ENGENHARIA MECÂNICA
USO DE OSCILAÇÃO MAGNÉTICA DO ARCO ELÉTRICO PARA PREENCHIMENTO DO PASSE DE RAIZ EM JUNTAS CHANFRADAS DE
AÇO BAIXO CARBONO COM O PROCESSO GMAW
LUCAS FIGUEIREDO SOARES
Belo Horizonte 2010
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Lucas Figueiredo Soares
USO DE OSCILAÇÃO MAGNÉTICA DO ARCO ELÉTRICO PARA PREENCHIMENTO DO PASSE DE RAIZ EM JUNTAS CHANFRADAS DE
AÇO BAIXO CARBONO COM O PROCESSO GMAW
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, área de concentração Processos de Fabricação, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Alexandre Queiroz Bracarense, PhD.
Belo Horizonte 2010
Universidade Federal de Minas Gerais
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha 31.270-901 – Belo Horizonte – MG.
Tel.: +55 31 3499-5145 – Fax: + 55 31 3443-3783
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USO DE OSCILAÇÃO MAGNÉTICA DO ARCO ELÉTRICO PARA PREENCHIMENTO DO PASSE DE RAIZ EM JUNTAS CHANFRADAS DE
AÇO BAIXO CARBONO COM O PROCESSO GMAW
LUCAS FIGUEIREDO SOARES
Dissertação defendida submetida à Banca Examinadora designada pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de ―Mestre em Engenharia Mecânica‖, na área de concentração de ―Processos de Fabricação‖.
PROF. ALEXANDRE QUEIROZ BRACARENSE
Orientador – PhD., Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG
PROF. EDUARDO JOSÉ LIMA II
Examinador – Doutor, Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG
ENG°. MANOEL EUSTÁQUIO DOS SANTOS Examinador – Doutor, Gerdau Açominas S.A
A minha família, que sempre acreditou em mim. A minha amada Patrícia, que esteve, incondicionalmente, sempre ao meu lado.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense pela sua confiança, respeito, disponibilidade, paciência, excelente orientação, ensinamentos e por incentivar a minha integração ao mundo da ciência.
À Gerdau Açominas, que acredita na pesquisa e seus benefícios para a indústria, sendo grande apoiadora no crescimento e aperfeiçoamento profissional de seus colaboradores.
Agradeço ao Guilherme Barros de Melo, grande mentor e visionário, me incentivou na busca desta especialização, depositando grande expectativa na minha capacidade profissional.
Aos engenheiros e amigos Rogério Salomão, Ângela Mara, Raimundo Cota, Eduardo Vida Gomes, Edilberto Souza, Jean Marquez, Rômulo Terra, Jorge Luiz e Carlos Magno Ribeiro por toda dedicação, apoio e companheirismo ao longo deste estudo.
Ao engenheiro Rodrigo Trindade e a empresa Eutectic pela doação dos materiais de adição.
Ao meu amor, Patrícia, que se sacrificou para estar ao meu lado, dando-me amor, carinho e sendo compreensiva em todos os momentos bons e difíceis que vivi nesta fase da minha vida.
Às secretárias Sandra e Dora do Programa de Pós Graduação de Engenharia Mecânica da UFMG pela paciência e ajuda junto à burocracia de documentações necessárias para a finalização deste mestrado.
Ao Thales, Thiago, Cláudio, Roldão, Ivan e todos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica – DEMEC, que passaram na minha vida e contribuíram para a minha evolução.
RESUMO
O presente trabalho aborda o preenchimento do passe de raiz através do processo GMAW (Gas Metal Arc Welding), com o auxílio de um sistema de oscilação eletromagnética do arco elétrico, em busca de maior controle na transferência metálica e conseqüentemente no total preenchimento do passe de raiz, sem defeitos e descontinuidades. Busca-se a aplicação deste processo de elevada produtividade também para a execução do passe de raiz, para que a indústria metal mecânica tenha uma opção de qualidade e maior rendimento para esta finalidade.
Foi definida uma metodologia experimental com o emprego do processo mecanizado e várias soldas foram executadas e repetidas com e sem o uso da oscilação magnética do arco elétrico. Amostras foram extraídas de cada cordão, e foram macrografadas em seqüência, possibilitando a análise da influência da variação de cada parâmetro nas soldas obtidas, o estabelecimento da comparação entre os resultados encontrados, a um paralelo entre os resultados alcançados com e sem o uso da oscilação magnética do arco elétrico de soldagem.
Resultados de grande relevância foram encontrados com o uso da oscilação magnética e foram apresentados do decorrer da evolução do trabalho, possibilitando uma compreensão adequada dos fenômenos envolvidos.
ABSTRACT
This assignment broaches the execution of the root pass through the process GMAW (Gas Metal Arc Welding), with the AID of the electric arc`s electromagnetic oscillation system, seeking greater control in metal transfer and consequently the total completion of the root pass, without defects and discontinuities. It aims to implement this process, high productivity also for this purpose of the root pass so that the metalworking industry could have a choice of quality and higher yield for this application.
An experimental methodology was defined, with the use of mechanized process and several welds were performed and repeated with and without the use of magnetic arc oscillation. Samples were taken from each bead, and were macrographs in sequence, enabling the analysis of the variation of each parameter obtained in welds, the establishment of the comparison between the results, a parallel between the results obtained with and without the use of the arc welding`s magnetic oscillation.
Very interesting results were found with the use of magnetic oscillation and presented as long as the work got evolved, allowing an adequate understanding of the phenomena involved.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 - Automatização do processo GMAW ... 2
FIGURA 1.2 - Foto de uma plataforma sendo montada no Estaleiro Mauá, que utiliza o processo de soldagem em larga escala e demanda os processos automatizados ... 3
FIGURA 3.1 - Esquema básico do processo de soldagem GMAW ... 9
FIGURA 3.2 – Parâmetros Diretos e indiretos... 10
FIGURA 3.3 – Parâmetros Diretos e indiretos... 12
FIGURA 3.4 - Esquema básico do Processo de Soldagem GMAW ... 15
FIGURA 3.5 - Perfis de penetração e de transferência típicos na soldagem GMAW com Ar e CO2. Figura adaptada. ... 20
FIGURA 3.6 - Redução do nível de respingos com a redução do teor de CO2 no gás de proteção ... 21
FIGURA 3.7 - Forças atuantes na transferência metálica no processo de soldagem GMAW, onde Fy representa a força devido à tensão superficial, Fg à gravidade, Fem ao efeito eletromagnético, Fa ao arraste pelo fluido e Fv à vaporização ... 24
FIGURA 3.8 - Crescimento competitivo entre as forças de gravidade (Fg) e as forças decorrentes da tensão superficial (Fy), caracterizando o diâmetro crítico em que a gota se destaca ... 26
FIGURA 3.9 - Alteração na direção de atuação da força devido à tensão superficial para quando, devido a uma redução no comprimento do arco, a gota encosta na poça antes de se atingir o diâmetro crítico... 27
FIGURA 3.10 - Ilustração da direção do movimento da gota devido à força eletromagnética. A intensidade para ser considerada corrente alta ou baixa depende de vários fatores, como diâmetro e material do arame e composição do gás de proteção ... 28
FIGURA 3.11 - Ilustração do efeito da Fem no processo de empescoçamento. O estrangulamento brusco e a reação ao movimento do metal líquido na direção do arame em estado sólido dão um impulso na gota, facilitando o seu empescoçamento ... 29
