem eletrogás (Electrogas Welding - EGW) é uma variação dos processos de soldagem a arco com eletrodo metálico e proteção gasosa (GMAW) e soldagem a arco com arames tubulares (FCAW). Por outro lado, seus aspectos operacionais são similares aos da soldagem por eletroescória, a partir do qual foi desenvolvido. A soldagem eletrogás é um processo de soldagem por fusão, que utiliza como fonte de calor um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo,
  • 36. 36 sólido ou tubular, e um banho de metal fundido ou de escória. O material fundido fica contido numa cavidade com eixo na vertical, formada pelas chapas e sapatas de contenção, como no processo eletroescória. É opcional o uso de proteção gasosa do banho, dependendo do tipo de eletrodo usado. O arco elétrico é aberto inicialmente sobre uma chapa de partida, situada na parte inferior da junta. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e as superfícies do metal de base. Uma poça de metal líquido é formada sob o arco. 0(s) eletrodo(s) são alimentados continuamente ao arco e as sapatas de contenção são deslocadas para cima à medida que a junta vai sendo preenchida. A solidificação do metal depositado consolida a união. Na soldagem com eletrodos sólidos, a proteção é feita por uma nuvem de gás inerte, ativo ou mistura, fornecida por uma fonte externa, geralmente através de orifícios adequados nas sapatas de contenção. Na soldagem com eletrodo tubular a proteção é dada pela fina camada de escória produzida a partir do fluxo de soldagem contido no eletrodo, que pode ser suplementada por uma nuvem de gás, quando se empregam arames tubulares recomendados para uso com proteção gasosa. Neste processo, a escória utilizada na soldagem eletroescória é substituída pela blindagem de CO2, mas as operações de soldagem são bastante similares. Como no processo MAG, o CO2 tem também a função de proteger o arco elétrico, que é gerado entre o arame de enchimento, de alimentação contínua, e a poça de fusão. O gás é introduzido na região de solda por meio de orifícios apropriados existentes na sapata deslizante de cobre. A soldagem eletrogás é bastante utilizada na união vertical de chapas de aço de até 30 milímetros de espessura. Como no caso do processo eletroescória, o eletrogás também proporciona alta eficiência, possibilidade de executar juntas pesadas em um só passe e dispensa a necessidade de preparar as juntas de solda. Do ponto de vista operacional, o processo em discussão apresenta as seguintes vantagens em relação ao seu similar que utiliza o banho de escória: 1. A abertura entre as chapas é mais reduzida, economizando, dessa maneira, material consumível e energia despendida na soldagem; 2. As tolerâncias no contato das sapatas de cobre são mais brandas,
  • 37. 37 pois elas não têm a função específica de vedar o banho de escória. Conseqüentemente, um pequeno desalinhamento das chapas não irá influenciar na qualidade da junta soldada; 3. É aplicável a chapas de espessuras menores; 4. O comprimento da região de pouca penetração é menor no início da soldagem, comparativamente ao processo por eletroescória. Equipamentos O equipamento usado na soldagem eletrogás é similar ao da soldagem por eletroescória com guia não consumível, consistindo de uma fonte de energia elétrica, um cabeçote de soldagem, onde geralmente são colocados um alimentador de arame e um sistema de movimentação, sapatas de contenção, sistema de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o eletrodo. A diferença básica é a adaptação das sapatas para injeção de gás protetor e a fonte deste, quando aplicável. A fonte de energia usada é de corrente contínua, com saída do tipo tensão constante, geralmente um transformador-retificador ou motor-gerador. A fonte de gás protetor é constituída de um cilindro do gás ou mistura e reguladores de pressão e/ou vazão, como nos processes GMAW ou FCAW. Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem EGW são os mesmos dos processos GMAW e FCAW, isto é, eletrodos e gases de proteção. Os eletrodos para soldagem de aços-carbono e aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são classificados pela especificação AWS A 5.26-78, e são divididos em sólidos e tubulares. Os arames sólidos são idênticos aos usados no processo GMAW, com diâmetro entre 1,6 e 4 milímetros. Os eletrodos tubulares também são encontrados nesta faixa de diâmetro e são classificados quanto à necessidade de uso de proteção gasosa, composição química e propriedades mecânicas do metal depositado.
