Apostila De Soldagem

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO MARANHÃO DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E MATERIAIS – DMM CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Prof. Waldemir Martins

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE SOLDAGEM NOTAS DE AULA

SÃO LUÍS - MA

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APRESENTAÇÃO Esta apostila foi elaborada com o objetivo de permitir ao aluno do Curso de Engenharia Mecânica e dos cursos técnicos de Mecânica, Eletromecânica, Metalurgia e Materiais,

dentre

outros

cursos

do

INSTITUTO

FEDERAL

DO

MARANHÃO,

complementar sua formação com as informações sobre a Tecnologia e os Processos de Soldagem dos metais. Esta apostila se inicia abordando a junção de peças passando por soldagem oxigás e aluminotermia. Em seguida mostra-se a terminologia de soldagem e a simbologia de soldagem por ser estes tópicos relacionados com outros processos de soldagem. Deste ponto em diante inicia-se o estudos dos principais processos de soldagem mais utilizados no mercado a saber: Arco submerso; TIG; MIG/MAG; Eletrodo Revestido; Arame Tubular e Eletroescória. Abordam-se também a maior quantidade possível das descontinuidades induzidas pelos processos de soldagem mostrando defeitos, causas e soluções. Finaliza-se mostrando uma tabela com os Critérios de Aceitação de Defeitos em Soldas. Logo, como se percebe, é evidente que a Tecnologia e os Processos de Soldagem se caracterizam como um assunto muito vasto e assim sendo esta apostila apresenta apenas os principais aspectos relacionados com o tema e que entendemos ser o mínimo necessário de conhecimento que o público alvo necessita. Para um aprofundamento maior no assunto, apresentamos no final da apostila a bibliografia utilizada, bem normas e catálogos para consulta.

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TÓPICOS 1. JUNÇÃO 1.1 Definição da tecnologia de junção 1.2 Divisão dos processos de junção 1.3 Junção por conformação 1.4 Junção por soldagem 1.5 Junção por brasagem. 2. SOLDAGEM POR OXI-GÁS (SOLDA A GÉS) 3. SOLDAGEM ALUMINOTÉRMICA 4. TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM 5. SIMBOLOGIA DE SOLDAGEM 6. PROCESSO DE SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO (SAW) 7. PROCESSO DE SOLDAGEM TIG (GTAW) 8. PROCESSO DE SOLDAGEM MIG/MAG (GMAW) 9. PROCESSO DE SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODO REVESTIDO 10. PROCESSO DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR 11. PROCESSO DE SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA 12. DESCONTINUIDADES MAIS FREQUENTES NAS OPERAÇÕES DE SOLDAGEM 13. CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO DE DEFITOS EM SOLDAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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1. JUNÇÃO 1 Definição da tecnologia de junção Junção é a ligação permanente ou uma colocação em contato de duas ou mais peças com uma determinada forma geométrica ou até mesmo de peças com material sem forma definida. Em um processo no qual a composição local é alterada e misturada como um todo.

Figura1: Tecnologia de junção 2. Classificação dos processos de junção Através de uma multiplicidade de materiais completamente distintos e suas possíveis combinações, tais como metais, plásticos, madeira, têxteis ou papel, que podem ser empregados como peças a serem submetidas a um processo de junção, que pode ser tanto direto, p. ex.: através de soldagem e brasagem, quanto sob a ação de elementos de adicionais de fixação e junção, como; parafusos, rebites e anéis de cravação.

Figura 2: Classificação dos processos de junção 2.1 Diferenciação dos processos de junção conforme o tipo de união : - Ligação por aplicação de força (Atrito, força normal) - Ligação por meio de forma (ex.: prisioneiro, cavilha, pino) - Ligação por meio material (aderência, ligação química) 3. Junção por conformação 3.1 Junção por conformação em chapas, tubos e perfis. 3.1.1 Dobras Por dobras compreendem-se o flexionamento, cravamento e compressão para união de chapas nas suas extremidades. O processo de junção de chapas por dobramento é usado preferencialmente na junção de chapas metálicas. Por este processo se fixa uma peça a uma segunda após o dobramento.

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Para tanto as peças a serem unidas devem apresentar uma boa qualidade de acabamento de suas arestas, produzidas por exemplo por estampo. A seguir são ambas as peças cravadas uma na outra e finalmente a região de cravação é dobrada. Neste caso, pode surgir um movimento relativo das peças que estão sendo unidas, o qual também facilita a cravação das peças. Pré-condição: boa ductilidade a temperatura ambiente.

Figura 3: Junção por conformação – dobras 3.1.2 Junção por conformação Subdivisão das junções por conformação: - segundo a formação dos elementos de junção: Junção por conformação com e sem parcela de corte. - segundo a cinemática das partes da ferramenta: Junção por conformação em etapa única ou em etapa múltipla. Junção por Conformação em um estágio e parte de corte. Vista lateral de uma união por junção com conformação.

Figura 4: Junção por conformação e parcela de corte. - A junção por conformação com parcela de corte é executada em três etapas: corte por cisalhamento combinado, com o processo de junção por conformação e processo de recalque a frio. - A junção por conformação sem parcela de corte é realizada através de um processo de confinamento de matriz e embutimento e finalmente um processo de recalque a frio, de tal modo que o processo de ligação ocorra também mediante um processo de extrusão. Junção por conformação sem parcela de corte com ferramenta móvel.

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Figura 5: Junção por conformação (extrusão) sem parcela de corte No processo de junção TOX têm-se um processo de prensagem-cravação. Neste processo nem o revestimento superficial nem a microestrutura metalográfica é alterada, de modo que diferentes materiais bem como diferentes espessuras de chapas podem ser submetidos a junção. Um punção redondo penetra a peça a ser unida a outra em uma matriz. Através do movimento continuo o material do lado do punção é extrudado dentro da matriz escoando para fora do punção e para dentro do material do lado da matriz, com o surgimento de um corte posterior.

Figura 6: Comparação dos processos de junção por conformação e o processo de junção TOX. Etapas de Conformação de um ponto de junção TOX 1. Penetração e mistura combinada. 3. Enchimento do contorno superior.

5.Enchimento lateral posterior

2. Recalque e alargamento.

6. Ponto de junção TOX

4. Enchimento do canal

Figura 7: Etapas de conformação de um ponto de junção TOX

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Figura 8: Exemplos de junções TOX 3.1.3 Junções por processo de rebitagem

Através da junção por rebites são mantidos unidos os componentes de uma estrutura ou peça. Neste caso os elementos de fixação, os rebites, estão tão fortemente deformados plasticamente, que uma separação posterior da peça só possível através da destruição dos rebites. Existem diferentes tipos de rebites: por Ex.: rebites maciços, rebites cegos. Antes da rebitagem as peças devem ser montadas em uma posição relativa exata para furação e colocação do rebite.

Figura 9: Junção por processo de rebitagem – divisão 3.2.1 Estrutura dos rebites maciço O rebite pode ser introduzido do furo de rebitagem manualmente ou através de uma ferramenta pneumática, de modo a ser deformado plasticamente, proporcionando a imobilização dos componentes e formação de uma cabeça para o travamento (fixação definitiva) das partes rebitadas.

Figura 10: Rebite maciço

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Figura 11: Conformação de um rebite maciço 3.2.2 Rebite cego Rebites cegos são empregados, rebites cegos são empregados quando só um dos lados das peças a serem unidas pela rebitagem pode ser alcançado. Os rebites cegos são rebites com um pino guia. O extremo deste pino guia pode ter forma esférica ou cônica, de tal modo que durante a extrusão deste pino guia uma peça é prensada contra a outra.

Figura 12: Rebite cego 4. Junção por soldagem Soldagem é união de materiais na zona de soldagem mediante o emprego de calor e/ou força com ou sem material de adição. Pode ser facilitada através do emprego de materiais auxiliares., p. Ex.: gases de proteção, pós ou pastas de soldagem. A energia necessária para a soldagem é fornecida externamente. Zona de soldagem : região limitada, na qual o material durante o processo de soldagem passou por um estado de fundido ou de deformação plástica facilitada. Material de adição : Material adicionado na zona de soldagem ou entre a área de contato das peças a serem soldadas, formando junto com o material de base o cordão de solda. Soldagem significa e uma ligação permanente, a qual não pode ser dissolvida por um meio não destrutivo. Vantagem: - maior uniformidade do material de base com o cordão de solda. - menores exigências de limpeza das superfícies. - menor exigência na tolerância da junção - resistência do material de base pode ser atingida no cordão de solda. - sem envelhecimento

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4.1 Classificação dos processos de Soldagem Soldagem é união de materiais na zona de soldagem mediante o emprego de calor e/ou força com ou sem material de adição. Podendo ser facilitada pelo emprego de materiais auxiliares, como por Ex.: gases de proteção, pós ou pastas de soldagem. Sendo a energia necessária para a soldagem fornecida externamente.

Figura 13: junção por soldagem

Figura 14: Subdivisão dos processos de soldagem 4.2 Fatores de influência A soldabilidade de uma peça de material metálico é definida pela formação de uma junção permanente por solda entre dois materiais para um determinado processo de soldagem, levando em conta que possa ser obtida por um planejamento adequado da seqüência de soldagem.

Figura 15: Fatores que influenciam a soldabilidade Soldabilidade do material - composição química - propriedades mecânicas - propriedades físicas Possibilidade da soldagem - Preparação da soldagem - Condução do trabalho de soldagem

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Segurança da soldagem - Arranjo do cordão de solda e fluxo de forces - Tipo de soldagem - Propriedades mecânicas dos materiais - Estado de deformação e tensões residuais Seleção de materiais com boa soldabilidade: - Aços estruturais: RSt 34-2, RSt 37-2, St 52-3 - Chapas finas: St 12, St 14, RSt 37-2 - Aços inoxidáveis: X 12 CrNi 18 8, X 5 CrNiMo 18 10 - Ligas de alumínio: AlMg 3, AlMgMn, AlMg3Si, AlMgSi 1, AlMg 0,4Si1,2 4.3 Soldagem por pressão Soldagem por pressão é a soldagem com emprego de força com ou sem material de adição; aquecimento local limitado (até o ponto de fusão) possibilitando e facilitando a soldagem. Materiais metálicos podem em geral ser mais bem unido por processos de soldagem por pressão do que pelos processos de soldagem por fusão. A origem disto é a ação conjunta da força e do calor em um processo de soldagem. Inclusões não metálicas (p. Ex.: escória) atuam de modo nitidamente prejudicial nos processos de soldagem por fusão.

Figura 16: Subdivisão dos processos de soldagem por pressão 4.3.1 Soldagem sob pressão resistiva O calor necessário para a soldagem gerado por efeito Joule, devido ao fluxo de corrente na zona de solda, considerada como um elemento resistivo. A corrente pode ser transportada tanto condutivamente por eletrodos ou indutivamente por indutores, no que as peças mantidas simultaneamente sob ação de compressão são soldadas uma a outra. Critérios de classificação: - Forma dos eletrodos e indutores - Forma dos eletrodos de soldagem - Comando da seqüência de soldagem. Vantagens: - Curto tempo de soldagem - Pouco efeito térmico sobre a peça - Preparação simples dos eletrodos de soldagem (predominam eletrodos de topo rombudo ou de topo afilado) - fácil automação do trabalho - sem necessidade de material de adição da solda. Solda a ponto Após a aplicação da força no eletrodo a corrente de soldagem é acionada, de tal modo que no ponto onde as peças estão sendo tocadas pelo eletrodo, surge uma resistência elétrica do contato que provoca o aquecimento da peça até a temperatura de fusão.

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Surgindo finalmente um ponto de união com a forma elipsóide de uma lente, o ponto de solda. Após a soldagem, a corrente elétrica é interrompida e só após a solidificação do ponto de solda, o eletrodo de solda é retirado, removendo-se a pressão. Neste processo trabalha-se em geral com correntes elevadas (até 100 kA), tensões relativamente pequenas (até 20 V) e tempos de soldagem o mais curto possível (da ordem de dezenas de segundo). Conforme o tipo do arranjo do eletrodo sob a peça podem ser identificados dois processos: solda com ponteamento apenas de um lado e solda com ponteamento pelos dois lados. A solda a ponto, falando de um modo geral, é possível de ser feita em todos os materiais, os quais consigam um bom aquecimento pela passagem de corrente elétrica. Exemplo: chapas de aço zincadas só podem ser soldadas a ponto em condições bastante controladas, uma vez que ocorre formação de liga com o eletrodo o que implica em retrabalho posterior.

Soldagem a ponto dos dois lados Soldagem a ponto de um dos lados Figura 17: Solda a ponto 4.3.2 Solda por pressão sob arco elétrico O calor necessário para este processo de soldagem é produzido por um arco elétrico, o qual por um breve período de tempo aquece e funde localmente (“amanteiga”) a área de contato entre as peças a serem soldadas. A espessura soldável por este processo está na faixa de 0,7 a 5 mm, a faixa de diâmetros soldáveis é da ordem de 5 a 300 mm. Soldagem por pressão sob arco elétrico com arco elétrico movido magneticamente Para este processo é empregado o principio de que um arco elétrico, como parte de condutor com movimento livre, pode ser dobrado por meio de um dado campo magnético adequado. O arco elétrico iniciado através do campo magnético presente entre as áreas de contato da zona de solda, gerado por meio de um sistema de bobinas solenóides, e levado a girar. O campo magnético gerado pelas bobinas provoca em conjunto com o campo magnético do arco elétrico uma força tangencial no arco elétrico, de tal modo que a área de contato da zona de solda sofre uma fusa localizada e após um aquecimento suficiente, pode formar uma solda de topo entre as duas peças.

