apostila soldfagem mig mag

SOLDAGEM MIG/MAG E COM ARAME TUBULAR

(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias) Ivanilza Felizardo, Dra e Alexandre Queiroz Bracare nse, PhD

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INTRODUÇÃO Processo MIG/MAG, mundialmente conhecido como GMAW – Gas Metal Arc Welding – é um processo de soldagem que se baseia na formação de um arco elétrico entre a peça e um eletrodo maciço nu consumível (arame sólido), continuamente alimentado. O processo utiliza um gás de proteção, proveniente de uma fonte externa, e é realizado sem aplicação de pressão. A concepção básica do GMAW foi introduzida no mercado em 1920, entretanto somente a partir de 1948 tornou-se comercialmente viável. Inicialmente, o GMAW foi considerado para ser, fundamentalmente, um processo de alta densidade de corrente, utilizando eletrodos de metal nu de pequenos diâmetros e gás de proteção do tipo inerte. Sua primeira aplicação foi na soldagem de alumínio. Por causa dessa característica, o termo MIG – Metal Inert Gas – foi usado e esta denominação é ainda bastante utilizada. Evolução subseqüente do processo incluindo adições do gás oxigênio ao gás argônio (1951) e a introdução de gás ativo puro – dióxido de carbono – ou mistura deste com o gás argônio (1953), propiciou a soldagem com baixas densidades de energia e a soldagem utilizando corrente pulsada para uma vasta gama de materiais (ferrosos e não ferrosos), empregando gás inerte, ativo ou uma mistura de gases. Devido à utilização de diferentes tipos de gás de proteção, o termo GMAW – Gas Metal Arc Welding – foi aceito formalmente para denominação do processo. No Brasil, é comum utilizar o termo MAG – Metal Active Gas – como denominação do processo GMAW quando se utiliza gás de proteção ativo. Em suma, o processo GMAW pode ser definido como um processo de soldagem cujo arco é estabelecido entre a peça e um eletrodo maciço nu consumível – arame sólido – continuamente alimentado, utilizando gás de proteção de uma fonte externa (inerte ou ativo ou uma mistura destes gases) para proteção do arco e da poça de fusão contra contaminação da atmosfera. Pode ser aplicado a uma vasta gama de materiais, utilizando corrente contínua constante e pulsada. A Associação Americana de Soldagem, AWS – American Welding Society – considera a utilização de eletrodo tubular onde um fluxo compõe o centro do arame – arame tubular – um segmento do processo GMAW. Associações estrangeiras podem agrupam este processo de forma diferente: processo FCAW – Flux Cored Arc Welding, processo de soldagem com arame tubular. O equipamento utilizado no processo GMAW é praticamente o mesmo do utilizado no FCAW. Para diferenciar estes dois processos, basta substituir a bobina de arame sólido, utilizado no processo GMAW, por uma bobina de arame tubular, utilizado no processo FCAW. Destaca-se que apesar desta simples substituição, visto à diferença existente entre os arames, tanto a soldagem, propriamente dita, quanto o resultado final, cordão de solda, realizados com o processo GMAW são diferentes aos realizados com o processo FCAW.



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1. PROCESSO GMAW – ARAME SÓLIDO 1.1 Princípio Operacional O processo GMAW incorpora alimentação contínua de um eletrodo maciço nu consumível, de alimentação contínua que é protegido por um suprimento externo de gás. O processo é ilustrado na Figura 1.1.

Figura 1.1 – Processo GMAW. Para iniciar a operação de soldagem, o operador deve ajustar os valores de tensão e velocidade de alimentação do arame e regular a vazão do gás de proteção. Após esta regulagem, a operação de soldagem inicia quando a ponta do arame mantém contato com a peça e é acionado o gatilho de ignição da tocha. Neste instante, o arame é energizado, o arame avança e o gás de proteção flui. Inicia-se então o deslocamento da tocha de soldagem, sendo que a velocidade, a direção e a posição da tocha em relação à junta a ser soldada ficam sob a responsabilidade do operador. Com equipamento e regulagem adequados, o comprimento do arco e a corrente (velocidade de alimentação do arame) são automaticamente mantidos. As principais vantagens do processo GMAW são:

• Pode ser utilizado para uma vasta gama de metais e ligas comerciais; • Alimentação do arame sendo contínua possui uma maior produtividade e, conseqüentemente,

maior taxa de deposição que o processo SMAW; • Soldagem pode ser feita em todas as posições; • Velocidade de soldagem pode ser maior que aquelas utilizadas com SMAW; • Possibilidade de realização de cordões longos sem interrupção (alimentação contínua do

arame); • Com transferência spray é possível se conseguir maior penetração que no processo SMAW, o

que pode permitir a utilização de filetes menores de solda com a resistência equivalente; • Limpeza mínima após solda é necessária devido à ausência de escória pesada.

Estas vantagens fazem do processo particularmente bem adequado para alta produção e soldagem automatizada. Isto se tornou evidente com o advento da utilização de robôs na produção, onde GMAW tem sido o processo mais utilizado.



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Como qualquer processo de soldagem, existem certas limitações que restringem a utilização de GMAW. Algumas delas são:

• O equipamento de soldagem é mais complexo, mais caro e menos portátil em relação ao SMAW;

• Dificuldade da soldagem em locais de acesso restrito (chanfros estreitos) é maior que com o processo SMAW, visto o tamanho da tocha de soldagem (esta deve estar perto da junta a ser soldada para assegurar proteção suficiente);

• O arco deve estar protegido de correntes de ar que possam dispersar o gás de proteção. Isto limita a soldagem em campo;

• O processo resulta em altos níveis de radiação e calor, o que pode resultar na resistência do operador ao processo.

1.2 Equipamento O equipamento mínimo necessário para uma operação com o processo GMAW é apresentado na Figura 1.2 e consiste:

• Tocha de soldagem (refrigerada por ar ou água); • Unidade de controle da soldagem; • Unidade de alimentação de arame; • Fonte de potência – máquina de solda; • Fonte regulável de gás protetor; • Fonte de arame; • Cabos e mangueiras de conexão; • Sistema de recirculação de água.

Figura 1.2 – Equipamento GMAW. 1.2.1 Tocha de Soldagem A tocha do processo GMAW é responsável por guiar o arame e conduzir a corrente elétrica e o gás de proteção em direção à peça a ser soldada. Fornecendo, deste modo, a proteção gasosa e a energia necessária para estabelecer e manter o arco elétrico e fundir o arame. Pode ser refrigerada a água ou pelo próprio gás de proteção, dependendo de sua capacidade e do fator de



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trabalho. Quanto ao formato, podem ser retas ou curvas, possibilitando melhor manejabilidade. A Figura 1.3 ilustra uma tocha de soldagem típica para o processo GMAW.

Figura 1.3 – Tocha de soldagem. É fundamental no projeto de uma tocha estabelecer seu fator de trabalho. Sendo este função do diâmetro do arame e do tipo de refrigeração. Fator de trabalho consiste no tempo máximo que a tocha pode ser utilizada durante um período de 10 minutos (expresso em porcentagem) para uma certa intensidade de corrente, sem exceder um limite pré-determinado de temperatura. Por exemplo, se uma tocha suporta até 6 minutos de arco aberto (ininterruptamente) com uma corrente de 160 A, significa que seu fator de trabalho é de 60% para corrente de 160A. Sempre visando obter a máxima eficiência independente do tipo de aplicação, diferentes tochas são projetadas, variando de soldas pesadas para altas correntes, soldas para alta produção, soldas leves para baixa corrente e soldas fora de posição. O bico de contato é um tubo a base de cobre ou liga de cobre que transfere a corrente e guia o arame em direção a peça a ser soldada. O bico de contato é conectado eletricamente à fonte de energia pelo cabo de força. A superfície interna do bico de contato deve ser suave, permitindo a passagem do arame sem restrições. Tabelas de fabricantes especificam a lista dos tamanhos corretos de bicos para cada diâmetro de eletrodo e tipo de material. O diâmetro interno do bico é ligeiramente superior ao diâmetro do arame (0,13 a 0,25 mm), embora diâmetros menores sejam necessários para soldagem com alumínio. A sua fixação deve ser firme na tocha e centralizada no bocal de saída de gás. A posição do bico de contato em relação ao fim do bocal deve variar dependendo do tipo de transferência. Para transferência por curto circuito, o bico deve está rente ou para fora do bocal. Para transferência spray, o bico deve está recuado em torno de 3,0 mm (1/8 in). Deve-se inspecionar constantemente o bico, verificando se o seu orifício (furo) não está fora das tolerâncias indicadas pelo manual do fabricante. Furos excessivos ou obstruídos podem resultar em perdas de energia, modificando as características do arco elétrico. O bocal de proteção de gás envolve o bico de contato e direciona uma coluna de gás em direção à poça de fusão. É extremamente importante, para assegurar proteções apropriadas contra a atmosfera, que o fluxo de gás fornecido seja uniforme. Diferentes dimensões de bocais estão disponíveis e devem ser escolhidos de acordo com o tipo de operação a ser executada: altas correntes de soldagem requerem bocais mais largos, enquanto baixas correntes e transferência por curto-circuito requerem bocais mais estreitos.



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O conduíte suporta, protege e direciona o arame deste os roletes alimentadores até bico de contato. Alimentação ininterrupta é necessária para assegurar uma boa estabilidade do arco. Cuidados especiais devem ser tomados com a passagem do arame pelo conduíte. O arame não deve dobrar ou torcer quando introduzido na tocha. No contato do arame com os roletes de contato do carro de alimentação, existe uma tendência de esmagamento do arame, o que se deve evitar. Os bicos de contato devem ser os recomendados pelo fabricante, evitando o enrugamento do arame (cada arame possui uma tolerância quanto ao diâmetro do orifício do bico de contato). 1.2.2 Unidade de Controle de Soldagem Consiste em uma placa de controle que normalmente está acoplada ao cabeçote do alimentador de arame, conforme apresentado na Figura 1.4. Tem como função principal regular a velocidade de alimentação do arame. Sendo esta diretamente proporcional à corrente de soldagem: um aumento da velocidade de alimentação do arame resulta em um aumento da corrente de soldagem e uma redução da velocidade, resulta em uma redução dos valores de corrente.

Figura 1.4 – Placa de controle da soldagem. A unidade de controle também é responsável pelo controle do início e da interrupção da alimentação do arame. O gás de proteção, a água de refrigeração e a energia de soldagem são também levados à tocha através do controle, requerendo conexão direta do controle com estes recursos. Os fluxos de água e de gás são regulados de modo a coincidir com o começo da soldagem. Porém, o controle pode permitir que o fluxo de gás seja iniciado antes do começo da soldagem e que se interrompa após o término da soldagem do modo a proteger ainda mais a poça de fusão: pré e pós-purga do gás de proteção. 1.2.3 Unidade de Alimentador de Arame A Figura 1.5 apresenta esquematicamente uma unidade de alimentador de arame típica para o processo GMAW. Esta é composta por uma bobina de arame e o cabeçote no qual está normalmente acoplada a placa de controle da soldagem e aos sistemas de roletes e motores.



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Figura 1.5 – Unidade de alimentação de arame. Em geral, os alimentadores de arames são acionados por motor de corrente contínua. Este é conectado a um sistema de roletes que transmitem força ao arame, puxando-o da fonte de arame (bobina) e empurrando-o em direção a tocha de soldagem. Pode-se utilizar varias combinações de roletes para garantir que o arame não enrugue ou dobre após o seu deslocamento. A Figura 1.6 exemplifica alimentadores de arame com dois (A) e quatro (B) roletes.

