PROCESSOS DE SOLDAGEM
(*) Curso de Inspetor de Soldagem (Módulo 5 – Processos de Soldagem);
Engº Raimundo C. de Medeiros, PhD.
1 - SOLDAGEM MANUAL A ARCO COM ELETRODO REVESTIDO (SMAW)
1.1 - DEFINIÇÃO
A soldagem a arco com eletrodo revestido é um processo que produz a união entre metais pelo aquecimento e fusão destes com um arco elétrico estabelecido entre a ponta de um eletrodo revestido consumível e a superfície do metal de base na junta que está sendo soldada.
1.2 - FUNDAMENTOS DO PROCESSO
Soldagem com eletrodo revestido (SMAW) é a união de metais pelo aquecimento oriundo de um arco elétrico estabelecido entre a ponta de um eletrodo revestido e a superfície do metal de base, na junta que está sendo soldada.
O metal fundido do eletrodo é transferido através do arco elétrico até a poça de fusão do metal de base, formando assim o metal de solda (combinação entre o metal de base e de adição em determinadas proporções – diluição).
Uma escória líquida de densidade menor do que a do metal líquido, que é formada do revestimento do eletrodo e das impurezas do metal de base, sobrenada a poça de fusão protegendo-a da contaminação atmosférica. Uma vez solidificada esta escória controlará a taxa de resfriamento do metal de solda já solidificado. O metal de adição vem da alma metálica do eletrodo (arame) e do revestimento que em alguns casos é constituído de pó de ferro e elementos de liga (Figura 1).
A soldagem com eletrodo revestido é o processo de soldagem mais usado de todos, devido à simplicidade do equipamento, à qualidade das soldas, e ao baixo custo dos equipamentos e dos consumíveis. Ele tem grande flexibilidade e solda a maioria dos metais numa grande faixa de espessuras.
A soldagem com este processo pode ser feita em quase todos os lugares e em condições extremas. A soldagem com eletrodo revestido é usada extensivamente em fabricação industrial, estrutura metálica para edifícios, construção naval, caldeiraria, carros, caminhões, comportas e outros conjuntos soldados.
1.3- EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM
Como mostrado na Figura 2, o equipamento consiste de uma fonte de energia, cabos de ligação, um porta eletrodo, um grampo (conector de terra), e o eletrodo.
Figura 1 - Soldagem com eletrodo revestido
Figura 2 - Equipamento para soldagem com eletrodo revestido
• Fonte de Energia
O suprimento de energia pode ser tanto corrente alternada (transformadores) como corrente contínua (geradores ou retificadores) com eletrodo negativo (polaridade direta), ou corrente contínua com eletrodo positivo (polaridade inversa), dependendo das exigências de serviço.
O tipo de corrente e a sua polaridade afetam a forma e as dimensões da poça de fusão, a estabilidade do arco elétrico e o modo de transferência do metal de adição.
a) Corrente contínua - Polaridade inversa (CC+): eletrodo ligado ao pólo positivo e a peça ao negativo. O bombardeio de elétrons dá-se na alma do eletrodo. Com este tipo de conexão, a taxa de fusão do eletrodo é baixa e elevadas penetrações são normalmente
em direção à poça de fusão encontram os elétrons em contracorrente, causando um superaquecimento das mesmas. Estas gotas de metal superaquecidos, ao atingirem a poça de fusão, entregarão parte da energia térmica adquirida durante sua passagem através do arco elétrico para a poça fundida, causando uma maior penetração.
b) Corrente contínua - Polaridade direta (CC-): eletrodo ligado ao pólo negativo e peça ao positivo. O bombardeio de elétrons dá-se na peça. Com este tipo de conexão, a taxa de fusão do eletrodo é maior e a penetração é inferior àquela obtida em CC+ .
c) Corrente alternada (CA): neste tipo de corrente, a polaridade alterna a cada inversão da corrente. Com este tipo de configuração, a geometria do cordão, a penetração e a taxa de fusão serão intermediárias em relação àquelas obtidas em CC+ e CC-.
A Figura 3 mostra um desenho esquemático dos efeitos do tipo de corrente e polaridade na geometria do cordão.
Figura 3 - Desenho esquemático indicando os efeitos da corrente e polaridade na geometria do cordão.
Conforme indicado na Figura 3, ambas as correntes, CA ou CC, podem ser empregadas na soldagem com eletrodo revestido, dependendo exclusivamente do tipo de corrente fornecido pela fonte de energia e do eletrodo selecionado. A Figura 4 mostra uma característica estática típica para ambas as correntes. Uma fonte de energia desta tipo- "característica estática tombante ou decorrente constante"- é altamente recomendada para soldagem manual visto que alterações usuais na tensão de arco (mudanças no comprimento de arco durante a soldagem) geram pequenas variações na corrente de soldagem.