FIGURA 3.12 - Ilustração do fenômeno da geração da força de arraste pelo fluxo do gás ao longo da gota: antes e depois do destacamento ... 31
FIGURA 3.13 - Ilustração do fenômeno da instabilidade da coluna de metal líquido conforme a Teoria da Instabilidade Pinch ... 32
FIGURA 3.14 - Representação esquemática da transferência metálica por curto-circuito ... 33
FIGURA 3.16 - Efeito de alterações nos parâmetros de soldagem na geometria dos cordões de solda depositados com uma energia de soldagem de aproximadamente 1,8 KJ/mm (esquemático). Condições
de soldagem: (a) 800A, 26V e 12mm/s e (b) 125A, 26V e 1,7mm/s. ... 39
FIGURA 3.17 - Repartição Térmica. ... 40
FIGURA 3.18 - Distribuição de temperaturas (estado quase-estacionário) na deposição de um cordão sobre uma chapa espessa de aço carbono. q = 4,2 Kw e v = 1,2 mm/s ... 41
FIGURA 3.19 - Distribuições de temperatura no plano XZ em torno de uma poça de fusão de aço carbono de 10 mm de espessura. Energia de soldagem de 0,6 JK/mm. ... 41
FIGURA 3.20 - Representação de um fio passando entre os pólos de um ímã e o efeito de deflexão quando ele passa uma corrente sobre ele (b) e esta corrente é então invertida (c). ... 45
FIGURA 3.21 - Vista ampliada de um comprimento L do fio da figura 3.20 (b). O sentido da corrente é para cima, o que significa que os elétrons se movem para baixo. Um campo magnético emerge do plano da figura, de modo que o fio é defletido para a direita ... 46
FIGURA 3.22 - A força magnética agindo sobre um segmento de fio L, que faz um ângulo com um campo magnético. ... 47
FIGURA 3.23 - Ilustração de um sistema completo de soldagem GMAW com o acoplamento do sistema de oscilação magnética ... 49
FIGURA 3.24 - Ilustração do efeito do campo magnético durante o processo de soldagem ... 51
FIGURA 4.1 - Fluxograma completo de todas as etapas do experimento ... 54
FIGURA 4.2 - Fluxograma da metodologia aplicada para cada etapa do experimento ... 55
FIGURA 4.3 - Cordões sobre chapa fina de 2 mm ... 59
FIGURA 4.4 - Amostra preparada para soldagem entre chapas ... 60
FIGURA 4.5 - Ilustração esquemática da extração de chapas da alma de perfil laminado ASTM-A572 Gr. 50... 60
FIGURA 4.6 - Representação esquemática do projeto de chanfro designado para o passe de raiz na chapa ASTM-A572 Gr. 50 ... 61
FIGURA 4.7 - Amostra preparada e posicionada para soldagem de chanfro com oscilação magnética ... 61
FIGURA 4.8 - Mesa para fixação dos corpos de prova para a 1ª e 2ª fase, correspondente a soldagem de cordão sobre chapa e cordão entre chapas, respectivamente. ... 64
FIGURA 4.9 - Mesa para fixação dos corpos de prova para a 3ª fase, correspondente a soldagem de cordão sobre chapa e cordão entre chapas, respectivamente. ... 65
FIGURA 4.11 - Cortadora Metalográfica (a) e Politriz Metalográfica (b) Arotec ... 66 FIGURA 4.12 – Vista superior da central geradora de corrente alternada para oscilação magnética .. 67 FIGURA 4.13 - Bobina do oscilador magnético acoplado à tocha de soldagem ... 67 FIGURA 4.14 - Esquema de acoplamento da bobina formadora de campo eletromagnético à tocha e o sentido de soldagem ... 69 FIGURA 4.15 - Soldagem de cordão sobre chapa de 2 mm de espessura (ilustrativo sem escala) ... 71 FIGURA 4.16 – Extração de corpos de prova de cordões de solda depositados sobre chapa ... 71 FIGURA 4.17 – Exemplo de tabulação das imagens obtidas das macrografias dos corpos de prova, sendo dispostas lado a lado para melhor interpretação dos resultados encontrados ... 72 FIGURA 4.18 – Seção transversal de uma solda e pontos de medição da geometria em cordões sobre chapa e cordões entre chapas, onde H = altura do reforço, Rs = largura do reforço, G = largura da garganta, h = altura do reforço da raiz, Ri = largura do reforço da raiz e X1/X2 = medidas
complementares em relação a garganta. ... 73 FIGURA 4.19 - Soldagem de cordão entre chapas de 2 mm de espessura (ilustrativo sem escala) ... 74 FIGURA 4.20 – Exemplo de tabulação das imagens obtidas das macrografias dos corpos de prova originados de soldagem entre chapas, sendo dispostas lado a lado para melhor interpretação dos resultados encontrados. ... 75 FIGURA 4.21 - Soldagem de cordão entre chapas de 2 mm de espessura (ilustrativo sem escala) ... 75 FIGURA 4.22 – Junta chanfrada após soldagem, pronta para extração dos corpos de prova e análise macrográfica ... 76 FIGURA 4.23 - Ilustração dos trechos de medição. Na vista em corte (à direita), a indicação da largura (Wrr) e altura do reforço da raiz (hrr) do passe de raiz. ... 76 FIGURA 4.24 – Exemplo de tabulação das imagens obtidas das macrografias dos corpos de prova originados de passe de raiz em chanfro, sendo dispostas lado a lado para melhor interpretação dos resultados encontrados. ... 77 FIGURA 4.25 – Seção transversal de um passe de raiz e pontos de medição da geometria da solda em chanfro... 77 FIGURA 5.1 – Chapa furada devido ao elevado aporte térmico. Diferentes energias de soldagem E1 > E2 > E3 (a) vista superior e (b) vista inferior da chapa ... 81 FIGURA 5.2 – Perfis dos cordões de solda (a) e (b); todos os parâmetros têm os mesmos valores, exceto a corrente, onde I (a) < I (b) ... 82 FIGURA 5.3 – Variação da altura do reforço da raiz em função da variação da corrente. Neste caso, todos os outros parâmetros são idênticos, sendo variada somente a corrente para a verificação da sua influência sobre a penetração. ... 83
FIGURA 5.4 – Perfil das 3 amostras de cada solda em função da mudança da velocidade, sendo U(a)
= U(b); I(a) = I(b); DBCP(a) = DBCP(b);Q(a) = Q(b); V(a) = 22 cm/min e V(b) = 18 cm/min ... 83
FIGURA 5.5 – Parâmetros idênticos entre as soldas (a) e (b), com variação somente da DBCP. Em (a), DBCP = 15 mm e em (b), DBCP = 11 mm ... 84
FIGURA 5.6 - Parâmetros idênticos entre as soldas (a) e (b), com variação somente da DBCP. Em (b), DBCP = 11 mm e em (a), DBCP = 13 mm ... 84
FIGURA 5.7 – Variação da distância bica de contato-peça, mantendo-se os demais parâmetros dos cordões 17 e 39 idênticos, verificando-se o aumento da penetração com a diminuição da DBCP ... 85
FIGURA 5.8 - Parâmetros idênticos para a soldagem dos cordões (a) e (b) ... 85
FIGURA 5.9 - Parâmetros idênticos para a soldagem dos cordões (a) e (b) ... 86
FIGURA 5.10 - Parâmetros idênticos para a soldagem dos cordões (a) e (b) ... 86
FIGURA 5.11 – Soldas de mesmos parâmetros executada: (a) e (b) sem oscilação magnética; (c) e (d) com freqüência de oscilação = 20 Hz; (e) e (f) com freqüência de oscilação = 10 Hz; (g) e (h) com freqüência de oscilação = 5 Hz ... 87
FIGURA 5.12 – Soldas de mesmos parâmetros executada: (a) e (b) sem oscilação magnética; (c) e (d) com freqüência de oscilação = 20 Hz; (e) e (f) com freqüência de oscilação = 10 Hz; (g) e (h) com freqüência de oscilação = 5 Hz ... 89
FIGURA 5.13 – Relação entre Profundidade de penetração e freqüência de oscilação. Para a freqüência de 5 Hz, nota-se que não houve sequer penetração total da poça de fusão no metal de base. ... 90
FIGURA 5.14 – Soldas de mesmos parâmetros executada entre chapas: (a) e (b) sem oscilação magnética; (c) e (d) com freqüência de oscilação = 20 Hz; (e) e (f) com freqüência de oscilação = 10 Hz; (g) e (h) com freqüência de oscilação = 5 Hz ... 91
FIGURA 5.15 – Soldas de mesmos parâmetros executada entre chapas: (a) sem oscilação magnética; (b) com oscilação de 20 Hz; (c) com oscilação de 10 Hz; (d) com oscilação de 5 Hz ... 92