(A) dois roletes (B) quatro roletes

Figura 1.6 – Roletes de alimentadores de arames.

Existem dois tipos básicos de alimentadores de arames: os de velocidade constante e os de velocidade variável. Os primeiros são os usuais e utilizados em combinação com fontes de potência (máquina de solda) de tipo tensão constante. Os de velocidade variáveis são utilizados com fontes do tipo corrente constante e apenas em aplicações específicas. 1.2.4 Fonte de Potência – Máquinas de Solda As fontes de soldagem fornecem energia elétrica para o arame e para a peça de trabalho de forma a produzir o arco elétrico. Para a maioria das aplicações com GMAW, utilizam-se fontes que fornecem corrente contínua direta com eletrodo positivo (DCEP – direct corrent electrod positive), isto é, o pólo positivo da máquina é conectado à tocha e o negativo à peça. A constituição interna destas fontes é, geralmente, do tipo transformador-retificador, ou geradores (pouco usuais). Os transformador-retificadores são preferíveis em oficinas, pois a rede elétrica disponível é de 230 V ou 460 V. Este tipo responde mais rápido que os geradores quando as condições do arco mudam. Os geradores são utilizados normalmente quando não existe rede



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elétrica disponível, por exemplo, em trabalho de campo. Ambos as fontes são projetados para fornecer corrente constante ou tensão constante. As primeiras aplicações do processo GMAW foram utilizando fontes do tipo corrente constante (freqüentemente referenciadas com do tipo droopers). Estas fontes mantêm um nível de corrente relativamente fixo durante a soldagem, indiferentemente da variação no comprimento do arco, como ilustrado na Figura 1.7.

Figura 1.7 – Relação tensão/corrente para fontes do tipo corrente constante. Estas máquinas são caracterizadas por terem níveis altos de tensão em aberto e níveis limitados de corrente de curto circuito. Visto que estas máquinas fornecem uma corrente na saída virtualmente constante, o comprimento do arco somente será mantido fixo se a distancia bico de contato peça permanecer fixa, com uma alimentação de arame constante. Na prática, esta distância pode variar e o arco tende a fundir o bico de contato ou pressioná-lo sobre a peça a ser soldada. Estes fatos podem ser evitados utilizando um sistema de alimentação de arame controlado pela tensão. Portanto, quando uma fonte de corrente constante é utilizada, um sensor de tensão automático é necessário. Com este sistema, quando a tensão do arco aumenta ou diminui (variação no comprimento do arco), o motor reduz ou aumenta a velocidade de alimentação do arame, visando re-estabelecer o comprimento do arco original, porém sem alterar a velocidade de fusão do arame. A velocidade de alimentação do arame é alterada automaticamente pelo sistema de controle. Para o processo GMAW, fontes do tipo corrente constante são utilizadas em conjunto com alimentadores de arame com velocidade variável. Destaca-se que com esta combinação quanto maior a velocidade de alimentação do arame mais difícil é o controle do processo através de ajustes na tensão. Portanto, esta combinação somente deve ser utilizada na soldagem com transferência spray para diâmetros de arames mais grossos, com velocidade de alimentação mais baixa, visto que a duração limitada do arco na transferência por curto circuito torna-se impraticável o controle do processo pela tensão.



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Através de pesquisas com o processo GMAW, foi observado um aumento considerável na facilidade de manuseio e na qualidade do produto final utilizando fontes do tipo tensão constante. Estas fontes são utilizadas em conjunto com alimentadores de arame com velocidade constante, que mantêm a tensão aproximadamente constante durante a soldagem (aplicações usuais). A Figura 1.8 apresenta a curva característica de fontes do tipo tensão constante. Estas fontes compensam variações da distancia bico de contato peça, que ocorrem normalmente durante a soldagem, pelo aumento ou redução instantânea da corrente de soldagem.

Figura 1.8 – Relação tensão/corrente para fontes do tipo tensão constante. Nestas fontes, o comprimento do arco é estabelecido, pelo soldador ou operador de soldagem, ao ajustar o valor da tensão na máquina de solda. Feito isto, nenhuma outra alteração durante a soldagem é requerida. A velocidade de alimentação do arame, que está diretamente relacionada ao controle da corrente, também é estabelecida pelo soldador na máquina de solda. Através de mecanismo de auto-correção, se à distância entre o bico de contato peça aumentar, a tensão e o comprimento do arco também tendem a aumentar. Entretanto, a partir de um aumento desprezível na tensão, a corrente diminui rapidamente, diminuindo a fusão (consumo) do arame e deste modo, o stick-out tende a voltar ao seu valor original. Reciprocamente, se a distância é reduzida, uma pequena queda na tensão vai ser acompanhada em um aumento na corrente e, conseqüentemente, um aumento na taxa de fusão do arame que compensa a diminuição do stick-out. Este tipo de sistema é mais barato, mais simples e apresenta excelentes resultados. 1.2.5 Fonte Regulável de Gás de Proteção No processo GMAW, um sistema é exigido para fornecer fluxo constante de gás de proteção contra a atmosfera. A fonte de gás consiste normalmente de um cilindro de gás ou de mistura de gases, ajustados por reguladores de pressão e/ou vazão. Em oficinas com um número grande de equipamentos, instalações centralizadas para armazenamento e distribuição de gases podem ser úteis. O regulador reduz a pressão do gás do cilindro à uma pressão de trabalho constante, indiferentemente dos tipos de fontes de gases. Reguladores podem ser de simples ou duplo estágio e podem ter um fluxímetro (medidor de fluxo ou de vazão). Os reguladores de duplo estágio liberam gás a uma pressão mais consistente que os de simples estágio quando a pressão da fonte varia.



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1.2.6 Fontes de Arame O processo GMAW utiliza uma alimentação contínua de arame, consumido a uma velocidade relativamente alta. Portanto, a fonte de arame deve fornecer um grande volume de arame para que a alta eficiência do processo seja garantida. Normalmente, os arames são fornecidos em bobinas que têm de 0,45 a 27 Kg. De arames. Algumas indústrias podem utilizar tambores ou carretéis que têm de 340 a 450 Kg de arames, ou bobinas menores (colocadas nas tochas) de baixo peso (0,45 a 0,9 Kg). Aplicações especiais ou de utilização militar podem requerer embalagens especiais. Normalmente, necessidades especiais podem ser acordadas entre o fornecedor e o usuário. 1.3 Mecanismos de Transferência Metálica As características do processo GMAW são melhores compreendidas em termos dos modos básicos sob os quais o metal é transferido do arame para a poça de fusão:

• Transferência por curto circuito; • Transferência globular; • Transferência spray.

O tipo de transferência é determinado por um grande número de fatores. Os que mais influenciam são:

• Polaridade e tipo da corrente; • Densidade de corrente; • Tensão do arco; • Diâmetro e composição química do arame; • Extensão do arame; • Composição química do gás de proteção; • Características específicas da fonte de potência.

1.3.1 Transferência por Curto Circuito A transferência por curto-circuito engloba a soldagem com baixas correntes e pequenos diâmetros de arame. Este tipo de transferência produz uma poça de fusão pequena e de rápida solidificação que é geralmente utilizada para unir seções finas, para soldagem fora de posição e para fechar grandes aberturas de raiz. O metal é transferido do arame para a peça somente durante o período em que o arame está em contato com a poça de fusão. Nenhum metal é transferido através do arco. O arame toca a poça fundida numa faixa de aproximadamente 20 a 200 curtos circuitos por segundo. A seqüência de eventos na transferência de metal e a corrente e tensão correspondentes ao processo de transferência metálica por curto circuito estão representados na Figura 1.9. Quando o arame toca o metal de solda, a corrente aumenta (ponto 5).



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Figura 1.9 – Representação esquemática da transferência por curto circuito. A taxa em que a corrente aumenta deve ser alta o suficiente para aquecer o arame e promover a transferência metálica, contudo baixa o suficiente para minimizar respingos causados pela separação violenta da gota de metal fundido. Esta taxa de aumento da corrente é controlada pelo ajuste da indutância da fonte de energia. A regulagem da indutância ótima depende da resistência elétrica do circuito de soldagem e da temperatura de fusão do arame. Na transferência por curto circuito, a tensão em aberto da máquina deve ser baixa de modo que a gota de metal fundido não se transfira para o metal de base através do arco, somente pelo contato gota-poça de fusão. A energia para manutenção do arco é parcialmente provida pela energia armazenada no indutor no período de curto circuito. Embora a transferência ocorra somente durante o curto circuito, a composição do gás de proteção tem um efeito importante na tensão superficial do metal fundido. Mudanças na composição do gás podem afetar drasticamente o tamanho da gota e a duração do curto circuito. Além disto, o tipo de gás influencia as características operacionais do arco e a penetração do cordão de solda. Dióxido de carbono (CO2) geralmente produz altos níveis de respingos comparados com gases inertes, porém também produz uma penetração mais alta. Para encontrar uma boa combinação entre respingos e penetração, misturas de CO2 ao argônio são freqüentemente utilizadas na soldagem de aços carbono e baixa liga. Adições de hélio ao argônio aumentam a penetração em metais não ferrosos. 1.3.2 Transferência Globular Na polaridade positiva (eletrodo ligado ao polo positivo da máquina – DCEP), a transferência globular acontece quando a corrente é relativamente baixa, independente do tipo de gás de proteção. Entretanto, com dióxido de carbono e hélio, este tipo de transferência ocorre em toda a faixa de corrente. Transferência globular é caracterizada por uma gota de diâmetro maior que do arame. Com o aumento do tamanho da gota, o seu peso aumenta e acaba por ocasionar a sua separação do arame e a sua transferência para a poça de fusão pela ação da gravidade. Este fato limita o uso de transferência globular na posição plana. Com corrente média, levemente superior à utilizada na transferência por curto circuito, transferência globular axial pode ser alcançada com a utilização de proteção inerte. Se o comprimento do arco é muito pequeno (baixa tensão), a gota em crescimento pode alcançar a



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peça, se superaquecer e desintegrar, produzindo uma quantidade considerável de respingos. Portanto, o comprimento do arco deve ser longo o suficiente para assegurar o destacamento da gota antes que esta tenha contato com a poça de fusão. Entretanto, uma solda feita utilizando alta tensão pode resultar em falta de fusão, penetração insuficiente e reforço excessivo. Isto limita fortemente o uso de transferência globular em aplicações que exija alta produção. Proteção por dióxido de carbono resulta em uma transferência globular com direção não axial quando a corrente de soldagem e tensão do arco estão significativamente acima da faixa de curto circuito. O efeito Pinch (efeito eletromagnético) e a força de reação no anodo são os fatores mais importantes que governam a transferência globular não axial, Figura 1.10. A magnitude da força de Pinch (P) é uma função direta da corrente de soldagem e do diâmetro do arame e é normalmente responsável pelo destacamento da gota. Com proteção por CO2, a corrente de soldagem é conduzida através da gota fundida e a ponta do arame não é envolvida pelo plasma. Fotografias de alta velocidade mostram que o arco move sobre a superfície da gota fundida e da peça, por causa da força R que tende a suportar o peso da gota. A gota fundida cresce até que se destaca por curto circuito (Figura 1.10B) ou pela ação da força da gravidade (Figura 1.10A), visto que R nunca é superado por P. Porém, a situação mais provável é a apresentada na Figura 1.10B, na qual envolve a gota curto circuitando a coluna do arco e explodindo. Nesta situação, a quantidade de respingos pode ser alta, limitando o uso do CO2 para muitas aplicações comerciais.

