Análise comparativa entre custos nos procedimentos de soldagem com arame tubular (FCAW) e arco submerso (SAW) referente a anéis de um pré-distribuidor de uma turbina Kaplan vertical

Texto

(1)0. UNIJUÍ – UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL. DECEENG – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS. FÁBIO SCHOCK DE ALMEIDA. ANÁLISE COMPARATIVO ENTRE CUSTOS NOS PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR (FCAW) E ARCO SUBMERSO (SAW) REFERENTE A ANÉIS DE UM PRÉ-DISTRIBUIDOR DE UMA TURBINA KAPLAN VERTICAL. PANAMBI 2014.

(2) 1. FÁBIO SCHOCK DE ALMEIDA. ANÁLISE COMPARATIVO ENTRE CUSTOS NOS PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR (FCAW) E ARCO SUBMERSO (SAW) REFERENTE A ANÉIS DE UM PRÉ-DISTRIBUIDOR DE UMA TURBINA KAPLAN VERTICAL. Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, com requisito parcial a obtenção de título de Engenheiro Mecânico.. Orientador: Gil Eduardo Guimarães, Ph.D.. PANAMBI 2014.

(3) 2. FÁBIO SCHOCK DE ALMEIDA. ANÁLISE COMPARATIVO ENTRE CUSTOS NOS PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR (FCAW) E ARCO SUBMERSO (SAW) REFERENTE A ANÉIS DE UM PRÉ-DISTRIBUIDOR DE UMA TURBINA KAPLAN VERTICAL. Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca a avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, com requisito parcial a obtenção de título de Engenheiro Mecânico. Banca Avaliadora:. ___________________________________________________ 1º Avaliador: Professora Me. Eng. Patrícia Pedrali. _____________________________________________ 2º Avaliador (orientador): Prof. Gil Eduardo Guimarães, Ph.D..

(4) 3. RESUMO. Com a globalização da economia, abrindo as portas do pais a importação, a indústria brasileira se depara com a concorrência de produtos produzidos em outros países com qualidade melhor e custos menores, induzindo as empresas nacionais a buscarem soluções que agilizem seus processos produtivos, melhorando a qualidade e baixando os custos.Dentro dessa filosofia de trabalho, está inserido o treinamento dos recursos humanos, no intuito de dotar o homem de informações tecnológicas e de sistemas de garantia da qualidade que promova um sinergismo dentro da empresa melhorando a qualidade do produto. Os processos de soldagem tem grande participação, haja visto que em quase todos processos produtivos a soldagem tem papel relevante. Mesmo nos processos de soldagem não automatizados, uma normalização e necessária no intuito de assegurar qualidade e custo ao produto. Conforme a operação de soldagem envolve um grande número de aspectos que podem ter algum impacto em seu custo final como o uso de consumíveis (metal de adição,Gás ,fluxo e outros ), o custo de mão de obra e gasto de energia elétrica. No presente documento uma discussão mais detalhada deste itens e dos outros poderá ser encontrada na literatura listada no final deste documento. Palavras-chave: Processo de Soldagem. Custos de Soldagem..

(5) 4. ABSTRACT. With the globalization of the economy, opening the doors of the country to import Brazilian industry faces competition from products produced in other countries with better quality and lower costs , inducing domestic firms to seek solutions that streamline their production processes , improving quality and lowering costs.Within this philosophy of work, training of human resources is inserted in order to equip the man of technological information systems and quality assurance to promote a synergy within the company improving the quality of the product . The welding processes plays a large part, given the fact that in almost all welding processes are essential. Even in non-automated welding processes, standardization and necessary in order to ensure the product quality and cost. As [MODENESI, 2000] welding operation involves a large number of aspects that can have an impact on your final cost as the use of consumables ( filler metal , gas flow , etc.) , the cost of labor and expense of electricity. In this paper a more detailed discussion of this and other items can be found in the literature listed at the end of this document.. Keywords: Lean Production. Value Stream..

(6) 5. LISTA DE SÍMBOLOS. Ø - Diâmetro do arame tubular (mm) I - Corrente de soldagem (A) Valim - Velocidade de alimentação do arame. (m/min) ts - Tempo de soldagem (h) m inicial - Massa inicial da amostra antes da soldagem (kg) m final - Massa final da amostra depois da soldagem (kg) V - Tensão de soldagem (V) R - Resistência elétrica do arame tubular (ohm) l - Comprimento do arco (mm) v - Velocidade de soldagem (cm/min) T - Temperatura. Graus Celsius (oC) C - Carbono β - Ângulo de abertura da junta ou ângulo bisel (o) α - Ângulo de chanfro (o) s - Face da raiz (mm) V gás - Vazão do gás de proteção (l/min) A vs- Área chanfro V superior (mm²) A vi- Área chanfro V inferior (mm²) ms- Massa depositada (mm) As- Área transversal (mm²) L-Comprimento do cordão (mm) T arc – Tempo de arco aberto (h) Ce- Eletrodos (Kg) Ceu-Preço por peso do eletrodo Cf-Fluxo (Kg) Cel-Energia elétrica (R$) mi- Massa depositada no anel inferior (mm) P- Potência elétrica (KW) Ct-Contração transversal (mm) Cl-Contração longitudinal (mm) Ca-Contração angular I- Inércia angular (mm).

(7) 6. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema de um aparelho de soldagem por Arame Tubular............................... 13 Figura 2 - Equipamento básico para soldagem com arames Tubular.................................. 15 Figura 3 - Tocha para soldagem semi automática............................................................... 16 Figura 4 - Taxa de deposição - Arame Tubular .................................................................. 18 Figura 5 - Juntas típicas de filetes Típicas...........................................................................19 Figura 6 - Juntas típicas para solda de penetração total...................................................... 20 Figura 7 - Equipamento para soldagem a arco submerso.................................................... 24 Figura 8 - Anel Inferior....................................................................................................... 27 Figura 9 - Cálculo de área de junta soldada........................................................................ 28 Figura 10 - Gráfico Taxa X Corrente.................................................................................. 29 Figura 11 - Anéis superior e Inferior................................................................................... 40 Figura 12 - Desenho anel Inferior....................................................................................... 41 Figura 13 - Desenho anel superior.......................................................................................41 Figura 14 - Fixação anel Inferior....................................................................................... 42 Figura 15 - Preenchimento Anel Superior........................................................................... 43 Figura 16 - Preenchimento anel Inferior............................................................................ 43 Figura 17 – Ensaio de Liquido Penetrante anel Inferior..................................................... 43 Figura 18 – Preenchimento parcial anel Inferior..................................................................43 Figura 19 – Preenchimento Total anel Inferior................................................................... 44 Figura 20 – Soldagem anel Inferior..................................................................................... 44 Figura 21 – Representação Soldagem anel Inferior............................................................ 44.

(8) 7. LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Densidades de materiais para soldagem ............................................................ 28 Tabela 2 - Valores do fator de ocupação para diferentes modos de operação ................... 30 Tabela 3 - Valores típicos de ϕ para diferentes processos .................................................. 30 Tabela 4 -Custos comparativos entre processos de soldagem............................................ 52.

(9) 8. LISTA DE ANEXOS. Anexo A- RQPS 01 PROCESSO ARCO SUMERSO (SAW)........................................... 57 Anexo B- EPS 01 PROCESSO ARAME TUBULAR (FCAW) ........................................ 59.