FIGURA 5.16 – Preenchimento total de uma junta desalinhada, executada sob a ação de oscilação magnética, sem a ocorrência de defeitos. Um mesmo desalinhamento foi identificado numa solda sem oscilação magnética e não se conseguiu sequer manter o arco elétrico aberto. ... 94
FIGURA 5.17 – Soldas de mesmos parâmetros executada entre chapas: (a) sem oscilação magnética; (b) com oscilação de 20 Hz; (c) com oscilação de 10 Hz; (d) com oscilação de 5 Hz ... 93
FIGURA 5.18 – Sentidos experimentados para a verificação da sua influência na formação do cordão final resultante ... 94
FIGURA 5.19 – Sentidos experimentados para a verificação da sua influência na formação do cordão final resultante ... 95
FIGURA 5.20 – Passe de raiz sem penetração, utilizando os parâmetros ótimos encontrados na primeira e segunda fase do procedimento experimental ... 96
FIGURA 5.21 – Furos no metal de base ocasionados por abertura excessiva da raiz ... 97 FIGURA 5.22 – Passe de raiz em chanfro, sendo (a) sem oscilação; (b) com oscilação de 20 Hz; (c) com oscilação de 10 Hz ... 98 FIGURA 5.23 – Passe de raiz em chanfro, sendo (a) sem oscilação; (b) com oscilação de 20 Hz; (c) com oscilação de 10 Hz ... 98 FIGURA 5.24 – Variação da penetração em função da variação da freqüência de oscilação adotada sobre o arco elétrico dos cordões de solda 154, 157 e 160. ... 99
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1 - Constantes físicas dos gases de proteção ... 19
TABELA 4.1 – Composição química média da chapa de aço carbono ASTM-A36, ... 57
TABELA 4.2 – Propriedades físicas do aço ASTM-A36 ... 57
TABELA 4.3 – Composição química média da chapa de aço carbono ASTM-A572 Gr.50 ... 57
TABELA 4.4 – Propriedades físicas do aço ASTM-A572 Gr. 50 (ASTM-A572, 1999) ... 58
TABELA 4.5 – Composição química do arame ER70S-6. ... 62
TABELA 4.6 – Propriedades físicas do arame ER70S-6. ... 62
TABELA 4.7 – Propriedades físico-químicas do Dióxido de Carbono (CO2). ... 63
TABELA 4.8 – Propriedades físico-químicas do Argônio (Ar)... 63
TABELA 4.9 – Dados de soldagem para as chapas utilizadas no experimento ... 70
SIMBOLOGIA E LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
a Ângulo de inclinação da tocha
Ar Gás Argônio
ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM
atm
American Society for Testing and Materials Atmosfera
AWS American Welding Society
CC Curto-Circuito C15 C25 CO2 d dg DBCP E Es END EPI FCAW FIG g GMAW GTAW H2 HI hr hrr Hz I
Mistura 85% Argônio + 15%CO2 Mistura 75% Argônio + 25%CO2 Gás Dióxido de Carbono
Diâmetro do arame Diâmetro da gota
Distância bico de contato até a peça Energia de Soldagem
Espessura
Ensaios Não Destrutivos
Equipamento de Proteção Individual Flux Cored Arc Welding
Figura
Aceleração da Gravidade Gas Metal Arc Welding Gas Tungsten Arc Welding Gás Hidrogênio
Heat Input Altura do reforço
Altura do reforço da raiz Hertz
Ic Im J KPa kgf/mm2 KSI L LRSS MAG MCAW MIG m mm MPa N N/a PETROBRAS R ra Re RO SMAW Stick out T TAB TD UFMG V Vol Vs W ZTA Wrr
Corrente Crítica ou corrente de pico Corrente Média
Joule Kilo Pascal
Kilograma força por milímetro Quadrado Kilopounds per Square Inch
Comprimento do Arame
Laboratório de Robótica Soldagem e Simulação Metal Active Gas
Metal Cored Arc Welding Metal Inert Gas
Metro Milímetro Mega Pascal Número de Testes Não Aplicável
Petróleo Brasileiro S.A Rendimento
Raio do arame Resistência Elétrica Abertura da Raiz
Shield Metal Arc Welding Distância bico de contato-peça Tempo de soldagem
Tabela
Taxa de Deposição
Universidade Federal de Minas Gerais Tensão
Volume
Velocidade de Soldagem Velocidade de Fusão de arame Zona Termicamente Afetada Largura do reforço da raiz
1G Símbolos % ∆ s Subscrito máx mín Sobrescrito 2 1/2
Posição Horizontal Plana de Soldagem
Porcentagem Variação
Densidade do metal líquido Energia livre de superfície Tensão do arco
Máximo Mínimo
Quadrado da Função ou do Número Raiz quadrada da função ou do número
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 1
2 OBJETIVO ... 6
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 7
3.1 Processo de Soldagem ... 7
3.2 O Processo de Soldagem GMAW ... 7
3.3 Parâmetros do Processo de soldagem GMAW ... 9
3.3.1 Corrente de Soldagem ... 10
3.3.2 Tensão de Soldagem ... 10
3.3.3 Velocidade de Soldagem ... 11
3.3.4 Extensão livre do eletrodo (stickout) ... 11
3.3.5 Inclinação da Tocha de soldagem ... 12
3.4 Equipamentos ... 12
3.4.1 Fonte de energia ... 13
3.4.2 Alimentador de Arame ... 14
3.4.3 Tocha de Soldagem ... 14
3.5 Gases de Proteção ... 15
3.5.1 Efeito dos Gases na Proteção da Soldagem ... 19
3.6 Modos de Transferência Metálica ... 22
3.6.1 Teoria do Equilíbrio de Forças Estáticas ... 23
3.6.2 Teoria da Instabilidade Pinch ... 31
3.6.3 Transferência Metálica por Curto-Circuito ... 33
3.6.4 Transferência Metálica Globular ... 36
3.7 Mecanismo de Penetração e Formação da Poça de Fusão ... 37
3.8 Estabilidade do Processo GMAW por Curto-Circuito ... 42
3.9 Oscilação Magnética do Arco Elétrico ... 44
3.9.1 O campo elétrico de um Solenóide ... 44
3.9.2 A Força Magnética sobre um Fio Conduzindo uma Corrente ... 45
3.9.3 Patente do Sistema de Oscilação Magnética ... 48
4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL ... 53
4.1 Introdução à Metodologia Experimental ... 53
4.2 Materiais Utilizados na Soldagem ... 57
4.2.1 Material base... 57
4.2.2 Amostras ... 58
4.2.3 Arame eletrodo ... 62
4.2.4 Gás de proteção ... 62
4.2.5 Materiais indiretos utilizados nos experimentos de soldagem ... 64
4.3 Equipamentos Utilizados na soldagem e Preparação da Amostra ... 65
4.5 Execução da Metodologia Experimental ... 67
4.5.1 Procedimento de Soldagem ... 68
4.5.2 Atividades Realizadas para o Cumprimento de Cada Etapa ... 70
4.5.3 Identificação dos Corpos de Prova ... 78
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 80
5.1 Primeira Etapa ... 81
5.2 Segunda Etapa ... 90
5.3 Terceira Etapa ... 95
6 CONCLUSÃO ... 100
7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 101
REFERÊNCIAS ... 102
APENDICE ... 109
1 INTRODUÇÃO
A origem do processo de soldagem teve registro ainda no século XIX. Sua evolução tomou proporções inimagináveis, quando ainda não se previa o seu emprego em grande escala. Logo no início do século XX, os processos foram se modernizando, tendo como marco a invenção do eletrodo revestido. Na década de 20, são relatados os primeiros registros de soldagem com proteção gasosa. No entanto, o processo de soldagem não foi disponibilizado comercialmente para uso industrial antes de 1948. Ele foi inicialmente implementado como um processo de alta densidade de corrente e pequenos diâmetros de eletrodo, com a utilização somente de gases inertes, no seu início, para proteção. Depois, na década de 50, com o desenvolvimento do gás CO2, aumentou-se a viabilidade com a evolução das técnicas o processo foi denominado genericamente como GMAW (Gas Metal Arc Welding), já que o gás de proteção podia ser tanto inerte quanto reativo. Nesta mesma década, surgiu o processo de soldagem denominado FCAW (Flux Cored Arc Welding), que se diferencia do processo GMAW pelo consumível, que é um arame tubular, que contém fluxos de proteção que podem desenvolver uma atmosfera gasosa protetiva, atuando sozinha ou em conjunto com a proteção gasosa [01].