Figura 1.10 – Transferência globular não axial. Contudo, o CO2 permanece o gás mais utilizado para soldagem de aço carbono. A razão para isto é que o problema de respingos pode ser reduzido significativamente por “enterro” do arco. Deste modo, a atmosfera do arco se torna uma mistura de gás e vapor de metal, permitindo que a transferência se torne quase similar a spray. As forças do arco são suficientes para estrangular a gota e minimizar a quantidade de respingos. Esta técnica requer altas correntes de soldagem e resulta em uma penetração profunda. Entretanto, a menos que a velocidade de soldagem seja cuidadosamente controlada, isto pode resultar em reforço excessivo devido a pobre ação de molhabilidade da zona fundida.



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1.3.3 Transferência Spray Com proteção rica em argônio é possível produzir um modo de transferência axial spray muito estável e livre de respingos. Isto exige o uso de corrente direta e polaridade positiva (DCEP) e um nível de corrente acima de um valor crítico denominado de corrente de transição. Abaixo deste valor, a transferência ocorre no modo globular, a uma taxa de poucas gotas por segundo, e acima, a transferência ocorre em forma de pequenas gotas que são formadas e destacadas a uma taxa de centenas por segundo. Estas gotas são aceleradas axialmente através do arco, conforme exemplificado na Figura 1.11. A corrente de transição, na qual é dependente da tensão superficial do metal fundido, é inversamente proporcional ao diâmetro do arame e depende, em menor grau, da extensão do eletrodo (comprimento energizado do arame). A corrente de transição varia com a temperatura de fusão do arame e com a composição do gás de proteção. Corrente de transição para alguns dos metais mais utilizados é apresentado na Tabela 1.1.

Figura 1.11 – Transferência spray axial.

Tabela 1.1 – Correntes de transição globular–spray para uma variedade de eletrodos.

Tipo de eletrodo Diâmetro do arame

Gás de proteção Corrente mínima para arco Spray (A) Polegadas mm

Aço Carbono

0,030 0,8 98% Ar + 2% O2 150 0,035 0,9 98% Ar + 2% O2 165 0,045 1,1 98% Ar + 2% O2 220 0,062 1,6 98% Ar + 2% O2 275

Aço Inoxidável 0,035 0,9 98% Ar + 2% O2 170 0,045 1,1 98% Ar + 2% O2 225 0,062 1,6 98% Ar + 2% O2 285

Alumínio 0,030 0,8 100% Ar 95 0,045 1,1 100% Ar 135 0,062 1,6 100% Ar 180

Cobre Desoxidado 0,035 0,9 100% Ar 180 0,045 1,1 100% Ar 210 0,062 1,6 100% Ar 310

Bronze Silício 0,035 0,9 100% Ar 165 0,045 1,1 100% Ar 205 0,062 1,6 100% Ar 170



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O modo de transferência spray resulta em um fluxo altamente direcionado de gotas discretas que são aceleradas por forças do arco a velocidades que vencem a força da gravidade. Por este fato, o processo, sob certas condições, pode ser utilizado em qualquer posição. Devido às gotas serem menores que o comprimento do arco, curto circuito não ocorre e respingos são mínimos, se não totalmente eliminados. Outra característica do modo de transferência spray é a penetração em forma de dedo. Embora esta penetração possa ser profunda, ela é afetada por forças magnéticas que devem ser controladas para mantê-la localizada no centro da solda. O modo de transferência spray, quando associado às características inertes da proteção de argônio, pode ser utilizada em quase todos os tipos de metais ou ligas. Entretanto, a aplicação do processo em chapas finas pode ser difícil devido às altas correntes necessárias para produzir um arco spray. A resultante das forças do arco podem perfurar as chapas relativamente finas, em vez de soldá-las. Além disto, a alta taxa de deposição pode produzir uma poça de fusão muito larga para ser suportada pela tensão superficial na posição vertical e sobre cabeça. As limitações referentes à soldagem de chapas finas e fora de posição podem ser superadas com fontes de energia especiais. Estas máquinas produzem formas de onda cuidadosamente controladas e freqüências que pulsam a corrente de soldagem: transferência controlada, Figura 1.12.

Figura 1.12 – Características da corrente na transferência spray-controldada. Existem dois níveis de corrente: uma constante que é a corrente de base que sustenta o arco sem fornecer energia suficiente para causar a formação de gota na ponta do arame; e outra, um pulso de corrente superposto com amplitude maior que a corrente de transição necessária para transferência spray. Durante os pulsos, uma ou mais gotas são formadas e transferidas. A freqüência e a amplitude dos pulsos controlam o nível de energia do arco, e conseqüentemente a taxa na qual o arame funde. Pela redução da energia média do arco e da taxa de fusão do arame, a transferência spray controlada se torna apropriada para soldagem de chapas finas e espessas e em todas as posições. Muitas variações destas fontes de energia estão disponíveis. As mais simples fornecem uma única freqüência de pulsação com controle independente da corrente de base e da corrente de pulso. As mais sofisticadas, chamadas sinérgicas, fornecem uma combinação ótima e automática entre corrente de pulso e de base para qualquer regulagem de velocidade de alimentação. A Figura 1.13 apresenta os diferentes modos de transferência metálica previamente explicados.



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Figura 1.13 – Modos de transferência metálica.

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

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

O conhecimento e controle destas variáveis são essenciais para a obtenção de cordões de solda de qualidade satisfatória. Estas variáveis não são completamente independentes e mudanças em uma, geralmente exige mudanças em uma ou mais das outras variáveis para produzir os resultados desejados. Considerável habilidade e experiência podem ser necessárias para seleção dos parâmetros ótimos para cada aplicação. Os valores ótimos são afetados pelo tipo de metal de base, pela composição do eletrodo, pela posição de soldagem e pelos requisitos de qualidade. Então, não há uma mudança única nos parâmetros que leve a um resultado ótimo em cada caso. Destaca-se que arame e gás de proteção são consumíveis do processo e serão tratadas a parte. 1.4.1 Corrente de Soldagem A Figura 1.14 exemplifica os diferentes tipos de correntes possíveis de serem utilizadas na soldagem. Destaca-se que o uso de corrente alternada com o processo GMAW tem sido aplicado, porém sem grande sucesso, devido à instabilidade apresentada pelo o arco elétrico, dificultando o controle do processo. Arames especiais têm sido desenvolvidos para superar a instabilidade do arco, porém a aplicação tem-se mostrado inviável economicamente.

Figura 1.14 – Diferentes tipos de corrente utilizada na soldagem (em geral).



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Quando ocorre variação da corrente sem variação da polaridade, tem-se a corrente pulsada. Com esta é possível obter as vantagens do modo de transferência spray utilizando níveis de corrente igual ou menor que a de transição globular-spray. Visto que as forças no arco e a taxa de deposição são exponencialmente dependentes da corrente, operações de soldagem realizadas acima da corrente de transição podem freqüentemente tornar as forças do arco incontroláveis nas posições vertical e sobre-cabeça. Pela redução da média de corrente utilizando pulsos, as forças de arco e taxas de deposição podem ser reduzidas, permitindo a soldagem com o processo GMAW em todas as posições e em chapas finas. Com corrente pulsada o modo de transferência metálica é totalmente controlado, ocorrendo à transferência de uma gota por pulso. O grande limitador da utilização de corrente pulsada é que este tipo é altamente dependente da fonte de energia. No passado esta técnica não encontrou grande aceitação devido à inexistência de equipamentos adequados para operações em produção. Atualmente, através do desenvolvimento sinérgico, as dificuldades anteriores foram superadas, porém estas máquinas apresentam um custo elevado. O tipo de corrente mais aplicado com o processo GMAW é a corrente contínua direta. De um modo geral, com todas as outras variáveis do processo mantidas constante, um aumento na corrente resultará em:

• Um aumento na profundidade e largura da penetração do cordão de solda; • Um aumento na taxa de deposição; • Um aumento do cordão de solda; • Um aumento da fusão do arame.

Além disto, quando todas as outras variáveis do processo são mantidas constantes, a corrente de soldagem varia com a velocidade de alimentação do arame ou com a taxa de fusão de maneira não linear, apesar de proporcional. À medida que a velocidade de alimentação do eletrodo é variada, a corrente de soldagem vai variar de maneira semelhante se uma fonte de tensão constante for utilizada. Esta relação da corrente de soldagem com a velocidade de alimentação para arames de aços carbono é apresentada na figura 1.15.

Figura 1.15 – Corrente versus velocidade de alimentação de arame para eletrodos de aço carbono.



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Para níveis baixos de correntes, independente do diâmetro do arame, a curva é aproximadamente linear. Entretanto, para correntes mais altas, particularmente com diâmetros de arame pequenos, a linearidade da curva não é mais observada, aumentando progressivamente as taxas quando a corrente aumenta. Este efeito é atribuído ao aquecimento por efeito Joule da extensão do arame. As Figuras 1.16, 1.17 e 1.18 apresentam a relação da corrente de soldagem com a velocidade de alimentação de arame para eletrodos de alumínio, aço inoxidável e cobre, respectivamente. Observa-se que quando o diâmetro do arame aumenta, mantendo a mesma velocidade de alimentação do arame, um aumento na corrente de soldagem é exigida. A diferença observada entre as posições e inclinações das curvas está relacionada com as diferentes temperaturas de fusão e resistividade elétrica de cada arame. Portanto, a relação entre a velocidade de alimentação do arame e a corrente de soldagem é influenciada pela composição química do arame. Além disto, a extensão do eletrodo também afeta esta relação.

Figura 1.16 – Corrente versus velocidade de alimentação de arame para eletrodos de alumínio ER4043.

Figura 1.17 – Corrente versus velocidade de alimentação de arame para eletrodos de aço inoxidável da série 300.



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Figura 1.18 – Corrente versus velocidade de alimentação de arame para eletrodos de cobre ECu. 1.4.2 Polaridade O termo polaridade é usado para descrever a conexão elétrica da tocha de soldagem em relação aos terminais da fonte de energia com corrente contínua direta. Quando a tocha está conectada ao terminal positivo da fonte, a polaridade é designada como polaridade reversa ou positiva ou DCEP (direct current electrode positive). Caso o terminal negativo seja conectado à tocha, a polaridade é designada como polaridade direta ou negativa ou DCEN (direct current electrode negative). A grande maioria das aplicações utilizando-se GMAW emprega a polaridade positiva, DCEP. Esta condição leva a um arco estável, transferência metálica suave, quantidade de respingos relativamente baixa, boas características do cordão de solda e a uma maior penetração do cordão para uma vasta faixa de correntes de soldagem. DCEN é raramente utilizada devido à maior instabilidade do arco e a dificuldade em se obter a transferência spray axial. 1.4.3 Tensão do Arco Elétrico Mantendo as demais variáveis do processo constante, a tensão do arco é diretamente proporcional ao comprimento do arco elétrico. Embora este seja a variável a ser cuidadosamente controlada, é mais fácil monitorar a tensão do arco. Por este motivo, esta é a variável especificada nos procedimentos de soldagem. Tensão e comprimento do arco elétrico são variáveis freqüentemente utilizadas e extremamente interligadas. Porém apesar desta interligação, estas variáveis são diferentes. O comprimento do arco é uma variável independente. Porém, a tensão depende tanto do comprimento do arco, como de outras variáveis tais como composição e diâmetro do arame, tipo do gás de proteção e técnica de soldagem. Além disto, visto que a tensão é medida na máquina de solda, o comprimento dos cabos também influencia o seu valor. A tensão do arco é uma medida aproximadamente do comprimento físico do arco em termos elétricos; Figura 1.19, apesar da tensão no arco incluir a queda de tensão devido à extensão do eletrodo.