Figura 18: Soldagem por pressão sob arco elétrico com arco elétrico movido magneticamente

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4.4 Soldagem a laser

Figura 19: Classificação da soldagem por Laser Vantagens da soldagem a laser: - menor zona termicamente afetada ® menor distorção térmica - cordão de solda mais estreito ® menor tempo posterior de retrabalho (acabamento) - possibilidade automação da seqüencial especial do trabalho de soldagem. 4.4.1 Processos de soldagem a laser No caso da soldagem a laser é empregada para o aporte de energia a luz de um laser. Em função da intensidade de radiação do laser e de uma intensidade de limiar específica do material podem ser distinguidos dois processos: a soldagem por condução térmica e a soldagem profunda. Soldagem a laser por condução térmica Quando: intensidade do feixe < intensidade de limiar, têm-se o acoplamento de superfícies de peças lisas ou não substancialmente deformadas. A potência absorvida é maior que a potencia dissipada por condução, pelo que se chega à fusão do material. Não atingindo, entretanto, a formação de um capilar de vapor e uma zona termicamente afetada (ZTA) muito profunda. A absorção depende da polarização e do ângulo de incidência do feixe. Ela cresce com o aumento da temperatura da região irradiada da peça. Características da soldagem por condução térmica: - velocidade de avanço comparativamente menor - Maior espectro de energia (= Potência / Velocidade) - Seção do cordão de solda em forma de meio círculo com largura do cordão » 2. profundidade. - Contorno externo e raiz do cordão de solda muito uniforme - Junção por soldagem apenas de materiais com uma camada oxida de baixo ponto de fusão. Soldagem a laser profunda ( ou de penetração) Quando: intensidade do feixe < intensidade de limiar, têm-se o acoplamento no chamado capilar de vapor, o qual devido a elevada absorção no vapor do metal (absorção do plasma) e das reflexões múltiplas da luz de laser no canal de vapor, resulta em uma solda a laser mais profunda ou de penetração. Características da soldagem a laser profunda: - elevada velocidade de avanço - menor espectro de energia - menor distorção da peça - maior razão profundidade / largura de cordão (em comparação com a solda por condução) - contorno superior e raiz do cordão de solda muito uniforme. Modelagem do processo de solda a laser O processo global de soldagem profunda a laser é um processo físico complexo constituído por diversos outros processos parciais acoplados uns aos outros: · Absorção da radiação laser · Condução térmica na peça · Hidrodinâmica da poça de fusão · Evaporação na superfície do capilar · Dinâmica dos gases no capilar

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Figura 20: Soldagem a laser por Condução Térmica e Profunda

Figura 21: Efeito mútuo da condução térmica, hidrodinâmica e evaporação na soldagem profunda por feixe de laser. 4.4.1 Exemplos de uso da soldagem a laser

Figura 22: Soldagem por feixe de lase em componentes de câmbio.

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Figura 23. Soldagem por feixe de lase em assento de válvula.

Figura 24. Soldagem por feixe de lase na montagem de carrocerias.

Figura 25. Soldagem por feixe de lase de uma coluna de direção de alumínio.

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O alumínio e suas ligas oferecem desafios bastante importantes na condução de seu processo de soldagem. Para a soldagem por laser de CO2 na coluna de direção, visando um aumento da segurança, usa a técnica de feixe duplo (TwistLas) da firma Trumpf. 4.4.3 Comparação da soldagem a laser com outros processos Vantagens frente à soldagem MAG: - menor necessidade de retrabalho Vantagem frente à solda por feixe de elétrons: - ausência do custo mais elevado e consumo de tempo para evacuar a câmara de soldagem. Vantagens frente à solda a ponto: - 30 % mais resistência sob solicitação dinâmica - 50 % mais resistência sob solicitação estática - Estanqueidade - Melhor aspecto ótico - Menor necessidade de superposição nas junções. Fundamentos para a aplicação do laser: - menor distorção na soldagem, i.e. ausência de desindireitamento - menor seção transversal da junção, i.e.: maior resistência e rigidez - menor distorção - maior produtividade do que a solda por feixe de elétrons - maior produtividade do que brasagem. - alta velocidade de soldagem.

Figura 26. Comparação entre os processos de soldagem a laser. 5. Junção por brasagem 5.1 Fundamentos da brasagem Brasagem é um processo térmico para a junção e revestimento de materiais metálicos com a ajuda de um metal de adição fundido (meio de brasagem), na maioria dos casos mediante o emprego de meio fluxante e / ou gás de proteção da brasagem. Ao contrário da soldagem, o material de adição ou de brasagem é diferente e tem um ponto de fusão mais baixo do que o material de base que está sendo soldado. A temperatura solidus do material de base não é atingida. Os materiais de adição da brasagem são sempre constituídos de metais puros ou ligas. Formas comerciais comuns são arames, varetas, chapas, fitas, barras, pós, pastas ou peças conformadas. Fases do processo de brasagem - Aquecimento da área de junção, do meio de brasagem, e do meio fluxante. - Ativação do meio fluxante / gás de proteção: afastamento da camada passivadora. - Fusão meio de brasagem - Molhamento dos pares que estão sendo brasados - Processo de difusão: A Formação de solução sólidos ou compostos intermediários. Condições para a molhabilidade - O material de brasagem e o material de base podem formar solução sólida ou compostos intermediários. - A temperatura da área de junção para permitir o molhamento (i.e. Temperatura da área de junção = Temperatura do material de brasagem fundido). Quando a área que está sendo brasada não está aquecida durante a fusão do material de brasagem, podem surgir bolhas do material de brasagem, isto é começa a não se espalhar e a molhar a se mesmo e não a superfície a ser brasada. - Superfícies limpas e isentas de óxido. - Necessidade de limpeza e pureza química e mecânica da superfície. - Emprego de gás de proteção, meio fluxante ou vácuo.

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Gases de proteção - Atmosfera de brasagem (H2N2; 95% N2, 5% H2) - Uso predominante na brasagem dura - Remoção da camada superficial de óxidos por reação química com o gás protetor Meio Fluxante - predomina no emprego de brasagem fraca (solda fraca) - Redução, dissolução e retirada dos novos óxidos que estão sendo formados durante o processo de brasagem. - estimular o contato térmico dos pares que estão sendo brasados com o meio de brasagem. - Temperatura efetiva do meio fluxante (TW) deve ser inferior a temperatura de trabalho do material de brasagem (TA) - Seleção do meio fluxante depende do material de base da temperatura de trabalho do meio de brasagem.

Figura 27. Classificação dos processos de brasagem conforme o aportre de energia.

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5.2 Brasagem fraca (solda fraca) Devido à baixa temperatura liquidus da brasagem fraca (abaixo de 450 °C) as zonas de difusão entre os materiais de brasagem e o material de base não são tão fortes, como por exemplo, as da brasagem dura. A resistência mecânica obtida é por este motivo relativamente bem menores (resistência ao cisalhamento cerca de 5 N/mm²). A brasagem fraca será usada predominantemente para produzir estanqueidade ou brasagem de contato elétrico. Brasagem fraca na produção eletrônica Brasagem por refluxo convencional para brasar componentes eletrônicos em fornos (aporte de energia vai ar ou gás aquecido). A brasagem em um forno de refluxo é um processo de brasagem global. Os componentes são para isto, colocados em uma placa de circuito impresso précobertos com uma pasta de brasagem e a seguir brasados em um forno de refluxo. A brasagem em um forno de refluxo é um processo de brasagem de todas peças ao mesmo tempo (brasagem global). A brasagem por feixe de laser é um processo de brasagem seletiva. 5.3 Brasagem (brasagem dura) A brasagem dura oferece para qualquer quantidade de material adicionado, uma massa uniformemente modelada cujo processo de acabamento será mais fácil do que o de uma junção por soldagem. O trabalho de reparação pode também ser realizado através simplesmente de uma dissolução da brasagem. Pode ser divida em: brasagem de topo (s < 0,25 mm) e brasagem de junta (s > 0,25 mm). Na brasagem de topo através da predominância de um efeito capilar do material de adição no espaço a ser brasado, o material de adição será puxado e todo o flanco do cordão de brasagem molhado, enquanto a brasagem de junção serve para o enchimento de cavidades e juntas maiores. Os meios de brasagem mais usados são predominantemente as ligas de cobre, e também de modo geral metais nobres não ferrosos. No caso de metais mais leves, aparece a brasagem dura com ligas de alumínio-silício. Fundamentos da brasagem dura convencional - Material de base Metais não soldáveis por si próprio por exemplo materiais com revestimentos metálicos (Revestimento de Zn) podem ser unidos. Importante para a seleção dos materiais mais indicados para a brasagem é o fato de terem temperaturas solidus TS próximas e também a estabilidade química de sua camada oxida superficial. - Meio de fluxo e / ou gás de proteção Para uma brasagem sem problemas o meio de fluxo deve ter uma temperatura TW que esteja ~ 100°C abaixo de TA dos respectivos materiais de base. O meio de fluxo pode se apresentar na forma de pastas, pós ou ainda em forma de cobertura do material de brasagem. Em alguns casos pode surgir corrosão na chapa brasada, pelo que a região brasada deve passar por uma forte limpeza ácida. No caso de uso alternativo de um gás de proteção TW depende da estabilidade térmica das respectivas camadas oxidação superficial (~ 1000°C). Apenas quando ela pode ser rompida pode o gás de proteção efetuar uma reação de redução química da superfície. - Meio de brasagem A seleção do material de brasagem é um fator importante junto com a temperatura e tempo de brasagem define o mecanismo de ligação na brasagem. 5.3.1 Brasagem dura na construção de carrocerias automotivas Os pontos de junção de uma carroceria podem apresentar tolerâncias na faixa de milímetros na fabricação de carrocerias (estamparia) em função do grande espaçamento entre chapas. Ficando este ponto de junção em uma região visível ou estando eles pontos para reparos ajustes finais, sendo para isto unidos por conformação e brasados manualmente no final do processo. Requisito: Estanqueidade para evitar corrosão por frestas e melhorar a capacidade de pintura da superfície. Também não permitir que mudanças microestruturais impliquem em piora das propriedades mecânicas e aparecimento de corrosão. O grande potencial de economia de custos da brasagem dura está não no processo de brasagem em si, mas sim como processo de acabamento.

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2. SOLDAGEM POR OXI-GÁS (SOLDA A GÁS) Introdução: Todos os metais e ligas comercialmente conhecidas fundem em temperaturas abaixo dos 4000ºC, e especialmente as ligas de aço, que são a maior utilização do processo oxi-acetilênico, na faixa de 1500ºC. Assim, mostrou-se viável a execução de soldagens através das temperaturas e poder calorífico desenvolvidos pela combustão dos diversos gases. O processo de soldagem oxi-gás é um dos mais antigos processos de fusão. Em termos industriais, pode-se apontar os períodos e responsáveis pelos desenvolvimentos mais significativos: 1837 - Desbassyns de Richamond descobre a chama aero-hídrica 1893 - Linde obtém Oxigênio da liquefação do ar 1894 - Jottrand executa a primeira soldagem industrial com a chama oxi-hídrica 1895 - Le Chatelier inventa o maçarico oxi-acetileno 1903 - Fouché e Picard desenvolvem a tocha de soldagem Atualmente, outros processos de soldagem são apresentados como alternativa ao processo oxiacetilênico, e se este perde em competitividade nas faixas de grande espessura, continua a ser em alguns casos, ainda o método mais adequado para soldar tubos e chapas de aço de estruturas finas, além de outras técnicas entre as quais podemos destacar: revestimento superficial corte térmico e seus derivados, metalização, desempeno à chama e aquecimento localizado. O equipamento utilizado na soldagem oxi-acetilênica tem um custo relativamente baixo, é normalmente portátil e tem a vantagem de poder ser utilizado como equipamento auxiliar em outros processos de solda, especialmente para pré-aquecimento nos processos eletrodo revestido e arcosubmerso, sendo assim extremamente versátil. Fundamentos do processo: O processo baseia-se na fusão do(s) metal(is) de base e eventualmente a fusão de um material de adição que é adicionado na junta que esta sendo soldada, com a utilização de uma chama proveniente da queima de uma mistura de gases. Estes gases passam por um dispositivo cuja função é dosa-los na proporção exata para a combustão e leva-los até a extremidade onde ocorre a chama. Este dispositivo, chamado maçarico, deve ainda possibilitar que se produza diferentes tipos de misturas necessários para se obter os diferentes tipos de chama, de acordo com o tipo de chama necessária para a soldagem dos diferentes materiais. As superfícies dos chanfros dos metais de base e o material de adição quando presente, fundirão em conjunto formando uma poça de fusão única que após o resfriamento se comportará como um único material. A chama oxi-acetilênica: Sempre que se realiza uma reação química entre gases com aparecimento de luz e calor, a zona em que se processa esta reação é denominada chama. Os fatores, dentro de um mesmo maçarico, que controlam a chama, são o tamanho e a forma longitudinal do orifício. As pressões do Acetileno e do Oxigênio são as quantidades relativas na mistura destes dois gases que se queimam no bico do maçarico. Reações químicas na chama oxi-acetilênica: Quando há queima completa do acetileno no ar, o Oxigênio do ar combina-se como Acetileno formando o gás carbônico e o vapor d'água. 2 C2H2 + 5 O2 = 4 CO2 + 2 H2O + calor Como se pode verificar, para haver a queima completa de acetileno, são necessários 2,5 volumes de Oxigênio para 1 volume de Acetileno. No ar atmosférico tem-se 4 vezes mais Nitrogênio do que Oxigênio e ainda outros gases em pequenos percentuais. Desde que estes gases não entrem na reação, apenas serão aquecidos por ela, o que causará uma diminuição na temperatura da chama. Se se fornecesse Oxigênio puro e num volume 2,5 vezes maior, como seria o ideal para a chama de solda, se obteria uma chama de temperatura mais elevada, porém, este tipo de chama comercialmente é inviável. O tipo de chama que se emprega é a que se alimenta com 1 volume de Oxigênio para cada volume de Acetileno, deixando os outros 1½ volumes para serem fornecidos pelo próprio ar atmosférico que envolverá a chama. A chama então se produz em duas reações: a reação primária e a secundária. A reação primária é a de maior temperatura e é representada na chama pelo cone interno. É a reação que se processa com os gases fornecidos pelos cilindros de Oxigênio e Acetileno. C2H2 + O2 = 2 CO + H2

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A reação secundária é a representada pela parte externa da chama, também conhecida como envoltório, que é a reação do monóxido de carbono resultante da reação primária com o hidrogênio também resultante da reação primária na presença do Oxigênio do ar. 2 CO + O2 = 2 CO2 2 H2 + O2 = 2 H2O Tipos de chamas: Os tipos de chamas variam em conseqüência das proporções de Oxigênio e Acetileno que produzem. Basicamente existem 3 tipos: neutra, carburante ou redutora ou oxidante. Estes tipos bem como as zonas definidas nas chamas podem ser vistas na figura abaixo:

Figura 28. Colorações típicas das diferentes zonas para cada tipo de chama. Estas diferentes zonas são definidas pela intensidade e coloração da luz. Chama neutra ou normal: É a chama de maior utilização para o processo de soldagem oxi-acetilênico. Esta chama é resultante da mistura de Acetileno e Oxigênio em partes iguais, daí o seu nome de "neutra". Apresenta duas zonas bem definidas que são o cone e o envoltório. A chama neutra é de particular importância para o soldador, não só por seu uso em soldas e cortes, como também por fornecer uma base para regulagem de outros tipos de chamas. Esta chama poderá atingir temperaturas da ordem de 3100ºC. É utilizada para soldas de ferros fundidos, aços, alguns bronzes, cobre, latão, níquel, metal monel, enchimentos e revestimentos com bronze. Chama redutora ou carburante: É a chama resultante da mistura de Acetileno com Oxigênio com um excesso de Acetileno. Nesta chama as três regiões apresentam-se bem distintas: cone, envoltório e o véu. O véu apresenta-se muito brilhante e este brilho é devido a partículas de carbono incandescentes em alta temperatura. O comprimento da "franja" determinará a quantidade em excesso de Acetileno na chama. Esta chama é utilizada para solda de aços liga ao cromo e ao níquel, alumínio e magnésio. Atinge a temperatura de 3020ºC, e pode ser também empregada para depósitos de materiais duros como "Stellite". Esta chama não é recomendada para a soldagem de aços carbono, pois causarão juntas porosas e quebradiças. Chama oxidante: É a chama resultante da mistura de Acetileno com Oxigênio com um excesso de Oxigênio. esta chama pode atingir temperatura na ordem de 3150ºC. Apresenta em seu visual duas zonas bem distintas que são o cone e o envoltório. Uma outra característica deste tipo de chama é o som sibilante emitido pelo bico. É utilizada principalmente para soldagem de materiais que contenham zinco em sua composição química como por exemplo o latão. Na soldagem deste material, o zinco é oxidado na superfície da poça, onde a camada de óxido resultante vai inibir posteriores reações. Com a chama normal, o zinco se volatiliza continuamente, sendo oxidado na atmosfera.