Nos tempos atuais, a produtividade aliada à redução de custos é a relação mais monitorada nas indústrias. Isto vem provocando uma revolução nos processos de soldagem [02]. Esta relação é motivada pela competitividade no mercado e qualquer ganho pode significar aumentos significativos de lucro e produtividade. Esta é a característica mais vantajosa, inerente ao processo GMAW, graças a sua natureza semi-automática e altas densidades de corrente, versatilidade, altas taxas de deposição, elevado fator de trabalho, flexibilidade e facilidade de automatização [03].
Não é por acaso que a utilização do processo GMAW é crescente desde a década de 70, e as pesquisas sobre este processo são contínuas, dada o seu elevado rendimento. A Figura 1.1 elucida exemplos de mecanização deste processo de soldagem, implicando conseqüentemente em maior produtividade.
FIGURA 1.1 - Automatização do processo GMAW Fonte: ESAB, 2003.
Mesmo com a retração e estagnação do uso do eletrodo revestido no mercado nacional em outros mercados do mundo, o processo GMAW continua em franco crescimento. Diversas empresas que utilizam a soldagem no seu processo produtivo estão automatizando suas linhas, a fim de obter maior produtividade, maior eficiência e menor tempo de soldagem, o que representa um ganho de aproximadamente 15% a 20% de eficiência [02], como é o caso da indústria naval, como exemplificado através da Figura 1.2. Com isto há uma tendência em substituir, sempre que possível, a soldagem manual por processos semi-automáticos e mecanizados, que levem à obtenção de maior produtividade durante a soldagem. Estes processos têm se mostrado os mais adequados entre os processos de soldagem a arco elétrico [04].
FIGURA 1.2 - Foto de uma plataforma sendo montada no Estaleiro Mauá, que utiliza o processo de soldagem em larga escala e demanda os processos automatizados
Fonte: FEESC, 2010.
O LRSS, no seu intuito de promover o desenvolvimento de novas tecnologias em soldagem, acompanha continuamente as demandas deste segmento no mercado e vem propiciando resultados que são apresentados e discutidos além das fronteiras nacionais, como por exemplo, a soldagem subaquática, que vem sendo referência nacional em pesquisa e desenvolvimento.
Para o presente trabalho, pretende-se iniciar estudos ligados à oscilação magnética do arco elétrico do processo de soldagem GMAW aplicado ao passe de raiz, já que é uma área ainda de pouca exploração e carente de pesquisa. A escolha pelo processo automatizado se justifica pela repetibilidade necessária para validação de uma metodologia experimental científica, garantindo a confiabilidade dos resultados obtidos. Com a automatização, variáveis importantes foram controladas, permitindo o foco no objeto deste estudo. O modo de transferência metálica escolhido foi por curto-circuito, pois produz uma poça de fusão pequena e de rápido resfriamento, sendo por isto, adequada para chapas, soldagem fora de posição e passes de raiz [05].
Vários métodos têm sido estudados para a viabilização técnica do uso do processo GMAW aplicado ao passe de raiz [06; 03; 07]. Normalmente, os processos mais utilizados para o preenchimento do passe de raiz são o Eletrodo Revestido (SMAW ) e o TIG (GTAW ). Embora sua aplicação em passes de raiz não seja proibida por norma, o processo GMAW chega a ser classificado como ―temperamental‖ para esta finalidade [08]. Há relatos de
ocorrências de falta de fusão, falta de penetração e mordeduras, excesso de penetração e respingos, dada a dificuldade de controle da transferência metálica e conseqüentemente da poça de fusão.
No presente trabalho foi definida uma metodologia experimental que estabeleceu uma comparação entre soldas de topo de passe de raiz em juntas chanfradas de aço baixo carbono. Todos os parâmetros e variáveis programados para uma solda convencional eram repetidos para a mesma solda acrescida do sistema de oscilação magnética do arco elétrico. Corpos de prova eram extraídos das amostras geradas e eram submetidos e ensaios visuais e de macrografia para posterior análise morfológica do perfil da solda em questão. Com isto, foi possível a avaliação de formas de se obter passes de raiz com qualidade desejada das premissas básicas envolvidas, acabamento superficial, penetração, formato e ausência de defeitos e ou descontinuidades.
De forma geral, o que se pôde notar foi a notável diferença entre os perfis das soldas com e sem oscilação magnética de forma sistemática, o que revela a oscilação magnética realmente influi na transferência metálica e consequentemente na poça de fusão.
Na busca de um formato abrangente e ao mesmo tempo objetivo, a metodologia experimental deste trabalho foi estruturada de modo a obter uma linha lógica de raciocínio que propiciasse aos envolvidos um entendimento de todas as observações de forma gradual, sem que o resultado final fosse encarado como uma surpresa inesperada. Desta forma, os principais pontos de influência no formato final do cordão puderam ser identificados e trabalhados no decorrer dos experimentos.
Para dar suporte ao entendimento de todo o trabalho, o capítulo 3 compreende a revisão bibliográfica, que mostra, de forma sucinta as informações sobre o processo de soldagem GMAW, suas variáveis e influências no processo, aplicações, vantagens e desvantagens e uma sucinta abordagem sobre eletromagnetismo, levando à compreensão do comportamento de um campo magnético e como um este campo pode influenciar a arco elétrico.
Em seguida, o Capítulo 4 apresenta a metodologia experimental, a identificação e descrição das etapas, das amostras geradas e o detalhamento de todos os equipamentos, práticas e processos envolvidos, além das avaliações realizadas.
Após realizadas as soldagens, coleta de amostras a avaliação das mesmas, todas as discussões e resultados alcançados estão descritos de forma detalhada no capítulo 5.
O capítulo 6 traz a conclusão deste trabalho, baseada nos resultados obtidos confrontados com a bibliografia consultada. Em seguida, são apresentadas sugestões de trabalhos futuros para o enriquecimento e extensão deste estudo.
2 OBJETIVO
Este trabalho tem como principal objetivo oferecer a comunidade científica e industrial uma nova abordagem sobre a influência de um sistema de oscilação magnética do arco elétrico do processo de soldagem GMAW, com transferência metálica por curto-circuito convencional, avaliando os seus efeitos na qualidade e benefícios do passe de raiz.
Conhecimentos básicos ainda limitados na literatura seriam trazidos, visando o desenvolvimento de um sistema aliado a este processo que controle com precisão o arco elétrico e conseqüentemente a transferência metálica e poça de fusão produzida. Possibilitar-se-ia mais um passo para a disponibilização do processo GMAW para aplicação do passe de raiz, além dos processos já utilizados e consolidados para este fim.
Em outras palavras, busca-se a verificação da influência da oscilação magnética no arco elétrico de soldagem do processo GMAW, através da execução de soldas em chapas de aço de baixo carbono com a mesma configuração de parâmetros, com e sem o acoplamento da bobina geradora de campo magnético oscilatório, observando-se os resultados e diferenças encontrados que possam corroborar para um melhor controle deste processo de soldagem.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Processo de Soldagem
O início do século XIX foi marcado pela descoberta do arco elétrico, pelo Sir Humphry Davy, dando início à soldagem por fusão metálica. Esta descoberta abriu vários campos de aplicação, dentre eles o da soldagem por fusão metálica. Em 1885, o processo de soldagem baseado num arco elétrico produzido entre um eletrodo de carvão e a peça metálica a ser soldada foi patenteado e no início do século XX os eletrodos recobertos com argila, silicatos, carbonatos e óxidos de cálcio foram criados e patenteados em 1907.
Com a primeira guerra mundial, a soldagem foi muito demandada como o processo de fabricação e união metálica na construção de navios, sendo consolidado como o método mais utilizado desde esta época na indústria manufatureira [09]. Em 1948, surge então o processo SIGMAW (Shielded Inert Gas Metal Arc Welding) ou simplesmente GMAW (Gas Metal Arc Welding), que utilizava arame maciço e proteção gasosa. Até então, este processo era utilizado somente com gás inerte. Em 1953, este processo ganhou maiores proporções de utilização graças ao desenvolvimento do gás CO2, resultando em arcos mais quentes, maiores correntes de soldagem e eletrodos com maiores correntes. Atualmente, o processo GMAW possui grande aplicabilidade e seu cunho semi-automático lhe confere elevada produtividade e atratividade entre os processos de fabricação [01].