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Figura 1.19 – Terminologias. A definição do valor da tensão do arco deve ser feita levando em consideração a composição química do tipo de material de base e do gás de proteção e o modo de transferência metálica desejada. Testes de solda são necessários para ajustar a tensão do arco para produzir características favoráveis e boa aparência do cordão de solda. Estes testes são essenciais, pois o valor ótimo para a tensão dependente de uma grande variedade de fatores incluindo espessura do material, tipo de junta, posição de soldagem, diâmetro do arame, composição do gás de proteção e tipo de solda. Partindo de um valor qualquer para tensão do arco, um aumento na tensão tende a achatar o cordão de solda e aumentar a zona de fusão. Tensões excessivamente grandes podem causar porosidade, respingos e trincas. Redução na tensão resulta em um cordão mais estreito com reforço concentrado na linha central do cordão e penetração profunda. Tensões excessivamente baixas podem causar toque do arame na poça de fusão, desestabilizando o arco. 1.4.4 Extensão do Eletrodo Na Figura 1.19 foi apresentado o que se denomina por extensão do eletrodo, que compreende a distância entre o final do bico de contato e o final do eletrodo (início do comprimento do arco). Um aumento na extensão do eletrodo resulta em um aumento de sua resistência elétrica, aumentando assim a temperatura do eletrodo e resultando em um pequeno aumento na sua taxa de fusão. Em geral, o aumento da resistência elétrica produz um aumento na tensão, na qual pode ser compensada pela máquina de solda reduzindo a corrente na qual reduz imediatamente a taxa de fusão do arame, levando a uma redução do comprimento do arco. Extensão de eletrodo desejável para transferência por curto circuito é de 6 a 13 mm e de 13 a 25 mm para os demais modos de transferência metálica. 1.4.5 Stick Out Stick out corresponde à distância entre o bico de contato e a peça, Figura 1.20. Incorpora o comprimento do arco e a extensão do eletrodo. Em procedimentos de soldagem é o valor do stick out que é especificado.



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Figura 1.20 – Stick out. 1.4.6 Velocidade de Soldagem Velocidade de soldagem é a taxa linear na qual o arco se movimenta ao longo da junta. Mantendo todas as demais variáveis do processo constante, a penetração é máxima a uma velocidade intermediária. Quando a velocidade de soldagem é reduzida, a deposição de metal por unidade de comprimento aumenta. Com velocidades muito baixas, o arco elétrico incide com maior violência sobre a poça de fusão mais que sobre o metal base, reduzindo assim a penetração efetiva. Uma poça larga também é esperada como resultado. Quando a velocidade é aumentada, a energia térmica por unidade de comprimento transmitida para o metal de base através do arco é, em princípio aumentada, devido ao arco agir diretamente no metal base. Com aumentos sucessivos na velocidade, menor energia por unidade de comprimento de solda é cedida ao metal base. Então, a fusão do metal de base primeiramente aumenta e depois diminui com o aumento da velocidade. Com aumentos sucessivos da velocidade, há uma tendência à mordedura nas bordas do cordão devido a deposição insuficiente. 1.4.7 Orientação do Eletrodo Quando todas as outras variáveis são mantidas constantes, a orientação do eletrodo em relação à junta soldada afeta o formato e a penetração do cordão de solda. Esta influência é maior que a observada ao alterar a tensão do arco e a velocidade de soldagem. A orientação do eletrodo pode ser descrita de duas maneiras:

• Pela relação entre o eixo do eletrodo e a superfície adjacente ao metal de base � Ângulo da tocha

• Relação entre o eixo do eletrodo e a direção de soldagem

� Sentido de soldagem Defini-se como ângulo da tocha a medida de inclinação tomada entre uma linha normal ao eixo da solda e uma linha perpendicular à face da chapa, Figura 1.21. Se o eixo da tocha estiver anterior



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à normal, puxando a poça de fusão, o ângulo é definido como negativo. Se o eixo da tocha estiver posterior à normal, empurrando a poça, o ângulo é definido como positivo.

Figura 1.21 – Ângulo da tocha. Para ângulos da tocha negativos, a soldagem ocorre em direção contrária à da chama. Tem-se nesta situação, a técnica do arraste (backhand welding with a drag angle): tocha puxando a poça de fusão. Para ângulos da tocha positivos, a soldagem ocorre na mesma direção da chama. Tem-se nesta situação, a técnica do avanço (forehand welding with a lead angle): tocha empurrando a poça de fusão. A Figura 1.22 ilustra o efeito da orientação do eletrodo (sentido e ângulo na tocha) na morfologia do cordão de solda. Quando a tocha é alterada da posição perpendicular para a técnica do avanço, na qual a tocha empurra a poça de fusão, mantendo as demais condições de soldagem constantes, a penetração diminui, o cordão fica mais largo e achatado. Penetração máxima é obtida com a técnica do arraste, tocha puxando a poça de fusão, com um ângulo de aproximadamente 25º com a perpendicular. Esta técnica produz um cordão mais convexo e estreito, sendo que o arco é mais estável e, conseqüentemente, produzindo menos respingos.

Figura 1.22 – Efeito da orientação no eletrodo na morfologia do cordão de solda.



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Em qualquer posição de soldagem, o ângulo do eletrodo normalmente utilizado é o de arraste variando de 5 a 15 graus para um bom controle da poça e boa proteção gasosa. Para a soldagem de alumínio, a técnica de avanço é preferida, visto a ação de limpeza, o qual reduz a camada de oxido do material. Em soldas de filete na posição horizontal, o ângulo da tocha em relação à superfície vertical deve ser preferivelmente de 45 graus, conforme exemplificado na Figura 1.23.

Figura 1.23 – Ângulo da tocha ideal para soldas de filete. 1.4.8 Posição de Soldagem É possível realizar soldas em todas as posições com o processo GMAW, desde que todas as variáveis do processo sejam escolhidas adequadamente. Destaca-se que sempre que possível à soldagem deve ser realizada na posição plana. Para soldas fora de posição é preferível utilizar arames com diâmetro inferior a 1,1 mm. A maioria das aplicações utilizando o modo de transferência spray, a soldagem é feita nas posições horizontal ou plana. Enquanto que para as demais posições, incluindo estas citadas, baixos níveis de energia (curto circuito) ou corrente pulsada podem ser utilizados. Soldas de filete com transferência spray na posição plana resultam em cordões mais convexo, uniformes e menos susceptíveis ao trincamento que soldas de filete feitas na posição horizontal. Para superar o efeito da gravidade na soldagem na posição vertical e sobrecabeça devem-se utilizar arames de pequeno diâmetro com transferência por curto circuito ou spray com corrente pulsada. O baixo aporte térmico permite que o metal fundido resfrie rapidamente. Recomenda-se que a soldagem na posição vertical de chapas finas seja feita na descendente, visto que a velocidade de soldagem pode ser superior que a utilizada na ascendente, reduzindo a penetração do cordão de solda, o qual é benéfico para esta espessura. Porém, na soldagem de alumínio, a técnica da soldagem vertical descendente não é recomendada, visto a perda da ação da limpeza e proteção inadequada. A Figura 1.24 exemplifica o efeito da soldagem ser realizada na vertical descendente e ascendente na morfologia do cordão de solda. A soldagem ascendente afeta o contorno da zona fundida e a superfície do cordão de solda. A força da gravidade empurra a poça fundida para baixo ficando atrás do arame. As bordas da solda perdem material que para o centro da linha de fusão, resultando em um cordão cum reforço e penetração acentuados e largura discreta. Os efeitos descritos acima são observados na soldagem descendente de maneira oposta.



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Figura 1.24 – Efeito da posição vertical na morfologia do cordão de solda. 1.5 Consumíveis Além de componentes referentes ao equipamento, tais como o bocal, bico de contato e o conduíte que devem ser substituídos sempre que necessário, os consumíveis referentes ao processo GMAW são o arame e o gás de proteção. As composições químicas do metal de base, do arame e do gás de proteção determinam a composição química do metal de solda. Esta, por sua vez, determinada as propriedades metalúrgicas e mecânicas da solda. Os fatores que determinam a seleção do gás de proteção e do arame a serem utilizados na soldagem são:

• Metal de base (espessura e composição química); • Propriedades mecânicas requeridas para o metal de solda; • Tipo de serviço ou aplicação especificada para a solda; • Posição de soldagem; • Modo de transferência metálica desejada.

1.5.1 Arame Normalmente, a composição química do arame é similar à encontrada no metal de base. A composição química do arame pode ser levemente alterada visando compensar perdas que possam ocorrer devido aos efeitos do arco elétrico ou para melhorar a desoxidação da poça fundida. Isto leva a modificações insignificantes na composição do metal de base. Em certas aplicações, entretanto, para obter as características de soldagem satisfatórias e certas propriedades do metal de solda exige-se um arame com composição química bastante diferente do metal de base. Independente da modificação feita na composição química do arame, os desoxidantes são geralmente adicionados. Isto é feito para reduzir a incidência de porosidade e assegurar a qualidade mecânica da solda. Os desoxidantes mais utilizados em arames de aço são silício, manganês e alumínio. Titânio e silício são os principais desoxidantes usados nos arames de liga de níquel. Arames de ligas de cobre podem utilizar titânio, silício ou fósforo como elementos desoxidantes. Os diâmetros de arames comumente utilizados no processo GMAW variam de 0,8 a 1,6 mm. Contudo, arames mais finos (0,5 mm) ou mais grossos (3,2 mm) podem ser utilizados. Em geral, quando menor o diâmetro do arame, maior o preço por quilo do arame.



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Qualquer composto utilizado na superfície do arame ou do metal de base, por exemplo: lubrificante, pode afetar a qualidade da solda. Portanto, a limpeza superficial do arame e do metal de base é essencial para obter soldas de qualidade. Além disto, os arames devem ser manufaturados com rigoroso controle de composição e pureza, visando obter total controle das propriedades mecânicas e da seção do arame e, conseqüentemente, controle da resistência à tração, dureza e rigidez do mesmo. Estas características podem influenciar na operação de soldagem, visto que quando há variação destas propriedades de uma bobina para outra, é provável que ocorrerá alimentação errática do arame. O estado superficial e geometria do arame também devem ser controlados. Em geral, arames para aço carbono são revestidos com uma fina camada de cobre, a qual protege o material da corrosão. Além de aumentar a qualidade da conexão elétrica e a vida útil do bico de contato. A especificação AWS (American Welding Society) para os diversos arames/eletrodos em função da composição química do metal de base tem o seguinte formato: A.XX. A listagem de especificações de arames sólidos para o processo GMAW é apresentado na Tabela 1.2.

Tabela 1.2 – Especificações para arames sólidos.