(10) 9. SUMÁRIO INTRODUÇÃO................................................................................................................. 11 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 12 1.1 SOLDAGEM ELÉTRICA A ARCO VOLTAICO....................................................... 12 Formação de uma junta soldada.................................................................................. 12 1.2 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO............................................................ 13 1.2.1 Arame tubular............................................................................................................. 13 Introdução................................................................................................................... 13 Definição.....................................................................................................................14 Equipamentos para o processo de soldagem.............................................................. 15 Consumíveis............................................................................................................... 16 Classificação dos arames tubular................................................................................17 Gases de proteção...................................................................................................... 17 Variáveis do Processo de Soldagem com Arame Tubular........................................ 17 Características do Processo de Soldagem com Arame Tubular................................. 21 1.2.2 Processo Arco Submerso............................................................................................ 22 Introdução...................................................................................................................22 Princípio de funcionamento do processo................................................................... 22 Equipamentos do Processo Arco Submerso............................................................... 24 Conservação dos consumíveis................................................................................... 27 1.3 ESTIMATIVA DO CUSTO DE SOLDAGEM............................................................ 27 Memorial de cálculos de custos de processos da soldagem....................................... 28 Calculo de massa depositada...................................................................................... 28 Tempo de soldagem (tARC – “tempo de arco aberto”)............................................. 29 Consumíveis............................................................................................................... 31 Fluxo (Cf)................................................................................................................... 32 Gás de Proteção (Cg).................................................................................................. 32 Mão de obra e custos fixos (Cl).................................................................................. 32 Energia elétrica (Cel).................................................................................................. 33 1.4 DEFORMAÇÕES......................................................................................................... 33 Controle de deformação.............................................................................................. 33 Analogia da barra aquecida........................................................................................ 32 Causas da deformação................................................................................................. 34 Tipos de Deformações .............................................................................................. 35 Contração transversal .............................................................................................. 35 Contração longitudinal................................................................................................ 35 Deformação angular ................................................................................................... 35.

(11) 10. Prevenção e controle da deformação.......................................................................... 35 Tratamento térmico aplicado à soldagem................................................................. 37 Características.......................................................................................................... 37 Tipos de tratamento térmico.................................................................................... 37 Recozimento......................................................................................................... 37 Normalização........................................................................................................ 37 Revenimento......................................................................................................... 38 Solubilização........................................................................................................ 38 Têmpera................................................................................................................ 38 Pré-aquecimento................................................................................................... 39 Pós-aquecimento................................................................................................... 39 Alívio de tensões.................................................................................................. 39 2 MATERIAIS E MÉTODOS.......................................................................................... 41 2.1 ESTUDO DE CASO .................................................................................................... 41 2.2 APRESENTAÇÕES DA EMPRESA ...........................................................................41 2.3 ESCOLHA DA PEÇA .................................................................................................. 41 Objetivo...................................................................................................................... 42 Aplicabilidade............................................................................................................. 42 Materiais..................................................................................................................... 42 Procedimento.............................................................................................................. 43 2.4 PROCESSOS DE SOLDAGEM ATUAL COM ARAME TUBULAR (FCAW)........ 44 Memorial de Cálculo de custo de soldagem com processo (FCAW)........................... 44 2.5 MEMORIAIS DE CÁLCULOS REFERENTES À DEFORMAÇÃO DE ANÉIS DO PRÉ-DISTRIBUIDOR........................................................................................................ 50 2.6 MELHORIAS NO PROCESSO DE SOL. US0 DO ARCO SUBMERSO (SAW)...... 51 Memorial de Cálculo de custo de soldagem com processo (SAW).............................. 51 3 ANALISE DE RESULTADOS...................................................................................... 54 CONCLUSÕES ............................................................................................................. 56 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................... 57.

(12) 11. INTRODUÇÃO. Sem possuir dados históricos concretos que nos permitam precisar a origem da soldadura, podendo no entanto afirmar que esta técnica nasceu com a aptidão dos homens para trabalhar com metais. Na verdade, achados arqueológicos troianos do Século XII a.C. confirmaram a existência nessa época da "soldadura heterogênea" a estanho e da "soldadura autógena" por forjamento ou caldeação. Conforme [SCOTTI, 2008], durante muitos anos o homem procurou melhorar o processo de soldagem, projetando equipamentos e acessórios para melhorar a qualidade e quantidade das peças soldadas. A indústria por sua vez percebendo as vantagens, começaram a incorporar cada vez mais o processo de solda em seus produtos. Nos dias de hoje é quase impossível encontrar produtos que não utilizam algum processo de solda. Existem muitos tipos de solda, solda de plástico por ultrassom, solda estanho para equipamentos eletrônicos, solda elétrica, solda MigMag e tig. Para cada tipo de material existe um processo de solda com características especificas. Após a primeira guerra mundial, era comum encontrar-se nos contratos de vendas de carros usados uma cláusula citando que o veículo encontrava-se isento de partes quebradas ou soldadas. Isto é fácil de entender porque no princípio, a soldagem era uma tecnologia utilizada unicamente para manutenção. Conforme SCOTTI (2008), a grande incentivadora desta tecnologia foi sem dúvida a indústria automobilística. As concepções de veículos exigiam suspensões independentes no lugar dos tradicionais chassis excessivamente reforçados, com formas grotescas e pesos exagerados. A adoção desta tecnologia reduziu o peso dos chassis pela metade, e seus custos na ordem de 20 a 50%. Tendo neste trabalho o objetivo em obter uma estimativa de custos de soldas e deformação na união de quatro segmentos na formação de anéis do Pré-distribuidor da caixa espiral da Turbina Kaplan Vertical..

(13) 12. 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. A revisão bibliográfica buscou trazer fundamentos teóricos na área de processo de soldagem com arame tubular (FCAW) e arco submerso (SAW) como também enfatizando levantamento de custos e deformação de um de uma peça soldada.. 1.1 SOLDAGEM ELÉTRICA A ARCO VOLTAICO. Este processo origina-se da ação direta e localizada de um arco voltaico estabelecido entre duas partes metálicas que, devido ao efeito Joule, atingem temperatura de fusão passando a formar uma massa única. Por efeito Joule, entende-se o fato de um material aquecer quando submetido a passagem de corrente elétrica. Existem grandes vantagens em se utilizar um arco elétrico como fonte de calor: uma delas é a alta concentração de calor que permite obter elevadas temperaturas em um pequeno espaço, de tal forma que a zona de influência calorífica fique a mínima possível. Para fins de aplicação direta na soldagem, o que nos interessa é saber que o arco voltaico é a passagem de grande quantidade de corrente elétrica (conforme o processo varia de dezenas a milhares de Amperes), através de uma atmosfera gasosa e entre dois eletrodos submetidos a uma diferença de potencial (voltagem) que pode ser apenas de uns poucos Volts.. 1.1.1 Formação de uma junta soldada. De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância, na qual a energia do sistema é mínima. Nessa situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tendendo a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situação não se mantém, pois os átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto um maior nível de energia do que os átomos no seu interior..

(14) 13. Esta energia pode ser reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação de uma ligação permanente, entre as peças.. 1.2PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO 1.2.1 Arame tubular Introdução. Data da década de 30 o início da utilização de proteção gasosa nas operações de soldagem, para resolver problemas da contaminação atmosférica nas soldas de materiais reativos (alumínio, titânio e ligas de magnésio), tendo dado origem ao processo TIG (Tungstênio Inert Gás). Utilizando o mesmo princípio de funcionamento do TIG, ou seja um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo e a peça, envolto por uma atmosfera protetora de gás inerte, surge em 1948 o processo MIG, o qual difere do anterior por utilizar um eletrodo consumível de alimentação contínua. Inicialmente utilizado para ligas altamente reativas, pois a utilização de gases inertes tornava seu custo elevado para utilização em aços carbono e baixa liga. Quando da introdução do CO2 como gás de proteção revelou-se um processo bem aceito para soldagem de aço carbono e baixa liga, uma vez que barateou o custo do processo. . Figura 1.Esquema de um aparelho de soldagem por Arame Tubular. No início apenas arame sólido era utilizado e por volta dos anos 50 foi introduzido o uso de Arame Tubular com proteção gasosa. Na década de 60 o Arame auto protegidfointroduzido por pesquisadores e engenheiros da Lincoln Eletric [Handbook1973]. Fonte: [SCOTTI, 2008].