3.2 O Processo de Soldagem GMAW
Na soldagem ao arco elétrico com gás de proteção (GMAW – Gas Metal Arc Welding), a fonte de calor de um arco elétrico é estabelecida entre a peça e a extremidade de um consumível em forma de arame nu, que é alimentado continuamente, promovendo a coalescência dos metais envolvidos de forma contínua. Este arame é denominado arame-eletrodo, ou simplesmente arame-eletrodo, sendo que a partir da sua extremidade, que serve como ponto de contato elétrico até o metal de base, ele passa exercer a função de condutor elétrico.
A abertura de arco elétrico na soldagem GMAW é feita através de curto-circuito forçado entre a ponta do eletrodo e a peça, resultando em condições na fusão da região do contrato e na separação harmônica entre a ponta do eletrodo e a peça [10]. O processo utiliza uma proteção gasosa, que atua tanto na proteção da região soldada contra elementos contaminantes presentes na atmosfera, quanto no arco elétrico e na transferência metálica. Esta proteção pode ser inerte, ativa ou uma mistura de ambos os gases. O processo é muito conhecido como soldagem MIG/MAG (MIG – Metal Inert Gas; se a proteção gasosa empregada for inerte ou rica em gases inertes e MAG – Metal Active Gas; quando o gás usado é ativo ou contém mistura rica em gases ativos) [04; 10].
A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua do arame eletrodo, mantendo-se, a princípio, o comprimento do arco, mesmo que ocorra uma faixa de variação da distância entre a tocha e a peça, provocada pelo operador.
O calor gerado pelo arco elétrico é usado para promover a fusão das peças a serem unidas e o arame eletrodo é o metal de adição que é transferido para a região soldada, conhecida como poça de fusão.
O processo GMAW pode ser usado numa ampla faixa de espessura, tanto para metais ferrosos quanto não ferrosos. Quando se utiliza o gás ativo, este processo se aplica somente à soldagem de materiais ferrosos. A soldagem GMAW é utilizada na fabricação e manutenção de equipamentos e peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no recobrimento de superfícies metálicas com materiais especiais [10].
O processo GMAW pode ser aplicado de forma semi-automática, quando a tocha é conduzida manualmente por um soldador ou automática, quando o movimento da tocha é feito integralmente por máquina, não exigindo, neste caso, a sua operação por um soldador. Em ambos os casos, a alimentação do arame é mecanizada e o arame é também designado por arame-eletrodo ou simplesmente eletrodo, já que a partir do ponto de contato elétrico até o metal de base, ele passa a ter a função de condutor elétrico.
Este processo de soldagem funciona com corrente contínua (CC), normalmente com o cabo de potência positiva ligado à tocha, sendo esta configuração convencionada como polaridade
reversa. Com esta polaridade, a transferência do metal fundido do arame de solda para a peça é mais eficiente [11; 04]. A Figura 3.1 representa de forma esquemática o processo de soldagem GMAW.
FIGURA 3.1 - Esquema básico do processo de soldagem GMAW Fonte: ESAB, 2005.
O modo de transferência do metal fundido da extremidade do eletrodo para a poça de fusão na peça é influenciado pelo valor da corrente de soldagem, pela tensão e polaridade no arco, pelo diâmetro do eletrodo e sua composição química, distância bico de contato-peça, stickout, gás de proteção e pelo próprio processo de soldagem envolvido.
3.3 Parâmetros do Processo de soldagem GMAW
Existem distintas classificações dos parâmetros de soldagem para o processo GMAW. Pode-se Pode-separar as variáveis do processo em duas categorias: a dos parâmetros diretos e a categoria dos parâmetros indiretos de soldagem [12]. Os parâmetros classificados pela AWS foram divididos em parâmetros diretos e parâmetros indiretos, conforme Figura 3.2.
FIGURA 3.2 – Parâmetros Diretos e indiretos Fonte: CAYO, 2008.
Segundo estudos realizados na SBRT (2010), os parâmetros mais importantes que afetam a penetração e a geometria do processo GMAW são a corrente de soldagem, a tensão do arco elétrico, a velocidade de deslocamento da tocha de soldagem, a extensão livre do eletrodo (stickout), a inclinação da tocha e o diâmetro do eletrodo.
3.3.1 Corrente de Soldagem
Se forem mantidas constantes todas as demais variáveis de soldagem, um aumento na corrente de soldagem (aumento na velocidade de alimentação do arame) irá causar aumento na profundidade e largura de penetração, aumento na taxa de deposição e aumento do cordão de solda.
3.3.2 Tensão de Soldagem
Nas mesmas condições citadas anteriormente, um aumento na tensão proporcionará alargamento do cordão de solda, aumento da largura de fusão e aumento do aporte térmico, resultando em um aumento do tamanho da zona termicamente afetada. Uma tensão de soldagem muito alta pode causar porosidades, respingos e mordeduras. Já uma tensão muito
baixa pode acarretar em estreitamento do cordão de solda e aumento da altura do reforço do cordão. A soldagem por curto-circuito requer tensões relativamente baixas, enquanto a soldagem por spray necessita de tensões maiores. Deve ser observado também que, quando a corrente de soldagem e a taxa de fusão do arame são aumentadas, a tensão de soldagem também deve ser aumentada um tanto para manter a estabilidade. A tensão do arco é aumentada com o aumento da corrente de soldagem para proporcionar melhor operação.
3.3.3 Velocidade de Soldagem
Uma velocidade de soldagem baixa acarreta diretamente no aumento do alargamento do cordão de solda, com muito depósito de material. Com o aumento da velocidade de soldagem, o cordão fica mais estreito e a penetração também diminui. Quando a velocidade está muito alta a tendência é de ocorrência de mordeduras no cordão de solda.
3.3.4 Extensão livre do eletrodo (stickout)
Define-se como extensão livre do eletrodo ou stickout a distância entre o último ponto de contato elétrico do arame (normalmente tubo de contato) e a ponta do eletrodo ainda não fundida, como pode ser visto na Figura 3.3. Quando esta distância aumenta, a resistência elétrica do eletrodo também aumenta, tendo assim, mais tempo para que ocorra o aquecimento por efeito joule e menor a corrente necessária para fundir o arame, mantida a velocidade de alimentação. Inversamente, quanto menor o stickout, menor a taxa de deposição e menor o aquecimento por efeito Joule [13].
FIGURA 3.3 – Parâmetros Diretos e indiretos Fonte: CAYO, 2008.
3.3.5 Inclinação da Tocha de soldagem
A inclinação da tocha de soldagem durante a execução dos cordões tem, em relação a forma e penetração dos cordões, um efeito mais marcante do que outros parâmetros, como velocidade e tensão de soldagem. Na soldagem à direita, aponta-se o cordão para o metal de base frio, causando com isto cordões mais largos, achatados e de menor penetração. Já no caso de soldagem com a tocha direcionada para a poça de fusão, os cordões resultantes são mais estreitos, o reforço é mais convexo, o arco é mais estável e a penetração é máxima.
3.4 Equipamentos
Os equipamentos de soldagem GMAW podem ser utilizados para o emprego manual ou automatizado. Para a soldagem manual, os equipamentos são simples de se instalar e de fácil identificação, como visto na Figura 3.4 e descritos nos itens a seguir. Como o trajeto do arco é realizado pelo soldador, somente quatro elementos são necessários:
- Fonte de Energia de Soldagem - Alimentador de Arame
- Tocha de soldagem - Fonte de Gás.
3.4.1 Fonte de energia
As fontes de energia para soldagem a arco voltaico, ou fontes de soldagem, podem ser consideradas simplesmente como o ponto de alimentação da energia elétrica ao processo. As fontes de corrente contínua e de tensão constante são empregadas na maioria dos casos da soldagem GMAW. A fonte proporciona uma tensão do arco elétrico relativamente constante durante a soldagem. Quando ocorre uma alteração brusca da velocidade de alimentação do arame, ou uma mudança momentânea da tensão do arco, a fonte aumenta ou diminui abruptamente a corrente e, portanto a taxa de fusão do arame, dependendo da mudança do comprimento do arco. A taxa de fusão do arame muda automaticamente para restaurar o comprimento original do arco. Como resultado, alterações permanentes no comprimento do arco são efetuadas, ajustando-se a tensão de saída da fonte. A velocidade de alimentação do arame que o operador seleciona antes da soldagem determina a corrente de soldagem. Este parâmetro pode ser alterado sobre uma faixa considerável antes do comprimento do arco mude suficientemente para fazer o arame tocar a peça ou queimar o bico de contato.