Tipo de material de base Especificação AWS Aço carbono A5.18 Aço de baixa liga A5.28 Aço inoxidável série 300 A5.9 Aço inoxidável série 400 A5.9 Ligas de alumínio A5.10 Ligas de cobre A5.7 Magnésio A5.19 Ligas de níquel A5.14 Titânio A5.16

Ainda tem-se a classificação AWS para eletrodos, que está representada na Figura 1.25, onde os dois primeiros dígitos indicam que é o consumível é arame/eletrodo ou vareta. Os próximos dois dígitos indicam a resistência mínima à tração em ksi. Para aço carbono este número é 70 e para eletrodos de aço de baixa liga é 80 ou mais. O próximo dígito, no qual é a letra S, indica que se trata de um arame ou vareta sólidos. O último dígito dá indicações da composição química do arame e da proteção. A Tabela 1.3 apresenta um sumário com as principais características de arames sólidos de aço carbono para o processo GMAW. A Tabela 1.4 apresenta a composição química destes arames. A listagem de arames, em função do tipo de material de base, a serem utilizados com o processo GMAW é apresentado na Tabela 1.5.



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Figura 1.25 – Classificação AWS para eletrodo/arame sólido.

Tabela 1.3 – Características de arames sólidos de aço carbono.

AWS Polaridade Gás Tensão a tração (KSI)

Tensão de escoamento (KSI)

Along. (%)

Teste Charpy

E70S-2 DCEP CO2 72.000 60.000 22 27J -20oF E70S-3 DCEP CO2 72.000 60.000 22 27J 0oF E70S-4 DCEP CO2 72.000 60.000 22 ñ exigido E70S-5 DCEP CO2 72.000 60.000 22 ñ exigido E70S-6 DCEP CO2 72.000 60.000 22 27J -20oF E70S-7 DCEP CO2 72.000 60.000 22 27J -20oF E70S-G ñ espec. ñ espec. 72.000 60.000 22 ñ exigido

Tabela 1.4 – Características de arames sólidos de aço carbono.

AWS C Mn Si Ti Zi Al E70S-2 0,6 - 0,40 a 0,70 0,05 a 0,15 0,02 a 0,12 0,05 a 0,15 E70S-3 0,06 a 0,15 0,9 a 1,40 0,45 a 0,70 - - E70S-4 0,07 a 0,15 - 0,65 a 0,85 - - E70S-5 0,07 a 0,19 - 0,30 a 0,60 - 0,05 a 0,9 E70S-6 0,07 a 0,15 1,4 a 1,85 0,80 a 1,15 - - E70S-7 0,07 a 0,15 1,5 a 2,00 0,50 a 0,80 - - E70S-G livre livre livre livre livre livre



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Tabela 1.5 – Arames sólidos em função do tipo de material de base.

Material de base Arame

Tipo Classificação Classificação AWS Especificação AWS Alumínio e suas ligas

1100; 3003, 3004 5052, 5454 5083, 5086, 5456 6061,6063

ER4043 ER5356 ER5554, ER5556 ER5556, ER5356 ER4043, ER5356

A5.10

Cobre e suas ligas

Cu puro Latão Liga Cu-Ni Manganês bronze Alumínio bronze Bronze

ERCu ERCuSi-A, ERCuSn-A ERCuNi ERCuAl-A2 ERCuAl-A2 ERCuSn-A2

A5.7

Alumínio e suas ligas

1100 3003, 3004 5052, 5454 5083, 5086,5456 6061,6063

ER4043 ER5356 ER5554, ER5556 ER5556, ER5356 ER4043, ER5356

A5.10

Cobre e suas ligas

Cu puro Latão Liga Cu-Ni Manganês bronze Alumínio bronze Bronze

ERCu ERCuSi-A, ERCuSn-A ERCuNi ERCuAl-A2 ERCuAl-A2 ERCuSn-A2

A5.7

Níquel e suas ligas

Ni puro Liga Ni-Cu Liga Ni-Cr-Fe

ERNi ERNiCu-7 ERNiCrFe-5

A5.14

Magnésio e suas ligas

AZ10A AZ31B,AZ61A, AZ80A ZE10A ZK21A AZ63A, AZ81A, AZ91C AZ92A, AM100A HK31A, HM21A, HM31A LA141A

ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ92A EREZ33A EREZ33A EREZ33A EREZ33A

A5.19

Titânio e suas ligas

Ti puro Ti-6 Al-4V Ti-0,15Pd Ti-5Al-2 5Sn Ti-13V-11Cr-3Al

ERTi-1,-2,-3,-4 ERTi-6Al-4V ERTi-0,2Pd ERTi-5Al-2,5Sn ERTi-13V-11Cr-3Al

A5.16

Aço Inoxidável Austenítico

Tipo 201 Tipos 301, 302, 304 e 308 Tipo 304L Tipo 310 Tipo 316 Tipo 321

ER308 ER308 ER308L ER310 ER316 ER321

A5.9



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1.5.2 Gás de Proteção É fundamental para a existência do arco elétrico a presença de um gás, visto que o arco é caracterizado por uma descarga elétrica entre dois eletrodos em um gás. Para o arco elétrico se manter durante a soldagem é preciso que estejam disponíveis partículas carregadas eletricamente. Existindo moléculas de qualquer gás, essas deverão ser dissociadas e, devido à alta energia de vibração obtida pelo aquecimento dos elétrons, as mesmas são levadas ao estado monoatômico. Após a dissociação, aumentando ainda mais a temperatura, ocorre a ionização dos átomos. Portanto, as reações que ocorrem no arco elétrico são:

1º) Dissociação: ruptura das moléculas (G2 = 2G); 2º) Ionização: expulsão dos elétrons (G = G+ + e-)

Em função destas reações, uma característica fundamental dos gases de proteção é o seu potencial de ionização, que corresponde à energia mínima necessária para liberar elétrons. Tem-se que quanto maior o potencial de ionização de um gás, mais energia será necessária para estabelecer e manter um arco elétrico. A Tabela 1.6 apresenta o potencial de ionização típico de gases utilizados na soldagem.

Tabela 1.6 – Potencial de ionização de gases utilizados na soldagem.

Gases Potencial de Ionização (eV) Hélio 24,588 Argônio 17,760 Hidrogênio 15,430 Dióxido de Carbono 13,770 Oxigênio 12,070

Além de propiciar a ionização do arco elétrico, eliminar o contato do ar atmosférico com o metal fundido é função primordial dos gases de proteção. Isto é necessário devido a forte tendência dos metais, quando aquecidos até à temperatura de fusão, de formarem óxidos e, em menor extensão, nitretos, resultando em soldas deficientes, com retenção de escória, porosidade e conseqüente fragilização no cordão de solda. Logo, precauções devem ser tomadas no sentido de excluir o oxigênio e o nitrogênio do ar atmosférico das proximidades da poça de fusão. Em adição ao fornecimento de atmosfera de proteção, o tipo e o fluxo de gás (vazão) produzem efeitos importantes nas seguintes variáveis:

• Características do arco; • Modo de transferência metálica; • Penetração e formato do cordão de solda; • Velocidade de soldagem; • Tendência ao trincamento; • Ação de limpeza; • Propriedades mecânicas do metal de solda.

Não somente o tipo, mas a vazão do gás é fundamental para a qualidade da solda. Tanto vazões excessivamente alta, quanto baixa, resultam na produção de descontinuidades e também na



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elevação dos custos de soldagem. Destaca-se o fluxo ideal de um gás deve ser necessariamente laminar. Para um mesmo diâmetro de bocal, quanto mais alta a vazão mais alta a velocidade do gás, resultando numa maior pressão sobre o metal fundido e, caso a velocidade seja muito alta, alcançando o regime turbulento, ocorrerá sucção de ar para o interior do arco. Mesmo com uma vazão ideal de gás, um excessivo ângulo da tocha pode induzir a penetração de ar sob o arco. Atenção especial deve ser dada para ângulos superiores a 25 graus. A regulagem correta da vazão do gás depende:

• Tipo de gás; • Distância bocal peça; • Geometria do bocal; • Existência de deslocamento de ar; • Inclinação da tocha; • Condições de soldagem (arame/corrente).

A Tabela 1.7 apresenta vazões típicas de gases (Ar, CO2, O2 e misturas) em função do tipo de arame e da intensidade de corrente. Destaca-se que caso a mistura seja rica em He, os valores sugeridos nesta tabela devem ser multiplicados por 2,5. A Tabela 1.8 apresenta o diâmetro do bocal a ser utilizado em função da vazão do gás de proteção selecionada.

Tabela 1.7 – Vazões típicas de gases em função do arame e da corrente.

Material do arame Vazão para corrente de 100 A (l/min)

Incremento na vazão para cada acréscimo de 50A (l/min)

Aços 10 1,5 Al, Ni e suas ligas 14 2,0 Cu e suas ligas 18 0,5 Mg e suas ligas 20 1,5

Tabela 1.8 – Diâmetro do bocal em função da vazão do gás de proteção.

Vazão (l/min) Diâmetro do bocal (mm) 8 à 11 14

10 à 13 16 12 à 18 18 20 à 25 20

Os principais gases utilizados com o processo GMAW são:

• Argônio (Ar) • Hélio (He); • Dióxido de carbono (CO2); • Oxigênio (O2).



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1.5.2.1 Gás Inerte Argônio e hélio são gases inertes. Estes gases puros ou misturas destes gases são utilizados na soldagem de materiais não ferrosos, aço carbono, de baixa liga e inoxidável. As principais diferenças entre o argônio e o hélio são a densidade, a condutividade térmica e o potencial de ionização. O argônio é aproximadamente 1,4 vez mais denso que o ar, enquanto que a densidade do hélio é aproximadamente 0,14 vez a do ar. O argônio, mais pesado, é mais efetivo na proteção do arco e do metal fundido na posição plana. O Hélio requer aproximadamente 2 ou 3 vezes maiores vazões que o argônio para fornecer igual proteção. O hélio tem maior condutividade térmica que o argônio, produzindo um arco onde a energia é mais uniformemente distribuída. O arco plasma do argônio, por outro lado, é caracterizado como tendo uma alta energia no centro e uma baixa energia nas extremidades. Essa diferença afeta o formato do cordão de solda. Um arco de solda protegido por hélio produz um cordão de solda profunda, parabólico e largo. Um arco protegido por argônio produz um cordão de solda caracterizado por penetração tipo dedo. Perfis típicos de cordões produzidos com proteção por argônio, hélio e misturas destes são apresentados na Figura 1.26.