(15) 14. A utilização de Arame Tubular deu uma alta qualidade ao metal de solda depositado, excelente aparência ao cordão de solda, boas características de arco, além de diminuir o número de respingos e possibilidade de solda em todas as posições, tendo ganho popularidade para soldagem de aços carbono e baixa liga, em chapas de espessura grossa e fina. Muitas vezes sendo utilizado em fortes espessuras onde a geometria de junta e posição de soldagem não permitia a aplicação de outros processos de alto rendimento tal como arco submerso ou eletro-escória. O processo de soldagem por Arame Tubular tem duas variantes, podendo ser protegido por gás inerte, por gás ativo ou mistura destes ("dualshield") ou auto protegido, sem a utilização de gases de proteção ("innershield"). Atualmente a utilização de Arames Tubular auto protegido tem tido grande interesse em consequência da sua versatilidade e possibilidade de aplicação em ambientes sujeitos a intempéries como, na fabricação de plataformas de prospecção de petróleo, estaleiros navais, locais de difícil acesso e condições de trabalho, onde até então era absoluto o domínio do processo de soldagem por eletrodos revestidos, assim como vem aumentando sua utilização em estações de trabalho automatizadas e ou robotizadas.. Definição. O processo de soldagem por Arame Tubular é definido como sendo um processo de soldagem por fusão, onde o calor necessário a ligação das partes é fornecido por um arco elétrico estabelecido entre a peça e um Arame alimentado continuamente. É um processo semelhante ao processo MIG/MAG, diferindo deste pelo fato de possuir um Arame no formato tubular, que possui no seu interior um fluxo composto por materiais inorgânicos e metálicos que possuem várias funções, entre as quais a melhoria das características do arco elétrico, a transferência do metal de solda a proteção do banho de fusão e em alguns casos a adição de elementos de liga, além de atuar como formador de escória. Este processo possui basicamente duas variantes:. •. Arame Tubular com proteção gasosa. •. Arame Tubular auto protegidos.

(16) 15. Equipamentos para o processo de soldagem. Os equipamentos utilizados para soldagem com arames Tubular auto protegidos e com proteção gasosa são similares. A diferença básica reside no fato de o equipamento para soldagem com proteção gasosa possuir um sistema de envio e controle dos gases ao ponto de trabalho. Figura 2. Equipamento básico para soldagem com arames Tubular. Fonte: [AWS, 1991]. Outra variante do processo a qual acaba sendo uma grande vantagem é a possibilidade de automatização, possibilitando aumento da velocidade de soldagem, e consequentemente aumento da produtividade, bem como assegurando uma menor variação das condições operacionais, assegurando uma maior constância e repetitividade. A corrente de soldagem é contínua e a fonte de potência normalmente possui característica de tensão constante, capaz de ajustes da ordem de 1 volt. Equipamentos com característica de intensidade constante podem também ser usados desde que possuam sistemas de controles adequados a garantir os ajustes paramétricos e alimentação constante do arame..

(17) 16. Figura 3. Tocha para soldagem semi automática. Fonte: [AWS, 1991]. Consumíveis. ARAME TUBULAR COM PROTEÇÃO GASOSA Na soldagem por arame Tubular com proteção gasosa a queima e vaporização do revestimento proporciona a estabilização do arco elétrico, bem como a melhoria das características do metal depositado. No entanto, sendo pouca a quantidade de revestimento, a sua queima não permite obter o volume necessário de gases para proteção global do banho de fusão, sendo necessário utilizar uma proteção adicional de gás. Este gás pode ser inerte (argônio, hélio), ativo (dióxido de carbono) ou mesmo a mistura destes.. ARAME TUBULAR AUTOPROTEGIDOS O arame Tubular auto protegido possui no seu interior uma quantidade maior de fluxo, o que proporciona durante a sua queima uma produção de gases e fumos suficiente para atuar tanto nas características de fusão já mencionadas, quanto na proteção global da poça de fusão durante a soldagem..

(18) 17. CLASSIFICAÇÃO DOS ARAMES TUBULAR As especificações AWS para arame Tubular são as mais comumente adotadas pelos fabricantes de consumíveis e por este motivo resolveu-se utiliza-la no presente trabalho. Os diferentes tipos de arame Tubular são classificados quanto as propriedades mecânicas, tipo de revestimento e características de soldagem tais como utilização de gás de proteção, soldagem de passe único ou multipasse, tipo de corrente, posição de soldagem e propriedades mecânicas do metal soldado dividindo-se em três categorias: •. Arame Tubular para aços não ligados. •. Arame Tubular para aços ligados. •. Arame Tubular para aços inoxidáveis. Gases de proteção. Os gases utilizados para soldagem com arame Tubular são basicamente os mesmos utilizados na soldagem MIG/MAG com arame sólido, sendo os mais utilizados o dióxido de carbono como gás ativo e argônio e ou hélio como gases inertes, podendo também utilizar-se a mistura destes, de acordo com as especificações do fabricante de consumível.. Variáveis do Processo de Soldagem com Arame Tubular. FONTES DE POTÊNCIA E POLARIDADE Os equipamentos utilizados para soldagem com arames Tubular utilizam curvas de característica plana, ou seja, de tensão constante e princípio de auto regulação para manutenção dos valores de tensão e velocidade de alimentação de arame inicialmente selecionados.A corrente de soldagem é contínua podendo a polaridade ser direta ou inversa consoante ao tipo de arame utilizado..

(19) 18. CORRENTE DE SOLDAGEM E TENSÃO DO ARCO ELÉTRICO A corrente de soldagem tem grandes efeitos no processo [AWS 1978], sendo que a taxa de deposição e penetração do processo são diretamente proporcionais ao aumento da corrente de soldagem. Com o uso de correntes excessivamente altas o cordão torna-se convexo e de morfologia deteriorada, enquanto que baixa intensidade de corrente tem como consequência uma transferência globular com gotas grandes e excessivos respingos. A tensão de arco está diretamente relacionada com o comprimento do mesmo. Grandes comprimentos de arco causam muitos respingos e irregularidade na morfologia do cordão, além da introdução de nitrogênio no banho (para arames auto protegidos), enquanto que para pequenos comprimentos de arco há uma diminuição na tensão superficial do banho, originando cordões convexos de pouca penetração.. Figura 4. Taxa de deposição - Arame Tubular. Fonte: [SCOTTI, 2008].

(20) 19. ÂNGULO DE ATAQUE E SENTIDO DE SOLDAGEM O ângulo de ataque do arame, ou seja o ângulo formado entre o eixo de simetria do arame em relação a superfície a ser soldada, e o ângulo de arraste que é o ângulo formado entre a tocha de solda e o sentido de deslocamento da linha de solda, são duas importantes variáveis, as quais são citadas em vários Handbooks (AWS e Lincoln). O que se tenta evitar, controlando estas variáveis, é que o banho de fusão e a escória liquida ultrapassem a frente do arco elétrico, de forma a evitar inclusões de escória, porosidades, diminuição da penetração e morfologia do cordão irregular. VELOCIDADE DE SOLDAGEM A velocidade de soldagem segundo Lincoln [Procedure Handbook 1978] é inversamente proporcional a penetração, quando mantidas as outras variáveis constantes. Velocidades de soldagem muito lentas causam deterioração da morfologia do cordão de solda e podem causar inclusões de escória enquanto que para altas velocidades podem ocorrer mordeduras e faltas de fusão.. Técnicas do Processo de Soldagem com Arame Tubular. SOLDA DE FILETES O processo é utilizado para solda de filetes em estruturas e equipamentos. Em função da sua grande faixa de utilização, diversas dimensões para os cordões de solda podem ser obtidas com um mesmo diâmetro de arame. As dimensões desejadas para os filetes podem ser obtidas através de um ou mais passes, variando de acordo com os diâmetros dos arames, propriedades desejadas da junta e posição de soldagem. A Figura 5-Juntas típicas de filetes Típicas mostra algumas configurações usuais de juntas de filetes..