  • 38. 38 Os gases usados são geralmente o CO2 e misturas 80% argônio e 20% CO2, tanto com arames tubulares quanto com arames sólidos. Aplicações Industriais A soldagem eletrogás é mais usada na união de chapas de aços-carbono ou ARBL posicionadas verticalmente. Esta situação é freqüentemente encontrada na montagem de estruturas robustas, como cascos de navios, tanques de armazenagem, edifícios, etc. O processo pode ser aplicado a outros tipos de materiais soldáveis pelos processes GMAW e FCAW. Em grande parte dos casos, a soldagem é feita no campo. Oxiacetileno - OFW Fundamentos do Processo Soldagem a oxigás (OFW) inclui qualquer operação que usa a combustão de um gás combustível com oxigênio como fonte de calor. O processo envolve a fusão do metal base e normalmente de um metal de enchimento, usando uma chama produzida na ponta de um maçarico. O gás combustível e o oxigênio são combinados em proporções adequadas dentro de uma câmara de mistura. O metal fundido e o metal de enchimento, se usado, se misturam numa poça comum e se solidificam ao se resfriar. Uma vantagem deste processo é o controle que o soldador exerce sobre o calor e a temperatura, independente da adição de metal. O tamanho do cordão, a forma e a viscosidade da poça são também controlados no processo. OFW é adequado para soldagem de reparo, para soldagem de tiras finas, tubos e tubos de pequeno diâmetro. Soldar seções espessas, exceto para trabalho de reparo, não é economicamente viável quando comparada com outros processos disponíveis. O equipamento usado em OFW tem um custo baixo, é normalmente portátil e versátil o bastante para ser usado para uma variedade de operações, tais como dobramento e retificação, pré-aquecimento, pós-aquecimento, deposição superficial, brazagem e soldabrazagem.
  • 39. 39 Acessórios de corte, bicos para multichama e uma variedade de acessórios para aplicações especiais aumentam a versatilidade do equipamento. Com mudanças relativamente simples no equipamento, operações de cortes manuais e mecânicos podem ser realizadas. Aços-carbono e de baixa liga e muitos metais não ferrosos, mas geralmente não refratários ou reativos, são normalmente soldados. Gases comerciais têm uma propriedade em comum, requerem oxigênio para sustentar a combustão. Um gás, para ser conveniente às operações de soldagem, deve apresentar as seguintes propriedades quando queimado: 1. Alta temperatura de chama; 2. Alta taxa de propagação de chama; 3. Conteúdo de calor suficiente; 4. Mínimo de reação química da chama com os metais base e de enchimento. Dentre os gases comercialmente disponíveis, o acetileno é o que mais se aproxima destes requisitos. Outros gases como propano, gás natural, propileno e gases baseados nestes, oferecem temperaturas de chama suficientemente altas, mas exibem baixas taxas de propagação de chama. As chamas finais destes outros gases são excessivamente oxidantes pelas proporções de oxigênio-gás combustível que são altas para gerar taxas de transferência de calor utilizáveis. Características dos Gases de Combustão A Tabela 1 lista algumas das principais características de gases comerciais. A fim de reconhecer o significado das informações nesta tabela, é necessário entender alguns termos e conceitos.