Figura 1.26 – Perfis de cordões produzidos por arcos protegidos com gás inerte. O hélio tem um potencial de ionização maior que o argônio, e conseqüentemente, uma tensão mais alta quando outras variáveis são mantidas constantes. O hélio pode apresentar problemas na abertura do arco. Arcos protegidos somente com hélio não formam transferência spray em nenhum nível de corrente. Os arcos protegidos com hélio produzem maiores quantidades de respingos e tem acabamento mais áspero que arcos protegidos com o argônio. Argônio puro pode ser utilizado em muitas aplicações de soldagem de materiais não ferrosos. O uso de hélio puro geralmente é restrito a aplicações mais específicas, devido à sua limitada instabilidade. Entretanto, as características desejáveis encontradas com o hélio (formato do cordão) podem ser o aproveitadas utilizando-se uma mistura de gases de proteção, conforme resultado apresentado na Figura 1.26. Na transferência por curto circuito, misturas de argônio com 60 a 90% de hélio são utilizadas para obter altos aportes térmicos e melhores características de fusão. Misturas de argônio com 50 a 75% de hélio aumentam a tensão do arco em relação ao argônio puro. Estes gases são utilizados



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na soldagem de alumínio, magnésio, e cobre devido ao seu alto aporte térmico que acaba por reduzir o efeito das altas condutividades térmicas destes materiais. 1.5.2.2 Gás Ativo Cita-se o dióxido de carbono (CO2) e o oxigênio (O2). O dióxido de carbono pode ser utilizado puro ou em mistura enquanto que o oxigênio somente é utilizado em mistura. O dióxido de carbono é composto por 27% de carbono e 73% de oxigênio. Produz soldas de qualidade aceitável para a maioria das aplicações. É altamente utilizado na soldagem de aço carbono e baixa liga. É possível obter transferência metálica por curto circuito ou globular utilizado proteção por dióxido de carbono, enquanto para se obter transferência spray, é necessário à adição do argônio ao dióxido de carbono. 1.5.2.3 Misturas O uso de argônio puro, e em uma menor extensão hélio, produz excelentes resultados na soldagem de materiais não ferrosos. Entretanto proteção por argônio puro na soldagem de ligas ferrosas pode causar um arco errático e uma tendência a mordedura. Adições ao argônio de 1 a 5% de oxigênio e de 3 a 25% de dióxido de carbono produzem uma notável melhora na estabilidade do arco e na eliminação de mordeduras. A quantidade ótima de O2 ou CO2 a ser adicionado ao gás inerte depende:

• Condição superficial do metal de base; • Geometria da junta; • Posição e técnica de soldagem; • Composição do metal de solda.

Adições de 1 a 9% de oxigênio ao argônio melhoram a fluidez da poça se fusão, penetração e estabilidade do arco. Oxigênio também diminui a corrente de transição e a tendência à mordedura, apesar de aumentar a ocorrência de oxidação no metal de solda, com notável perda de sílica e manganês. Adições de dióxido de carbono ao argônio podem melhorar a aparência do cordão de solda, a estabilidade do arco e minimiza a ocorrência de mordeduras. Esta mistura é bastante utilizada na soldagem de aço carbono e baixa liga e em menor extensão em aço inoxidável. Adições de 5% dióxido de carbono ao argônio são bastante utilizado na soldagem de aços carbono utilizando corrente pulsada. Adição de 25% dióxido de carbono ao argônio é a mistura mais aplicada na soldagem de aço carbono e baixa liga. Adições de dióxido de carbono acima de 25% aumentam a corrente de transição, as perdas por respingos, a penetração e diminuem a estabilidade do arco. Mistura de argônio com 20 a 22% de dióxido de carbono e 3 a 5% de oxigênio é bastante versátil. Produz adequada proteção e boas características do arco nas transferências spray, curto circuito e pulsada. Misturas de argônio, hélio e dióxido de carbono são favoráveis para a soldagem com corrente pulsada utilizado arame de aço inoxidável. Também é usada na soldagem com transferência por curto circuito ou pulsada de aço carbono, baixa liga e aço inoxidável. Misturas tendo o argônio



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como constituinte primário são usadas na soldagem com corrente pulsada e tendo o hélio como constituinte primário, usadas na soldagem com transferência por curto circuto. A Figura 1.27 apresenta a influência da adição de oxigênio e dióxido de carbono ao argônio na geometria de cordões de solda de filete. A Tabela 1.9 dá indicações dos gases a serem utilizados com o processo GMAW na soldagem com transferência por curto circuito e a Tabela 1.10, com transferência spray. A Tabela 1.11 apresenta os possíveis resultados obtidos em função do gás de proteção utilizado para diversos materiais.

Figura 1.27 – Efeito da adição de O2 e CO2 ao Ar na geometria de cordões de solda da filete.

Tabela 1.9 – Indicação do gás a ser utilizado na soldagem GMAW com transferência por curto circuito. Material de base Gás de proteção Vantagens Aço carbono

75% Ar + 25%CO2

Produz poucos respingos e distorções; bom controle da poça na posição vertical e sobrecabeça; produz cordões de boa aparência.

Ar + 5-10% CO2 Soldagem com alta velocidade e boa penetração Aço inoxidável 90% He +

7,5 % Ar + 2,5% CO2

Não afeta a resistência a corrosão; pequena zona termicamente afetada; baixa suceptibilidade ao trincamento; mínima distorção.

Aço de baixa liga

60-70% He + 25-35% Ar + 4,5%CO2

Baixa reatividade; excelente tenacidade; excelente estabilidade do arco, bom contorno do cordão de solda e poucos respingos.

75 % Ar + 25% CO2

Boa tenacidade; excelente estabilidade do arco; boa característica de molhabilidade e contorno do cordão e poucos respingos.



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Tabela 1.10 – Indicação do gás a ser utilizado na soldagem GMAW com transferência Spray. Material de base Gás de proteção Vantagens Aço carbono

95% Ar + 3,5%O2

Melhor estabilidade do arco; produz uma poça mais fluída e controlável; mínima porosidade; boa coalescência e contorno do cordão de solda; permite maior velocidade que argônio puro.

90% Ar + 8-10% CO2

Soldagem mecanizada com alta velocidade; soldagem manual de baixo custo.

Aço de baixa liga 98% Ar + 2% O2 Minimiza tricamento; melhora tenacidade Aço inoxidável

99% Ar + 1%O2

Melhor estabilidade do arco; produz uma poça mais fluída e controlável; boa coalescência e contorno do cordão de solda; minimiza trincamento em chapas grossas.

98% Ar + 2% O2

Melhor estabilidade do arco, coalescência e maiores velocidades que 1% de oxigênio para chapas finas.

Níquel, cobre e suas ligas

100% Ar Melhor molhabilidade; diminui a fluidez do metal fundido.

Alumínio

100% Ar

Melhor transferência metálica e estabilidade do arco; menos respingos.

35%Ar + 65%He

Maior aporte térmico que argônio puro; melhor fusão com ligas Al-Mg da série 5XXX.

25%Ar + 75%He Maior aporte térmico; redução de porosidade. Magnésio 100% Ar Excelente ação de limpeza Titânio e suas ligas

Ar + 50-75% He

Usar alto aporte térmico para compensar alta dissipação de calor em chapas grossas.

100% Ar

Boa estabilidade do arco; mínima contaminação da solda.

Tabela 1.11 – Possíveis resultados obtidos em função do gás de proteção utilizado. Material de base Gás de proteção Vantagens Todas as ligas não ferrosas

100% Ar Arco de forte intensidade, com transferência em curto circuito e spray em todos os casos, exceto cobre e suas ligas, quando opera em spray.

Al, Cu e suas ligas

100% He Gera maior energia que argônio e minimiza porosidade. Transferência em curto circuito e spray no alumínio e spray no cobre.

Al, Cu, Ni, Mg, Ti e suas ligas.

Ar + He Gera maior energia que argônio puro e minimiza porosidade.

Ferrosos e liga de Cu desoxidada

Ar + 1-2% O2 Especialmente indicado para aços inoxidáveis e juntas que devem possuir alta tenacidade. Transferência spray.

Aço carbono e baixa liga

Ar + 3-5% O2

Tenacidade do metal de solda menor que a obtida com mistura de até 2% de O2. Transferência spray.

Ar + 10-30%CO2

Tenacidade decaí com o aumento de CO2. Transferência spray até 18% CO2 e em curto circuito em qualquer proporção. Uso em aço inoxidável limitado em 5% de CO2.



32

Tabela 1.11 – Continuação. Material de base Gás de proteção Vantagens Aço carbono 100% CO2

Baixa tenacidade do metal de solda. Alta taxa de deposição. Transferência em curto circuito e spray e globular. Possibilidade de porosidade dependendo de desoxidantes contido no arame.

Aço carbono CO2 + 10-20% O2

Maior penetração e minimização de porosidade que CO2 puro. Formação de escória. Transferência globular.

Cu e suas ligas 100% N2 ou Ar + 20-30% N2

Grande energia de soldagem. Produção de fumos tóxicos e muito respingo, com a mistura apresentando arco mais estável que N2 puro.

Aço carbono e baixa liga

Ar + 2-5% O2 + 5-10 % CO2

Tenacidade decai com o grau de oxidação. Transferência em curto circuito e spray. Mínima incidência de porosidade. Pode ser utilizada em aços inoxidáveis com até 5% de CO2 e 2% de O2.

Aços de baixa liga

60-70% He + 25-35% Ar + 4-5 % CO2

Metal de solda com alta tenacidade, em transferência por curto circuito.

Aços inoxidáveis

He + 7,5% Ar + 2,5% CO2

Soldas com alta resistência à corrosão, em transferência por curto circuito.

Ar + 2-4% CO2 + 1-2% H2

Quando comparado com Ar + 1-2% O2 apresenta melhor estabilidade do arco, metal mais fluido e velocidade de soldagem mais alta. Transferência spray.

13,5% Ar + 85% He + 1,5% CO2

Soldagem por curto circuito.

60%Ar + 38% He + 2% CO2

Soldagem spray e com corrente pulsada.

1.6 Seleção das Variáveis do Processo O processo GMAW pode ser utilizado para uma grande gama de materiais. O sucesso da operação depende da correta seleção das variáveis:

• Arame: composição química e diâmetro; • Gás de proteção: tipo e vazão; • Parâmetros do processo: corrente, polaridade, tensão, stick-out, velocidade, ângulo da tocha,

sentido de soldagem; • Projeto da junta: tipo de junta e chanfro; • Posição de soldagem; • Tipo de equipamento: fonte, tocha e alimentador de arame.

A interdependência entre as variáveis de soldagem torna o processo de seleção dos parâmetros uma tarefa árdua, além de específica para cada aplicação. Tem-se que considerável habilidade e experiência são necessárias para determinar os valores ótimos dos parâmetros de soldagem para uma determinada aplicação. Além disto, é fundamental que se realize testes de soldagem visando



33

o correto ajuste dos parâmetros do processo na busca da obtenção de cordão de solda de qualidade. Na seleção do arame, o objetivo a ser alcançado é que o arame produza depósitos com duas características básicas:

• Um depósito cujas propriedades físicas e químicas do metal de solda se aproxime ao máximo das do metal de base ou produza melhorias em relação ao metal de base, tal como resistência a corrosão;

• Um depósito livre de descontinuidades. No primeiro caso, para que o metal de solda tenha características metalúrgicas muito próximas do metal de base, fatores como o aporte térmico e a configuração do cordão de solda são fundamentais. A segunda característica é geralmente alcançada através do uso de uma formulação do arame adequada onde desoxidantes são utilizados. A seleção do melhor gás de proteção é baseada nas considerações sobre o material a ser soldado e o tipo de transferência a ser utilizada. A seleção dos parâmetros do processo (corrente, tensão, velocidade de soldagem, vazão do gás, extensão do eletrodo, etc.) requer algumas tentativas para determinar um conjunto de condições aceitáveis. Muitas vezes estas tentativas não são obtidas rapidamente devido à grande interdependência das variáveis. Tem-se ainda a influência do tipo de junta e da posição de soldagem na seleção destes parâmetros. Para a seleção do equipamento, o usuário deve considerar os requisitos da aplicação, faixa de potência, características estáticas e dinâmicas e velocidades de alimentação do arame. Quando um novo equipamento está para ser adquirido, algumas considerações devem ser feitas quanto à versatilidade do equipamento e a padronização. Por exemplo, se uma quantidade variada de trabalhos vai ser realizada, a versatilidade é importante na escolha do equipamento. As Tabelas 1.12 a 1.15 apresentam sugestões para valores típicos de algumas variáveis de soldagem de aço carbono e suas ligas, aço inoxidável, alumínio e cobre e suas ligas, respectivamente. Os valores mostrados nestas tabelas foram obtidos levando em consideração os tipos de juntas apresentados na Figura 1.28.