Existem três requisitos básicos para uma fonte de energia para a soldagem a arco:
- Produzir saídas de corrente e tensão em níveis e com características adequadas para o processo de soldagem (baixa tensão e alta corrente);
- Permitir a regulagem adequada dos valores de corrente e/ou tensão para as aplicações a que se destinam;
- Controlar a variação da intensidade e forma dos sinais de corrente e/ou tensão, de acordo com os requerimentos do processo de soldagem e aplicação.
Já que a velocidade de alimentação do arame e, portanto a corrente, é regulada pelo controle de soldagem, o ajuste básico feito pela fonte de soldagem é no comprimento do arco, que é ajustado pela tensão de soldagem. A fonte de soldagem pode também ter um ou dois ajustes adicionais para uso com outras aplicações de soldagem (por exemplo, indutância).
3.4.2 Alimentador de Arame
O alimentador de arame é o sistema que impulsiona o arame na direção da tocha, ou seja, é o responsável pela alimentação do material de consumo e conseqüentemente do arco elétrico. O controle mantém a velocidade predeterminada do arame a um valor adequado à aplicação. O controle não apenas mantém a velocidade de ajuste independente do peso, mas também regula o início e o fim da alimentação do arame a partir do sinal enviado pelo gatilho da tocha. O alimentador pode vir embutido na fonte, formando com a fonte um bloco único e compacto, ou separado. De qualquer forma, trabalham sempre interligados pelos sistemas de controle. Em geral, máquinas compactas são projetadas para menores diâmetros de arame e conseqüentemente, correntes mais baixas. Além de melhor aproveitamento de espaço, protegem o arame contra poeira, objetos estranhos e corrosão, sendo por isto muito aplicado em soldagens de ligas de alumínio e de aços inoxidáveis. Alimentadores separados, por outro lado, oferecem maior manobrabilidade e flexibilidade do equipamento; eles podem ser fixados tanto para ficar próximos ou distantes da fonte de energia.
3.4.3 Tocha de Soldagem
As tochas de soldagem são parte integrante do sistema de alimentação de arame e são, por isto, juntamente com a fonte e o alimentador, componentes essenciais da soldagem. Tipos diferentes de tochas foram desenvolvidos para propiciar o desempenho máximo na soldagem para diferentes tipos de aplicações. A escolha da tocha vai depender de condições e espaço físico no lugar de trabalho, do tipo de produção, entre outros fatores. Elas variam desde tochas para ciclos de trabalho pesados para atividades envolvendo altas correntes até tochas leves para baixas correntes e soldagem fora de posição. Em ambos os casos estão disponíveis tochas com extremidades retas ou curvas e tochas refrigeradas a água ou secas. Geralmente o sistema de refrigeração é adicionado à tocha para facilitar o seu manuseio. Para o caso em que são executados trabalhos com altas correntes, é possível a utilização de uma tocha mais robusta.
FIGURA 3.4 - Esquema básico do Processo de Soldagem GMAW Fonte: AWS Welding Handbook, 2004.
3.5 Gases de Proteção
O processo de soldagem GMAW requer um fluxo de gás em torno do conjunto metal de base / arame-eletrodo para produzir soldas com qualidade, principalmente por proteger a poça de fusão e gotas em transferência. O ar atmosférico é expulso da região de soldagem por este fluxo de gás, que forma uma barreira física, com o objetivo de evitar a contaminação da poça de fusão. Esta contaminação é causada principalmente por pelo Nitrogênio (N2), oxigênio (O2), e vapor d’água (H2O) presentes na atmosfera.
O gás ou mistura de gases, além de protegerem a região de solda contra ao ambiente, afetam, por exemplo, as características de ionização e formação do arco elétrico, o modo de transferência metálica do metal de adição, a estabilidade do arco, as propriedades do metal depositado, o volume de fumos e respingos, a geometria e o aspecto superficial do cordão, a penetração e a velocidade de soldagem [14; 15].
A eficiência de proteção se deve basicamente à proteção da poça de fusão e das gotas em transferência de reações com elementos nocivos presentes no meio ambiente. Como exemplo, o nitrogênio no aço solidificado reduz a ductilidade e a tenacidade da solda e pode causar fissuração. Em grandes quantidades, o nitrogênio pode também causar porosidade.
O oxigênio em excesso na poça de fusão tem grande facilidade de se combinar com o carbono e forma o monóxido de carbono (CO) e o dióxido de carbono, que se não forem liberados para o ambiente antes da solidificação podendo ficar retido dentro do metal, causando a porosidade no cordão de solda. Além disso, o oxigênio pode se combinar com outros elementos do aço e formar compostos que produzem inclusões no metal de solda – como é o caso do manganês, alumínio e do silício, formando óxidos sólidos que podem agir como nucleantes de microconstituintes, desejáveis ou não, ou serem pontos de fragilidade.
Quanto ao hidrogênio (H2), este elemento tem grande solubilidade no aço e no alumínio enquanto líquidos. Este átomo presente na molécula de água se combina com o ferro (Fe) ou alumínio (Al), resultando em porosidade e fissuração do metal de solda, criando tensões internas, no caso dos aços. Esta condição é conhecida como trinca pelo hidrogênio.
Para que estes problemas associados com a contaminação da poça de fusão sejam evitados, três gases principais são utilizados, combinados ou individualmente: argônio (Ar), hélio (He) e dióxido de carbono (CO2). Além destes principais gases, o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio (H2) são comprovadamente benéficos para algumas aplicações [11].
O próprio gás de proteção pode também ter comportamento reativo com o metal de solda. Por isto, os gases de proteção são classificados como Inertes ou Ativos. Os gases inertes seriam aqueles que não reagem quimicamente com o metal de solda, enquanto os gases ativos são aqueles, puro ou em combinação com os gases inertes, que têm reatividade química moderada e controlada. De todos os gases citados, somente o argônio e o hélio são gases inertes. A compensação para a tendência de oxidação dos outros gases é realizada com a composição especial dos arames. Como o uso de gases oxidantes é importante do ponto de vista de estabilidade de arco e molhabilidade, costuma-se adicionar elementos desoxidantes nos arames-eletrodo, como o manganês (Mn), silício (Si) e o Alumínio (Al). Quanto maiores os teores de O2 e CO2 no gás de proteção, mais prejudiciais ao metal de solda eles são, por
oxidar os metais de solda. Portanto, mais desoxidantes o arame deve possuir em sua composição química [11].
O argônio, o hélio e o dióxido de carbono podem ser empregados puros, em combinações ou misturados com outros gases para proporcionar soldas livres de defeitos numa variedade de aplicações e processos de soldagem [11]. Na listagem em ordem crescente de custo entre os principais gases utilizados na proteção deste processo, tem-se a sequência: CO2, Ar e He [16].
O fluxo adequado para praticamente todas as condições de soldagem é de 10 a 16 l/min, sendo que valores acima desta faixa são normalmente antieconômicos ou ineficientes [10]. Uma turbulência decorrente de vazão muito alta deve ser evitada para que não ocorra perda na eficiência do gás de proteção, pois pode possibilitar a inclusão dos elementos contaminantes. Já valores abaixo da faixa mencionada podem causar a falta de proteção contra a ação atmosférica, dependendo da corrente e do projeto de junta.
A regulagem adequada da vazão de gás é de fundamental importância. O modo normalmente utilizado e confiável para se medir vazão de gás de proteção em soldagem é através de um rotâmetro ou bibímetro acoplado na saída da tocha de soldagem. Do contrário, a leitura em outro ponto embute um erro muito grande. Conclui-se que a leitura de um rotâmetro ou bibímetro na saída da tocha deve indicar uma vazão volumétrica maior que em qualquer outro ponto do circuito [10]. Ainda assim, persistem erros, pois esta medição é realizada sem a existência de arco. Com o arco aceso, haverá expansão na saída devido ao aumento da temperatura, que com certeza aumentará a vazão volumétrica.