  • 40. 40 Tabela 1 – Características de gases combustíveis comuns Fórmula G.E. V.E R.E. T chama Calor da Combustão Gás (Ar=1 a (m 3 /kg) (oC) 1 a 2 a 3 a 15,6 o C) MJ/m 3 MJ/m 3 MJ/m 3 Acetileno C2H2 0,906 0,91 2,5 3087 19,0 36 55 Propano C2H3 1,520 0,54 5,0 2526 10,0 94 104 Metil Acetileno C3H4 1,480 0,55 4,0 2927 21,0 70 91 Propileno C3H6 1,480 0,55 4,5 2900 16,0 73 89 Metano CH4 0,620 1,44 2,0 2538 0,4 37 37 Hidrogênio H2 0,070 11,77 0,5 2660 - - 12 Obs: G.E. = Gravidade específica; V.E. = Volume específico; R.E. = Razão estequiomética Gravidade Específica A gravidade específica de um gás, com referência ao ar, indica como o gás pode acumular em caso de vazamento. Por exemplo, gases com uma gravidade específica menor que o ar tendem a subir e podem juntar-se nos cantos superiores e no teto. Aqueles gases com gravidade específica maior que o ar tendem a se acumular em áreas baixas. Volume Específico Uma quantidade específica de gás a uma temperatura e pressão padrão pode ser descrita pelo seu volume ou peso. Os valores mostrados na Tabela 1 fornecem o volume específico a 15,6 ºC e sob pressão atmosférica. Se conhecermos o peso e o multiplicarmos pelo valor da tabela, teremos o volume e vice-versa. Razão de Combustão ou Estequiométrica A Tabela 1 indica o volume de Oxigênio teoricamente requerido para a combustão completa de cada gás. Estas razões Oxigênio-gás combustível (chamadas de estequiométricas) são obtidas do balanço químico das equações dado na Tabela 2. Os valores mostrados para combustão completa são úteis para os cálculos, porém, eles não representam a razão Oxigênio-gás combustível normalmente liberada na operação do
  • 41. 41 maçarico, porque a combustão completa é parcialmente sustentada pelo Oxigênio do ar das vizinhanças. Calor de Combustão O calor total de combustão de um gás de hidrocarboneto é a soma dos calores gerados nas reações primária e secundária que acontecem na chama global. Isto está mostrado na Tabela 1. Normalmente, o conteúdo de calor da reação primária é gerado na chama interna ou primária, onde a combustão é sustentada pelo Oxigênio fornecido pelo maçarico. A reação secundária acontece na chama externa (secundária), que envolve a primária, e é onde os produtos de combustão da reação primária são sustentados pelo Oxigênio do ar. Tabela 2 - Equações químicas para a combustão completa de gases combustíveis comuns Gás Combustível Reação com Oxigênio Acetileno C2H2 + 2,5 O2 = 2 CO2 + H2O Metilacetileno-propadieno (MPS) C3H4 + 4 O2 = 3 CO2 + 2 H2O Propileno C3H6 + 4,5 O2 = 3 CO2 + 3 H2O Propano C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O Gás Natural ( Metano ) CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O Hidrogênio H2 + 0,5 O2 = H2O Embora o calor da chama secundária seja importante em várias aplicações, o calor mais concentrado da chama primária é a principal contribuição para a capacidade de soldagem de um sistema a oxigás. A chama primária é dita neutra quando a equação da reação primária está balanceada, fornecendo apenas monóxido de carbono e hidrogênio. Sob estas condições, a atmosfera da chama primária não é nem carburizante nem oxidante. Desde que a reação secundária depende necessariamente dos produtos finais da reação primária, o termo neutro serve como um ponto de referência conveniente para descrever as razões de combustão e comparar os vários calores característicos de diferentes gases combustíveis.
  • 42. 42 Temperatura da Chama A temperatura da chama de um gás combustível variará de acordo com a razão de Oxigênio a ser queimado. Embora a temperatura da chama dê uma indicação da capacidade de aquecimento do gás combustível, ela é apenas uma das muitas propriedades físicas a considerar se fizermos uma avaliação global. As temperaturas de chama listadas na Tabela 1 são para as chamadas chamas neutras, i.e., a chama primária que não é nem oxidante nem carburizante. Temperaturas maiores que as listadas na tabela podem ser encontradas, mas, em todo o caso, aquela chama será oxidante, uma condição indesejável na soldagem de muitos metais. Velocidade de Combustão Uma propriedade característica de um gás combustível, sua velocidade de combustão (taxa de propagação da chama), é um fator importante no calor produzido pela chama oxigás. Esta é a velocidade na qual a chama viaja através do gás adjacente não queimado. Ela influencia o tamanho e a temperatura da chama primária. Também afeta a velocidade na qual os gases podem escoar do bico do maçarico sem causar o afastamento da chama ou seu “engolimento”. O afastamento da chama ocorre quando a combustão acontece em alguma distância longe da extremidade do maçarico ao invés de acontecer na extremidade. O engolimento é o recuo momentâneo da chama para dentro do maçarico, seguido pela reaparição ou completa extinção da chama. Como mostra o gráfico a seguir, a velocidade de combustão de um gás combustível varia de maneira característica de acordo com as proporções de Oxigênio e combustível na mistura.