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A soldagem por oxi-gás é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através da aplicação do calor gerado por uma ou mais chamas, resultantes da combustão de um gás, com ou sem o auxílio de pressão, podendo ou não haver metal de adição. As superfícies dos chanfros dos metais de base e o material de adição quando presente fundirá em conjunto formando uma poça de fusão única, que após o resfriamento se comportará como um único material. O sistema é simples, consistindo dos cilindros dos gases comprimidos, reguladores de pressão, manômetros, mangueiras, válvulas de retenção e uma tocha de soldagem, com bico adequado; podem ser conseguidas diferentes atmosferas pela variação da quantidade relativa de comburentes e combustível. Há uma grande variedade de gases disponíveis para a soldagem a gás, sendo que normalmente o Acetileno é o preferido, tanto pelo custo, como pela temperatura de chama; entretanto outros gases combustíveis são também utilizados, tais como o Butano, Propano, Metano, Etileno, gás de rua, Hidrogênio e ainda as misturas produzidas pelas industrias de gases. O metal de adição é uma vareta, normalmente especificada para cada caso de soldagem e de um modo geral, para a soldagem de ferros fundidos e metais não ferrosos utiliza-se um fluxo de soldagem, também chamados de fundente, que tem a finalidade de manter a limpeza do metal base na área da solda, bem com ajudar na remoção de filmes de óxidos que se formam na superfície. A soldagem pelo processo oxi-gás oferece várias vantagens: o equipamento é barato e versátil, é ótima para chapas finas, é realizada com pequenos ciclos térmicos, não usa energia elétrica e solda em todas as posições. Em compensação o processo apresenta inúmeras desvantagens tais como: chamas pouco concentradas, o que acarreta grandes zonas termicamente afetadas pelo calor, é necessária grande habilidade do soldador, não é econômica para chapas espessas, tem baixa taxa de deposição, manuseia gases perigosos e o uso de fluxo acaba gerando produtos corrosivos no metal. No processo por oxi-gás, a chama oxiacetilênica é a mais utilizada, portanto vamos conhecer os seus gases: OXIGÊNIO É o gás comburente, apresentando-se inodoro, insípido e incolor e encontrando-se em abundância na natureza. Industrialmente pode ser obtido por liquefação e destilação do ar, reação química ou eletrólise da água. O processo mais usado é o primeiro, sendo o ar inicialmente purificado e em seguida, após várias compressões, expansões e resfriamentos sucessivos, o mesmo é liqüefeito. Em uma coluna de destilação e retificação realiza-se a separação dos vários componentes do ar, obtendo-se assim no final oxigênio de alta pureza. A distribuição do Oxigênio para soldagem normalmente é realizada através de cilindros de aço sem 2 costura, sob pressão de 150 kgf/cm (147,1 bar) ou seja 7000 litros de gás comprimido, em cilindros de 46 litros aproximadamente. Em instalações de consumo elevado de Oxigênio pode-se optar por trabalhar com tanques criogênicos, os quais recebem o Oxigênio líquido; conforme o mesmo for sendo consumido, será vaporizado em evaporadores instalados na saída dos tanques. Uma outra maneira de fornecimento de Oxigênio que vem sendo adotada por alguns fabricantes, baseia-se no fornecimento de uma pequena usina geradora de Oxigênio ao consumidor do gás, o qual passa a ter a responsabilidade da operação e fornecimento de energia à mesma; este processo utiliza a tecnologia de geração de Oxigênio pela passagem do ar através de leito de zircônia e não produz o gás com pureza suficiente para uso medicinal. ACETILENO O Acetileno é obtido da reação da água sobre o Carbureto de Cálcio, que por sua vez é produzido em fornos apropriados pela reação entre o Carbono (C) e o Cal (CaO). 3 C + CaO → CaC2 + CO – 108 Kcal.g/mol CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca( OH )2 (+ 400 cal/kg CaC2 ) A formação do Acetileno propriamente dito é resultante de uma reação endotérmica reversível, que melhora o rendimento calorífico da chama, mas ao mesmo tempo contribui para aumentar o perigo no manuseio do gás em caso de uma dissociação. 2 C + H2 ←→C2H2 – 53.200 cal A produção do Acetileno pode ser realizada no próprio local por meio de geradores ( geralmente em pequenas oficinas) ou ser armazenada em cilindros onde o mesmo se encontra dissolvido sob pressão em Acetona líquida, a qual é retida no interior do cilindro em uma massa porosa ( carvão vegetal, cimento, amianto e terra infusória). Nestas condições consegue-se armazenar até 11 kg de gás em pressões da ordem de até 18 kgf/cm2 (17,6 bar) com bastante segurança, pois a Acetona consegue dissolver 575 vezes seu próprio volume para cada atmosfera. O Acetileno é um gás que apresenta certa instabilidade sob pressões elevadas e corre o risco de se dissociar, gerando uma grande liberação de calor e podendo explodir; desta forma deve-se tomar todo o cuidado para que a pressão do mesmo na rede de distribuição não ultrapasse 1,5 kgf/cm2.

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Figura 29. Conjunto para soldagem oxi-gás. CUIDADOS NO MANUSEIO DOS CILINDROS DE GASES OXIGÊNIO 1. O oxigênio não pode entrar em contato com graxa, óleo ou matéria gordurosa. 2. O cilindro não deve sofrer impactos violentos. 3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção. 4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã. 5. Não use o cilindro deitado. 6. Não utilizar o oxigênio para aeração, limpeza de máquinas, roupa, pele, etc. 7. Utilizar mangueiras verde ou preta para distribuição e conexões com rosca à direita. ACETILENO 1. Não transportar o cilindro deitado ( aguardar de 36 a 48 hs para estabilização). 2. A pressão máxima da rede não pode ultrapassar 1,5 kgf/cm2. 3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção. 4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã. 5 .Não use o cilindro deitado. 6. Não utilizar canalização de Cobre (formação de Acetileto de Cobre, explosivo). 7.Consumo máximo de Acetileno: 1000 litros/hora. 8. Não usar até a pressão zero. 9. Utilizar mangueiras vermelha para distribuição e conexões com rosca à esquerda. REGULAGEM DA CHAMA CHAMA NEUTRA OU NORMAL (r=1): Corresponde a uma alimentação do maçarico em volumes iguais de Oxigênio e Acetileno. O cone á branco, brilhante e somente visível através do óculos de soldador. É a chama utilizada na maior parte dos casos de soldagem, soldabrasagem e aquecimento. CHAMA REDUTORA (r<1): Utilizada para revestimento na soldagem dos aços com o intuito de elevar o percentual de Carbono na zona de soldagem, e isto faz com que abaixe a temperatura de fusão. Esta chama ocorre quando a proporção de Acetileno é aumentada, surgindo assim um cone brilhante que se sobrepõe ao cone normal, e que cresce com o aumento da proporção de Acetileno. Esta chama contem um elevado teor de Carbono e tem o risco de enriquecer o aço com este elemento, tornando-o mais duro e mais frágil. É utilizada na soldagem de ferros fundidos, com pré-aquecimento e fundente, Alumínio e Magnésio também com o uso de fundente e aços-liga ao Cromo e ao Níquel. CHAMA OXIDANTE (r>1): A chama oxidante é resultante da mistura de Acetileno com Oxigênio em excesso, e isto faz com que o cone e a zona de combustão primária se encurtem, com o cone menos brilhante e mais azul; simultaneamente a zona de combustão secundária fica mais luminosa. Esta chama, rica em Oxigênio, oxida o aço com o risco de formação de porosidades pela reação com o Carbono; normalmente esta chama é utilizada para a soldagem de latão, pois o Oxigênio em excesso forma óxido de

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zinco na superfície da poça que impede a continuidade de reações posteriores, impedindo a contínua volatilização do Zinco, o qual iria se oxidar em seguida na atmosfera. ESQUEMA DA CHAMA OXIACETILÊNICA NORMAL

Figura 30. Tipo de Chama para a soldagem oxi-gás. TÉCNICAS UTILIZADAS PARA A SOLDAGEM A GÁS Solda a Esquerda: também chamada de Solda para a Frente, apresenta boa penetração e acabamento, sendo utilizada em espessuras de até 7 mm, onde se trabalha aquecendo a peça ou região a ser soldada. Apresenta grande consumo de gases e tempo. Solda a Direita: Também chamada de Solda para Trás, é utilizada quando a peça a ser soldada ª requer chanfros ou seja, para espessuras maiores. É uma técnica desenvolvida durante a 2 Grande Guerra, e que apresenta boa velocidade, boa penetração e economia de tempo e gases. Trabalha-se mantendo a união soldada aquecida. VANTAGENS NO USO DO ACETILENO EM RELAÇÃO AOS OUTROS GASES Possui alta temperatura de chama ( aproximadamente 3100ºC). Composição da chama com notáveis propriedades redutoras. Chama facilmente regulável, permitindo fácil identificação de atmosfera. Baixo custo do Acetileno em relação a vários gases. Elevado teor de Carbono na molécula (92,24% em peso). Boa velocidade de propagação (velocidade com que a chama percorre a massa gasosa). Formação endotérmica do Acetileno, permitindo liberação de calor na dissociação, durante a combustão. A chama oxiacetilênica, tal como as outras chamas, é utilizada na atualidade em soldagem de chapas finas, sendo substituída gradativamente por outros processos mais produtivos e menos perigosos. É ainda, porém muito utilizada em operações de pré-aquecimento, pós-aquecimento, brasagem, solda brasagem, corte e chanfro de aços carbono e aços ligas, revestimento superficial e metalização. Faz-se restrições ao uso do gás Acetileno nas operações de corte submarino a grandes profundidades, quando o mesmo é substituído por gases sintetizados ou mistura de gases, como por exemplo entre outros o metil acetileno propadieno (MPS), bastante similar ao Acetileno, porém estabilizado. 3. SOLDAGEM ALUMINOTÉRMICA Este processo de soldagem, também conhecido como soldagem termítica, engloba um grupo de processos que utiliza o calor liberado por uma reação exotérmica para viabilizar a soldagem.

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A exotermia da redução de um óxido metálico é utilizada como fonte de energia para a soldagem, sendo que os óxidos usados são os que possuem um baixo calor de formação, enquanto os agentes redutores são aqueles que possuem alto calor de formação. As extremidades dos componentes a serem soldados são colocados dentro de um molde, especialmente construído para as peças a serem soldadas. No caso de soldagem de cabos ou conexões elétricas, utiliza-se um cadinho de grafite endurecido com CO2; no cadinho que se interliga com o molde é colocado o óxido metálico (que será reduzido a elemento puro) e pó de Alumínio que é o agente redutor, conforme figura abaixo:

Figura 31. Representação esquemática de uma soldagem aluminotérmica. Esta mistura é incendiada por meio de um fusível de magnésio ou outra faísca e a redução do óxido provoca calor suficiente para a fusão do metal. O metal fundido flui para a cavidade do molde onde se une com os metais de base. As aplicações típicas desse processo são a união de cabos elétricos, hastes de aterramento, conectores terminais, aço de construção e ainda a soldagem de trilhos (típico exemplo dos trilhos do Metrô, com necessidade de pré-aquecimento e os respectivos ensaios de Certificação de Qualidade). REAÇÃO TÍPICA 3Fe3O4 + 8 Al → 9 Fe + 4Al2O3 + Calor (temperatura atingida: 2500ºC) VANTAGENS NA UTILIZAÇÃO DA SOLDA ALUMINOTÉRMICA EM RELAÇÃO À SOLDA OXIACETILÊNICA A capacidade de condução de corrente, da seção soldada por este processo é igual àquela dos condutores que estão sendo unidos. Não existe corrosão no ponto de conexão soldado, ao contrário do processo de soldagem oxiacetilênico, que exige a presença de material decapante (fluxo) durante a soldagem, o qual irá gerar futura formação de produtos corrosivos, em função da presença de cloretos e fluoretos. O processo de soldagem oxiacetilênico utiliza gases perigosos para sua combustão, tais como o Oxigênio (ávido por graxas e óleos) e o Acetileno (gás muito instável, que corre o risco de se dissociar e 2 explodir em pressões acima de 1,5 kgf/cm ). O processo aluminotérmico não necessita de fontes externas de energia, tais como eletricidade e calor; basta a faísca do acendedor para dar início ao processo. Surtos ou sobrecargas de corrente elevada não afetam este tipo de conexão, pois ensaios com correntes de curto circuito de grande intensidade demonstraram que os cabos condutores se fundem antes do material soldado. (Explicado devido a maior massa e maior superfície externa da conexão, com que as condições de radiação de calor são favorecidas).

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FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO Um arco elétrico pode ser definido como um feixe de descargas elétricas formadas entre dois eletrodos e mantidas pela formação de um meio condutor gasoso chamado plasma. Há neste fenômeno a geração de energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através da fusão localizada das peças a serem unidas.