• Cabos de Soldagem
São usados para conectar o porta eletrodo e o grampo à fonte de energia. Eles devem ser flexíveis para permitir fácil manipulação. Eles fazem parte do circuito de soldagem e consistem de vários fios de cobre enrolados juntos e protegidos por um revestimento isolante e flexível (normalmente borracha sintética). Os cabos devem ser mantidos desenrolados, quando em operação, para evitar a queda de tensão e aumento de resistência por efeito Joule.
Figura 4 - Efeito da inclinação da curva Voltagem-Amperagem na corrente de soldagem para diferentes comprimentos de arco (voltagem).
• Porta Eletrodo
Dispositivo usado para prender mecanicamente o eletrodo revestido enquanto conduz corrente através dele.
• Grampo (Conector de Terra)
É um dispositivo para conectar o cabo terra à peça a ser soldada.
1.4- CONSUMÍVEL DE SOLDAGEM – ELETRODO REVESTIDO
O eletrodo, no processo de soldagem com eletrodo revestido, tem várias funções importantes.
Ele estabelece o arco e fornece o metal de adição para a solda. O revestimento do eletrodo também tem funções importantes na soldagem. Didaticamente podemos classificá-las em funções elétricas, físicas e metalúrgicas.
• Funções Elétricas
a) Isolamento: o revestimento é um mau condutor de eletricidade, assim isola a alma do eletrodo evitando aberturas de arco laterais, orientando o arco para locais de interesse.
b) Ionização: o revestimento contém silicatos de Na e K que ionizam a atmosfera do arco. A atmosfera ionizada facilita a passagem da corrente elétrica, dando origem a um arco estável.
• Funções Físicas e Mecânicas
a) Fornece gases para formação da atmosfera protetora das gotículas do metal contra a ação do hidrogênio da atmosfera.
b) O revestimento funde e depois solidifica-se sobre o cordão de solda, formando uma escória de material não metálico que protege o cordão de solda da oxidação pela atmosfera normal, enquanto a solda está resfriando.
c) Proporciona o controle da taxa de resfriamento e contribui no acabamento do cordão.
• Funções Metalúrgicas
a) Pode contribuir com elementos de liga, de maneira a alterar as propriedades da solda.
Outros elementos químicos são também adicionados com o propósito de escorificar impurezas, desoxidar, dessulfurizar e etc. (ex: Mn, Si, Ca)
Os eletrodos revestidos são classificados de acordo com especificações da AWS (American Welding Society). Especificações comerciais para eletrodos revestidos podem ser encontradas nas especificações AWS da série AWS A5 (Ex.: AWS A5.1).
1.5 TIPOS DE REVESTIMENTO
Em função da constituição química do revestimento podemos distinguir os seguintes tipos de eletrodos revestidos: ácido, celulósico, rutílico e básico.
• Revestimento ácido
Estes revestimentos são constituídos, principalmente, por óxido de ferro (Fe2O3) mais elementos escorificantes a base de sílica (SiO2) na forma de caulim, feldspato e quartzo.
Podem ter pó de ferro no revestimento para aumentar o rendimento. São de fácil manuseio, principalmente nas posições plana e horizontal (para solda de filete). Os depósitos com estes eletrodos tem boas propriedades mecânicas, sempre que utilizados em aços de boa qualidade, do contrário, são susceptíveis a formar trincas.
• Revestimento celulósico
São os revestimentos constituídos por matérias orgânicas, sobretudo celulose (C6H10O5). Se destacam por favorecerem a soldagem em todas as posições, principalmente na vertical descendente. Permite uma penetração profunda, uma escória fina e de relativamente fácil remoção e elevada soldabilidade operatória. Dada às características que acabo de apresentar é o eletrodo preferido para soldar oleodutos e gasodutos.
• Revestimento rutílico
São revestimentos com alta percentagem de dióxido de titânio (TiO2), comumente chamado rutilo. Suas características são: fácil soldabilidade em qualquer posição, arco de fácil abertura e bastante estável, apropriado para juntas mal preparadas. Sua escória é de rápida solidificação
• Revestimento básico
São os revestimentos que contem, preponderantemente elementos calcários [carbonato de cálcio (CaCO3) e dolomita (MgCO3.CaCO3)], fluorita (CaF2), etc... e ferros-liga (ferro-manganês, ferro-silício, etc...).Estes revestimentos podem apresentar ou não a presença de pó de ferro.
Tem excelentes propriedades mecânicas, inclusive no ensaio de impacto a baixas temperaturas. Apresentam os melhores resultados na soldabilidade dos aços de alta resistência. Por serem altamente higroscópios (absorvem com facilidade a umidade do ambiente), eles devem ser conservados em ambientes secos e ressecados antes de sua utilização. A soldagem é feita em qualquer posição utilizando, preferencialmente, corrente contínua polaridade reversa.
1.5- CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES
É importante para um inspetor de soldagem lembrar que o processo de soldagem com eletrodo revestido tem muitas variáveis a considerar. Por exemplo, ele pode ser usado numa ampla variedade de configurações de juntas encontradas na soldagem industrial, e numa ampla variedade de combinações de metal de base e metal de adição. Ocasionalmente, vários tipos de eletrodos são usados para uma solda específica. Um inspetor de soldagem deve ter conhecimento profundo sobre a especificação do consumível usada para o serviço, para saber como e quais variáveis afetam a qualidade da solda.