  • 43. 43 Velocidade normal de combustão da mistura de vários gases com oxigênio. Intensidade de Combustão Temperaturas de chama e os valores de aquecimento de combustíveis têm sido usados quase exclusivamente como critério para avaliação dos gases. Estes dois fatores sozinhos, entretanto, não fornecem informação suficiente para uma completa avaliação dos gases para fins de aquecimento. Um conceito conhecido como intensidade de combustão é usado para avaliar diferentes combinações Oxigênio-gás combustível. A intensidade de combustão considera a velocidade de queima da chama, o valor de aquecimento da mistura de Oxigênio e gás combustível e a área do cone da chama fluindo pelo bico. A intensidade de combustão pode ser expressa como segue: Ci = Cv . Ch Onde:
  • 44. 44 Ci - intensidade de combustão em Btu/pés2 .s ( J/ m2 .s) Cv - velocidade normal de combustão da chama em pés/s (m/s) Ch - valor de aquecimento do gás de mistura em consideração em Btu/pés3 (J/m3 ) A intensidade de combustão (Ci), portanto, é máxima quando o produto da velocidade normal de combustão da chama (Cv) e o valor de aquecimento do gás de mistura (Ch) é máximo. Como o calor de combustão, a intensidade de combustão de um gás pode ser expressa como a soma das intensidades de combustão das reações primária e secundária. Entretanto, a intensidade de combustão da chama primária, localizada próxima do bico do maçarico, é da maior importância na soldagem. A intensidade de combustão secundária influencia o gradiente térmico nas proximidades da solda. Intensidade Total de Combustão
  • 45. 45 Defeitos na Soldagem Classificação dos Defeitos Os defeitos de soldagem podem ser assim agrupados: (1) os que estão ligados às exigências de projeto ou especificações; (2) os que estão associados às descontinuidades estruturais na própria solda, (3) os que dizem respeito às propriedades do metal de solda ou da junta soldada. Estas três classes de defeitos podem ser subdivididas como segue: 1. Defeitos dimensionais 1.1. Distorção; 1.2. Preparação incorreta da junta; 1.3. Tamanho incorreto da solda; 1.4. Perfil incorreto da solda. 2. Descontinuidades Estruturais na Solda 2.1. Porosidade; 2.2. Inclusões não-metálicas; 2.3. Fusão imperfeita; 2.4. Penetração Incompleta; 2.5. Mordedura; 2.6. Trincas; 2.7. Defeitos superficiais 3. Deficiências nas propriedades 3.1. Deficiências nas propriedades mecânicas; 3.2. Deficiências nas propriedades químicas.
  • 46. 46 Defeitos Dimensionais A fabricação ou montagem de obras soldadas, para ser considerada satisfatória deve, entre outras exigências, manter as dimensões especificadas, não só no que se refere ao formato e tamanho das soldas mas também às de todo conjunto. Distorção A operação de soldagem envolve a aplicação de calor e a fusão do metal em seções localizadas. Daí decorrem expansões e contrações que podem dar origem a tensões de alta magnitude que persistem na parte soldada após haver a estrutura resfriado. Tais tensões tendem a causar distorção na estrutura. Pode-se eliminar ou reduzir a distorção, introduzindo-se outras tensões que ajam em sentido contrário, contrabalançando- se por meio de uma seleção criteriosa de seqüências de soldagem e pelo emprego de dispositivos de rígida fixação. Até certo ponto, pode-se também fazer uso do martelo de bola, para diminuir a distorção. Distorção Angular Embicamento
  • 47. 47 Preparação Incorreta da Junta. As práticas estabelecidas de soldagem requerem adequadas dimensões das juntas, para cada processo de soldagem, para cada bitola de chapa, para cada composição de metal base e para exigência de serviço. O afastamento destes requisitos pode conduzir a muitos defeitos inclusive, como vimos, tendência à distorção, bem como descontinuidades estruturais. Exemplo com desalinhamento da junta Tamanho Incorreto da Solda O tamanho de uma solda em ângulo é definido como o comprimento correspondente ao lado do maior triângulo retângulo isósceles que possa ser inscrito dentro do corte transversal desta solda. As deficiências das soldas devidas ao tamanho excessivo ou reduzido podem ser determinadas por inspeção de um calibre. Solda de filete assimétrica