(21) 20. Figura 5. Juntas típicas de filetes Típicas. Fonte: [SCOTTI, 2008] SOLDA COM PENETRAÇÃO TOTAL Nesta técnica, o processo de soldagem por Arame Tubular ganhou grande popularidade e credibilidade, pelas suas características de apresentar uma boa penetração e excelente controle da poça de fusão, permitindo a execução de uma junta soldada desde o passe de raiz até ao acabamento em pequenas e grandes espessuras, a possibilidade de soldagem em locais de difícil acesso e em todas as posições com uma alta taxa de deposição, a excelente qualidade do material depositado e um grande fator de utilização. Este último é responsável pela grande utilização deste processo em estruturas "Off Shore", onde se exigem altas taxas de deposição com excelente qualidade da junta soldada [SCOTTI, 2008]. A soldagem de penetração total pode ser obtida por apenas um lado com ou sem abertura da raiz, por meio de passe único ou multipasse, consoante as espessuras envolvidas. A soldagem pode também ser executada por ambos os lados da junta caso haja acesso e seja economicamente viável. A Figura 6- Junta típica para solda de penetração total mostra alguns tipos de junta de penetração total mais comumente utilizadas..

(22) 21. Figura 6. Juntas típicas para solda de penetração total. Fonte: [SCOTTI, 2008]. Características do Processo de Soldagem com Arame Tubular. CARACTERÍSTICAS DE FUSÃO A principal característica de fusão dos Arame Tubular reside no fato de suportarem elevadas densidades de corrente comparativamente a outros processos, mesmo em relação ao arame sólido de igual diâmetro e consequentemente apresentar altas taxas de fusão e portanto uma elevada taxa de deposição. O calor necessário à fusão do arame é originado basicamente por dois fenômenos, sendo um o efeito Joule que aparece quando da passagem da corrente de solda por uma extensão do arame e outro o calor gerado pelo arco elétrico [Modenesi, 2000]. Pode então concluir-se que as variáveis que apresentam grande influência na taxa de fusão do arame são a intensidade de corrente, a tensão e extensão livre do arame (Stick out). Devido ao fato do arame ser composto por dois materiais diferentes sendo o invólucro metálico e o fluxo um agregado de materiais inorgânicos, este não apresenta uma taxa de fusão constante o que vem a alterar a forma de transferência do metal de solda; Por vezes ocorre a fusão do arame preferencialmente ao fluxo inorgânico, dificultando sua utilização em condições de transferência controlada (MIG Sinérgico)..

(23) 22. O processo FCAW caracteriza-se também por apresentar escória como subproduto. Tanto no "innershield" quanto no "dualshield" existe a formação de escória a partir do fluxo fundido durante o processo, proporcionando proteção ao metal de solda depositado durante e após solidificação até o resfriamento. A escória formada pode ser de fácil ou difícil remoção, ácida ou básica, consoante ao tipo de fluxo utilizado.. 1.2.2 Processo Arco Submerso Introdução. O processo de soldagem por arco submerso é um processo no qual o calor para a soldagem é fornecido por um (ou alguns) arco (s) desenvolvido (s) entre um (s) eletrodo(s) de arame sólido ou tubular e a peça obra. Como já está explícito no nome, o arco ficará protegido por uma camada de fluxo granular fundido que o protegerá, assim como o metal fundido e a poça de fusão, da contaminação atmosférica. Como o arco elétrico fica completamente coberto pelo fluxo, este não é visível, e a solda se desenvolve sem faíscas, luminosidades ou respingos, que caracterizam os demais processos de soldagem em que o arco é aberto. O fluxo, na forma granular, para além das funções de proteção e limpeza do arco e metal depositado, funciona como um isolante térmico, garantindo uma excelente concentração de calor que irá caracterizar a alta penetração que pode ser obtida com o processo.. Princípio de funcionamento do processo. Em soldagem por arco submerso, a corrente elétrica flui através do arco e da poça de fusão, que consiste em metal de solda e fluxo fundidos. O fluxo fundido é, normalmente, condutivo (embora no estado sólido, a frio não o seja). Em adição a sua função protetora, a cobertura de fluxo pode fornecer elementos desoxidantes, e em solda de aços-liga, pode conter elementos de adição que modificariam a composição química do metal depositado.Durante a soldagem, o calor produzido pelo arco elétrico funde uma parte do fluxo, o material de adição (arame) e o metal de base, formando a poça de fusão..

(24) 23. A zona de soldagem fica sempre protegida pelo fluxo escorificante, parte fundido e uma cobertura de fluxo não fundido.O eletrodo permanece a uma pequena distância acima da poça de fusão e o arco elétrico se desenvolve nesta posição. Com o deslocamento do eletrodo ao longo da junta, o fluxo fundido sobrenada e se separa do metal de solda líquido, na forma de escória. O metal de solda que tem ponto de fusão mais elevado do que a escória, se solidifica enquanto a escória permanece fundida por mais algum tempo. A escória também protege o metal de solda recém-solidificado, pois este é ainda, devido a sua alta temperatura, muito reativo com o Nitrogênio e o Oxigênio da atmosfera tendo a facilidade de formar óxidos e nitretos que alterariam as propriedades das juntas soldadas. Com o resfriamento posterior, remove-se o fluxo não fundido (que pode ser reaproveitado) através de aspiração mecânica ou métodos manuais, e a escória, relativamente espessa de aspecto vítreo e compacto e que em geral se destaca com facilidade. O fluxo é distribuído por gravidade. Fica separado do arco elétrico, ligeiramente a frente deste ou concentricamente ao eletrodo. Esta independência do par fluxo-eletrodo é outra característica do processo que o difere dos processos eletrodo revestido, MIG-MAG e arame tubular. No arco submerso, esta separação permitirá que se utilize diferentes composições fluxo-arame, podendo com isto selecionar combinações que atendam especificamente um dado tipo de junta em especial. Outra característica do processo de soldagem por arco submerso está em seu rendimento pois, praticamente, pode-se dizer que não há perdas de material por projeções (respingos). Possibilita também ouso de elevadas correntes de soldagem (até 4000 A) o que, aliado as altas densidades de corrente (60 a 100 A/mm2), oferecerá ao processo alta taxa de deposição, muitas vezes não encontradas em outros processos de soldagem. Estas características tornam o processo de soldagem por arco submerso um processo econômico e rápido em soldagem de produção. Em média, gasta-se com este processo cerca de 1/3 do tempo necessário para fazer o mesmo trabalho com eletrodos revestidos. As soldas realizadas apresentam boa tenacidade e boa resistência ao impacto, além de excelente uniformidade e acabamento dos cordões de solda. Através de um perfeito ajustamento de fluxo, arame e parâmetros de soldagem, consegue-se propriedades mecânicas iguais ou melhores que o metal de base..