O processo de soldagem com eletrodo revestido pode ser usado para soldar em todas as posições. Ele pode ser usado para soldagem da maioria dos aços e alguns dos metais não ferrosos, bem como para deposição de metal de adição para se obter determinadas propriedades ou dimensões. Apresenta possibilidade de soldar metal de base numa faixa de 2mm até 200mm, dependendo do aquecimento ou requisitos de controle de distorção e da técnica utilizada.
O controle da energia de soldagem (heat input) durante a operação é um fator relevante em alguns materiais, tais como aços temperados e revenidos, aços inoxidáveis e aços de baixa liga contendo molibdênio sendo também de grande importância para aplicações em baixas temperaturas. Controle inadequado da energia de soldagem durante a operação de soldagem, quando requerido, pode facilmente causar trincas ou, perda das propriedades primárias do metal de base, como a perda de resistência a corrosão em aços inoxidáveis ou mesmo a queda de capacidade de absorção de energia ao impacto (ensaio Charpy). A taxa de deposição deste processo é pequena comparada com os outros processos de alimentação contínua. A taxa de deposição varia de 1 a 5 kg/h e depende do eletrodo escolhido.
O sucesso do processo de soldagem com eletrodo revestido depende muito da habilidade e da técnica do soldador, pois toda a manipulação de soldagem é executada pelo soldador.
Há cinco itens que o soldador deve estar habilitado a controlar:
• comprimento do arco (varia entre 0,5 a 1,1 do diâmetro do eletrodo revestido);
• ângulo de trabalho e de deslocamento do eletrodo;
• velocidade de deslocamento do eletrodo;
• Técnicas de deposição de passes (passe estreito ou passe oscilante);
• corrente.
1.6 FAMILIARIZAÇÃO COM A CLASSIFICAÇÃO AWS (American Welding Society) Os eletrodos são classificados tendo como base as propriedades mecânicas do metal depositado na condição "como soldado", posição de soldagem, tipo de revestimento e tipo de corrente
Estas considerações são válidas para consumíveis da especificação AWS A5.1-95. Para os consumíveis da especificação AWS A5.5-95, são válidas também todas as considerações acima descritas, acrescidas do controle da composição química do metal depositado.
• Sistema de classificação
A classificação genérica de um eletrodo tem a seguinte forma:
5 4 2 3
1
X X X XXX
E −
onde:
Dígito 1- A letra E designa eletrodo;
Dígito 2- Estes dígitos, em número de dois ou três, indicam o limite de resistência à tração mínimo do metal de solda em ksi. Alguns exemplos podem ser visualizados na Tabela 1.
Tabela 1- Exemplos do significado do 2o digito na codificação para classificação AWS.
Limite de Resistência à Tração (mínimo) Eletrodo
Revestido psi (lb/pol2) MPa
E60XX 60.000 414
E70XX 70.000 482
E80XX 80.000 550
E90XX 90.000 620
E100XX 100.000 690
E110XX 110.000 760
E120XX 120.000 830
Nota: as chapas de teste são preparadas em condições padronizadas, especialmente no que se refere ao preaquecimento, temperatura interpasse e tratamentos térmicos.
Dígito 3 - Este digito indica as posições em que o eletrodo revestido pode ser empregado com resultados satisfatórios. A Tabela 2 sumariza estas posições.
Tabela 2- Exemplos do significado do 3o digito na codificação para classificação AWS.
Eletrodo Posição de Soldagem
EXX1X Todas as posições (exceto a vertical descendente para os eletrodos EXX15, EXX16, EXX18 e EXX19)
EXX2X Plana e Horizontal (especialmente para solda em ângulo na posição horizontal)
EXX4X Todas as posições (especialmente a vertical descendente para os eletrodos de baixo hidrogênio)
Dígito 4 - Este digito pode variar de 0 (zero) a 9 (nove) e em combinação com o 3o digito indica a natureza do revestimento, o tipo de corrente e a polaridade a ser utilizada.
Dígito 5 - Designa a composição química do metal de solda sem diluição, depositado por um dado eletrodo.
1.7- DESCONTINUIDADES INDUZIDAS PELO PROCESSO
A solda obtida pela soldagem a arco com eletrodo revestido pode conter quase todos os tipos de descontinuidades. A seguir estão listadas algumas descontinuidades mais comuns que podem ser encontradas quando este processo é usado.
• Porosidade - de um modo geral é causada pelo emprego de técnicas incorretas (grande comprimento do arco ou alta velocidade de soldagem), pela utilização de metal de base sem limpeza adequada ou por eletrodo úmido. A porosidade agrupada ocorre, às vezes, na abertura e fechamento do arco. A técnica de soldagem com um pequeno passe à ré, logo após começar a operação de soldagem, permite ao soldador refundir a área de início do passe, liberando o gás deste e evitando assim este tipo de descontinuidade. A porosidade vermiforme ocorre geralmente pelo uso de eletrodo úmido.