  • 48. 48 Perfil Incorreto da Solda O perfil da solda acabada pode ter considerável influência no comportamento da estrutura sob carga bem como na ocorrência de defeitos tais como a falta de fusão, inclusão de escórias, etc. Ângulo excessivo Concavidade
  • 49. 49 Convexidade excessiva Deposição insuficiente Penetração excessiva Descontinuidades Estruturais da Solda Porosidade São os vazios globulares freqüentemente encontrados nas soldas, causados por gases que foram aprisionados, provindos de qualquer fonte, seja da atmosfera,
  • 50. 50 do revestimento dos eletrodos, da umidade na superfície que esta sendo soldada, etc. Quando o metal base contem mais de 0,05% de enxofre e está na presença do hidrogênio contido na atmosfera do arco, formam-se bolhas de ácido sulfídrico (H2 S) que ficam prisioneiras no metal base. O hidrogênio provém quase sempre do revestimento do eletrodo. Utiliza-se eletrodos de baixo hidrogênio, eliminando-se ou reduzindo-se esta forma de porosidade. Também o carbono do metal base pode provocar porosidade pois reage com o oxigênio para formar o monóxido de carbono (CO). O oxigênio pode provir da atmosfera, do revestimento do eletrodo, dos óxidos dos fluxos, da ferrugem, das crostas, etc. Tal tipo de porosidade pode ser reduzida empregando-se metal de enchimento de aço totalmente acalmado. O nitrogênio dissolvido também é motivo de porosidade. A presença na superfície das juntas de óleo, graxa, pintura e matérias orgânicas, por óbvias razões, conduz a porosidade. Então, os vazios são causados devido aos gases que são absorvidos quando o material está em fusão e expelidos quando ele resfria mas, não expelidos suficientemente depressa para evitar o aprisionamento. São causados também pelos gases provenientes de reações químicas que ocorrem durante a soldagem. Intensidades de correntes elevadas e comprimentos de arco excessivos provocam porosidade porque tais condições resultam em consumo indevido de elementos desoxidantes do revestimento dos eletrodos. A falta de desoxidantes na poça de fusão para combinar com os gases durante o resfriamento significa liberação para os gases. A distribuição da porosidade dentro de uma solda é de alguma importância. Sua ocorrência pode ser geralmente classificada como segue: 1. Bolsões mais ou menos uniformemente espalhados pelo metal de solda. Os valores dos bolsões vão de 1/8" de diâmetro a dimensões microscópicas; Porosidade em Bolsão
  • 51. 51 2. Porosidades em grupos: muitas vezes associadas a determinadas condições de soldagem como por exemplo, quando se substitui um eletrodo, interrompendo-se e reacendendo-se o arco; Porosidade agrupada 3. Porosidade linear : Ocorre no primeiro passe e é encarada como caso especial de penetração incompleta . Geralmente, são três ou mais cavidades tendo um diâmetro médio não menor que 1/16", distribuídos em linha paralela ao eixo longitudinal da solda, sendo a distância média entre cada cavidade não maior que 3/4" ou menor que 1/16". Porosidade alinhada Em síntese, as causas e curas da porosidade podem ser assim apresentadas: 1. Causa: hidrogênio excessivo, oxigênio, nitrogênio ou umidade na atmosfera de soldagem; Correção: mudar de eletrodos ou regular o gás protetor (caso se trate do processo TIG ou MIG);
  • 52. 52 2. Causa: solda resfriando muito rapidamente; Correção: retardar o resfriamento ou pré-aquecer; 3. Causa: metal base com alto teor de enxofre; Correção: mudar de metal. Empregar eletrodos de baixo hidrogênio; 4. Causa: óleo, pintura ou ferrugem na superfície da junta; Correção: limpar a junta; 5. Causa: comprimento do arco indevido; Correção: corrigir a técnica de soldagem; 6. Causa: intensidades de correntes excessiva; Correção: diminuir a amperagem; 7. Causa: manipulação errada de eletrodo; Correção: corrigir a técnica de soldagem; 8. Causa: umidade excessiva na junta ou eletrodo; Correção: secar a junta com ligeiro pré-aquecimento e manter o eletrodo com estufa; 9. Causa: desenho incorreto da junta; Correção: corrigir o afastamento ou preparo da junta; Trincas Resulta da presença de tensões localizadas em alguns pontos e que excedem a resistência à ruptura do material, podendo ocorrer a qualquer temperatura. Geralmente classifica-se as trincas em: 1. Trincas a quente; 2. Trincas a frio. Trincas a Quente