A expressão soldagem a arco elétrico se aplica a um grande número de processos de soldagem que utilizam o arco elétrico como fonte de calor; nestes processos a junção dos materiais sendo soldados pode requerer ou não o uso de pressão ou de material de adição. ABERTURA E FUNCIONAMENTO DO ARCO ELÉTRICO: Um arco elétrico é formado quando 2 condutores de corrente elétrica (dois eletrodos) são aproximados para fazer o contato elétrico e depois separados. Isto aumenta a resistência ao fluxo de corrente e faz com que as extremidades dos eletrodos sejam levados a altas temperaturas, bem como o pequeno espaço de ar entre eles. Os elétrons vindo do eletrodo negativo (catôdo) colidem com as moléculas e átomos do ar, desmembrando-os em íons e elétrons livres e tornando a fresta de ar um condutor de corrente devido à ionização. Isto mantém a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco; na prática para acender o arco, o soldador esfrega a extremidade do eletrodo na peça a soldar e depois o afasta ligeiramente. No instante de contato, a corrente passa no circuito e continua a circular quando o eletrodo é afastado, formando um arco, devido ter acontecido a ionização do ar, isto é, o ar ter se tornado condutor de corrente.

Figura 32. Esquematização da abertura e funcionamento do arco elétrico. CARACTERISTICAS TÉRMICAS DO ARCO ELÉTRICO O arco elétrico de soldagem tem uma eficiência alta (≈100%) na transformação de energia elétrica em energia térmica. Baseado nessa eficiência podemos afirmar que o calor gerado num arco elétrico pode ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos pela equação: Q=V.I.t onde: Q = energia térmica gerada, em joule (J); V = queda de potencial no arco, em Volt (V); I = corrente elétrica no arco, em ampère (A); t = tempo de operação, em segundos (s). São conseguidas altas temperaturas no arco, conforme mostra o perfil térmico (isotermas) de um arco de soldagem, aberto com um eletrodo não consumível de Tungstênio e uma peça de Cobre refrigerada a água e separados entre si por 5 mm, em atmosfera de gás inerte.

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Figura 32. Esquematização da quantidade de calor do arco elétrico. O arco elétrico gera calor e também radiação eletromagnética de alta intensidade, nas faixas do infravermelho, luz visível e ultravioleta, necessitando, portanto de proteção visual com filtros apropriados para seu manuseio. CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO O arco de soldagem é um condutor de corrente elétrica e sendo assim, sofre interação da corrente elétrica por ele transportada com os campos elétricos por ela gerados; isto gera alguns efeitos que podem favorecer ou prejudicar a soldagem. Quando um condutor de comprimento l, percorrido por uma corrente i é colocado numa região de influência de um campo magnético B, então ele experimenta uma força F, conhecida como “Força de Lorentz”, que é enunciada pela equação: F=B.i.l onde: F, B e i são grandezas vetoriais perpendiculares entre si, sendo que o sentido de F pode ser obtido aplicando-se a Regra do Parafuso, onde imagina-se um parafuso convencional que gira no sentido de i para B. O sentido de F será aquele de avanço do parafuso. Um efeito magnético de suma importância no arco elétrico é o chamado Jato Plasma, que é um dos responsáveis pela penetração do cordão de solda e que pode ser considerado um condutor elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a corrente por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico em seu eixo e ele se comporta como um condutor colocado em um campo magnético; dessa maneira surgem forças de Lorentz na região do arco, que têm sentido de fora para dentro, conforme vemos na figura abaixo:

Figura 33. Esquematização do jato de plasma. A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância à linha de centro do condutor. Como o diâmetro do arco é sempre menor na região próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a ser maiores nesta região do que na proximidade da peça, formando assim na região uma pressão interna maior do que junto à peça; esta diferença de pressão causa um fluxo de gás no sentido eletrodopeça que é o jato de plasma.

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O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda. As forças de Lorentz são relativamente fracas para produzirem conseqüências num condutor sólido, porém na extremidade dos eletrodos consumíveis estas forças são capazes de deformar a ponta fundida e cizalhar a parte líquida, separando-a do fio sólido. Ao mesmo tempo que isso acontece, a tensão superficial tende a manter a gotícula presa ao eletrodo, promovendo o crescimento da mesma. Em baixas correntes as forças de Lorentz são pequenas e a gota tende a aumentar bastante o seu volume antes de se destacar do eletrodo e se transferir para a peça, promovendo com isso o aparecimento da chamada transferência globular ou ainda a transferência por curto circuito. Em altas correntes as forças de Lorentz estrangulam rapidamente a parte fundida da ponta do eletrodo, criando finíssimas gotas de metal líquido que se transferem para a peça, conhecida como transferência por Jato ou Spray. O diâmetro do eletrodo influencia o campo magnético e por conseqüência a intensidade das forças de Lorentz, bem como a tensão superficial; esta ainda é influenciada pelo material do eletrodo, da atmosfera do arco e da temperatura atingida. Portanto, o modo de transferência do metal do eletrodo para a peça depende de todos esses fatores e também da tensão do arco, que está proporcionalmente ligada ao comprimento do arco e em conseqüência ao diâmetro máximo da gotícula. As forças de Lorentz promovem ainda o efeito indesejável que é chamado de sopro magnético, que é o fenômeno de desvio do arco de soldagem de sua posição normal, influenciado pela não simetria na distribuição das forças eletromagnéticas devido às variações bruscas na direção da corrente elétrica; este efeito pode ser causado também pelo arranjo assimétrico de material ferromagnético em torno do arco. Fisicamente o que se observa é o desvio do arco da região de soldagem, criando assim regiões frias junto à poça de fusão e provocando o aparecimento de defeitos tais como falta de fusão, falta de penetração e instabilidade do arco. CORRENTE CONTÍNUA E CORRENTE ALTERNADA Se entre dois pontos A e B ligados por um condutor elétrico for mantida uma corrente constante, escoa entre eles uma corrente de intensidade constante e sempre no mesmo sentido; esta corrente é chamada de corrente contínua, CC e quando representada em função do tempo gera uma reta horizontal. O tipo de corrente fornecida pelos retificadores é dita contínua, mas na verdade é ligeiramente ondulada, sendo facilmente identificada em um osciloscópio, porém em termos práticos de soldagem comporta-se como uma corrente contínua. Agora, imaginemos dois pontos A e B ligados por um condutor e que cada um deles possui uma tensão alternadamente positiva e negativa em relação ao outro; entre eles escoa uma corrente que muda de sentido na mesma freqüência que a tensão (60 Hz). Esta corrente é denominada de corrente alternada, CA.

POLARIDADE DIRETA

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POLARIDADE INVERSA Falta definir a questão da polaridade; como sabemos os pólos do arco elétrico não se comportam de maneira igual. O bombardeio a que os elétrons sujeitam o anodo (eletrodo positivo) é mais eficiente que o bombardeio dos íons no catôdo em função da energia cinética de cada elétron ser muito maior que a de cada íon, bem como pelo fato da saída dos elétrons do catôdo consumir energia, enquanto a chegada no anodo se faz com entrega de energia. Isto significa sempre que a temperatura do anodo é maior que a do catôdo. Em função do comportamento dos pólos do arco serem diferentes, convencionou-se chamar de polaridade direta aquela em que o eletrodo é o catôdo (polo negativo) e a peça é o anodo, representada por CC- ; quando o eletrodo é o anodo (polo positivo) e a peça o catôdo, a polaridade é dita inversa, CC+. 4. TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM A terminologia de soldagem é bastante extensa e muitas vezes os termos técnicos que utilizamos em uma região geográfica não são aplicáveis em outras. O próprio nome soldagem é adotado no Brasil, enquanto em Portugal o nome mais utilizado é soldadura; vamos indicar alguns termos mais importantes utilizados. O primeiro termo a ser definido é junta – junta é a região onde duas ou mais partes da peça são unidas pela operação de soldagem. Abaixo vemos alguns tipos de juntas mais comuns.

Para conseguirmos executar as soldas, na maioria das vezes precisamos preparar aberturas ou sulcos na superfície das peças que serão unidas – estas aberturas recebem o nome de chanfro. O chanfro é projetado em função da espessura da peça, do material, do processo de soldagem a ser adotado, das dimensões da peça e da facilidade de acesso à região de solda; abaixo vemos alguns dos tipos de chanfros mais comuns em matéria de soldagem.

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Abaixo vemos algumas das características dimensionais dos chanfros e das soldas de topo e filete. A solda em si também possui diferentes seções e cada uma recebe um determinado nome. A zona fundida

de uma solda é constituída pelo metal de solda, que normalmente é uma mistura do metal base (material da peça) e do metal de adição (metal adicionado na região de solda). Ao lado do cordão temos uma região que tem sua estrutura e propriedades afetadas pelo calor e que denominamos zona termicamente afetada. Eventualmente podemos utilizar um suporte na parte inferior da solda, que ajuda a conter o material fundido na operação de soldagem e que pode ou não ser removido após o término da solda, chamado de mata-junta ou de cobre-junta.

A posição da peça e do eixo da solda determinam a posição de soldagem; a seguir vemos as diversas posições normalmente utilizadas. Observar que existem limites de ângulos para cada posição e que muitas vezes não se consegue saber com exatidão a posição de soldagem exata que foi utilizada.

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5. SIMBOLOGIA DE SOLDAGEM Em soldagem utilizamos uma série de números, sinais e símbolos que representam a forma do cordão de solda, processo utilizado, dimensões, acabamento, tipos de chanfro, etc.., os quais permitem maior rapidez na confecção de projetos e evitam erros de interpretação. Conforme AWS A 2.4–86 temos:

LOCALIZAÇÃO DOS ELEMENTOS DE SOLDAGEM Símbolo básico de soldagem Símbolos suplementares Procedimento, processo ou referência Símbolo de acabamento A, E, L, N, P, R, S – Números que representam dimensões e outros dados A – ângulo do chanfro E – garganta efetiva L – comprimento da solda N – número de soldas por projeção ou por pontos P – distância centro a centro de soldas intermitentes R – abertura de raiz S – tamanho da solda

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Abaixo temos os tipos básicos de solda e seus símbolos:

Cada símbolo básico é uma representação esquemática da seção transversal da solda em referência. Quando o símbolo básico é colocado sob a linha de referência, a solda tem que ser feita do mesmo lado em que se encontra a seta; caso contrário, a solda deve ser executada do lado oposto da seta. Mais de um símbolo básico pode ser utilizado de um ou dos dois lados da linha de referência. Vários números que correspondem às dimensões ou outros dados da solda são colocados em posições específicas em relação ao símbolo básico. O tamanho da solda e/ou garganta efetiva são colocados à esquerda do símbolo. Em soldas em chanfro, se esses números não forem colocados, deve-se subtender que a penetração da solda deve ser total. A abertura da raiz ou a profundidade de solda do tipo “plug” ou “slot” é colocada diretamente dentro do símbolo básico da solda. À direita do símbolo podem ser colocados o comprimento da solda e a distância entre os centros dos cordões, no caso de soldas intermitentes.

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Os símbolos suplementares são usados em posições específicas do símbolo de soldagem quando necessários; existem ainda os símbolos de acabamento, que indicam o método de acabamento da superfície da solda. Estes símbolos são: C – rebarbamento G –esmerilhamento M – usinagem R – laminação H – martelamento Símbolos suplementares de soldagem

Exemplos de soldas de filete e simbologia

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Vários tipos de solda e seus símbolos

Exemplos de símbolos de soldas em chanfros

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Exemplos de solda de filete intermitente

6. SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO (SAW) ARCO SUBMERSO é um processo de soldagem por fusão, no qual a energia necessária é fornecida por um arco (ou arcos) elétricos desenvolvido entre a peça e um eletrodo (ou eletrodos) consumível, que é continuamente alimentado à região de soldagem. O arco está submerso em uma camada de fluxo granular que se funde parcialmente, formando uma escória líquida, que sobe à superfície da poça metálica fundida, protegendo-a da ação contaminadora da atmosfera. Em seguida essa escória solidifica-se sobre o cordão de solda, evitando um resfriamento demasiado rápido. 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. 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 recémsolidificado, pois este é ainda, devido a sua alta temperatura, muito reativa com o Nitrogênio e o Oxigênio

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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 separada 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. O esquema básico do funcionamento do processo pode ser visto na Figura - Componentes essenciais de um equipamento de arco submerso.

Figura 36. Esquematização do processo de soldagem a arco submerso. Componentes essenciais de um equipamento de arco submerso O processo pode ser semi-automático com a pistola sendo manipulada pelo operador. Esta, porém não é a maneira que o processo oferece a maior produtividade. Esta é conseguida com o cabeçote de soldagem sendo arrastado por um dispositivo de modo a automatizar o processo. 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, se gasta 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 conseguem-se propriedades mecânicas iguais ou melhores que o metal de base. 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. Na soldagem circunferencial pode-se recorrer a sustentadores de fluxo como o que é apresentado na Figura - Exemplo de recurso para sustentação de fluxo.

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Figura 37. Esquematização de recurso para sustentação de fluxo.

Figura 38. Esquematização da soldagem a arco submerso. O equipamento para este processo consta basicamente das seguintes unidades: a) fonte de energia; b) unidade de controle; c) conjunto de alimentação do arame; d) pistola de soldagem; e) alimentador de fluxo; f) aspirador de fluxo. As unidades b,c,d,e constituem o elemento conhecido como cabeçote de soldagem; a figura da página anterior mostra as unidades componentes do sistema. No processo automático, o cabeçote pode mover-se ao longo da peça a ser soldada ou ser estacionário, sendo que nesse caso é a peça que se desloca sob o arco. Quando o processo é semiautomático, o alimentador de fluxo e a pistola de soldagem constituem um conjunto separado que é conduzido pelo operador ao longo da junta.

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Cabeçote Móvel:

Esquematização da soldagem a arco submerso. Como fonte de energia podem ser usados: Um transformador →C.A. Um conjunto transformador-retificador →C.A. / C.C. Um conversor →C.C. Podem ser utilizadas fontes de tensão constante ou fontes de corrente constante, conforme a unidade de controle do cabeçote. As tensões usuais requeridas situam-se na faixa dos 20 a 55 Volts. As intensidades de corrente mais usuais chegam até 2000 Ampères; em casos excepcionais usamse intensidades de até 4000 Ampères.