• Inclusões - são provocadas pela manipulação inadequada do eletrodo e pela limpeza deficiente entre passes. É um problema previsível, no caso de projeto inadequado no que se refere ao acesso à junta a ser soldada ou mesmo com pequenos ângulos de bisel.
• Falta de Fusão - resulta de uma técnica de soldagem inadequada: soldagem rápida, preparação inadequada da junta ou do material, corrente baixa demais.
• Falta de Penetração - resulta de uma técnica de soldagem inadequada: soldagem rápida, preparação inadequada da junta ou do material, corrente baixa demais e eletrodo com o diâmetro grande demais.
• Trincas na Margem e Trincas Sob Cordão - são trincas do tipo trinca à frio. Elas ocorrem em um certo tempo após a execução da solda e, portanto, podem não ser detectadas por uma inspeção realizada imediatamente após a operação de soldagem. Elas ocorrem, normalmente, enquanto há hidrogênio retido na solda. Como exemplo de fontes de hidrogênio, podemos citar: elevada umidade do ar, eletrodos úmidos, superfícies sujas. Este
hidrogênio aliado a uma microestrutura frágil e a um nível de tensões residuais suficientemente elevado, contribuem para o aparecimento desses tipos de trincas.
• Mordedura – corrente elevada, peça muito quente.
1.8- PREPARAÇÃO E LIMPEZA DAS JUNTAS
As peças a serem soldadas, devem estar isentas de óleo, graxa, ferrugem, tinta, resíduos do exame por líquido penetrante, areia e fuligem do preaquecimento a gás, numa faixa de no mínimo 20 mm de cada lado das bordas e desmagnetizadas.
1.9- CONDIÇÕES FÍSICAS, AMBIENTAIS E DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL ADEQUADAS À SOLDAGEM
A soldagem não deve ser executada na presença de chuva e vento, a não ser que a junta a ser soldada esteja devidamente protegida. O arco elétrico emite radiações visíveis e ultravioletas, além de projeções e gases nocivos. Por estes motivos, o soldador deve estar devidamente protegido, utilizando filtros, luvas, roupas de proteção, vidro de segurança e executar a soldagem em locais com ventilação adequada.
2 - SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO (SAW)
2.1- DEFINIÇÃO
Processo de soldagem a arco elétrico com eletrodos consumíveis, nos quais o arco elétrico e a poça de fusão são protegidos do ambiente pelos produtos resultantes da queima de um fluxo que é adicionado independentemente do eletrodo. Pode ser utilizado como eletrodo: arame maciço, arame composto (do tipo “tubular”) ou fita.
2.2- FUNDAMENTOS DO PROCESSO
Soldagem a arco submerso (SAS) une metais pelo aquecimento e fusão destes com um arco elétrico (ou arcos), estabelecido entre um eletrodo nu (ou vários eletrodos) e o metal de base.
O arco está submerso e coberto por uma camada de material granular fusível que é conhecido por fluxo; portanto o regime de fusão é misto: por efeito joule e por arco elétrico. Dispositivos automáticos asseguram a alimentação do eletrodo (ou dos eletrodos) a uma velocidade conveniente de tal forma que sua ou suas extremidades mergulhem constantemente no banho de fluxo em fusão. A movimentação do cabeçote de soldagem em relação à peça faz progredir passo a passo a poça de fusão que se encontra sempre coberta e protegida por uma escória que é formada pelo fluxo fundido e impurezas. A Figura 6 mostra este processo.
Figura 6 - Soldagem a arco submerso
Neste processo o soldador ou o operador de solda não necessita usar um capacete ou máscara de proteção. O profissional não pode ver o arco elétrico através do fluxo e tem dificuldade de acertar o posicionamento do arco quando se perde o curso. Para contornar tal problema o equipamento deve possuir um dispositivo simples de guia (mecânico ou luminoso) para orientá-lo.
A quantidade em peso, de fluxo granulado fundido durante a operação de soldagem, é sensivelmente igual ao peso de arame fundido. O fluxo fundido constitui a escória que recobre toda a superfície do cordão de solda. Por baixo da escória, o metal fundido apresenta uma superfície praticamente lisa, característica deste processo, devido à elevada quantidade de calor transmitido ao banho de fusão bem como à sua baixa velocidade de resfriamento em contato com a escória.
O fluxo que não é fundido durante a soldagem é recuperado para ser utilizado de novo, devendo-se contudo ter o cuidado de verificar se o mesmo não se encontra deteriorado. Este risco é tanto maior quanto maior for o número de recuperações, após cada utilização.
O processo de soldagem a arco submerso também solda uma faixa ampla de espessuras e a maioria dos aços ferríticos e austeníticos. Uma utilidade do processo de soldagem a arco submerso está na soldagem de chapas espessas de aços, por exemplo, vasos de pressão, tanques, tubos de grandes diâmetros e vigas.