(25) 24. A maior limitação deste processo de soldagem é o fato que não permite a soldagem em posições que não sejam a plana ou horizontal. Ainda assim, a soldagem na posição horizontal só é possível com a utilização de retentores de fluxo de soldagem.. Equipamentos do Processo Arco Submerso. O equipamento básico para soldagem a arco submerso consiste de uma fonte de energia, uma tocha de soldagem, um alimentador de arame, um sistema de controle, um dispositivo para alimentação do fluxo, um par de cabos elétricos e uma garra para fixação do cabo a peça. Podemos ter uma melhor compreensão analisando a figura 7 representando um equipamento para soldagem a arco submerso.. Figura 7. Equipamento para soldagem a arco submerso. Fonte: [AWS, 1991].

(26) 25. FONTES DE ENERGIA Para a soldagem ao arco submerso, as fontes de energia podem ser de corrente contínua ou alternada, corrente ou tensão constante. Elas devem permitir trabalhos em altas amperagens com 100% de ciclo de trabalho. As faixas mais usuais de trabalho estão entre 400 e 1500 A, embora possa-se excepcionalmente trabalhar com correntes muito baixas (150 A) ou muito altas (4000 A). As diferenças entre os tipos de corrente fornecidos pelas fontes refletem em diferenças nos cordões de solda que são apresentadas a seguir: CA - Corrente Alternada •. Permite melhor controle da forma do cordão, profundidade de penetração e. velocidade de soldagem. Esta forma da corrente é também a que possibilita a melhor abertura de arco. CC+ - Corrente Contínua Eletrodo Positivo •. Permite melhor penetração e controle do cordão. CC- - Corrente Contínua Eletrodo Negativo •. É a forma que apresenta a maior taxa de deposição. Consequentemente,. apresentará menor penetração do que as duas outras formas anteriormente citadas. É a forma ideal para revestimentos e soldagem de chapas finas.. TOCHA DE SOLDAGEM A tocha de soldagem consiste do bico de contato (de cobre e ligas) deslizante, um sistema para fixação do cabo de saída da fonte, e um suporte isolante. Os bicos de contato devem ser adequados para cada diâmetro de arame que se irá utilizar. Deve-se sempre verificar a limpeza e o estado de conservação da tocha, principalmente em seu interior. Apesar de raro, podem acontecer esporádicos respingos que danificarão o bico de contato. Esta peça é responsável pela energização do arame, e se este contato não for bem feito poderá comprometer a qualidade do cordão de solda que está sendo executado..

(27) 26. ALIMENTADOR DE ARAME O conjunto alimentador de arame consiste de um suporte para a bobina de arame que é utilizada para soldagem, um motor de corrente contínua com controlador de velocidade e um conjunto de roletes que servem para fazer a alimentação e auxiliar o posicionamento do arame. Este conjunto é de vital importância para a qualidade da soldagem pois, como o mecanismo de deslocamento da tocha é completamente independente deste, uma falha na alimentação seria impossível de ser detectada durante a soldagem pois o movimento da tocha prosseguiria e o arco encoberto impossibilitaria a visualização do defeito. A falha mais comum que pode vir a ocorrer com o alimentador, é o atrito na roldana onde a bobina de arame apoia-se, e com isto a velocidade de alimentação será inferior a desejado. ALIMENTADOR E RECUPERADOR DE FLUXO Estes conjuntos não tem nenhuma relação, e alguns equipamentos não apresentam o sistema de recuperação, que deve ser feito em separado. O alimentador de fluxo é composto por um recipiente porta fluxo, mangueiras condutoras e um bocal de saída. Este bocal pode ser concêntrico com a tocha de soldagem ou estar colocado ligeiramente à frente desta. Os sistemas para recuperação do fluxo são dispositivos que aspiram o fluxo fundido durante a operação de soldagem e devolvem ao porta fluxo ou a um recipiente de armazenamento. É recomendado que o reaproveitamento não seja feito diretamente, e sim após limpeza (peneira) para separar alguma impureza que eventualmente tenha sido aspirada junto. É possível também que estes dispositivos apresentem sistemas de aquecimento que servirão para manter o fluxo numa temperatura adequada, evitando assim problemas de umidade no fluxo. SISTEMA DE CONTROLE O sistema de controle permite o ajuste dos diversos parâmetros de soldagem, como por exemplo: velocidade de alimentação do arame, velocidade de deslocamento da tocha (ou da peça, conforme o caso), corrente e tensão de soldagem, etc. Estes vários controles podem estar em um único painel, ou espalhados pelos diversos elementos do sistema de soldagem..

(28) 27. Conservação dos consumíveis. Os arames devem ser protegidos com uma fina camada de cobre, para aumentar sua resistência à oxidação. O principal cuidado deverá mesmo ser a conservação dos fluxos.Os fluxos, por serem materiais que absorvem umidade com certa facilidade, devem sempre ser armazenados em condições especiais, com temperatura e umidade relativa do ar controlada.. 1.3 ESTIMATIVA DO CUSTO DE SOLDAGEM. Conhecer a estrutura dos custos passou a ser primordial para o sucesso das empresas. Menores custos implicam em maior competitividade e maiores lucros e, consequentemente, sobrevivência do negócio. Uma avaliação incorreta dos custos de soldagem pode levar a empresa a oferecer preços muito baixos, gerando perdas econômicas, ou preços muito altos, inviabilizando empresa na captação de obras. A soldagem é, em geral, usada como parte de um processo de fabricação que também utiliza outras operações como corte, usinagem, conformação mecânica, montagem, tratamentos térmicos e superficiais. Além disso, a operação de soldagem pode englobar etapas de pré-aquecimento, de remoção da raiz da solda e outras. No presente documento estas etapas e os outros processos não serão considerados. Deve-se deixar claro, contudo, que numa situação real, o custo de uma operação de soldagem não será, em geral, analisado de uma forma isolada. Assim, por exemplo, a adoção de um procedimento de soldagem mais sofisticado (e mais caro) pode levar a uma redução de custo pela eliminação de uma etapa no processo de fabricação (por exemplo, pode tornar desnecessário o uso de pré-aquecimento ou de um tratamento térmico posterior). Na maioria das equações apresentadas neste documento, não foram incluídos fatores para ajustar o uso de diferentes unidades (por exemplo, segundos e horas). Cabe ao usuário verificar cuidadosamente as unidades usadas para evitar problemas com os resultados obtidos..

(29) 28. 1.3.1 Memorial de cálculos de custos de processos da soldagem Calculo de massa depositada Figura.8 Anel Inferior. Fonte: [MODENESI, 2000]. Tabela 1. Densidades de materiais para soldagem. Figura 9. Cálculo de área de junta soldada.

(30) 29. Fonte: [MODENESI, 2000]. Tempo de soldagem (tARC – “tempo de arco aberto”):. A. Com base na taxa de deposição do processo (zm):. A taxa de deposição, isto é, a quantidade de material depositado por unidade de tempo, Depende de vários fatores, incluindo o processo de soldagem, o tipo e o diâmetro e o comprimento do eletrodo e o tipo, a polaridade e o nível da corrente.. Figura 10. Gráfico Taxa X Corrente.

(31) 30. Fonte: [MODENESI, 2000]. O tempo total da operação de soldagem (tT), incluindo o tempo de arco aberto e o tempo. Necessário para outras operações (remoção de escória e respingos, troca de eletrodos , posicionamento de cabeçote, etc.) é dado por:. O fator de ocupação é a razão entre tarc e tt. Valores de referência φ são apresentados na tabela II. Contudo, como já foi colocado, valores a serem usados em cálculos para uma dada aplicação devem ser, sempre que possível, medidos em condições similares à desta aplicação.. Tabela 2. Valores do fator de ocupação para diferentes modos de operação.

(32) 31. Fonte: [MODENESI, 2000]. Consumíveis. Eletrodos (Ce):. Onde ϕ é a eficiência prática de deposição (tabela III) do processo e CeU é o preço por peso Do eletrodo (por exemplo, R$/kg).. Tabela 3.Valores típicos de ϕ para diferentes processos.. Fonte: [MODENESI, 2000].