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Cabeçote fixo

Faixa de corrente recomendável para arames eletrodos utilizados em Arco Submerso Diâmetro do arame eletrodo Faixa de corrente (mm) (A) 1,59 115-500 1,98 125-600 2,38 150-700 3,18 220-1000 3,97 340-1100 4,76 400-1300 5,56 500-1400 6,35 600-1600 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DA SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO VANTAGENS a) Este processo permite obter um grande rendimento térmico. b) Alcança-se uma elevada produção específica de material de adição, que em conseqüência propicia uma grande velocidade de soldagem. c) Consegue-se alcançar uma grande penetração com este tipo de processo, o que diminui a necessidade de abertura de chanfro. Possibilita ao operador dispensar o uso de protetores visuais. Permite obter maior rendimento de deposição que a maioria dos outros processos. DESVANTAGENS OU LIMITAÇÕES A soldagem pode se realizar somente nos limites da posição plana ( ou em filete horizontal desde que haja um suporte adequado para o pó). É praticamente impossível soldar juntas de difícil acesso. Há necessidade de remoção de escória a cada passe de soldagem. A superfície do chanfro deve ser regular e a ajustagem da junta bastante uniforme.

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ABERTURA DO ARCO Neste tipo de soldagem existem diversos métodos de abertura de arco: pela aplicação de alta freqüência por retração instantânea do arame por intercalação de uma pequena esfera ou palha de aço por arraste pelo uso de arame eletrodo de ponta afiada pelo uso de eletrodo de carbono por abertura em bolha de fusão ESPECIFICAÇÃO DE CONSUMÍVEIS As entidades normativas utilizam a designação de um fluxo, em conjunto com a especificação do arame eletrodo. No caso de utilizarmos a especificação AWS, teremos por exemplo a especificação AWS A 5.17-80, que delibera sobre a utilização de arames para aços carbono e seus respectivos fluxos. Um mesmo fluxo pode ser designado F6A2-EXXX ou F7A4-EXXX, de acordo com o eletrodo (E) utilizado. Abaixo temos um esquema de designação do par arame-fluxo adotado pela especificação A 5.17-80.

ARAME ELETRODO Os eletrodos são especificados com base em sua composição química, sendo divididos em três tipos: baixo (L), médio (M) e alto (H) teor de Manganês. Dentro de cada grupo, os arames podem ter diferentes teores de Carbono, além de teor de Silício baixo ou alto (K). Resumidamente, arames com maiores teores de Carbono, Manganês e Silício favorecem a deposição de cordões com maior resistência e dureza; o Silício aumenta a fluidez da poça de fusão, melhorando o formato de cordões depositados com elevadas velocidades de soldagem. As bitolas de arames eletrodos mais utilizados situam-se na faixa entre 1,6 e 6,4 mm; podemos também trabalhar com fitas contínuas no lugar do arame, principalmente para deposições superficiais. Para aumentar a velocidade de soldagem e a deposição do metal, pode-se usar dois ou mais arames eletrodos ou fitas; eles podem situar-se em paralelo ou em linha em relação `a junta e alimentados por uma ou mais fontes de energia.

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TABELA 1 – Propriedades mecânicas do metal depositado Limite de Limite de Classe Alongamento em Resistência Escoamento AWS 51 mm (%) psi (Mpa) 0,2% F6xZ 60000 a 80000 48000 22 F6x0 (415 a 550) (330) F6x2 Limite de Limite de Classe Alongamento em Resistência Escoamento AWS 51 mm (%) psi (Mpa) 0,2% F6x4 F6x5

Requisitos de Impacto (*) Temperatura Dígito ºF (ºC) Z s/ requisitos 0 0 (-18) 2 -20 (-29) Requisitos de Impacto (*) Temperatura Dígito ºF (ºC) 4 -40 (-40) 5

-50 (-46)

6

-60 (-51)

F6x8

8

-80 (-62)

F7xZ

Z

s/ requisitos

F7x0

0

0 (-18)

2

-20 (-29)

4

-40 (-40)

5

-50 (-46)

F7x6

6

-60 (-51)

F7x8

8

-80 (-62)

F6x8

F7x2 F7x4 F7x5

60000 a 80000 (415 a 550)

70000 a 95000 (480 a 650)

48000 (330)

58000 (400)

22

22

(*) temperatura em que a energia absorvida deve ser igual ou superior a 20 ft.lb (27J) Abaixo, a tabela 2 mostra os requisitos de composição química de eletrodos para a soldagem de aço carbono, conforme AWS A 5.17-80. TABELA 2 – Composição química de eletrodos Classe Composição Química (% Peso) AWS Carbono Manganês Silício Enxofre Fósforo EL8 0,10 0,25-0,60 0,07 EL8K 0,10 0,25-0,60 0,10-0,25 0,035 0,035 EL12 0,05-0,15 0,25-0,60 0,07 EM12 0,06-0,15 0,80-1,25 0,10 EM12K 0,05-0,15 0,80-1,25 0,10-0,35 Classe Composição Química (% Peso) EM13K 0,07-0,19 0,90-1,40 0,35-0,75 0,035 0,035 EM15K 0,10-0,20 0,80-1,25 0,10-0,35 EH14 0,10-0,20 1,70-2,20 0,10 OBS: NÚMEROS ISOLADOS INDICAM VALOR MÁXIMO

Cobre

0,035

0,035

As propriedades reais do metal depositado por uma determinada combinação eletrodo-fluxo dependem do procedimento de soldagem específico usado numa determinada aplicação. Assim a seleção final de uma combinação geralmente é feita com base na soldagem de corpos de prova de qualificação, segundo uma dada norma, e na avaliação final ou medida das propriedades de interesse dessa solda. FLUXOS Os fluxos têm diversas funções na soldagem a Arco Submerso, entre elas: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de solda, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação pela atmosfera, minimizar as impurezas no metal de solda, formar escória com determinadas propriedades físicas e químicas que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de solda, sua destacabilidade, a ocorrência de mordeduras, etc..

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Os fluxos usados no processo a arco submerso são granulares e constituídos de substâncias fusíveis à base de minerais contendo óxidos de manganês, silício, titânio, alumínio, cálcio, zircônio, magnésio e outros componentes. Podem ser quimicamente neutros, ácidos ou básicos, dependendo da mistura de óxidos, não devem produzir grandes quantidades de gases durante a soldagem e devem ter características elétricas estáveis. Em termos de fabricação, os fluxos podem ser dos grupos fundidos ou não fundidos; os primeiros são produzidos pela fusão da mistura de seus componentes em fornos, sendo posteriormente resfriados, britados, moídos, peneirados e embalados. Os fluxos não fundidos podem ser subdivididos em misturados, aglomerados e sinterizados. O tipo de fluxo mais utilizado no Brasil é o aglomerado, no qual uma mistura de pós é aglomerada por um ligante, endurecido posteriormente ao forno, moído, peneirado e embalado; devido sua higroscopicidade há necessidade de controle de umidade no armazenamento. DEPOSIÇÃO/PENETRAÇÃO CCPI – Produz alta taxa de deposição, ótimo controle de formato de cordão e baixa penetração. CCPD – Produz boa taxa de deposição, bom controle do formato de cordão e alta penetração. CA – Penetração intermediária entre CCPD/CCPI; não aparece o fenômeno do sopro magnético. DIFERENTES ARRANJOS PARA EXECUÇÃO DE CORDÕES DE SOLDA A ARCO SUBMERSO

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7. PROCESSO DE SOLDAGEM TIG (Tungsten Inert Gas) – GTAW É um processo de soldagem por fusão, a arco elétrico que utiliza o calor gerado pelo arco formado entre o eletrodo de Tungstênio não consumível e a peça que se deseja soldar. A proteção da poça de fusão é conseguida com a adição de um gás inerte ou mistura de gases inertes sobre ela, sendo que o gás também tem a função de transmitir a corrente elétrica quando ionizado durante o processo e ainda auxiliar a resfriar o eletrodo; a soldagem pode ser realizada com ou sem metal de adição. A abertura do arco pode ser facilitada pela sobreposição de uma corrente de alta freqüência, para evitar que se tenha de riscar a peça com o eletrodo de Tungstênio. O arco inicial, obtido pela corrente de alta freqüência, ioniza o gás possibilitando a abertura do arco principal. Esquematização do processo TIG com sobreposição de alta freqüência

O eletrodo não consumível utilizado para soldagem é constituído de Tungstênio puro ou ligado a diversos elementos químicos, pois a presença desses elementos de liga aumenta a capacidade de emissão de elétrons, além de permitir uma maior vida útil ao eletrodo. TABELA 3 – Classificação AWS A 5.12-92. Valores máximos de cada elemento químico: Classe W Ce02 La2O3 ThO2 ZrO2 Outros Cor da AWS % % % % % % max. ponta EWP 99,5 0,5 Verde EWCe-2 97,5 1,8-2,2 0,5 Laranja EWLa-1 98,3 0,9-1,2 0,5 Preta EWTh-1 98,5 0,8-1,2 0,5 Amarela EWTh-2 97,5 1,7-2,2 0,5 Vermelha EWZr-1 99,1 0,15-0,4 0,5 Marrom EWG 94,5 0,5 Cinza O eletrodo serve apenas como ponto focal para o direcionamento do arco, sendo que para não haver fusão do mesmo na temperatura do arco, utiliza-se o Tungstênio, que possui ponto de fusão 3370ºC; sua ponta deve ser convenientemente preparada para minimizar o diâmetro do arco conforme esquema abaixo. Preparação da ponta do eletrodo de Tungstênio

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Nos processos de soldagem da maioria dos materiais procura-se ligar o eletrodo em CC polaridade direta pois o calor gerado em sua extremidade é menor, comparadamente à polaridade inversa. Na soldagem do Alumínio no entanto, muitas vezes utiliza-se a polaridade inversa, mesmo com o risco de fusão do eletrodo, pois para quebrar a camada de óxido de alumínio, de alto ponto de fusão, é necessário que o fluxo de elétrons saia do Alumínio para o eletrodo ( fenômeno que recebe o nome de dispersão); melhor que utilizar CC em Alumínio é optar pelo uso de corrente alternada, que quebra a camada de óxido e não aquece em demasia a ponta do eletrodo Para soldagem com corrente acima de 130 A deve-se utilizar tochas refrigeradas a água; para correntes menores há tochas de diferentes tamanhos, que devem ser escolhidas em função da aplicação. É um processo lento, usualmente manual, podendo ser automatizado (taxas de 0,2 a 2 kg/h) e as soldas produzidas são de excelente qualidade; não produz escória, gera poucos respingos, pouca fumaça, pequena Z.T.A. com poucas deformações e pode ser utilizado em todas as posições. Os cordões de solda são de ótimo acabamento, uniformes, geralmente não requerendo nenhum procedimento de acabamento ou limpeza posterior. A soldagem TIG é bastante adequada para espessuras finas, pois possibilita o perfeito controle da fonte de calor, sendo que muitas vezes ela é utilizada sem metal de adição, somente caldeando-se as bordas do metal a ser soldado. É muito comum, também utilizar o TIG para o passe de raiz na soldagem de peças espessas e de grande responsabilidade. É um processo que requer muita habilidade do soldador, uma limpeza perfeita dos metais a serem soldados, além de emitir grande quantidade de radiação ultravioleta. Estas radiações queimam rapidamente as partes da pele expostas, bem como as vistas e ainda tem capacidade de decompor solventes armazenados nas imediações, liberando gases bastante tóxicos; as radiações facilitam a geração de O3 nas proximidades. Pode-se soldar aços carbono, inoxidáveis, alumínio, magnésio, titânio, cobre, zircônio e outros metais de difícil soldagem, nas espessuras de 0,5 a 50 mm. Efeito do tipo de corrente e polaridade na soldagem TIG

Os gases de proteção mais utilizados são o Argônio e o Hélio, ou uma mistura de ambos; os gases são direcionados por bocais cerâmicos, metálicos ou por bocais tipo gás-lens, visto na figura abaixo. O Argônio é o gás mais utilizado, principalmente devido ao menor custo e maior disponibilidade, mas possui outras vantagens: Arco mais suave e estável, sem turbulências; menor voltagem do arco, para um dado comprimento do arco; menor vazão de gás para uma boa proteção; facilita a abertura do arco (mais ionizável); resiste mais às correntes de ar. O Hélio é utilizado para soldagem de materiais mais espessos, pois produz mais calor; por ter a densidade menor que a do ar, é utilizado para soldagens sobre cabeça; promove maior penetração do cordão; possui custo mais elevado que o Argônio. Em alguns casos de soldagem são utilizadas misturas especiais, contendo H2 (aços inoxidáveis) ou N2 (soldagem de cobre e suas ligas).