Como ponto de partida, a vazão de gás pode ser regulada para 10 vezes o diâmetro do arame. Mas até então, não existe uma forma adequada de se determinar a vazão apropriada para cada condição de soldagem, devendo o usuário observar o comportamento de solda e usar sua experiência e seu bom senso.
A manutenção da estabilidade do arco, tida como a segunda função dos gases de proteção, é vinculada às propriedades físico-químicas dos gases de proteção. Neste sentido, destaca-se o potencial de ionização, a condutividade térmica e o potencial de oxidação. Os gases se dissociam liberando íons, quando aquecidos e submetidos à tensão. Os íons são necessários à formação do plasma e condução da corrente [03]. São enfatizados, neste texto, misturas de
Argônio (Ar) e Dióxido de Carbono (CO2) e o CO2 puro, que são os gases mais aplicados em problemas como o aqui atacado. Gases oxidantes são adicionados para que se forme uma película oxida sobre a poça fundida, propiciando a chamada estabilização dos pontos catódicos [03]. Caso contrário, o arco é alimentado de elétrons advindos das bordas da poça aleatoriamente, o que está relacionado à queda de estabilidade do arco. Este fato é identificado pelo aparecimento de ataque eletroquímico nesta região.
O potencial de oxidação é a energia (em eV) necessária para ionizar o gás (retirar um ou mais elétrons do átomo de gás). Um gás ionizado conduz eletricidade. Tanto a abertura quanto a estabilidade do arco são fortemente influenciadas por esta propriedade do gás. Gases com baixo potencial de oxidação reduzem a molhabilidade, ou seja, reduzem a fusão entre a poça de fusão e o material de base e favorecem a produção de cordões irregulares e convexos. Neste caso, são adicionados gases com maior potencial de oxidação, que melhoram as características de molhamento e conseqüentemente a geometria do cordão de solda, com cordões mais planos, uniformes e com baixa probabilidade de incidência de mordedura.
A condutividade térmica do gás influencia diretamente no perfil da coluna de plasma. Quanto maior a condutividade térmica do gás, mais estreita a coluna de plasma, o que aumenta a densidade de corrente, aumenta a penetração do passe de solda, enquanto a sua largura é menor. Com este exemplo, é compreensível que as propriedades do gás tenham também influência na composição química da liga, na temperatura da poça de fusão, na sensibilidade à fragilização e à formação de poros, bem como no grau de dificuldade na execução de soldagens nas mais diversas posições [17].
Na transferência metálica por curto-circuito, apesar de o material não ser transferido através do arco, a composição do gás é capaz de afetar o tamanho da gota e a duração do curto-circuito, alterando sua estabilidade [10].
A capacidade de troca de calor, como o próprio nome sugere, é a capacidade de o gás conduzir calor, seja para o meio ou para a chapa a ser soldada. A alta capacidade de troca de calor de gases como o He, CO2 e H2 favorece a eficiência de fusão [11].
TABELA 3.1 - Constantes físicas dos gases de proteção
Nota: a 1 eV = 1,6 x10-16 J
Fonte: Lancaster, 1986.
Em correntes altas, um arco menos rígido pode se benéfico para a prevenção de mordeduras e irregularidades no cordão [14].
3.5.1 Efeito dos Gases na Proteção da Soldagem
Gás Carbônico (CO2):
O dióxido de carbono, representado por CO2, é um gás ativo, porque o calor do arco o dissocia em monóxido de carbono e oxigênio livre, conforme equação 3.1 [18]. Este oxigênio se combina com elementos em transferência através do arco para formar óxidos que são liberados da poça de fusão na forma de escória ou carepa. Embora o CO2 seja um gás ativo e oxidante, soldas íntegras podem ser consistentes e facilmente obtidas sem a presença de porosidades e outras descontinuidades.
2CO2 2CO + O2 [3.1] Este gás, por estar presente em pequenas quantidades no ar atmosférico, é produzido comercialmente por reações químicas, como a combustão. Sua popularidade é decorrente da sua disponibilidade e a boa qualidade da solda.
O CO2 é muito utilizado na soldagem GMAW em misturas binárias e ternárias. É um gás largamente aplicado na soldagem de aços. É utilizado puro normalmente na soldagem de aços
Elemento 1º Potencial de ionização (eVa) Densidade (kg/m3)
Argônio 15,75 1,784 Hélio 24,58 0,178 Hidrogênio 13,59 0,083 Nitrogênio 14,54 1,161 Oxigênio 13,61 1,326 Dióxido de carbono _ 1,977
de baixo carbono. A sua alta capacidade de troca de calor e sua energia liberada na recombinação faz transferir mais calor para o metal base, quando comparado com o argônio puro, o que profere conseqüentemente maior penetração no metal de base, conforme ilustrado na Figura 3.5. Também demanda uma maior tensão para manter o arco aberto e o usuário deve ficar atento a este detalhe ao regular o equipamento para passar a soldar com proteção mais rica em CO2.
FIGURA 3.5 - Perfis de penetração e de transferência típicos na soldagem GMAW com Ar e CO2. Figura adaptada.
Fonte: AWS Welding Handbook, 2004.
No entanto, nem sempre o emprego do gás CO2 se traduz como baixo custo por metro linear de solda, pois dependendo da aplicação e combinação, a baixa eficiência que o CO2 proporciona – causada pela perda de carga – influencia no custo final de solda [11].
O dióxido de carbono não permitirá uma transferência metálica por spray. Por isso, os modos de transferência do metal ficam restritos ao curto-circuito e à transferência globular. Com o CO2, grandes velocidades de soldagem são obtidas, além de grande penetração. Como limitação, a transferência globular proporciona alto índice de geração de respingos. A superfície da solda gerada resultante da proteção com o CO2 puro é, na maioria dos casos, fortemente oxidada. Neste caso, o arame de solda contendo elementos desoxidantes é necessário, para compensar a natureza reativa do gás. De um modo geral, boas propriedades mecânicas podem ser obtidas com o CO2. O argônio é misturado freqüentemente com o CO2 para balancear as características de desempenho do CO2 puro e redução de respingos. Se as propriedades de impacto tiverem que ser maximizadas, são recomendadas misturas de dióxido de carbono e argônio. A Figura 3.6 mostra a relação de mistura do gás de proteção, evidenciando uma relação direta do aumento de CO2 na composição com o aumento de respingos.
FIGURA 3.6 - Redução do nível de respingos com a redução do teor de CO2 no gás de proteção Fonte: Dillembeck, 1987.
Argônio (Ar):
O argônio, representado pelo símbolo Ar, é inerte, incolor, inodoro e não tóxico. Possui baixo potencial de ionização, o que lhe confere uma excelente condução da corrente e uma estabilidade de arco superior. Possui densidade maior do que o ar atmosférico e com baixas vazões tem-se uma boa proteção, gerando-se pouca turbulência no arco, além de uma proteção eficiente na posição plana [14; 10], caracterizando-se por ser o gás mais utilizado no GMAW, seja puro ou em mistura binária. As soldas realizadas com este gás de proteção alcançam boa soldabilidade, boa produtividade, e adquirem boas propriedades mecânicas.
Extraído do ar atmosférico, onde está presente com cerca de 1% em volume, este gás inerte possui um custo relativamente baixo. O Ar comercialmente puro, com baixíssimo teor de impurezas, só é utilizado para soldagem de materiais não ferrosos e reativos (devido ao potencial de oxidação quase nulo), como as ligas de alumínio, níquel, ligas de cobre, de magnésio, titânio e tântalo (os dois últimos com argônio de maior pureza).
O argônio é empregado puro em materiais não ferrosos como no alumínio, ligas de níquel, ligas de cobre e materiais reativos que incluem o zircônio, titânio e tântalo. O argônio proporciona excelente estabilidade ao arco no modo de transferência por spray, boa
penetração e ótimo perfil do cordão de soldagem desses metais. Segundo [11] para soldas de materiais com pequenas espessuras em curto-circuito, é viável também a sua utilização. Quando usado na soldagem de metais ferrosos, o argônio é normalmente misturado a outros gases, como por exemplo, o CO2, O2, H2, N2 e/ou He. Desta forma, garante-se a estabilidade do arco pelo facilitamento da emissão por campo [03]. A baixa capacidade de troca de calor do Ar e um baixo potencial de ionização favorecem a soldagem com transferência goticular com elongamento no GMAW e menores penetrações, como ilustrado na Figura 3.6.