Em resumo, pode-se dizer que as características gerais deste processo de soldagem são as seguintes;
• Eficiência de deposição elevada (%), visto não haver perdas devido a projeções do metal fundido;
• O banho de fusão é calmo, o que permite o uso de densidades de corrente elevadas (60 a 100 A/mm2);
• Grandes penetrações e diluições, resultantes das elevadas densidades de corrente utilizadas;
• Taxas de deposição elevadas (da ordem de 5 a 85 kg/h) e altas velocidades de soldagem;
• Processo limitado às posições: plana (topo e solda em ângulo) e horizontal (solda em ângulo).
• Nenhum arco de soldagem visível, minimizando requisitos de proteção;
• Pouca produção de fumaça.
2.3- EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM
A soldagem a arco submerso é um processo normalmente automático podendo ser encontrado como semi-automático, em que a alimentação do consumível e o comprimento do arco são controlados pelo alimentador de arame ou fita e pela fonte de energia. No processo automático, um mecanismo de avanço movimenta o cabeçote de soldagem ao longo da peça, e normalmente um sistema de recuperação do fluxo granular não utilizado (Figura 7). Na soldagem de união de cilindros, o cabeçote de soldagem permanece fixo e o conjunto se movimenta através de posicionadores giratórios.
Figura 7 - Equipamento para soldagem a arco submerso
A fonte de energia para a soldagem a arco submerso pode ser uma das seguintes:
• uma tensão variável de gerador CC ou retificador.
• uma tensão contínua de gerador CC ou retificador.
• um transformador de CA.
A tendência atual é para o uso de retificadores de tensão constante ou de característica plana.
Neste tipo de equipamento quando se aumenta a velocidade de alimentação de arame o equipamento aumenta a corrente de soldagem. Para se variar a energia de soldagem é necessário ajustar a voltagem.
As fontes de energia fornecem altas correntes de trabalho. A maioria da soldagem é feita em uma faixa de 350 a 2000A.
A soldagem com corrente contínua permite melhor controle de formato do passe de soldagem, da profundidade de penetração e da velocidade de soldagem. A soldagem em corrente contínua normalmente desenvolve-se com polaridade inversa (eletrodo positivo, CC+).
A corrente alternada tem a vantagem de reduzir o sopro magnético (deflexão do arco, de seu percurso normal, devido à ação de forças magnéticas).
Na Figura 8, encontram-se, esquematicamente, algumas variações do processo a arco submerso convencional.
2.4- CONTROLE DE PROCESSO
As observações seguintes são importantes para que se tenha domínio sobre a técnica da soldagem a arco submerso:
• Quanto maior a intensidade de corrente (I), maior a penetração do metal de solda;
• Quanto maior a tensão (V), maior o comprimento de arco e, conseqüentemente, maior a largura do passe;
• Quanto maior o stick-out (distância entre o contato elétrico e a peça), maior a taxa de deposição;
• Quanto maior a velocidade de soldagem, menor a penetração e menor a largura do passe;
• Quanto menor a diâmetro do eletrodo, maior a penetração (empregando a mesma corrente de soldagem para ambos os diâmetros);
• O emprego de Corrente contínua / polaridade inversa (CC+) produz menor taxa de deposição e maior penetração do metal de solda.
(a) Eletrodo em fita.
(b) Tandem arc
(c) Twin arc
Figura 8 – Algumas variações típicas do processo SMAW.
2.5- CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES
A soldagem a arco submerso pode ser usada para muitas aplicações industriais, que incluem fabricação de navios, fabricação de elementos estruturais, vasos de pressão, etc. O processo pode ser usado para soldar seções finas, bem como seções espessas (5 mm até acima de 200 mm). O processo é usado principalmente nos aços carbono, de baixa liga e inoxidáveis. Ele não é adequado para todos metais e ligas. A seguir estão listadas as várias classes de metal de base que podem ser soldados por esse processo:
• Aço carbono com até 0,29% C.
• Aços carbonos tratados termicamente (normalizados ou temperados - revenidos).
• Aços de baixa liga, temperados e revenidos, com limite de escoamento até 700 Mpa (100.000 psi).
• Aços cromo-molibdênio (1/2% a 9% Cr e 1/2% a 1% Mo).
• Aços inoxidáveis austeníticos.
A maioria da soldagem a arco submerso é feita na posição plana, com pouca aplicação na posição horizontal em ângulo.
Soldas executadas com este processo usualmente tem boa dutilidade, alta tenacidade ao entalhe, contém baixo hidrogênio e propriedades que são, no mínimo, iguais àquelas que são encontradas no metal de base.
Por este processo pode-se executar soldas de topo, em ângulo, de tampão, e também realizar deposições superficiais no metal de base (revestimento). Na soldagem de juntas de topo com raiz aberta, um cobre-junta é utilizado para suportar o metal fundido. Na soldagem de revestimento para prover de propriedades desejadas uma superfície, por exemplo, resistência a corrosão ou erosão, o metal de adição usado é normalmente uma fita.