(33) 32. Fluxo (Cf). Onde Kf é a razão entre o consumo de fluxo e o de eletrodo e CfU é o preço por peso do fluxo. Se o fluxo não fundido durante a soldagem for corretamente reaproveitado, Kf tem um valor próximo de 1,0. Contudo, este parâmetro varia bastante com as condições específicas de operação. Este tende, por exemplo, a aumentar com a tensão e a diminuir com a corrente de soldagem.. Gás de Proteção (Cg):. Onde VG é a vazão de gás usada e CGU é o preço por volume de gás (por exemplo, em R$/m3 Esta equação supõe que exista um dispositivo elétrico ou mecânico para a abertura e fechamento do fluxo de gás sincronizado com o tempo de operação do arco e que não haja vazamentos no sistema de alimentação de gás. Sem essas condições, o consumo de gás pode aumentar bastante.. Mão de obra e custos fixos (Cl). :. Onde L e O são, respectivamente, os custos por unidade de tempo com mão de obra e gastos fixos.. Energia elétrica (Cel):.

(34) 33. Onde CelU (R$/kWh) é o preço da energia elétrica, P (kW) é a potência elétrica média desprendida durante a soldagem e ϕ Cel é a eficiência elétrica do equipamento de soldagem.. 1.4 DEFORMAÇÃO. Controle de deformação. A deformação é um dos mais sérios problemas a ser enfrentado na fabricação de estruturas e equipamentos soldados.. Analogia da barra aquecida. À medida que a barra é uniformemente aquecida ela se expande em todas as direções. Quando o metal resfriar, a temperatura ambiente, ela terá se contraído uniformemente para retomar às suas dimensões originais. Mas se a barra tiver sua movimentação restringida enquanto for aquecida, a expansão lateral não poderá ocorrer. Entretanto, a expansão em volume tem que ocorrer, logo a barra se expandirá em maior quantidade na direção vertical. Concluímos que durante o aquecimento, a dilatação ocorreu somente para onde havia liberdade. À medida que a barra deformada retorna a temperatura ambiente, ela tenderá a se contrair uniformemente em todas as direções. A barra será agora mais fina e apresentará maior largura, ou seja: ela sofreu deformação permanente..

(35) 34. Causas da deformação. A principal causa da deformação é o aquecimento não uniforme junta soldada pelo arco ou chama.Com o aumento da temperatura, o limite de escoamento, o módulo de elasticidade e a condutividade térmica do aço decrescem e o coeficiente de dilatação térmica aumenta.. FATORES QUE INFLUENCIAM NA DEFORMAÇÃO: • Energia de soldagem – se o metal ao redor da poça restringe, isto é, dificulta ao metal de base aquecido de se contrair novamente, tensões internas se desenvolvem. Quanto menor a energia de soldagem, menor será a quantidade do metal de base adjacente à solda aquecida e consequentemente menor será a deformação. Caso o pré-aquecimento seja aplicado incorretamente a deformação pode aumentar. • Grau de restrição – estando a deformação impedida ou dificultada pelo uso de acessórios, o nível de tensões internas aumenta e no caso de grandes espessuras o surgimento de trincas pode ser inevitável. Quanto maior o grau de restrição, maior o nível de tensões internas, menor a possibilidade de deformação, porém muito maior a possibilidade de aparecimento de trincas. • Tensões internas – estão geralmente presentes nos componentes de uma estrutura mesmo antes de sua fabricação e são causadas por vários processos como laminação, dobramento, corte, conformação e oxicorte. • 1.4.4 Tipos de deformações Contração transversal. • Trata-se de uma redução de dimensão perpendicular ao eixo do cordão de solda. Quanto maior a seção transversal da zona fundida, maior a contração..

(36) 35. • Ela é influenciada pelos seguintes fatores: diminui com o aumento do grau de restrição das peças durante a soldagem e resfriamento, aumenta com a extensão da curva de repartição térmica e diminui com o martelamento da solda.. Contração longitudinal. • É a redução do comprimento do cordão de solda, depende da relação entre a seção transversal da zona fundida e a seção restante da peça. • A contração longitudinal está sujeita aos mesmos fatores de influência que a contração transversal.. Deformação angular. • A principal razão da deformação angular é a disposição irregular da zona plastificada em relação a linha neutra da peça.. Prevenção e controle da deformação. • Evitar soldagem excessiva – reduzir o mínimo a quantidade de metal depositado numa junta, pois quanto maior a quantidade de metal depositado numa junta maior será a força de contração. Em chapas relativamente espessas o ângulo do chanfro pode ser diminuído se o espaçamento da raiz for aumentada ou se o chanfro J ou V for usado. • Usar chanfros duplos – uma junta em X requer cerca de metade da quantidade de metal depositado da necessária para a junta com chanfro em V numa chapa de mesma espessura. Além disso, a solda em ambos os lados possibilita o equilíbrio dos esforços de contração. • Usar soldas intermitentes – sempre que possível usar soldas intermitentes ao invés de solda contínua..

(37) 36. • Menor número possível de passes – usar sempre que possível poucos passes. Do ponto de vista de aquecimento da peça é preferível usar poucos eletrodos de grande diâmetro a muitos eletrodos de pequeno diâmetro; quanto a contração transversal puder ser um problema. • Posicionar as soldas próximas à linha neutra – a deformação é minimizada quando se tem o menor braço de alavanca possível para as forças de contração puxarem o perfil fora do seu alinhamento. • Balancear as soldas em torno da linha neutra – compensa uma força de contração com uma força para efetivamente minimizar a deformação da soldagem. • Utilizar a soldagem com passe a ré – com os cordões sucessivos, as chapas se expandem cada vez menos devido à restrição das soldas anteriores. A soldagem com passe a ré pode não ser efetiva em todas as aplicações, e ela pode não ser econômica quanto usada em soldagem automática. • Utilizar a pré-deformação e a disposição dorso a dorso – colocar as partes a serem soldadas fora de posição pode fazer com que a contração trabalhe de maneira construtiva. • Gabaritos e dispositivos auxiliares de fixação e montagem – os dispositivos auxiliares de fixação e montagem não devem ser removidos por impacto e a área da solda provisória não deve apresentar mordedura, poro, trinca, redução de espessura ou remoção incompleta. • Planejar a sequência de soldagem – à medida que o conjunto contrai num ponto, ele irá interagir com as forças de contração de soldas já executadas.. 1.4.6 Tratamento térmico aplicado à soldagem Características. O tratamento térmico em metais é um conjunto de operações envolvendo aquecimento, tempo de permanência em determinadas temperaturas e resfriamento sob condições controladas, com o objetivo de melhorar as propriedades do material ou conferir-lhe características pré-determinadas..

(38) 37. Tipos de tratamento térmico. Os principais tipos de tratamento térmico associados às operações de soldagem são: recozimento; normalização; revenimento; solubilização; têmpera; pré-aquecimento; pósaquecimento e alívio de tensões.. Recozimento. O recozimento consiste no aquecimento da peça até uma temperatura onde haja recristalização e/ou transformação em uma nova fase. Os principais objetivos a serem alcançados por este tratamento são: reduzir a dureza do metal; melhorar a usinabilidade; remover o encruamento; aliviar tensões internas e homogeneizar a microestrutura de peça.. Normalização. A normalização é um tratamento para aços que consiste em aquecer o material a uma temperatura um pouco acima da austenitização e resfriá-lo ao ar, com o intuito de refinar o grão e aumentar sua resistência mecânica.. Revenimento. O revenimento é um tratamento para aços que consiste no aquecimento da peça sob temperaturas entre 450 e 750°C e na permanência no forno por período de 30 minutos a quatro horas, seguido de resfriamento controlado. Sendo um tratamento térmico aplicado quando se deseja aliviar tensões internas e aumentar a tenacidade, isto é, diminuir a fragilidade do material de peças nas quais tenham sido produzidas microestruturas martensíticas..