Acredita-se que o uso do argônio puro ou em mistura facilita a formação de ozônio (O3) na região próxima ao arco, gás este muito tóxico e se torna um problema que diz respeito à segurança do trabalho [10; 19].
De uma maneira mais geral, as soldas realizadas sob a proteção de misturas ricas em gás argônio e com pouco dióxido de carbono têm maior probabilidade de apresentar resultados satisfatórios quando o foco está mais voltado para regularidade da transferência metálica e geração de respingos, como passe de raiz, chapas finas. Por outro lado, o CO2 é tradicionalmente visto como o gás de menor custo, podendo, assim, surgir barreiras à adoção de misturas com argônio [10].
O gás de proteção representa uma fatia pequena dos custos da soldagem GMAW e estudos em misturas mais eficientes acarretam de forma geral em aumento de produtividade da mão-de-obra e impactam significativamente no custo geral da produção [16; 20; 21].
3.6 Modos de Transferência Metálica
O processo de soldagem GMAW é caracterizado pela transferência de metal fundido, destacado da ponta do arame-eletrodo na forma de gotas para a poça de fusão. A gota, desde o início de seu crescimento na ponta do arame-eletrodo, fica submetida ã ação de uma série de forças que podem atuar favoravelmente ou não ao seu destacamento. A gota é transferida quando o somatório das forças de destacamento supera o somatório das forças de retenção [10]. Esta teoria é conhecida como Equilíbrio das Forças Estáticas. O modo de transferência destas gotas de metal fundido para a poça de fusão da peça de trabalho é uma das
características mais relevantes deste processo. O modo pelo qual o material é transferido no arco determina a estabilidade do processo e afeta fortemente a quantidade de respingos gerada, a possibilidade de soldagem em várias posições, a qualidade e geometria da solda, a aparência superficial do cordão de solda e o seu desempenho operacional [10].
Existem vários modos de transferência metálica no processo GMAW. O modo de transferência depende, da combinação de vários fatores, como: a) corrente e tensão de soldagem; b) polaridade do eletrodo; c) material do eletrodo; d) diâmetro do eletrodo; e) distância entre o bico de contato e a peça de trabalho (CTWD); f) tipo de gás de proteção; g) vazão de gás; h)tipo de revestimento do eletrodo ou fluxo; i) característica estática das fontes; j) pressão ambiente [14; 22]. Mesmo não sendo estes os únicos fatores que influenciam na transferência metálica, nota-se a grande complexidade desta abordagem, que merece destaque para o entendimento do processo GMAW [10].
De todas as teorias propostas para estudar a transferência metálica, as mais usadas para o estudo e entendimento da transferência no processo GMAW baseiam-se no balanço estático de forças que atuam sobre a gota formada na ponta do eletrodo, e no estudo de instabilidades que podem ocorrer em cilindros líquidos percorridos por corrente elétrica. O mecanismo de destacamento se altera quando a corrente de soldagem supera um certo valor, denominado de corrente de transição. Segundo Scotti, 2008, a partir desta corrente, acredita-se que o mecanismo, que passa a atuar predominantemente sobre a transferência de gotas é denominado Instabilidade Pinch. De acordo com [23], das várias teorias propostas para estudar a transferência no processo GMAW, as mais usadas são a teoria do equilíbrio de forças estáticas e a teoria de instabilidade de Pinch.
Ratifica-se que nenhum dos modelos propostos são comprovados na prática, pois podem existir mais forças desconhecidas atuando concorrentemente, como pela própria deficiência em se modelar o comportamento real de cada uma das identificadas [10].
3.6.1 Teoria do Equilíbrio de Forças Estáticas
A teoria do equilíbrio de forças estáticas leva em consideração a resultante das forças sobre o destacamento da gota metálica fundida, quando as forças que favorecem este destacamento
excedem as forças de retenção [14]. O metal líquido a ser transferido do arame-eletrodo à peça está submetido a forças, assim como também está submetida a poça de fusão [24], como observado esquematicamente na Figura 3.7. Estas forças influenciam consideravelmente o resultado, atuando diretamente na determinação do modo e dinâmica de transferência metálica e das características da solda, como a penetração [24]. É importante a consideração que o desprendimento da gota também está vinculado ao tempo.
O uso desta teoria é reforçado também por [25], os quais encontraram variações menores que 10% entre os resultados teóricos e experimentais, reforçando o uso desta teoria.
FIGURA 3.7 - Forças atuantes na transferência metálica no processo de soldagem GMAW, onde Fy representa a
força devido à tensão superficial, Fg à gravidade, Fem ao efeito eletromagnético, Fa ao arraste pelo fluido e Fv à
vaporização Fonte: Scotti, 2008.
Força Gravitacional (Fg)
É a força originada pela ação da gravidade, que, por depender da massa, é governada pela dimensão e densidade do material da gota, como quantifica a equação 3.2, assumindo que a gota cresça com o formato de uma esfera. Desta forma, a intensidade da força gravitacional é condicionada ao volume da gota, que é crescente até que o equilíbrio desta gota cresça e o seu equilíbrio se abale e ocorra o seu destacamento.
Fg .dg . .g 6
3
Onde: g
d = diâmetro da gota
= densidade do metal líquido e; g = aceleração da gravidade
A força gravitacional pode atuar de forma favorável ou não, evento que poderá depender da posição de soldagem. Na posição plana, a força da gravidade agirá o sentido de contribuir para o destacamento. Já para o caso de soldagem vertical ou soldagem sobrecabeça, haverá uma componente da força da gravidade forçando a gota contra o eletrodo, dificultando a transferência metálica.
Força Associada à Tensão Superficial (F)
No interior de um líquido, segundo [10] a força resultante sobre cada átomo é pequena ou nula. Mas, na superfície, a resultante de atração é para o interior, pois a densidade molecular é maior dentro de um líquido do que um gás ou plasma, como no meio em que uma gota em soldagem se desenvolve. A gota em desenvolvimento tem sua área superficial também em crescimento. Assim há demanda de energia para se criar esta nova área. Esta energia é chamada Energia Livre de Superfície, simbolizada por , cuja unidade no SI é J/m2. Entende-se que a tensão superficial de um material num dado meio é numericamente igual à energia livre de superfície. Tanto a energia livre de superfície quanto a tensão superficial são propriedades de um material, em função da temperatura e do meio [10].
Seguindo esta linha de raciocínio, um material líquido, por natureza, sempre tende a ter menor relação entre a área superficial e o seu volume, o que acontece quando se toma a forma esférica e seu volume é cada vez maior, o que evidencia que estas condições são de menor energia livre. A Figura 3.8 mostra a relação entre a força gravitacional e a força decorrente da tensão superficial, até que a gota alcance seu tamanho crítico. A gota na ponta do eletrodo, então, tende a tornar-se mais volumosa à medida que o eletrodo se funde, apesar de a força devido à tensão superficial ser crescente, dado o maior perímetro. E é esta força que retém a gota na ponta do eletrodo, dificultando a sua transferência. Se não houvesse a ação da força da gravidade, a gota cresceria infinitamente. Mas como F cresce, retendo a gota, em proporção
direta com o diâmetro, enquanto sua oponente Fg, que na posição plana facilita o destacamento da gota, aumenta em proporção do diâmetro ao cubo, vai haver um momento em que a gota se destaca [10].
FIGURA 3.8 - Crescimento competitivo entre as forças de gravidade (Fg) e as forças decorrentes da tensão
superficial (Fy), caracterizando o diâmetro crítico em que a gota se destaca
Fonte: Scotti, 2008.
F 2sra [3.3] onde:
s = tensão do arco ra = raio do arame
Podem ocorrer situações em que F passa a facilitar a transferência. Como a energia livre de superfície torna-se menor na poça de fusão (menor área de superfície livre por volume), o contato de uma gota com a poça de fusão faz com que a força devido à tensão superficial puxe-a para dentro da poça, como evidenciado na Figura 3.9. Assim, enquanto não houver contato gota/poça, a força devido a tensão superficial é contrária à transferência, mas passa a favorecê-la quando há o contato. Usando a analogia do conta-gotas, uma gota em condição estável em sua ponta é sugada para dentro do copo ao tocá-la na superfície da água, sem a necessidade de apertar a mais o gotejador [10].
