Variáveis do Processo

As variáveis do processo que afetam a penetração e a geometria do cordão de solda, e consequentemente as qualidades globais da solda são:

Corrente de soldagem; Polaridade; Tensão do arco; Extensão do eletrodo; Stick-out; Velocidade de soldagem; Orientação do eletrodo; Posição de soldagem; Arame (tipo e diâmetro); Gás de proteção (tipo e vazão).

2.2.3.4. Corrente de Soldagem

A corrente de soldagem influencia diretamente na velocidade de fusão do arame, conforme apresentado na Figura 2.16. A penetração, o reforço e a largura do cordão tendem a aumentar com a corrente quando as demais variáveis são mantidas constantes (Marques et al, 2007).

Figura 2.16 – Relação entre a corrente e a velocidade de fusão do arame (Marques et

al, 2007, modificado).

Mantendo todas as outras variáveis do processo constantes, a corrente de soldagem irá variar com a velocidade de alimentação do arame ou com a taxa de fusão de maneira não linear. Dessa forma a corrente de soldagem varia de maneira semelhante quando uma fonte de tensão constante for utilizada (Felizardo & Bracarense, 2005).

2.2.3.5. Velocidade de Soldagem

Velocidade de soldagem é a taxa linear na qual o arco se movimenta ao longo da junta. Mantendo todas as demais variáveis do processo constante, a penetração é máxima a uma velocidade intermediária.

Reduzindo a velocidade de soldagem, ocorrerá o aumento da deposição de metal por unidade de comprimento, como também, o arco elétrico incidirá com maior violência sobre a poça de fusão mais que sobre o metal base, reduzindo assim a penetração efetiva.

Quando a velocidade é aumentada, a energia térmica por unidade de comprimento transmitida para o metal de base através do arco é, em princípio aumentada, devido ao arco agir diretamente no metal base. Com aumentos sucessivos na velocidade, menor energia por unidade de comprimento de solda é cedida ao metal base. Então, a fusão do metal de base primeiramente aumenta e depois diminui com o aumento da velocidade. Com aumentos sucessivos da velocidade, há uma tendência à mordedura nas bordas do cordão devido à deposição insuficiente (Felizardo & Bracarense, 2005).

2.2.3.6. Posição de Soldagem

É possível realizar soldas em todas as posições com o processo GMAW, desde que todas as variáveis do processo sejam escolhidas adequadamente. Destaca-se que sempre que possível à soldagem deve ser realizada na posição plana. Para soldas fora de posição é preferível utilizar arames com diâmetro inferior a 1,1 mm.

A maioria das aplicações utilizando o modo de transferência spray, a soldagem é feita nas posições horizontal ou plana. Enquanto que para as demais posições, incluindo estas citadas, baixos níveis de energia (curto circuito) ou corrente pulsada podem ser utilizados. Soldas de filete com transferência spray na posição plana resultam em cordões mais convexo, uniformes e menos susceptíveis ao trincamento que soldas de filete feitas na posição horizontal (Felizardo & Bracarense, 2005).

2.2.3.7. Gás de Proteção

O arco elétrico é caracterizado por uma descarga elétrica entre dois eletrodos em um gás, e para que esse arco se mantenha durante a soldagem é preciso que estejam disponíveis partículas carregadas eletricamente. Existindo moléculas de qualquer gás, essas deverão ser dissociadas e, devido à alta energia de vibração obtida pelo aquecimento dos elétrons, as mesmas são levadas ao estado monoatômico. Após a dissociação, aumentando ainda mais a temperatura, ocorrerá a ionização dos átomos.

Em função destas reações, uma característica fundamental dos gases de proteção é o seu potencial de ionização, que corresponde à energia mínima necessária para liberar elétrons. Tem se que quanto maior o potencial de ionização de um gás, mais energia será necessária para estabelecer e manter um arco elétrico. A Tabela 2.1 apresenta o potencial de ionização típico de gases utilizados na soldagem.

Tabela 2.1 – Potencial de ionização de gases utilizados na soldagem GMAW (Felizardo & Bracarense, 2005).

Gases Potencial de Ionização (eV)

Hélio 24,588

Argônio 17,760

Hidrogênio 15,430

Dióxido de Carbono 13,770

Oxigênio 12,070

Além de propiciar a ionização do arco elétrico, eliminar o contato do ar atmosférico com o metal fundido é função primordial dos gases de proteção. Isto é necessário devido a forte tendência dos metais, quando aquecidos até à temperatura de fusão, de formarem óxidos e, em menor extensão, nitretos, resultando em soldas deficientes, com retenção de escória, porosidade e consequente fragilização no cordão de solda. Logo, precauções devem ser tomadas no sentido de excluir o oxigênio e o nitrogênio do ar atmosférico das proximidades da poça de fusão.

Os principais gases utilizados com o processo GMAW são:

Argônio (Ar); Hélio (He);

Dióxido de carbono (CO2); Oxigênio (O2);

2.2.3.8. Gás Inerte

Um arco de solda protegido por hélio produz um cordão de solda profunda, parabólico e largo. Um arco protegido por argônio produz um cordão de solda caracterizado por penetração tipo dedo. Perfis típicos de cordões produzidos com proteção por argônio, hélio e misturas destes são apresentados na Figura 2.17 (Felizardo & Bracarense, 2005).

Figura 2.17 – Perfis de cordões produzidos por arcos protegidos com gás inerte (Felizardo & Bracarense, 2005).