(39) 38. Solubilização. A solubilização é um tratamento térmico que transforma elementos antes precipitados em uma solução no estado sólido, seguido de resfriamento rápido, o suficiente para reter na matriz os elementos da solução, antes precipitados.. Têmpera. A têmpera consiste no aquecimento da peça até uma temperatura adequada para austenitização do aço, e na permanência do material nesta temperatura durante um determinado tempo para homogeneização da austenita, seguido de resfriamento rápido. Os objetivos da têmpera são: endurecer o material; aumentara resistência mecânica; aumentar a resistência ao desgaste; aumentar a resistência ao escoamento. A peça temperada fica muito frágil, sendo necessária a aplicação do revenido após a têmpera. Ao conjunto de operações de têmpera e revenimento dá-se o nome de beneficiamento.. Pré-aquecimento. O pré-aquecimento consiste em introduzir uma fonte de calor adicional na peça quando se executa uma soldagem; no entanto, muitos não o consideram como um tratamento térmico. O pré-aquecimento tem como objetivo diminuir a velocidade de resfriamento de uma junta soldada, tornando menores as tensões residuais. Os principais parâmetros para especificar um pré- -aquecimento são: a espessura da peça, a natureza da composição química e condições metalúrgicas do metal, o nível de restrição a que a junta está sendo submetida e também o processo de soldagem e seu aporte de energia..

(40) 39. Pós-aquecimento O pós-aquecimento é responsável pela eliminação de hidrogênio induzido por processos de soldagem nos aços carbono e de baixa liga. Consiste em aquecer a junta soldada sob temperaturas da ordem de 150°C a 300°C durante um período de uma a quatro horas, imediatamente após a soldagem, e aproveitando o pré-aquecimento. As temperaturas e os tempos são diretamente proporcionais à quantidade de liga do material e da espessura. Na maioria dos casos, o pós-aquecimento não provoca alívio de tensões, salvo em materiais que sofreram têmpera ou são suscetíveis a ela; neste caso, o pósaquecimento pode provocar um abaixamento de dureza, caso as temperaturas e os patamares de revenimento do material estejam próximos aos do pós-aquecimento.. Alívio de tensões. O tratamento térmico de alívio de tensões para os aços é o mais empregado e envolve aquecimento abaixo da temperatura crítica de transformação, permanência do material nesse nível por um período de tempo, geralmente proporcional à espessura do material, e resfriamento lento posterior; permite reduzir a um limite mínimo e aceitável as tensões prejudiciais provocadas pelas operações de soldagem, ou mesmo por conformação. Os benefícios maiores do alivio de tensões são: aumentar a ductilidade, diminuir a dureza e melhorar as condições metalúrgicas da zona afetada pelo calor. O alívio de tensões depende fundamentalmente da temperatura e do tempo de permanência nessa temperatura; também deve-se levar em consideração a resistência mecânica e a composição química do material. O aquecimento localizado provoca tensões de tração e de compressão nas adjacências de uma junta soldada..

(41) 40. 2 MATERIAIS E MÉTODOS. ESTUDO DE CASO. Neste capitulo iremos apresentar a empresa onde será realizado o levantamento de custo de soldagem, cálculos de deformação referente a um componente de uma turbina hidráulica Kaplan vertical e uma possível melhoria no seu processo de soldagem. Para aplicarmos uma análise comparativa nos procedimentos de soldagem devemos levar em consideração especificação de procedimento de solda (EPS) qualificada em cada processo.. APRESENTAÇÕES DA EMPRESA. A empresa a ser realizado o estudo de caso é do ramo de fabricação de usinas hidrelétricas situada na cidade de IJUI. A empresa tem como principais equipamentos turbinas, geradores, reguladores e válvulas com tecnologias de precisão desenvolvidas no mesmo parque fabril e uma gestão eficiente. Um problema que vem se agravando pela empresa é o elevado custo de soldagem e um processo de soldagem ineficiente contribuindo assim com longas horas de retrabalhos. Para evitar esses problemas a empresa vem investindo em melhorias no processo de soldagem e treinamento de soldadores.. ESCOLHA DA PEÇA. A escolha da peça foi realizada de acordo com uma necessidade da empresa em diminuir o custo no processo de soldagem do produto..

(42) 41. Figura 11. Anéis superior e Inferior. Fonte: O Autor. Objetivo:. Obter uma estimativa de custos de soldas e deformação na união de quatro segmentos na formação de anéis do Pré-distribuidor da caixa espiral da Turbina Kaplan Vertical.. Aplicabilidade:. Na montagem e soldagem das chapas que compõem o pré-distribuidor. Materiais:. • Chapa de Aço carbono:ASTM A 516 – Gr.60. • Processo de Soldagem Atual:EPS 01 • Tubos espaçadores e amarração.

(43) 42. • Espessura de chapa: 100 mm Procedimento:. Montagem para soldagem de composição dos anéis: a). Sobre Plano nivelado: Traçar linhas de centro e referências para posicionamento. das partes que compõem os anéis do pré-distribuidor; montar os setores que formam os anéis, tendo cuidado com a parte externa poligonal que compõem os mesmos, para que fiquem rigorosamente conforme desenho, no que tange ao comprimento: Figura. 12 Desenho anel Inferior. Fonte: O autor Figura.13 Desenho anel superior. Fonte: O Autor.

(44) 43. B) Nivelar e executar controle dimensional antes de amarrar para soldagem; Após, amarrar para solda com vigas somente por um lado, deixando o outro lado livre para posteriormente executar usinagem de face amento, sem retirar esta amarração. Figura. 14 Fixação anel Inferior. Fonte: O Autor. 2.4 PROCESSOS DE SOLDAGEM ATUAL COM ARAME TUBULAR (FCAW). Processo de soldagem, pelo processo FCAW – Arame tubular – conforme EPS 01 em anexo A. Cuidados: • Limpar o chanfro e pré-aquecer a 150ºC antes de iniciar a solda e quando for preciso interromper a soldagem, abafar com manta isolante para resfriamento lento. • Após a conclusão da soldagem, aquecer nas zonas adjacentes a junta a uma temperatura de 250ºC e abafar com manta isolante.. SEQUÊNCIA DE SOLDAGEM: a). Executar passe de raiz com FCAW (selagem do afastamento entre os. chanfros), enchendo o chanfro em ± 50% do volume do material de adição por este lado (maior) com controle das deformações;.

(45) 44. Figura. 15 Preenchimento anel Inferior. Fonte: O Autor b). Após, tombar e limpar a raiz, executar L.P.;. Figura. 16 Preenchimento anel Inferior. Fonte: O Autor Figura. 17 Ensaio com Liquido Penetrante Anel Inferior. Fonte: O Autor c). Liberado o L.P., encher completo por este lado o chanfro com FCAW;.

(46) 45. Figura. 18 Preenchimento anel Inferior. Fonte: O Autor Tombar novamente, voltando ao outro lado e completar o enchimento com FCAW. Figura. 19 Preenchimento anel Inferior. Fonte: O Autor. Figura. 20 Soldagem anel Inferior.

(47) 46. Fonte: O Autor. 2.4.1 Memorial de Cálculo de custo de soldagem com processo Fcaw.. Figura. 21 Representação de soldagem anel Inferior. Fonte: [MODENESI, 2000]. Dados: • Tipo de junta: Duplo V • Material: Aço Carbono ASTM A516 • Espessura da chapa: 100 mm • Espessura da chapa superior em V: 65 mm • Espessura da chapa inferior em V: 32 mm.