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Figura 39. Esquematização de um modelo de bocal cerâmico. Como se pode utilizar todas as formas de corrente para soldagem TIG, normalmente se utiliza um transformador/retificador que pode fornecer tanto CC como CA. Trata-se de máquinas especialmente desenvolvidas para soldagem TIG e que incorporam as unidades de controle de fluxo de gás protetor e de geração de corrente de alta freqüência. No mercado estão surgindo equipamentos para soldagem automática de tubos, recebendo o processo a denominação de TIG ORBITAL (pelo fato de realizar o cordão de solda automaticamente em 360º). Recentemente desenvolveram-se equipamentos ainda mais específicos que incorporam uma unidade de programação e que fornece CC pulsada com freqüência na faixa de 1 a 10 Hz; tal equipamento é normalmente utilizado em aplicações automatizadas. Ciclo da corrente de solda TIG pulsada

As varetas ou arames de metal de adição para TIG tem basicamente a mesma composição química dos materiais base; nenhuma reação química é esperada que ocorra na poça de fusão. Nas aplicações automáticas pode se utilizar o processo adicional HOT-WIRE, com pré-aquecimento do arame eletrodo. As varetas são utilizadas para os processos manuais, enquanto para os processos de alimentação automática se utilizam rolos de arame, similares ao do MIG, porém sem a proteção superficial de cobre. As principais especificações de arames para soldagem TIG são: Material Nº da especificação Cobre A 5.7 Aços inoxidáveis A 5.9 Alumínio A 5.10 Revestimento A 5.13 Níquel A 5.14 Titânio A 5.16 Aço carbono e baixa liga A 5.18 Magnésio A 5.19 Zircônio A 5.24

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Processo automatizado HOT-WIRE Equipamentos de Soldagem

Porta-eletrodo com passagem de gás e bico para direcionar o gás ao redor do arco, com mecanismo de garra para energizar e conter o eletrodo de Tungstênio. Suprimento de gás protetor. Indicador de vazão e regulador-redutor de pressão de gás. Fonte de energia. Suprimento de água de refrigeração se a pistola é refrigerada a água. Equipamento básico para soldagem TIG

Parâmetros operacionais Corrente de soldagem: Bitola de eletrodo de W: Espessuras de soldagem: Taxa de deposição: Taxa de diluição: Tipos de juntas: Posições de soldagem:

10 a 600 A 1 a 7 mm a partir de 0,5 mm até 2 kg/h 2 a 20% com metal de adição 100% sem metal de adição todas todas

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8. PROCESSO DE SOLDAGEM MIG/MAG (METAL INERT GAS/METAL ACTIVE GAS) Introdução: A soldagem a arco com eletrodos fusíveis sobre proteção gasosa, é conhecida pelas denominações de: MIG, quando a proteção gasosa utilizada for constituída de um gás inerte, ou seja um gás normalmente monoatômico como Argônio ou Hélio, e que não tem nenhuma atividade física com a poça de fusão MAG, quando a proteção gasosa é feita com um gás dito ativo, ou seja, um gás que interage com a poça de fusão, normalmente CO2 - dióxido de Carbono. GMAW, (abreviatura do inglês Gás Metal Arc Welding) que é a designação que engloba os dois processos acima citados

Figura 39. Princípios básicos do processo MIG / MAG Os dois processos diferem entre si unicamente pelo gás que utilizam, uma vez que os componentes utilizados são exatamente os mesmos. A simples mudança do gás por sua vez, será responsável por uma série de alterações no comportamento das soldagens. Estes gases, segundo sua natureza e composição, tem uma influência preponderante nas características do arco, no tipo de transferência de metal do eletrodo à peça, na velocidade de soldagem, nas perdas por projeções, na penetração e na forma externa da solda. Além disto, o gás também tem influência nas perdas de elementos químicos, na temperatura da poça de fusão, na sensibilidade a fissuração e porosidade, bem como na facilidade da execução da soldagem em diversas posições. Os gases nobres (processo MIG) são preferidos por razões metalúrgicas, enquanto o CO2 puro, é preferido por razões econômicas. Como seria lógico de concluir, muitas das vezes impossibilitado tecnicamente por um lado e economicamente por outro, acabamos por utilizar mistura dos dois tipos de gás, como por exemplo, Argônio (inerte) com Oxigênio (ativo), Argônio com CO2 e outros tipos. Existe certa indefinição de quais seriam os limites percentuais dos gases, a partir dos quais um mistura deixaria de ser inerte e passaria a ser ativa e vice-versa, porém é uma discussão meramente teórica. Assumimos na prática o comportamento em soldagem e o modo como ocorre a transferência metálica como determinantes da percentagem correta onde ocorre a transição. Assim, misturas cujo maior componente seja um gás inerte (exemplo: Argônio 98 % - Oxigênio 2 % utilizado para a soldagem de aços inoxidáveis), conservam as características gerais de gás inerte e são consideradas como gás inerte. Misturas cujo maior componente seja um gás ativo (CO2 75 % - Argônio 25 % usado para a soldagem de aços ao Carbono em posição diferente da posição plana), conservam as características gerais de gás ativo e são consideradas como gás ativo. O processo MAG é utilizado somente na soldagem de materiais ferrosos, enquanto o processo MIG pode ser usado tanto na soldagem de materiais ferrosos quanto não ferrosos como Alumínio, Cobre, Magnésio, Níquel e suas ligas. Uma das características básicas deste processo, em relação aos outros processos de soldagem manuais, é sua alta produtividade, que é motivada, além da continuidade do arame, pelas altas densidades de corrente que o processo pode ser utilizado.

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A tabela abaixo apresenta uma comparação entre os valores de densidade de corrente dos processos MIG MAG e eletrodo revestido. Na tabela abaixo, os valores comparativos de densidade de corrente: Processo Densidade de Corrente E. revestido

5 a 20 A/mm2

MIG/MAG

100 a 250 A/mm2

De um modo geral, pode-se dizer que as principais vantagens da soldagem MIG MAG são: Alta taxa de deposição e alto fator de trabalho do soldador; Grande versatilidade, quanto ao tipo de material e espessuras aplicáveis; Não existência de fluxos de soldagem e, conseqüentemente, ausência de operações de remoção de escória; Exigência de menor habilidade do soldador, quando comparada à soldagem com eletrodos revestidos. A principal limitação da soldagem MIG/MAG é a sua maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco de soldagem, que influenciam diretamente na qualidade do cordão de solda depositado. Além da necessidade de um ajuste rigoroso de parâmetros para se obter um determinado conjunto de características para solda, a determinação desses parâmetros para se obter uma solda adequada é dificultada pela forte interdependência destes, e por sua influência no resultado final da solda produzida. O maior custo do equipamento, a maior necessidade de manutenção deste, em comparação com o equipamento para soldagem com eletrodos revestidos e menor variedade de consumíveis são outras limitações deste processo. A soldagem MIG/MAG e a soldagem com arame tubular, tem sido as que apresentaram um maior crescimento em termos de utilização, nos últimos anos em escala mundial. Este crescimento ocorre principalmente devido à tendência à substituição, sempre que possível da soldagem manual por processos semi-automáticos, mecanizados e automáticos, para a obtenção de maior produtividade em soldagem. Estes processos tem se mostrado os mais adequados dentre os processos de soldagem à arco, à soldagem automática e com a utilização de robôs. Resumo Histórico: MIG é um processo por fusão a arco elétrico que utiliza um arame eletrodo consumível continuamente alimentado à poça de fusão e um gás inerte para proteção da região de soldagem. MAG é um processo de soldagem semelhante ao MIG porém utilizando um gás ativo (CO2) para proteção da região de soldagem. Em ambos os processos geralmente o metal de adição possui a mesma composição química do metal base. O processo MIG baseou-se no processo TIG, iniciando com a soldagem do Alumínio e posteriormente estendeu-se à soldagem dos aços inoxidáveis, ao se notar que uma pequena adição de O2 ao gás inerte facilitava a abertura do arco. Posteriormente ao processo MIG, desenvolveu-se o MAG para baratear custos e concorrer com os eletrodos revestidos na maioria das aplicações, utilizando-se CO2 e mistura de gases como gás de proteção; o primeiro desenvolvimento para o MAG ficou conhecido como subprocesso MACRO-ARAME. Pelo fato das dificuldades deste subprocesso trabalhar com pequenas espessuras e soldar em todas as posições, desenvolveu-se a seguir o subprocesso MICRO-ARAME (para diâmetros até 1,2 mm); na seqüência do desenvolvimento e visando a minimização dos respingos e melhoria do formato do cordão, desenvolveu-se o subprocesso ARAME-TUBULAR (até diâmetro de 4 mm). Todas estas melhorias permitiram um aumento na velocidade de soldagem do processo MIG/MAG em relação a outros processos, e isso vem refletindo-se na evolução da utilização mesmo, comparativamente aos processos mais antigos, conforme Figura 40. PRINCÍPIOS DO PROCESSO MIG/MAG O calor gerado para fundir o metal de enchimento é suficiente para fundir também as superfícies do metal base. A transferência do material do arco é bastante melhorada comparando-se ao processo TIG devido ao aumento da eficiência do ganho de calor causado pela presença no arco das partículas de material superaquecido. As partículas funcionam como elementos importantes no processo de transferência de calor, sendo que a transferência de material se processa a uma taxa de várias centenas de gotículas por segundo.

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Figura 40. Comparação da utilização dos vários métodos de soldagem na Europa: Arco Submerso (SAW), Eletrodo Revestido (MMA) e MIG/MAG ( incluindo arames sólidos e tubulares).

Figura 41. Principio do processo MIG/MAG: 1. Arco elétrico 2. Eletrodo 3. Carretel ou tambor 4. Roletes de tração 5.Conduíte flexível 6. Conjunto de mangueiras 7. Pistola de soldagem 8. Fonte de potência 9. Bico de Contato 10. Gás de proteção 11. Bocal do Gás de proteção 12. Poça de fusão. Existem basicamente quatro tipos de transferência de material na soldagem MIG/MAG: GLOBULAR (MAG = Macro Arame/ Arame Tubular) - Gotas de grandes dimensões a baixas velocidades - Utiliza altas correntes e arcos longos ( 75 a 900 A)

Figura 42. Transferência Globular

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JATO OU SPRAY (MIG) - Gotas finas e altas velocidades - Utiliza altas correntes e altas voltagens (50 a 600 A)

43. Representação esquemática da transferência Jato ou Spray CURTO CIRCUITO (Micro Arame) - Transferências sucessivas por curto circuito - Utiliza baixa corrente e arcos curtos (25 a 200 A)

44. Representação do processo de transferência por Curto-Circuito. Uma gota de metal fundido é formada no fim do eletrodo. Quando ela se torna suficientemente grande para entrar em contato com a poça de fusão, o arco sofre um curto circuito. Isto eleva a corrente de soldagem e a corrente é liberada, permitindo que o arco seja ignitado novamente. O aumento da corrente causado pelo curto circuito gera respingos. 1.Ciclo do curto circuito. 2.Período do arco. 3.Período do curto circuito. ARCO PULSANTE (Em Operações Automatizadas) - Arco mantido por uma corrente baixa principal com sobreposição de pulsos de alta corrente e transferência por spray durante os pulsos.

Figura 45. Princípio do arco pulsado. 1.Pico da corrente de pulso. 2.Corrente de transição. 3.Corrente média de soldagem. 4.Corrente de base.

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A soldagem MIG pode ser usada em ampla faixa de espessuras, em materiais ferrosos e não ferrosos como Alumínios, Cobre, Magnésio, Níquel e suas ligas. O processo MAG é utilizado apenas na soldagem de materiais ferrosos, tendo como gás de proteção o CO2 ou misturas ricas nesse gás. CONSUMÍVEIS DO PROCESSO GASES Argônio MAG Hélio Argônio + 1% de O2 Argônio + 3% de O2 Argônio + 5 a 10% de O2

MIG

CO2 CO2 + 5 a 10% de O2 Argônio + 15 a 30% de CO2 Argônio + 5 a 15% de O2 Argônio + 25 a 30% de N2

METAIS DE ADIÇÃO Para MIG/MAG, os eletrodos consumíveis consistem de um arame contínuo em diâmetros que variam de 0,6 a 2,4 mm (arame tubular até 4 mm), usualmente em rolos de 12 a 15 kg, existindo no mercado rolos de até 200 kg. Os arames são normalmente revestidos com uma fina camada de Cobre para melhor contato elétrico com o tubo de contato da pistola e para prevenir a ocorrência de corrosão na estocagem. Há arames de adição sólidos ou tubulares sendo que estes últimos são recheados de fluxos que possuem as mesmas características e funções dos revestimentos dos eletrodos revestidos. Esses arames tubulares podem ser utilizados com proteção gasosa ou conforme um procedimento desenvolvido ultimamente, sem o uso de gases (processo chamado NON-GAS). Neste caso o fluxo contido dentro do arame gera o gás de proteção da poça de fusão, a formação de escória, a desoxidação da poça e a estabilização do arco.

Figura 46. Rolo de arame tubular (observar detalhe) GENERALIDADES: Ao contrário da soldagem TIG, a maior parte dos casos de soldagem MIG/MAG utiliza a CCPI, ficando a utilização da CCPD apenas para os casos de deposição superficial do material de adição e aplicações onde a penetração não é importante. RESULTADOS Corrente

Tamanho de Gota

Penetração

Velocidade de Transferência

Quantidade de Respingos

Dispersão dos Óxidos

CCPI

Pequena

Alta

Alta

Pouca

Ocorre

CCPD

Grande

Baixa

Baixa

Grande

Não ocorre

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EQUIPAMENTOS Os principais componentes do sistema são: A máquina de soldar (Fonte de energia) A unidade de alimentação de arame com seus controles (Cabeçote) A pistola de soldagem com seus cabos O gás protetor e seu sistema de alimentação O arame eletrodo

Figura 46. Exemplo de uma fonte de potência para solda (Máquina de soldar)

Figura 47. Exemplo de uma unidade de alimentação de arame

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9. SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODO REVESTIDO É um processo de soldagem por fusão a arco elétrico que utiliza um eletrodo consumível, no qual o calor necessário para a soldagem provem da energia liberada pelo arco formado entre a peça a ser soldada e o referido eletrodo. A proteção da poça de fusão é obtida por meio dos gases gerados pela decomposição do revestimento do eletrodo, sendo que o material de adição que é manuseado sem pressão provem do metal que compõe o eletrodo.

Figura 48. Processo de Soldagem com Eletrodo revestido O metal de base no percurso do arco é fundido, formando uma poça de metal fundido. O eletrodo é também fundido e assim transferido à poça de fusão na forma de glóbulos de metal fundido a cada 0,001 a 0,01 segundos a elevada temperatura. Nessas condições a expansão dos gases contidos no arame eletrodo, tanto em solução como armazenados em microporosidades, bem como os gases produzidos pela elevada temperatura dos componentes do revestimento, provocam a explosão desses glóbulos, projetandoos contra o banho de fusão. O sopro das forças do arco, bem como o impacto dos glóbulos de metal fundido, forma uma pequena depressão no metal de base que é chamada de cratera. A distância medida no centro do arco, da extremidade do eletrodo até o fundo da cratera é chamada comprimento do arco. O comprimento do arco deve ser o menor possível (variando na faixa entre 3 e 4 mm ou ainda de 0,5 a 1,1 o diâmetro da alma do eletrodo) a fim de reduzir a chance dos glóbulos do metal em fusão entrarem em contato com o ar ambiente, absorvendo Oxigênio e Nitrogênio, os quais tem efeito bastante adverso nas propriedades mecânicas do metal depositado. A coluna do arco estende-se desde o fundo da cratera até o glóbulo em fusão da ponta do eletrodo. De acordo com alguns pesquisadores, a temperatura do gás no centro do arco ao longo de seu eixo é de 6000ºC, a temperatura do catôdo é de 3200ºC e a temperatura no anodo é de 3400ºC. A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo que é sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, operacionalidade e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, bem como a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes. Quando comparada com outros processos, particularmente com a soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa ou com a soldagem a arco submerso, a soldagem com eletrodos revestidos apresenta como principal limitação uma baixa produtividade, tanto em termos de taxa de deposição (entre 1,5 e 5 kg/h para eletrodos de aço carbono), como em termos de ocupação do soldador, geralmente inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento específico, que é demorado e oneroso, particularmente para certas aplicações de maior responsabilidade, necessidade de cuidados especiais para os eletrodos, principalmente com os do tipo básico (baixo Hidrogênio), e o grande volume de gases e fumos gerados no processo, que são prejudiciais à saúde, particularmente em ambientes fechados.