Figura 1.28 – Juntas cujos valores das variáveis mostrados nas Tabelas 1.12 a 1.15 se basearam.



34

Tabela 1.12 – Variáveis para aço carbono e suas ligas em juntas de topo e filete nas posições plana e horizontal (vertical e sobrecabeça**).

Esp. perna (mm)

Junta

Gás

Vazão (l/min)

No passe

Diam. (mm)

Vel. Arame (m/min)

I (A)

T (V)

Vel sol. (mm/s)

Taxa fusão (kg/h)

2,0 A,B** B,C

I II

10 17

1 1

0,9 1,1

4,95 11,56

110 330

18 28

13 49

1,48 5,17

3,0 B,C III 17 1 1,6 4,19 300 24 15 3,97 4,0 A,B**

B,C I

IV II

13 17 19

1 1 1

1,1 1,2 1,6

5,71 11,0 7,49

190 330 390

21 24 29

11 8

35

2,55 5,86 7,09

5,0 B,C III 18 1 1,6 5,97 350 25 14 5,65 6,0 A,B**

B,C* B,C B,E

I IV V II III

13 17 17 21 18

1 1 2 1

1 e 2

1,1 1,6 1,6 1,6 1,6

5,71 5,00 5,50 9,91 5,97

190 330 350 475 350

22 24 25 32 25

7 8 8

21 13

2,55 4,73 5,20 9,34 5,65

10 B,C B,D*

II IV

23 15

1 2

2,4 1,2

3,49 7,50

575 280

34 24

15 7

7,43 3,99

13 B,C B,D*

II IV

24 20

1 1

2,4 2,4

4,13 3,50

625 440

36 28

13 8

8,79 7,45

16 E II 23 1 2,4 4,13 625 37 9 8,79 19 E

B,D* II III

24 20

1 1 a 4

3,2 2,4

2,41 2,79

675 425

37 28

8 11

9,12 5,94

25 E B,D*

II III

24 20

1 e 2 1 a 6

3,2 2,4

2,41 2,79

675 425

37 28

7 11

9,12 5,94

** é possível utilizar estes parâmetros desde que a corrente seja reduzida cerca de 15%. * Juntas de filete, passes do mesmo lado. Juntas de topo, passes em ambos os lados. Gases: (I) CO2 ou Ar + 25%CO2; (II) CO2; (III) Ar + 1-5%O2; (IV) Ar + 3%O2; (V) Ar + 5%O2.

Tabela 1.13 – Variáveis para aço inoxidável em juntas de topo e filete nas posições plana e horizontal (vertical e sobrecabeça**).

Esp.

perna (mm)

Junta

Gás

Vazão (l/min)

No passe

Diam. (mm)

Vel. Arame (m/min)

I (A)

T (V)

Vel sol.

(mm/s)

Taxa fusão (kg/h)

1,0 A B

I I

10 10

1 1

0,8 0,8

2,60 3,70

45 60

15 17

9 6

0,61 0,87

1,5 A,B** A B

II I I

9 10 10

1 1 1

0,9 0,8 0,8

4,13 3,75 6,30

80 65

100

17 16 19

12 13 7

1,23 0,88 1,48

2,0 A,B** A B

II I I

10 10 10

1 1 1

0,9 0,8 0,8

5,65 4,25 5,10

110 75 95

18 17 18

12 8 8

1,68 1,00 1,20

4,0 A,B** A B

II I I

13 10 11

1 1 1

1,1 0,8 0,8

6,22 5,50 9,20

220 90

140

24 17 21

12 3 6

2,76 1,29 2,16

6,0 A,B** II 14 1 e 2 1,1 7,87 260 27 12 3,50 12,0 D II 16

17 1

2 e 3 1,6 1,6

5,83 7,92

300 350

28 29

6 7

5,48 7,45

** é possível utilizar estes parâmetros desde que a corrente seja reduzida cerca de 15%. Gases: (I) Ar + 3%CO2 + 1% H2; (II) Ar + 1%O2.



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Tabela 1.14 – Variáveis para alumínio e suas ligas em juntas de topo e filete em todas as posições com proteção por argônio (exceções**).

Esp.

perna (mm)

Junta

Vazão (l/min)

No passe

Diam. (mm)

Vel. Arame (m/min)

I (A)

T (V)

Vel sol.

(mm/s)

Taxa fusão (kg/h)

2,0 A,B 13 1 0,9 7,62 80 16 10 0,78 4,0 A,B 15 1 1,2 5,52 150 20 10 1,01 6,0 B,F

A** 17 26*

1 1 e 2

1,6 1,6

4,32 6,30

200 200

21 26

10 11

1,41 2,05

8,0 B,F A**

18 30*

1 e 2 1

1,6 1,6

4,83 10,0

230 280

24 31

11 11

1,57 3,25

13,0 B,F C

15 26

3 1

1,6 2,4

4,32 6,80

200 420

24 31

5 7

1,41 4,98

20,0 B,F 21 4 1,6 6,60 300 27 4 2,15 ** Somente na posição plana * Gas de proteção 70% He + 30% Ar

Tabela 1.15 – Variáveis cobre e suas ligas em juntas de topo e filete nas posições plana e horizontal com

proteção por argônio.

Arame

Esp perna (mm)

Junta

Vazão (l/min)

No passe

diam (mm)

Vel. Arame (m/min)

I (A)

T (V)

Vel sol.

(mm/s)

Taxa fusão (kg/h)

70%Cu 30%Ni

6,0 13,0

E D

17 25

1 3 a 4

0,8 1,6

10,50 6,00

130 310

18 27

4 2

2,83 6,47

80%Cu 20%Ni

13,0 G 25 1 a 4 1,6 6,49 320 27 2 6,99

Cu 3,0 6,0

13,0

A,B B,F B,F

19 21 21

1 1

1 a 2

1,2 1,6 1,6

7,24 5,08 7,11

220 350 420

25 25 26

10 6 4

4,40 5,49 7,68

Bronze Silício

3,0 6,0

A,B B,F

19 19

1 1 a 3

1,2 1,6

5,71 4,57

230 180

27 28

12 12

3,30 4,70

Bronze Alumínio

3,0 6,0

13,0

A,B B,F B,F

19 20 20

1 2

1 a 6

1,2 1,6 1,6

7,37 4,57 5,08

210 290 320

24 26 23

9 8 5

3,79 4,18 4,64

1.7 Inspeção e Qualidade Os procedimentos de qualidade para juntas feitas com GMAW são similares a aqueles utilizados nos outros processos. Dependendo das especificações, procedimentos de inspeção devem ser realizados para determinar a adequação de soldadores e das operações de soldagem, isto é, a qualificação dos soldadores e dos procedimentos de soldagem. A Inspeção e qualidade da soldagem são realizadas através de ensaios não-destrutivos (visual, líquido penetrante, partículas magnéticas, radiografia ou ultra-som) e destrutivos (tensão, fadiga, cisalhamento, impacto, dobramento, fratura, corte transversal ou testes de dureza). Estes ensaios são empregados no desenvolvimento do produto (solda), na qualificação dos soldadores e do procedimento de soldagem. Os problemas potenciais encontrados em cordões de solda realizados com o processo GMAW são a fragilização por hidrogênio, contaminação por oxigênio e



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nitrogênio e limpeza. E as principais descontinuidades que podem ocorrer são moderdura, porosidade, falta de fusão, falta de penetração, trincas e distorções e/ou tensões residuais. 1.7.1 Problemas Potenciais 1.7.1.1 Fragilização por Hidrogênio Embora seja dada uma grande atenção aos problemas causados pela fragilização por hidrogênio, a possibilidade deste problema ocorrer com o processo GMAW é pequena, uma vez que nenhum fluxo higroscópio ou revestimento é utilizado. Entretanto, outras fontes de hidrogênio devem ser consideradas. Por exemplo, o gás de proteção deve conter umidade suficientemente baixa. Isto normalmente é bem controlada pelo fornecedor de gás, porém deve ser sempre checado. Óleo, graxa e componentes lubrificantes do arame ou do metal base se tornam fontes potenciais de hidrogênio para o metal de solda. Os fabricantes de arames devem ficar atentos quanto a limpeza e normalmente tomam os devidos cuidados para fornecer um arame limpo. Contaminantes podem ser também introduzidos pela manipulação do arame pelo usuário. Usuários que estão atentos a estas possibilidades, tomam medias para evitar problemas mais sérios, particularmente na soldagem de aços de alta dureza. O mesmo cuidado é necessário para a soldagem do alumínio, porém o problema potencial é a porosidade causada pela baixa solubilidade do hidrogênio com o alumínio ao invés de ser a fragilização por hidrogênio. 1.7.1.2 Contaminação por Oxigênio e Nitrogênio As possibilidades de ocorrer contaminação por oxigênio e nitrogênio são consideravelmente maiores que as com hidrogênio nos processos GMAW. Se a proteção gasosa não for completamente inerte ou se a poça de fusão não for adequadamente protegida, esses elementos podem ser absorvidos da atmosfera durante a soldagem. Tanto óxidos quanto nitretos podem também reduzir à resistência do cordão de solda. Metal de solda depositado com o processo GMAW não é tão resistente quanto o depositado com GTAW. Destaca-se ainda que uma porcentagem de oxigênio de até 5% ou mais pode ser adicionada ao gás de proteção sem efeitos adversos para a qualidade da solda. 1.7.1.3 Limpeza A limpeza do metal base na soldagem com o processo GMAW é mais crítica quando comparada aos processos SMAW e SAW. Os elementos presentes no revestimento ou no fluxo do eletrodo destes processos possuem a capacidade de limpeza e desoxidação do metal fundido, não ocorrendo o mesmo no processo GMAW. Isto torna necessário cuidado especial antes da soldagem e na soldagem entre passes. Isto é particularmente verdadeiro para alumínio, onde procedimentos elaborados de limpeza química e remoção mecânica de óxidos metálicos são aplicados. 1.7.2 Descontinuidades 1.7.2.1 Mordedura Tem o formato de um chanfro. Ocorre entre o metal de base e o cordão de solda, conforme exemplificado pela Figura 1.29. As possíveis causas da ocorrência de mordeduras são



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excessivas velocidade de soldagem, corrente e tensão. Além disto, o ângulo da tocha incorreto e a utilização de gás de proteção incorreto podem agravar a ocorrência de mordeduras.

Figura 1.29 – Mordedura. 1.7.2.2 Porosidade Descontinuidade mais comum encontrada na soldagem. Consiste de uma cavidade formada pelo aprisionamento de gases durante a solidificação do metal fundido. Pode ocorrer internamente ao cordão de solda ou na sua superfície. A Figura 1.30 exemplifica este tipo de descontinuidade.