(48) 47. • • • • •. Nariz: 3 mm Ângulo superior: 50º Ângulo superior: 60º AVs:Área da junta em V superior AVi:Área da junta em V inferior. Cálculo do Chanfro em V superior:. A1= 2. (65 mm-3 mm) ². Tan. (25º) /2 A1= 1791,304mm². A2= 3 mm.65 mm = 195 mm² A vs = A1 +A2 A vs = 1791,304 mm² +195 mm² A vs = 1986,304 mm². Cálculo do Chanfro em V inferior:. A1= 2. (32 mm-3 mm) ². Tan. (30º) /2 A1= 485,25 mm². A2= 3 mm.32 mm= 96 mm².

(49) 48. A vi = A1 +A2 A vi = 485,25 mm² + 96mm² A vi = 581,25 mm² Área total nos quatros segmentos de união: A total = (A vs + A vi). 4 A total = (1986,304 mm² + 581,25 mm²). 4 A total = 2567,554 x 4 mm² A total = 10270,216 mm². Cálculo massa depositada anel superior: P= 0, 0078 kg/cm³ / L= 677, 2 mm ms= A total. L.P ms= 10270,216 mm². 677,2 mm . 0, 0078 kg ms= 102, 70216 cm². 67,72 cm .0, 0078 kg ms= 54,25 kg Cálculo massa depositada anel inferior: P= 0, 0078 kg/cm³ / L= 757, 2 mm mi= A total . L.P mi= 10270,216 mm². 757,2 mm. 0,0078 kg mi= 102, 70216cm². 75,72 cm. 0,0078 kg mi= 60, 66 kg Cálculo de arco aberto anel superior: Taxa de eficiência: 1,2 kg / h Taxa (ø) = 0,80 T arc = ms / T T arc = 54,25Kg / 1,2Kg/h T arc = 45,2 h T arc total= T arc / ø T arc total = 45,2 h / 0,80 T arc total = 56,5 h.

(50) 49. Cálculo de arco aberto anel inferior: Taxa de eficiência: 1,2 kg /h Taxa (ø) = 0,80 T arc = mi / T T arc =60, 66Kg / 1, 2 Kg/h T arc = 50,55 h T arc total = Tarc / ø T arc total = 50,55 h / 0,80 T arc total = 63,19 h Cálculo da potência elétrica média: P= 250 A. 28 v P= 7000w P=7KW Cálculo de consumo de energia elétrica: Celu= 0,35004 Cel = (P. ∑ Tarc total / ø). Celu Cel = (7kw. 119,69 h /0,80). 0,35004 Cel = R$ 366,59 Levantamento final de custo de soldagem com Fcaw: • Mão de obra = 119,69 h. R$ 35,00 Mão de obra = R$4189,15 • Custo de consumível = m total. R$ 9,90 (arame +gás) Custo de consumível = 114,91 Kg. R$ 9,90 Custo de consumível= R$ 1137,609 Custo de energia elétrica = R$ 366,59 Custo total do processo de soldagem com FCAW : R$ 5693,349 2.5 MEMORIAIS DE CÁLCULOS REFERENTES À DEFORMAÇÃO DE ANÉIS DO PRÉDISTRIBUIDOR: • Contração transversal: Ct = 0, 2. (A/t) + 0,005. (d) Ct = 0, 2. (2567, 554 mm²/ 100 mm) +0,005. (d) Ct = 5,2851 mm (cada junta) x 4 total de juntas Ct = 21,1404 mm.

(51) 50. •. Contração longitudinal 𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝜋𝜋. (338, 6mm) ² 𝐴𝐴p= 360183,472 mm². Cl =0,025. (As /Ap) Cl =0,025. (10270,216 mm²) /360183,4721mm² Cl=0,0007 mm. •. Contração Angular: I= 𝜋𝜋. 𝑟𝑟^4/4 I= 𝜋𝜋. (338,6 𝑚𝑚𝑚𝑚)^4/4 I=1,0323 x10^10 Ca=0, 005.1028,18mm. (2127,48 mm) ².338,6 mm /1, 0323.10^10 Ca= 7,87º. 2.6 MELHORIAS NO PROCESSO DE SOLDAGEM COM US0 DO ARCO SUBMERSO (SAW) Processo de soldagem, pelo processo FCAW – Arame tubular – conforme RQPS 01 em anexo B.. Memorial de Cálculo de custo de soldagem com processo SAW Área total nos quatros segmentos de união: A total = (A vs + A vi). 4 A total = (1986,304 mm² + 581,25 mm²). 4 A total = 2567,554. 4 mm² A total = 10270,216 mm² Massa depositada total na junta: mtotal = ms + mi mtotal = 54, 25 kg + 60, 66 kg mtotal = 114,90 Kg.

(52) 51. Cálculo de arco aberto anel superior: Taxa de eficiência: 3 kg /h T arc = ms / T T arc = 54, 25 Kg / 3 Kg/h T arc = 18,08 h. Taxa (ø) = 0,95. T arc total = Tarc / ø T arc total = 18,08 h / 0,95 T arc total = 19,03 h. Cálculo de arco aberto anel inferior: Taxa de eficiência: 3 kg /h T arc = mi / T T arc = 60,66Kg / 3 Kg/h T arc = 20,22 h. Taxa (ø) = 0,90. T arc total = Tarc / ø T arc total = 20,22 h / 0,95 T arc total = 21,28 h. Cálculo da potência elétrica média: P= 529 A. 36 v P= 19044 w P=19,044 KW. Cálculo de consumo de energia elétrica: Celu= 0,35004 Cel = (P. ∑ Tarc total / ø). Celu Cel = (19,044 KW. 40,31 h /0,90). 0,35004 Cel = R$ 298,00.

(53) 52. Levantamento final de custo de soldagem com SAW: • Mão de obra = 40,31 h. R$ 35,00 • Mão de obra = R$ 1410,85 • • • •. Custo de consumível = m total. (R$ 9,30 + R$ 5,50) (arame +fluxo) Custo de consumível = 114,91 Kg. R$ 14,80 Custo de consumível= R$ 1700,668 Custo de energia elétrica = R$ 298,00. Custo total do processo de soldagem com Saw: R$ 3409,000.

(54) 53. 3 ANALISE DE RESULTADOS CUSTOS DE CONSUMÍVEIS Valor elevado no processo a arco submerso (SAW),devido ao preço do arame e fluxo no qual o processo a arame tubular o arame e gás possuem um menor custo. • Custo de consumível = m total. R$ 9,90 (arame +gás) • Custo de consumível = 114,91 Kg. R$ 9,90 • Custo de consumível= R$ 1137,609 (FCAW) • Custo de consumível = m total. (R$ 9,30 + R$ 5,50) (arame +fluxo) • Custo de consumível = 114,91 Kg. R$ 14,80 • Custo de consumível= R$ 1700,668 (SAW) CUSTOS DE MÃO DE OBRA (MO) Apesar de considerar o valor de hora trabalhada igual nos dois processos de soldagem, devemos analisar o tempo de arco aberto ao qual o processo dearco submerso (SAW) obteve uma redução considerável em sua operação. • Mão de obra = 119,69 h. R$ 35,00 • Mão de obra = R$4189,15 (FCAW) • Mão de obra = 40,31 h. R$ 35,00 • Mão de obra = R$ 1410,85 (SAW). CUSTO DE ENERGIA ELETRICA Através da análise do item anterior referente ao tempo de arco aberto durante o processo de soldagem, evidentemente irá influenciar no custo de energia elétrica como também a potência elétrica requerida pela máquina de soldagem. • Custo de energia elétrica = R$ 278,36 (FCAW) • Custo de energia elétrica = R$ 298,00 (SAW).