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PRINCÍPIOS DO PROCESSO ABERTURA, MANUTENÇÃO E EXTINÇÃO DO ARCO ELÉTRICO. O arco elétrico é aberto tocando-se o eletrodo na peça a ser soldada. Apesar de não se exigir uma técnica especial, é necessário um treinamento prévio para não se causar danos na peça a ser soldada, principalmente se o eletrodo for do tipo de baixo Hidrogênio (eletrodo de revestimento básico). A manutenção do arco, por sua vez é uma mera questão de controlar a velocidade de deposição e o comprimento do arco elétrico, uma vez todas as outras variáveis estabelecidas. Na extinção do arco finalmente, um cuidado especial deve ser tomado para evitar a formação da cratera no final do cordão. A cratera deve ser preenchida convenientemente, mantendo-se o eletrodo estacionário sobre o fim do cordão, até que ela seja eliminada. FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO A corrente que alimenta o arco elétrico provem de uma fonte geradora, podendo ser corrente contínua ou corrente alternada. Os aparelhos que servem de fonte dividem-se em três categorias: Máquinas de corrente contínua: grupos rotativos, grupos eletrógenos, retificadores. Máquinas de corrente alternada: transformadores e conversores de freqüência. Máquinas mistas: transformadores/retificadores. VANTAGENS DA CORRENTE ALTERNADA A corrente alternada não é sensível ao fenômeno do sopro magnético (fenômeno do desvio do arco devido a campos magnéticos que atravessam a peça). Maior velocidade de solda (devido possivelmente à inversão do sentido da corrente a todo instante). As máquinas de soldagem em corrente alternada são de menor tamanho, custo e peso que as de corrente contínua, além de exigirem menor manutenção. Menor consumo de energia (η= 0.8 no transformador; 0.5 no gerador e 0.6 no retificador). Maior refinamento no metal depositado, devido agitação do banho de fusão. VANTAGENS DA CORRENTE CONTÍNUA Permite utilização de eletrodo com elementos pouco ionizantes no revestimento. Melhor uso de eletrodos para ferro fundidos e aços inoxidáveis. Mais recomendada para a soldagem de chapas finas e soldagem fora da posição. A mudança de polaridade permite modificar certas características do depósito, como por exemplo a penetração. A corrente contínua é independente de circuitos elétricos, pois pode ser gerada pelos grupos eletrógenos. FUNÇÕES DO REVESTIMENTO DO ELETRODO Os eletrodos revestidos são constituídos por uma alma metálica cercada por um revestimento composto de matérias orgânicas e ou minerais de dosagem bem definida. Os vários materiais que compõe o revestimento entram na forma de pó, com exceção do aglomerante que é geralmente silicato de sódio ou potássio. O revestimento é composto por elementos de liga e desoxidantes tais como ferro cromo, ferro manganês, etc.., estabilizadores de arco formadores de escória e materiais fundentes (asbesto, feldspato, ilmenita, óxido de ferro, mica, talco, rutilo, etc..) e materiais que formam uma atmosfera protetora (dolomita, carbonato de ferro, celulose, etc..). A princípio, as funções básicas do revestimento são: Proteger o arco contra o Oxigênio e Nitrogênio do ar, através dos gases gerados pela decomposição do revestimento em alta temperatura. Reduzir a velocidade de solidificação, proteger contra a ação da atmosfera e permitir a desgazeificação do metal de solda através da escória. Facilitar a abertura e estabilizar o arco. Introduzir elementos de liga no material depositado e desoxidar o metal de solda. Facilitar a soldagem nas diversas posições de trabalho. Servir de guia às gotas em fusão em direção ao banho. Constituir-se em isolante elétrico na soldagem em chanfros estreitos ou de difícil acesso.

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TIPOS DE REVESTIMENTO Em função de sua formulação e do caráter da escória, os revestimentos dos eletrodos podem ser classificados em diferentes tipos. Essa classificação varia bastante, de acordo com os diferentes autores e da norma utilizada; utilizaremos a classificação dos tipos de revestimento abaixo: - Revestimento oxidante: são os eletrodos que contém no revestimento uma grande quantidade de óxido de ferro, com ou sem óxido de manganês, dando uma escória oxidante, abundante e que se remove com facilidade, e um metal depositado com baixa penetração e baixas propriedades mecânicas; hoje em dia este tipo de eletrodo já está superados pelos eletrodos rutílicos. - Revestimento básico: estes eletrodos tem um revestimento com altas quantidades de carbonato de cálcio, que lhe confere uma escória de caráter básico, pouco abundante e de rápida solidificação. A penetração é média, porém o metal depositado é de elevada pureza, com baixo teor de Enxofre e com valores baixos de Hidrogênio ( causadores de trincas de solidificação e de trincas a frio respectivamente), apresentando ainda elevada resistência mecânica e resistência à fadiga. O grande perigo para este tipo de eletrodo é sua alta higroscopicidade, que poderá ocasionar porosidade e trincamento no cordão no caso de umidade, exigindo portanto grande cuidado na armazenagem. - Revestimento ácido: o revestimento é a base de óxido de ferro e óxido de manganês ou de titânio ou de silício. A escória é de caráter ácido, abundante, leve e que se destaca com facilidade; a penetração é razoavelmente boa, a taxa de fusão é elevada, o que limita portanto a posição de soldagem à condição de plana e horizontal. É necessário que o metal de base tenha baixo teor de Carbono e impurezas a fim de evitar trincamento de solidificação. - Revestimento rutílico: são eletrodos com grande quantidade de rutilo (TiO2) no revestimento, gerando uma escória abundante, leve e de fácil remoção. A taxa de deposição é elevada, o eletrodo é soldável em todas as posições e a penetração é media; as propriedades mecânicas do metal depositado são boas, porém são exigidos os mesmos cuidados que os eletrodos de revestimento ácido no que diz respeito ao metal base. - Revestimento celulósico: estes eletrodos possuem revestimento com alto teor de materiais orgânicos combustíveis, os quais geram um invólucro de gases protetores quando se decompõem no arco. A escória é pouco abundante, de média dificuldade de remoção, porém o arco é de alta penetração, que é sua característica mais importante. O cordão de solda possui um aspecto bastante medíocre e a perda por respingo é elevada, porém as propriedades mecânicas são bastante boas, com o eletrodo apresentando soldabilidade em todas as posições. Obs.: É muito comum a utilização de pó de ferro incorporados aos diversos tipos de revestimento, objetivando um aumento no rendimento de metal depositado em relação ao tempo de soldagem. Isto permite um aumento na taxa de deposição do eletrodo, ao mesmo tempo que permite um aumento na corrente de soldagem, pois a adição de pó de ferro torna o revestimento mais resistente à ação do calor; ao mesmo tempo isto dificulta a soldagem fora da posição plana, devido ao maior volume de líquido desenvolvido na poça de fusão. CLASSIFICAÇÃO DOS ELETRODOS REVESTIDOS CONFORME AWS Os eletrodos são classificados com base nas propriedades mecânicas e na composição química do metal depositado, no tipo de revestimento, posição de soldagem e tipo de corrente. A classificação da AWS (American Welding Society) utiliza uma série de números e letras que fornecem várias informações a respeito do eletrodo, conforme procedimento abaixo. Para os eletrodos de aço carbono e aços de baixa liga, a classificação utiliza 4 ou 5 algarismos precedidos da letra E, onde E significa eletrodo. Os primeiros dois (ou três) algarismos se referem à tração mínima exigida e é dado em mil libras por polegada quadrada (ksi). O terceiro (ou quarto) algarismo se refere à posição de soldagem, e o próximo algarismo, que é o último para os eletrodos de aço carbono indica o tipo de revestimento, corrente e polaridade. Para os aços de baixa liga, a classificação AWS coloca após o último algarismo um hífen, seguido de um conjunto de letras e números, indicando classes de composição química, relativas aos diversos tipos de ligas.

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Figura 49. Classificação de eletrodos segundo a AWS. ÚLTIMO ALGARISMO Eletrodo EXXX10 EXXX20 EXXXX1 EXXXX2 EXXXX3 EXXXX4 EXXXX5 EXXXX6 EXXXX7 EXXXX8

Tipo de Revestimento Celulósico (Sódio) Ácido Celulósico (Potássio) Rutílico (Sódio) Rutílico (Potássio) Rutílico (Pó de Ferro) Básico (Sódio) Básico (Potássio) Ácido (Pó de Ferro) Básico (Pó de Ferro)

Corrente CC+ CCCC+,CA CC-,CA CC+,CC-,CA CC+,CC-,CA CC+ CC+,CA CC-,CA CC+,CA

POSIÇÕES DE SOLDAGEM (penúltimo algarismo): Todas Plana e horizontal Plana CÓDIGOS DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA (válido para aços ligas): Significado Códigos A1 Eletrodo de aço carbono-molibidênio (0.40-0.65% Mo) B1 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (0.40-0.65% Cr e Mo) B2 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (1.00-1.50% Cr e 0.4-0.65 Mo) B2L Idem ao acima, com baixo teor de Carbono (0.005%) B3 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (2.5% Cr e 1% Mo) B4L Eletrodo de aço cromo-molibidênio (2.25% Cr e 0.65 Mo, baixo Carbono) B5 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (0.6% Cr e 1.25% Mo, traços V) C1 Eletrodo de aço Níquel (2.00-2.75% Ni) C2 Eletrodo de aço Níquel (3.00-3.75% Ni) C3 Eletrodo de aço Níquel (1.10% Ni, Cr<0.15%, Mo<0.35%, V<0.05%) D1 Eletrodo de aço manganês-molibidênio (1.75% Mn e 0.45% Mo) D2 Eletrodo de aço manganês-molibidênio (2.00% Mn e 0.45% Mo) G Outros tipos de eletrodos de aço baixa liga M Especificações militares americanas ESPECIFICAÇÕES MAIS IMPORTANTES AWS A 5.1- Eletrodos revestidos para soldagem de aço carbono AWS A 5.5- Eletrodos revestidos para soldagem de aço carbono e baixa liga AWS A 5.4- Eletrodos revestidos para soldagem de aço inoxidável AWS A 5.6- Eletrodos revestidos para soldagem de cobre e suas ligas AWS A 5.11- Eletrodos revestidos para soldagem de Níquel e suas ligas AWS A 5.13- Eletrodos e varetas para revestimento por soldagem

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10. PROCESSO DE SOLDAGEM COM 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 (i.e. alumínio, titânio e ligas de magnésio), tendo dado origem ao processo TIG (Tungsten Inert Gas). 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 49. 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 autoprotegido foi introduzido por pesquisadores e engenheiros da Lincoln Eletric [Miskoe 1983]. 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 grandes 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 eletroescória. O processo de soldagem por Arame Tubular tem duas variantes, podendo ser protegido por gás inerte, por gás ativo ou mistura destes ("dualshield") ou autoprotegido, sem a utilização de gases de proteção ("innershield"). Atualmente a utilização de Arames Tubular autoprotegido tem tido grande interesse em conseqüência da sua versatilidade e possibilidade de aplicação em ambientes sujeitos a intempéries como, na fabricação de plataformas de prospeção 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.

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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;

Figura 50. Esquema do processo de soldagem com arame tubular com proteção gasosa (FCAW-G) - Arame Tubular autoprotegidos.

Figura 51. Esquema do processo de soldagem com arame tubular autoprotegido (FCAW-S) A taxa de deposição do eletrodo tubular é elevada, comparando com o eletrodo revestido, e representa a quantidade de metal fundido por unidade de tempo; depende de fatores como diâmetro do eletrodo, intensidade da corrente, tensão do arco, “stick-out” (comprimento livre do eletrodo,ou seja, é a distância entre a ponta do eletrodo e o bico de contato) e tipo de material a ser depositado. Assim, quanto maiores forem esses parâmetros, maior será a taxa de deposição.

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11. PROCESSO DE SOLDAGEM POR ELETROESCÓRIA Histórico: Os precursores do processo começaram ainda no século passado com a soldagem na posição vertical em um único passe através do confinamento do metal líquido com sapatas de grafite, cerâmica ou cobre, executava-se a soldagem por arco elétrico ou por processo térmico. Os russos na década de 50 desenvolveram o princípio do processo, que consiste em uma escória líquida condutora de energia elétrica para a soldagem na posição vertical ascendente. Princípio do Processo: O processo de soldagem eletroescória é um processo por fusão através de uma escória líquida a qual funde o metal de adição e as superfícies a serem soldadas. O processo de soldagem Eletroescória é usado onde se necessita grandes quantidades de material de solda depositado, como por exemplo para soldar seções transversais muitos espessas. O processo passa a ser viável economicamente em juntas de topo a partir de 19 mm de espessura e, para espessuras máximas praticamente não há limitações. Todos os cordões são executados na posição vertical ascendente ou aproximadamente a esta. A poça de soldagem é circundada, pelos lados das bordas por suportes de cobre, resfriadas na parte interna com uma vazão constante de água, a qual chama-se de sapata de refrigeração.

Figura 52. Principio da Soldagem por Eletroescória Antes de iniciar o processo coloca-se no chanfro, fluxo para soldar. Depois inicia-se o processo de soldagem com um arco elétrico, entre o eletrodo (em fusão) e o lado inferior do chanfro. Este arco voltaico funde o fluxo. A condutibilidade elétrica da escória líquida, que resulta do processo, aumenta diretamente com a temperatura. Tão logo a condutibilidade do banho de escória tenha aumentado, a tal ponto que a escória conduza melhor do que a corrente elétrica do arco, este se apaga. Então a corrente elétrica corre do eletrodo, através da escória líquida e através da zona metálica fundida, até o metal base. O aquecimento, devido às propriedades especiais de condutibilidade da escória, funde o metal adicionado e as faces do chanfro, devido a passagem da corrente elétrica pelo banho da escória aquecido. Este calor gerado pela corrente elétrica é o principio que serve como fonte de calor. O guia do eletrodo e as sapatas se deslocam continuamente para cima, isto é, de modo que a superfície do metal líquido seja mantida sempre na altura média das sapatas de refrigeração. O metal solidificado é coberto lateralmente com uma camada fina de escória, e portanto deve ser substituída com a adição regular de fluxo, para que a profundidade do banho de escória seja mantida estável. Na maioria dos casos a profundidade mais favorável está entre 40 e 60 mm. Campos de Aplicação: Construções metálicas: Soldas em chapas grossas de topo. Construção naval: Solda de seções do navio e laterais de tanques. Construção de recipientes, vasos de pressão: Costuras longitudinais e circulares. Técnica nuclear: Partes de componentes para usinas nucleares. Construção de máquinas: Carcaças para turbinas, cilindros, eixos, bases para máquinas. Construção de vagões ferroviários: superfícies de rolamento, jogos de rodas.