A taxa de deposição pode variar de 5,0 kg/h, usando processos semi-automáticos, até um máximo aproximado de 85 kg/h, quando se usam processos automáticos com vários arcos conjugados.
2.6- PREPARAÇÃO E LIMPEZA DA JUNTA
A limpeza da junta e o alinhamento da máquina com a junta são particularmente importantes na soldagem a arco submerso.
No que se refere à limpeza, qualquer resíduo de contaminação não removido pode redundar em porosidade e inclusões. Portanto, prevalecem, para a soldagem a arco submerso, todas as recomendações feitas para a soldagem com eletrodo revestido, quais sejam:
• As peças a serem soldadas devem estar isentas de óleo, graxa, ferrugem, resíduos do exame por líquido penetrante, areia e fuligem do preaquecimento a gás, numa faixa de no mínimo 20 mm de cada lado das bordas, e desmagnetizadas.
• As irregularidades e escória do oxi-corte devem ser removidas, no mínimo, por esmerilhamento.
• Os depósitos de carbono, escória e cobre resultantes do corte com eletrodo de carvão devem ser removidos.
O alinhamento máquina/junta incorreto resulta em falta de penetração e falta de fusão na raiz.
Se a soldagem é com alto grau de restrição, trincas também podem surgir devido ao alinhamento defeituoso.
2.7 CONSUMÍVEIS
Os consumíveis utilizados na soldagem por arco submerso são os eletrodos e os fluxos, sendo a combinação entre eles, juntamente com o metal de base e o procedimento de soldagem que responsável pelas propriedades mecânicas da junta soldada.
Os eletrodos são normalmente arames sólidos, fornecidos na forma de bobina, com diferentes tamanhos, dependendo do tipo e quantidade de soldagens a realizar. Estes arames são produzidos por trefilagem e podem ter um revestimento superficial de cobre como os arames para soldagem GMAW. Em aplicações especiais, podem ter a forma de fita ou ser do tipo
A principal forma de classificar os arames é através do seu teor em Mn. Percentagens de Mn de 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0% são fornecidas comercialmente e que permitem aumentar progressivamente a resistência mecânica do material de solda.
É necessário selecionar o arame junto com o fluxo já que este último afeta o teor de Mn durante a soldagem. Assim, quando se seleciona uma determinada designação de consumível, estamos a nos referir ao par: arame-fluxo.
Os fluxos podem ser do tipo fundido ou aglomerado consoante a forma como são fabricados. O fluxo fundido, inicialmente utilizado e hoje pouco usado, é fundido e posteriormente esmagado e calibrado, tendo a vantagem de não ser higroscópico, contrariamente ao que acontece com o tipo aglomerado.
Quanto à sua capacidade de alterar a composição química do metal de solda, os fluxos podem ser classificados como ativos ou neutros. Os primeiros são aqueles que podem transferir quantidades significativas de um ou mais elementos de liga para a poça de fusão, tendo portanto, uma participação efetiva na composição química do metal de solda. Assim, este tipo de fluxo permite depositar aços ligados usando-se eletrodos de aço de baixo carbono.
Contudo, a operação de soldagem com este tipo de fluxo deve ser cuidadosamente planejada e controlada, já que variações nos parâmetros de soldagem, particularmente da tensão, influenciam esta transferência de elementos de liga para a solda, como indicado na Tabela 3.
Fluxos neutros influenciam de forma pouco significativa a composição química do metal de solda.
Tabela 3 - Exemplo da influência da tensão na transferência de Cr e Mo de um fluxo ativo na soldagem com eletrodo de aço não ligado.
Corrente
(A) Tensão
(V) Composição da solda (%)
Cromo Molibdênio 500
500 26
29 2,30
2,90 0,41
0,49
A American Welding Society - AWS possui duas especificações relacionadas diretamente com consumíveis para soldagem por arco submerso: a A 5.17 que trata de arames de aço doce e fluxos para soldagem por arco submerso, e a A 5.23, que especifica arames de aço de baixa liga e fluxos para soldagem por arco submerso.
Em ambas especificações, a designação de um fluxo é sempre feita em combinação com um dado arame. Assim, um mesmo fluxo F pode ser designado como F6A2-EXXX ou F7A4-EXXX, de acordo com o arame-eletrodo E utilizado. O esquema de designação do par arame-fluxo adotado pela especificação A 5.17 é apresentado abaixo:
A Tabela 4 mostra algumas classificações eletrodo-fluxo e as propriedades mecânicas do metal depositado.
Já a Tabela 5 indica os requisitos de composição química de arames para a soldagem por arco submerso, segundo a especificação a 5.17.
Tabela 4 - Propriedades mecânicas do metal depositado.