2.2.3.9. Gás Ativo

São usados o dióxido de carbono (CO2) e o oxigênio (O2), com o dióxido de carbono

sendo utilizado puro ou em mistura enquanto o oxigênio somente em mistura. O dióxido de carbono é composto por 27% de carbono e 73% de oxigênio. Produz soldas de qualidade aceitável para a maioria das aplicações, sendo altamente utilizado na soldagem de aço carbono e baixa liga. É possível obter transferência metálica por curto circuito ou globular utilizando proteção por dióxido de carbono, enquanto para se obter transferência spray, é necessário à adição do argônio ao dióxido de carbono.

2.2.3.10. Misturas

O uso de argônio puro, e em uma menor extensão hélio, produz excelentes resultados na soldagem de materiais não ferrosos. Entretanto proteção por argônio puro na soldagem de ligas ferrosas pode causar um arco errático e uma tendência a mordedura. Adições ao argônio de 1 a 5% de oxigênio e de 3 a 25% de dióxido de carbono produzem uma notável melhora na estabilidade do arco e na eliminação de mordeduras. A quantidade ótima de O2 ou CO2 a ser

adicionado ao gás inerte depende:

Condição superficial do metal de base; Geometria da junta;

Posição e técnica de soldagem; Composição do metal de solda.

Adições de 1 a 9% de oxigênio ao argônio melhoram a fluidez da poça se fusão, penetração e estabilidade do arco. Oxigênio também diminui a corrente de transição e a tendência à mordedura, apesar de aumentar a ocorrência de oxidação no metal de solda, com notável perda de sílica e manganês (Felizardo & Bracarense, 2005).

Adições de dióxido de carbono ao argônio podem melhorar a aparência do cordão de solda, a estabilidade do arco e minimiza a ocorrência de mordeduras. Esta mistura é bastante utilizada na soldagem de aço carbono e baixa liga e em menor extensão em aço inoxidável. Adições de 5%dióxido de carbono ao argônio são bastante utilizados na soldagem de aços carbono utilizando corrente pulsada. Adição de 25% dióxido de carbono ao argônio é a mistura mais aplicada na soldagem de aço carbono e baixa liga. Adições de dióxido de carbono acima de 25% aumentam acorrente de transição, as perdas por respingos, a penetração e diminuem a estabilidade do arco (Felizardo & Bracarense, 2005).

2.3.Aços Carbono

Os aços carbono, juntamente com os aços de baixa liga, representam cerca de 95% dos metais de construção e fabricação usados mundialmente. Suas propriedades mecânicas, variáveis dentro de uma ampla faixa de valores, combinadas com baixo custo e facilidade de fabricação, são levadas em conta para sua ampla aplicação. Por causa de suas qualidades, o aço carbono é uma excelente escolha para tubulações, equipamentos, vasos de pressão, estruturas, navios e uma ampla variedade de produtos. O extensivo uso industrial do aço carbono significa que a soldagem deste material também é muito comum. Portanto considerações a respeito de sua soldabilidade e procedimentos de soldagem são necessários como orientação para evitar problemas na sua soldagem (AWS, 2001).

As propriedades dos aços carbono são profundamente afetadas pelas variações de sua composição química. O aumento de carbono causa um aumento no LR (limite de resistência), LE (limite de escoamento), temperabilidade (possibilidade de formação da estrutura metaestável martensita) e dureza, diminuindo a ductilidade (Telles, 2003).

As propriedades mecânicas dos aços carbono e de baixa liga são determinadas primariamente pela composição química e seu tratamento térmico (Telles, 2003):

Carbono: aumenta sua resistência ao escoamento, ruptura e também sua dureza, mas não adiciona uma melhor resistência à fluência. Em compensação o aumento de carbono

prejudica a ductibilidade e soldabilidade do aço; por esse motivo em aços para tubos limita-se a quantidade de carbono até 0,35%, sendo que até 0,20% dos tubos podem ser dobrados a frio. Manganês: resulta em aumento na dureza e na resistência mecânica do aço, com muito menor prejuízo para a soldabilidade e a ductilidade.

Silício: aumenta a resistência mecânica e a resistência à oxidação em temperaturas elevadas; torna o aço “acalmado” por eliminar gases efervescentes e assim colaborar na formação de uma estrutura cristalina mais fina e uniforme.

Cromo: em teores baixos melhora a resistência mecânica, o limite elástico, a tenacidade e a resistência ao choque; em temperaturas elevadas esses efeitos são reduzidos. O cromo geralmente é acidado ao níquel e ao cobre, melhorando a resistência à corrosão atmosférica.

Molibdênio: em pequenas quantidades aumenta a resistência desses aços às deformações em elevadas temperaturas e é um estabilizador de carbono, prevenindo o efeito da grafitização.

Vanádio: aumenta a resistência mecânica, fortalece a ferrita por endurecimento e refina a granulação.

Aços carbono e de baixa liga para tubos são especificados e controlados pelas normas ASTM e ASME, as quais informam faixas e limites de composição química, dimensões e tolerâncias, propriedades mecânicas mínimas e outros requisitos funcionais, além dos procedimentos de controle de qualidade exigidos.

As especificações ASTM e ASME são idênticas para os materiais com o mesmo número, sendo as mais típicas para tubos de aço carbono:

ASTM A-106: para tubos sem costura de 1/8” a 48” de diâmetro nominal, de alta qualidade, em aço carbono acalmado para temperaturas elevadas. Essa especificação abrange três graus diferentes A, B e C, com propriedades específicas entre eles.

ASTM A-53: para tubos de aço carbono de qualidade média, com ou sem costura de 1/8” a 48” de diâmetro nominal e para aplicações de uso geral.Essa especificação abrange dois graus diferentes A e B.