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Vantagens: Preparação do chanfro a baixo custo, por meio de oxicorte, pois não há tolerâncias críticas a serem consideradas. O processo lento de solidificação é favorável, do ponto de vista metalúrgico, para as reações químicas na poça de fusão. O metal depositado é bem desgaseificado e livre de poros, tampouco mostra endurecimento, conferindo alta qualidade da junta soldada. Devido ao resfriamento lento surgem tensões próprias da solda consideravelmente mais baixas do que em soldas executadas por outros processos. Solda sem distorções, o que evita trabalhos, de ajustamento, muito onerosos Desvantagens: Granulação grosseira, com baixa resistência ao impacto, sendo necessário tratamento térmico posterior. Alto custo dos dispositivos de soldagem. Mão-de-obra especializada é recomendada na operação. A soldagem só pode ser feita na posição vertical ascendente, e tem que ser iniciada preferencialmente a soldagem uma única vez. Solda seções acima de 19 mm. Tecnologia do Processo: O processo de soldagem por eletroescória, pode ser executado com um ou vários arames, os quais podem ter oscilação através de dispositivos acoplados ao sistema tracionador de arame. O revestimento com fita, com depósito em aço inoxidável e alta liga de níquel, podem ser feitos com excelente qualidade metalúrgica e sanidade ultra-sônica. Para tal aplicação utiliza-se os dispositivos e demais componentes do processo de soldagem arco submerso. A grande vantagem da utilização dessa variante de processo seria a sua baixíssima diluição, que gira em torno de 6%, nunca maior que 10%.. Tabela. Parâmetros Para solda com Fita ( Eletroslag Strip Clading) Stick out Dimensões da Velocidade de Tensão (V) Corrente (A) (mm) Fita (mm) Avanço (m/min) 650 30 x 0,5 2,3 - 2,7 23 - 27 28 - 32 750

Taxa de Deposição (Kg/h) 32 - 40

A abertura do chanfro é de aproximadamente 20 até 30 mm. Seu valor mínimo é determinado pela forma do guia do arame. A abertura deve ser o suficiente para que não ocorra curto-circuito entre guia de arame e as faces do chanfro. Aberturas de junta, grande demais, não são econômicas. A soldagem por eletroescória exige uma escória líquida que, por um lado, conduza bem a corrente elétrica e por outro lado, garanta uma boa transmissão de calor para as chapas a serem soldadas. No inicio do processo, as sapatas de refrigeração fixados nas faces a serem soldadas, contendo apenas fluxo granulado. O percurso de espaço inicial de 3 à 8 cm de cordão de solda são feitos sob escória não totalmente fundida. Esta parte do cordão mostra uma penetração baixa demais. Por causa disso é colocada, abaixo do cordão, uma peça de acesso a qual não deve ser menor que 100 mm. Para terminar o cordão devem ser previstas peças de saída. Esta não têm apenas como objetivo manter a escória confinada, com também manter fora do cordão, os últimos milímetros da solda, que devido à interrupção do processo, podem desenvolver uma estrutura metalográfica diferente.

Figura 53. Apêndices para início e término da soldagem

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A soldagem por eletroescória exige operação ininterrupta. Cada interrupção, por sua vez, por mais curta que seja, leva ao resfriamento do banho de escória, o que causa uma penetração insuficiente provocando descontinuidades. Por esta razão, antes de iniciar a soldagem, deve-se ter quantidade de arame suficiente para todo o tempo de arco aberto. Equipamento: As fontes de energia típicas para o processo são similares as utilizadas no arco submerso. com ciclo de trabalho de 100%, com tensões em vazio da ordem de 60 V e tensões de trabalho de 30 a 55 V. A soldagem por eletroescória pode ser realizada com corrente alternada ou contínua com eletrodo no polo positivo). Algumas vezes usa-se corrente alternada. Uma tensão de soldagem mais alta provoca uma maior penetração na face. Com o aumento do avanço do eletrodo aumenta a corrente, a profundidade da poça de fusão e a potência de fusão. Com velocidade pendular mais alta, a formação da microestrutura será melhor. Tabela. Parâmetros para soldagem por eletroescória com 1 eletrodo sem oscilação. Velocidade de Tensão EletrodoDiâmetro (mm) avanço do eletrodo (V) ( m/min) 2,5 3,0 4,0

4-9 3-6 3-6

32 - 50 32 - 50 32 - 50

Corrente ( A)

Densidade de corrente (A/mm2)

Taxa de deposição (Kg/h)

450 - 600 500 - 700 600 - 900

90 - 120 70 - 100 50 - 70

10 - 20 10 - 20 15 - 35

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12. DESCONTINUIDADES MAIS FREQÜENTES NAS OPERAÇÕES DE SOLDAGEM Podemos definir descontinuidade como sendo uma interrupção das estruturas típicas de uma junta soldada, no que se refere à homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas. De acordo com as exigências de qualidade da junta soldada, uma descontinuidade pode ser considerada um defeito, exigindo ações corretivas. Abaixo temos algumas descontinuidades mais comuns encontradas nas operações de soldagem, e eventuais cuidados para evitar o surgimento das mesmas. Abertura de arco – É uma imperfeição local na superfície do metal de base resultante da abertura do arco elétrico. Ângulo excessivo de reforço – É um angulo excessivo entre o plano da superfície do metal de base e o plano tangente ao reforço da solda, traçado a partir da margem da solda. É causado por excesso de material de solda no acabamento.

Cavidade alongada – Vazio não arredondado com a maior dimensão paralela ao eixo da solda, podendo estar localizado na solda . Pode ser causado por excesso de velocidade de soldagem.

Concavidade – reentrância na raiz da solda, podendo ser: central, situada ao longo do centro de cordão; ou lateral, situada nas laterais do cordão. Geralmente é causada por movimentação rápida do eletrodo.

Concavidade excessiva – Solda em ângulo com a face excessivamente côncava. É uma falta de material de reforço.

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Convexidade excessiva – Solda em ângulo com a face excessivamente convexa. É um excesso de material de reforço.

Deformação angular – Distorção angular da junta soldada em relação à configuração de projeto, exceto para junta soldada de topo (Ver embicamento).

Deposição insuficiente – Insuficiência de metal na face da solda.

Desalinhamento – Junta soldada de topo, cujas superfícies das peças, embora paralelas, apresentam-se desalinhadas, excedendo à configuração de projeto.

Embicamento – É uma deformação angular de uma junta soldada de topo (Fig.9).

Fissura – Ver termo preferencial: trinca. Inclusão metálica – Metal estranho retido na zona fundida. Como exemplo deste tipo de descontinuidade temos a inclusão de Tungstênio freqüentemente vinculada à soldagem TIG. Microtrinca – Trinca com dimensões microscópicas.

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Falta de fusão – É uma fusão incompleta entre a zona fundida e o metal de base, ou entre passes da zona fundida, podendo estar localizada: na zona de ligação (a); entre os passes (b) ou na raiz da solda (c e d).

Falta de penetração – Insuficiência de metal na raiz de solda. As causas mais comuns deste tipo de defeito são: manipulação incorreta do eletrodo, junta mal preparada (ângulo de chanfro ou abertura de raiz pequeno), corrente de soldagem insuficiente, velocidade de soldagem muito alta e diâmetro de eletrodo muito grande.

Inclusão de escória – Material não metálico retido na zona fundida, podendo ser: alinhada (a e b); isolada (c); ou agrupada (d).

solda.

Mordedura – Depressão sob a forma de entalhe, no metal de base acompanhando a margem da

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Mordedura na raiz – Mordedura localizada na margem da raiz da solda (Fig. 14).

Penetração excessiva – Metal da zona fundida em excesso na raiz da solda (Fig.15).

Perfuração – Furo na solda (Fig. 16a) ou penetração excessiva localizada (Fig. 16b) resultante da perfuração do banho de fusão durante a soldagem.

Poro – Vazio arredondado, isolado e interno à solda. O poro é resultante da evolução de gases durante a solidificação da solda. As bolhas de gás podem ser aprisionadas pelo metal solidificado, à medida que a poça de fusão é deslocada. Podem ocorrer de forma uniformemente distribuídos, em grupos, alinhados ou como porosidade vermiforme, como veremos abaixo. As causas mais comuns de seu aparecimento são umidade ou contaminações de óleo, graxa, ferrugem, etc.. na região da junta; eletrodo, fluxo ou gás de proteção úmidos; corrente ou tensão de soldagem excessivas; correntes de ar durante a soldagem, etc.. . Poro superficial – Poro que emerge à superfície da solda. Porosidade – Conjunto de poros distribuídos de maneira uniforme, porém não alinhados. Porosidade agrupada – Conjunto de poros agrupados.

Porosidade alinhada – Conjunto de poros dispostos em linha, segundo uma direção paralela ao eixo longitudinal da solda.

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Porosidade vermiforme – Conjunto de poros alongados ou em forma de espinha de peixe situados na zona fundida.

Rachadura – Ver termo preferencial: trinca. Rechupe de cratera – Falta de metal resultante da contração da zona fundida, localizada na cratera do cordão de solda.

Rechupe interdendrítico – Vazio alongado situado entre dendritas da zona fundida. Reforço excessivo – Excesso de metal da zona fundida, localizado na face da solda. É causado por excesso de material no acabamento.

Respingos – Glóbulos de metal de adição transferidos durante a soldagem e aderidos à superfície do metal de base ou à zona fundida já solidificada. Sobreposição – Excesso de metal da zona fundida sobreposto ao metal de base na margem da solda, sem estar fundido ao mesmo. É geralmente causado por uma alta taxa de deposição.

Solda em ângulo assimétrica – Solda em ângulo, cujas pernas são significativamente desiguais em desacordo com a configuração de projeto.

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Trinca – Descontinuidade bidimensional produzida pela ruptura local do material. São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem, concentrando tensões e favorecendo o início de fratura frágil na estrutura soldada. As trincas podem ser externas ou internas, podendo ainda se localizar na Zona Fundida, na ZTA ou mesmo no metal base. Suas causas mais freqüentes são altos valores de tensão residual, baixa temperatura da peça a ser soldada, formatos de cordão não apropriados, formação de eutéticos de baixo ponto de fusão, teor elevado de Carbono no metal base, metal de adição não compatível com o metal base, alto teor de Hidrogênio no metal depositado, resfriamento muito rápido da junta soldada, etc.. . Trinca de cratera – Trinca localizada na cratera do cordão de solda, podendo ser: longitudinal (a), transversal (b) ou em estrela (c).

Trinca de estrela – Trinca irradiante de tamanho inferior à largura de um passe da solda considerada (Ver trinca irradiante). Trinca interlamelar – Trinca em forma de degraus, situados em planos paralelos à direção de laminação, localizada no metal de base, próxima à zona fundida.

Trinca irradiante – Conjunto de trincas que partem de um mesmo ponto, podendo estar localizadas: na zona fundida (a); na zona termicamente alterada (b) ou no metal de base (c).

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Trinca longitudinal – Trinca com direção aproximadamente paralela ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: na zona fundida (a); na zona de ligação (b); na zona termicamente afetada (c) ou no metal de base (d).

Trinca na margem – Trinca que se inicia na margem da solda, localizada geralmente na zona termicamente afetada.

Trinca na raiz – Trinca que se inicia na raiz da solda, podendo estar localizada: na zona fundida (a); ou na zona termicamente afetada (b).

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Trinca sob cordão – Trinca localizada na zona termicamente afetada, não se estendendo à superfície da peça.

Trinca transversal – Trinca com direção aproximadamente perpendicular ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: na zona fundida (a); na zona termicamente afetada (b) ou no metal de base (c).

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13. CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO DE DEFEITOS EM SOLDAS DEFEITOS INCLUSÕES DE ESCÓRIA POROSIDADE Para E= 1 Para E = 1 lmax = 6,3 mm p/ t< 19 mm AT ≤ 38,7 t mm2 em uma solda de comprimento = 150mm. = 1/3 t p/ 19≤ t ≤57 mm = 19 mm p/ t > 57 mm ∅ max = 0,2 t ou 3,2 mm (o menor valor) Σ L < t para cada trecho de solda de exceto quando está afastado do adjacente comprimento = 12t, exceto quando a distância de mais de 25 mm, quando então ASME VIII entre os defeitos for > 6L (L é o tamanho do ∅max=0,3 t ou 6,3 mm (o menor valor). Porosidade alinhada: Σ ∅ < t em um (DIVISÃO 1) maior defeito). Σ l ≤ 25 mm para cada 300 mm de solda. comprimento = 12 t ou 150 mm (o menor ASME I Para E < l: valor) e que cada poro diste pelo menos 6 x l ≤ 19 mm ∅(do maior poro) do outro poro. l ≤ 2/3 t Ver cartas de porosidade. Σ L ≤ t para cada trecho de solda de Para E < 1 comprimento = 6t, e se a distância entre os Não é fator a ser levado em consideração. defeitos for ≥3L. Soldas Circunferenciais e Longitudinais Soldas Circunferenciais e Longitudinais Para E = 1: ∅ ≤ 1,6 mm ou ∅ ≤ t/3 para E = 1 l ≤ t/3 ∅ ≤ 2,4 mm ou ∅ ≤ t/2 para E < 1 Σ L ≤ t/2 para cada 150 mm de solda AT ≤ 6,5 mm2 (3 áreas ∅ = 1,6 mm ou ∅ = ANSI 2,4 mm) em uma área de 650 mm2 por 25,4 largura ≤ 1,6 mm (B 31.3) Para E < 1: mm de espessura. l ≤ 2t ΣL ≤ 4t para cada 150 mm de solda largura ≤ 2,4 mm Inclusões Isoladas: AT ≤ 0,06t para cada 150 mm de solda. l < 6,3 mm são aceitas para qualquer t. ∅ ≤ 0,2t ou 3,2 mm (o menor valor). Se for l < 2/3 t e < 19 mm. poro isolado distante 25,4 mm ou mais de Inclusões Alinhadas: outro poro, ∅max ≤ 0,3t ou 6,3 mm (o API a) Σ L > t, para cada trecho de solda de menor valor). (650) comprimento = 6t não são aceitas, a menos Para cada solda de 25,4 mm ou 2t de que o espaço entre os defeitos seja 3 vezes o comprimento (o menor valor) a porosidade tamanho do maior defeito. poderá se agrupar em uma concentração 4 vezes superior à permitida no item acima. NORMAS

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