Classe
AWS Limite de
Resistência - psi (MPa) -
Limite de Escoamento 0,2%
- psi (MPa) -
Alongament o em 2”
(%)
Requisitos de Impacto Dígito oF (oC) F6XZ
F6X0 F6X2 F6X4 F6X5 F6X6 F6X8
60.000 a 80.000 (415 a 550)
48.000 (330)
22
Z sem requisitos 0 0 (-18) 2 -20 (-29) 4 -40 (-40) 5 -50 (-46) 6 -60 (-51) 8 -80 (-62)
Tabela 5 - Composição química dos consumíveis.
Composição química (% em peso) Classe
AWS Carbono Manganês Silício Enxofre Fósforo Cobre EL 8
EL 8K EL 12
0,10 0,10 0,05 - 0,15
0,25 - 0,60 0,25 - 0,60 0,25 - 0,60
0,07 0,10 - 0,25
0,07 EM 12
EM 12K EM 13K EM 15K
0,06 - 0,15 0,05 - 0,15 0,07 - 0,19 0,10 - 0,20
0,80 - 1,25 0,80 - 1,25 0,90 - 1,40 0,80 - 1,25
0,10 0,10 - 0,35 0,35 - 0,75 0,10 - 0,35 EH 14 0,10 - 0,20 1,70 - 2,20 0,10
0,035 0,035 0,035
OBS: números individuais indicam valores máximos
2.8- DESCONTINUIDADES INDUZIDAS PELO PROCESSO
Na soldagem a arco submerso, a exemplo da soldagem com eletrodo revestido, pode ocorrer quase todo tipo de descontinuidade, pelo menos as mais comuns. Vejamos alguns aspectos principais:
• Falta de Fusão - pode ocorrer no caso de um cordão espesso executado em um único passe ou em soldagens muito rápidas, ou seja, nos casos de baixa energia de soldagem.
• Falta de penetração - como já citamos anteriormente, a falta de penetração, quando acontece, é devido a um alinhamento incorreto da máquina de solda com a junta a ser soldada e/ou velocidade de soldagem inadequada.
• Inclusão de Escória - pode ocorrer quando a remoção de escória, na soldagem em vários passes, não for perfeita. Devemos cuidar para que toda a escória seja removida, atentando que existem regiões onde esta operação é mais difícil: a região entre passes e aquela entre o passe e a face do chanfro executado no metal de base.
• Mordedura - acontece com certa freqüência na soldagem a arco submerso, quando a soldagem processa-se rapidamente e quando a corrente for muito alta.
• Porosidade - ocorre com freqüência, tendo como causas principais a alta velocidade de avanço da máquina e o resfriamento rápido da solda. São bolhas de gás retidas sob a escória. Podemos eliminar a porosidade mudando a granulação (finos em menor quantidade) ou a composição do fluxo. Outros meios de evitar porosidades são: limpeza adequada da junta, diminuição da velocidade de avanço da máquina, utilização de arames com maior teor de desoxidantes e altura do fluxo adequada.
• Trinca - na soldagem a arco submerso, podem ocorrer trincas em elevadas temperaturas ou em temperaturas baixas. Trincas de Cratera ocorrem normalmente na soldagem a arco submerso, a não ser que o operador tenha uma perfeita técnica de enchimento de cratera.
Na prática utilizamos chapas apêndices (run-on e run-off tabs) para deslocar o início e o fim da operação de soldagem para fora das peças que estão sendo efetivamente soldadas.
Trincas na Garganta ocorrem em pequenos cordões de solda entre peças robustas. São típicas de soldagem com elevado grau de restrição. Trincas na Margem e Trincas na Raiz muitas vezes ocorrem algum tempo após a operação de soldagem e, neste caso, são devidas ao hidrogênio. Freqüentemente a causa é umidade no fluxo.
2.9- CONDIÇÕES DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL
Como o arco é submerso, invisível, a soldagem é normalmente executada sem fumaças, projeções e outros inconvenientes comumente verificados em outros processos de soldagem a arco elétrico. Daí, não necessitarmos de máscaras e outros dispositivos de proteção a não ser dos óculos de segurança. Eles devem ser escuros para proteção contra clarões no caso de, inadvertidamente, ocorrer abertura de arco sem fluxo de cobertura.
A soldagem a arco submerso pode produzir fumaças e gases tóxicos. É sempre conveniente cuidar para que exista uma ventilação adequada do local de soldagem, especialmente no caso de áreas confinadas.
O operador e outras pessoas relacionadas com a operação do equipamento de soldagem devem estar familiarizados com as instruções de operação do fabricante. Particular atenção deve ser dada às informações de precaução contidas no manual de operação.
3 - SOLDAGEM TIG (GTAW)
NOTA: Este processo de soldagem foi inicialmente desenvolvido para usar gases inertes (exemplo: argônio e hélio) para proteger a poça de fusão da ação dos gases encontrados no ar atmosférico. Por esta razão, ele foi batizado como T.I.G. (Tungsten Inert Gas). Anos mais tarde, houve a introdução de gases ativos (CO2 e/ou O2) nos gases inertes, como também o desenvolvimento de eletrodos de tungstênio ligados a óxidos de tório, cério. Por esta razão, o processo que era conhecido como TIG passou a ser chamado de Gas Tungsten Arc Welding (GTAW).
3.1- DEFINIÇÃO
Processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo não consumível de tungstênio ou liga de tungstênio sob uma proteção gasosa de gás inerte ou misturas de gases inertes. Pode ou não ser utilizado material de adição.
3.2- FUNDAMENTOS DO PROCESSO
Soldagem TIG é a união de metais pelo aquecimento e fusão destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio puro ou de ligas a base de tungstênio, e a peça.
A proteção durante a soldagem é conseguida com um gás inerte ou mistura de gases inertes, que também tem a função de transmitir a corrente elétrica quando ionizados durante o processo. A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição (solda autógena). Quando é feita com metal de adição, ele não é transferido através do arco, mas é fundido pelo arco, não fazendo portanto parte do circuito elétrico de soldagem.
A Figura 9 mostra esquematicamente este processo.
Figura 9 - Soldagem TIG
A área do arco é protegida da contaminação atmosférica pelo gás de proteção, que flui do bico da pistola. O gás remove o ar, eliminando a contaminação do metal fundido e do eletrodo de tungstênio aquecido pelo nitrogênio e oxigênio presentes na atmosfera. Há pouco ou nenhum salpico e fumaça. A camada da solda é suave e uniforme, requerendo pouco ou nenhum acabamento posterior.
A soldagem TIG pode ser usada para executar soldas de alta qualidade na maioria dos metais e ligas. Não há nenhuma escória e o processo pode ser usado em todas as posições. Este processo é o mais lento dos processos manuais.
Uma característica importante deste processo é o excelente controle do calor cedido à peça, devido ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento, semelhante ao que ocorre na soldagem oxi-acetilênica. Isto torna o processo bastante adequado para a soldagem de peças de pequena espessura e, aliado à eficiente proteção contra a contaminação, à soldagem de materiais de difícil soldabilidade, com ótimos resultados.
O fato de o eletrodo ser do tipo “não-consumível”, isto possibilita a soldagem sem adição de metal de enchimento. Isto pode ser interessante na soldagem de chapas finas. Além disso, como não existem reações metal-gás e metal-fluxo, não há grande geração de fumos e vapores, o que permite ótima visibilidade para o soldador.
3.3- EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM
A soldagem TIG é usualmente um processo manual, mas pode ser mecanizado e até mesmo automatizado. O equipamento necessita ter:
• um porta eletrodo com passagem de gás e um bico para direcionar o gás protetor ao redor do arco e um mecanismo de garra para conter e energizar um eletrodo de tungstênio, denominado pistola;
• um suprimento de gás de proteção;
• um fluxômetro e regulador-redutor de pressão do gás;
• uma fonte de energia, com características volt-ampere idênticas ao do eletrodo revestido;
• uma fonte de alta freqüência;
• um suprimento de água de refrigeração, se a pistola for refrigerada a água.
A Figura 10 ilustra o equipamento necessário para o processo TIG.
Figura 10 - Equipamento para soldagem TIG
As variáveis que mais afetam este processo são as variáveis elétricas (corrente, tensão e características da fonte de energia). Elas afetam na quantidade, distribuição e no controle de calor produzido pelo arco e também desempenham um papel importante na sua estabilidade e finalmente, na remoção de óxidos refratários da superfície de alguns metais leves e suas ligas.
3.4- ELETRODOS PARA O PROCESSO TIG
Os eletrodos para o processo TIG são varetas sinterizadas de tungstênio puro ou ligado ao tório ou zircônio, ambos na forma de óxidos.
O tungstênio, além de possui elevado ponto de fusão (3.392oC) e evaporação (5.906oC), apresenta também ótimas características de emissividade eletrônica. Estes eletrodos seguem a classificação AWS A 5.12 (American Welding Society) conforme apresentado na Tabela 6 para alguns eletrodos.
Tabela 6 - Classificação dos eletrodos segundo a AWS A5.12 Classificação Composição Química (% em peso)
AWS Tungstênio Tório Zircônio Outros Cor
EWP 99,5 -- -- 0,5 Verde
EWTh-1 98,5 0,8 a 1,2 -- 0,5 Amarelo
EWTh-2 97,5 1,7 a 2,2 -- 0,5 Vermelho
EWZr 99,2 -- 0,15 a 0,40 0,5 Marrom
A adição destes elementos (tório, zircônio, etc.) tem a finalidade de aumentar a emissividade eletrônica do eletrodo, garantindo maior estabilidade de arco e durabilidade do eletrodo.
O eletrodo de tungstênio puro - EWP - é utilizado na soldagem com corrente alternada. Com corrente contínua é fortemente recomendado o emprego do eletrodo ligado ao tório.
Na utilização de corrente contínua, a ponta do eletrodo deve ser afiada conforme indicado na Figura 11. É importante que a afiação seja no sentido longitudinal ao eixo do eletrodo e bem uniforme, o que proporcionará um arco mais estável.