Figura 1.30 – Porosidade no interior do cordão de solda. A formação de poros está diretamente relacionada com a utilização de aporte térmico alto, resultando em uma taxa de resfriamento elevada, não dando tempo para que os gases gerados e/ou formados na zona fundida escapem da mesma. Está relacionada também com a unidade excessiva do metal de base ou de adição ou com a limpeza imprópria da junta durante a preparação para a soldagem. Tensões elevadas, stick out alto e uma má proteção gasosa propiciam o surgimento de porosidade na superfície do metal de solda. Tanto fluxos de gás baixo quanto excessivo são propícios para a formação de poros. A baixa vazão do gás pode ser insuficiente para retirar todo o ar da zona de fusão e uma vazão excessiva para provocar a turbulência e o aprisionamento do ar na zona de fusão. 1.7.2.3 Falta de Fusão Condição na qual a fusão é inferior à completa. Resulta da manipulação incorreta da tocha de soldagem, limpeza pobre e do uso de condições de soldagem inadequadas (velocidade de soldagem excessiva, corrente insuficiente e pobre preparação da junta: chanfro estreito). Tem-se ainda que baixos aportes térmicos, comuns à transferência por curto circuito, resultam em baixa



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penetração através do metal base. Este procedimento é desejável na soldagem de chapas finas ou fora de posição. Entretanto, a utilização imprópria da técnica pode resultar em falta de fusão, especialmente na raiz ou ao longo das faces do cordão de solda. A Figura 1.31 exemplifica este tipo de descontinuidade.

(a) chanfro estreito (b) manipulação incorreta da tocha

Figura 1.31 – Falta de fusão. 1.7.2.4 Falta de Penetração Condição na qual a penetração da junta é menor que a especificada. As mesmas causas observadas para a falta de fusão são observadas para a falta de penetração. Na preparação da junta, além da atenção que deve ser dada ao ângulo do bisel, a abertura de raiz deve ser observada para evitar a ocorrência da falta de penetração. A Figura 1.32 exemplifica a falta de penetração encontrada em cordões de solda.

(a) má preparação da junta (b) corrente insuficiente

Figura 1.32 – Falta de penetração.



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1.7.2.5 Trincas Descontinuidade extremamente grave. Pode ocorrer no interior do material (metal de solda, zona termicamente afetada ou no metal de base) ou podem ser externas. Podem ser micro (fissuras) ou macroscópicas. Podem aparecer durante a solidificação da poça de fusão (trinca por solidificação), durante o resfriamento (trinca a quente) ou horas após a realização da solda (trinca a frio). A trinca a frio mais comum é as causadas por hidrogênio. Trinca a frio ocorre principalmente na zona termicamente afetada, podendo também ocorrer no metal de solda de aços que apresentam maior dureza. A presença de trincas, adicionada às tensões residuais, propicia a ocorrência de fratura do material soldado. A má seleção das variáveis de soldagem é o principal causador de trincas. Por exemplo, o uso de aporte térmico alto que resulta em grandes distorções e/ou tensões residuais. O uso de pré-aquecimento e/ou controle do resfriamento e alívio de tensões são boas técnicas para minimizar tal descontinuidade. A Figura 1.33 exemplifica trincas observadas na soldagem.

(a) trinca na cratera (b) trinca de solidificação (c) trinca na zona fundida

Figura 1.33 – Trincas

1.7.2.6 Distorções e/ou Tensões Residuais Todo material soldado apresenta distorções e/ou tensões residuais. Tem-se que durante o resfriamento do material até a temperatura ambiente, em conseqüência da contração do mesmo, criam-se tensões térmicas de tração, nas regiões mais aquecidas, e de compressão, nas regiões mais frias. As tensões remanescentes no material, que alcançarem a tensão de escoamento em uma dada temperatura, após este retornar à temperatura ambiente, serão as tensões residuais. Quando o material a ser soldado apresentar um grau de restrição baixo, parte das tensões térmicas se manifesta na forma de distorções, porém a presença de tensões residuais é inevitável devido à própria restrição do material às expansões e contrações. Na prática, normalmente os materiais a serem soldados apresentam um grau de restrição elevado e a ocorrência de tensões residuais é mais evidente que distorções. A presença de tensões residuais vem em detrimento - direta ou indiretamente - da integridade e conservação do comportamento do material soldado. O principal agente causador de trincas é o estado de tensão introduzido em um material soldado, durante o resfriamento. Se não houver tensões de tração, mesmo existindo fatores metalúrgicos que a propicie, a trinca não ocorrerá. O uso de aporte térmico elevado e uma má seqüência de soldagem são os principais causadores deste tipo de descontinuidade.



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1.8 Segurança Segurança em soldagem, corte e processos afins é regida pela norma ANSI Z49.1. No processo GMAW existem algumas áreas tais como manuseio de cilindros, gases tóxicos, fumos, energia radiante, ruído e eletricidade que merecem atenção redobrada. Cilindros de gases comprimidos devem ser manuseados cuidadosamente e devem ser armazenados em local seguro. Quedas ou manuseio brusco podem danificar os cilindros e válvulas, podendo causar acidente. Os gases mais tóxicos associados com GMAW são ozônio, dióxido de nitrogênio, e monóxido de carbono. A radiação ultravioleta emitida pelo arco atua sobre o oxigênio da atmosfera produzindo ozônio. A quantidade vai depender da intensidade e comprimento de onda da radiação ultravioleta, da umidade e outros fatores. A concentração de ozônio vai geralmente aumentar com o aumento da corrente de soldagem, com o uso do argônio como gás de proteção e quando o material soldado é reflexivo. Se o ozônio não puder ser reduzido a níveis seguros com ventilação ou mudando-se as variáveis do processo, o operador deverá utilizar-se de ar fresco proveniente de um respirador ou de outros meios. Alguns testes mostraram que altas concentrações de dióxido de nitrogênio são encontradas somente com arcos de 150 mm de comprimento. Com ventilação adequada, estas concentrações são rapidamente reduzidas a níveis seguros para a respiração do operador. O dióxido de carbono utilizado como gás de proteção no processo GMAW será dissociado pelo calor do arco para formar monóxido de carbono. Somente pequena quantidade de monóxido de carbono é criada pelo processo de soldagem, mesmo assim, concentrações relativamente altas são formadas temporariamente na nuvem de fumos. Entretanto, o monóxido de carbono quente oxida formando dióxido de carbono e para distâncias acima de 75 mm da nuvem de fumos a concentração de monóxido de carbono se torna insignificante. Os fumos gerados por GMAW podem ser controlados pela ventilação, exaustão local ou por equipamentos de proteção respiratória. O método de ventilação deve manter um nível de substâncias tóxicas dentro de uma concentração de segurança para o soldador. A quantidade de fumos dependente de inúmeros fatores tais como do tipo de material de base, do tamanho da área de trabalho e do grau de confinamento ou obstrução para a movimentação normal do ar onde a soldagem será feita. Para cada operação de soldagem esta avaliação deve ser feita e os níveis de exposição aceitáveis são definidos pelas agências governamentais. A energia radiante produzida por GMAW pode ser maior que a produzida por SMAW, pois a energia do arco é maior, quantidade considerável de fumos gerados é menor e o arco está mais exposto. Geralmente, a maior quantidade de radiação ultravioleta é produzida quando se utiliza o argônio como gás de proteção e quando se está soldando alumínio. A seleção de filtros adequados é necessária para proteção da visão, além da utilização de roupas adequadas. O operador também deve está protegido contra exposição ao ruído gerado na soldagem. Para o Brasil os níveis aceitáveis são definidos pela NR 15 da portaria do MTB. A tensão para suprir a fonte e equipamentos auxiliares no processo GMAW varia de 110 a 575 volts. Os profissionais envolvidos na operação de soldagem devem tomar todos os cuidados



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necessários para não terem contato direto com esta tensão (por exemplo, todos os cabos de energia da fonte devem estar totalmente encapados com material apropriado). 1.9 Aplicações Especiais 1.9.1 Soldagem por Pontos ou Bujão A utilização do equipamento GMAW para se fazer pontos é uma variação do processo GMAW, onde as peças de pequenas espessuras (aproximadamente 5mm) são fundidas juntas, aproveitando a penetração do cordão de solda. Um cordão de solda é sobreposto às duas peças colocadas juntas, passando através do fundo do chanfro da primeira peça, penetrando em seguida na superfície da segunda, esta sem chanfro. Nenhum preparo das superfícies é exigido. Para peças mais espessas, pode-se fazer um chanfro na peça superior que será recoberta com metal de adição logo a seguir. A comparação entre esse processo e a solda por ponto utilizando-se resistência elétrica é observado na Figura 1.34.

Figura 1.34 – Comparação de soldagem por pontos GMAW e por resistência. A soldagem por resistência utiliza pressão e o calor gerado por efeito joule entre as peças para gerar uma poça de fusão que ao solidificar, une as mesmas. Na solda por pontos utilizando o processo GMAW, um arco elétrico é gerado para criar uma poça de fusão na peça superior, sendo a parte inferior da poça responsável pela união das peças (o calor da poça de fusão fundirá a peça de baixo). Sua principal vantagem é o acesso por apenas um lado da peça é necessário. As variáveis do processo GMAW devem ser tal que permitam um reforço adequado e uma alimentação de arame suficiente a este tipo de aplicação. Selecionando corretamente as variáveis pode-se soldar a mesma diversidade de materiais do processo GMAW convencional. Uma consideração importante do processo é a possibilidade de se unirem peças de espessuras diferentes, desde que se coloque a peça de maior espessura em cima da de menor espessura. 1.9.2 Soldagem em Chanfros Estreitos A configuração típica de chanfros estreitos é apresentada na Figura 1.35. Esta técnica é usada com vários processos convencionais de soldagem, incluindo o processo GMAW. Trata-se de um método eficiente para soldar chanfros estreitos com máxima eficiência e mínima distorção.



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Figura 1.35 – Configuração típica da junta para soldagem de chanfros estreitos. Utilizando o processo GMAW na soldagem de chanfros estreitos, atenção especial deve ser dada à tocha, com o posicionamento do arame e com as propriedades alteradas do cordão de solda devido à fusão lateral das paredes do chanfro. Destaca-se ainda que as variáveis do processo devem ser ajustadas de maneira a permitir um cordão de solda com as propriedades mecânicas desejáveis. Numerosos métodos de alimentação do arame têm sido desenvolvidos e aplicados com sucesso nesta técnica. A Figura 1.36 exemplifica algumas das técnicas de soldagem em chanfros estreitos.

Figura 1.36 – Técnicas mais utilizadas para soldagem em chanfro estreito. Dois arames com distância controlada e com dois bicos de contato são usados em linha (tandem arc), conforme apresentado na Figura 1.36(A). Os arcos são direcionados para a parede das peças produzindo uma série de soldas sobrepostas por filete. O mesmo efeito pode ser alcançado com um arame através da oscilação do mesmo entre peças, Figura 1.36(B). Essa oscilação pode ser conseguida movimentando o tubo de contato, entretanto,



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pelas dimensões do chanfro e do tubo de contato (em relação às distâncias das paredes das peças), essa técnica não é prática e raramente é empregada. Outra técnica usada é inclinando o bico de contato em 15º, Figura 1.36(C). Girando o bico para a esquerda e para a direita, consegue-se unir as peças através do tecimento da solda. A técnica mais sofisticada é apresentada na Figura 1.36(D). Durante a alimentação do arame, esse passa por roletes sendo deformado plasticamente, de maneira a gerar ondas. A sua passagem no tubo de contato não chega a alinhá-lo, recuperando sua forma ondulada após a passagem. A oscilação do arco é conseguida devida à não linearidade do arame, permitindo a soldagem das peças. Finalmente, tem-se a técnica do arame retorcido, Figura 1.36(E). O arame é entrelaçado e quando alimentado dentro do chanfro, abre o arco com as paredes das peças. Pelo fato do arame ser entrelaçado, o arco descreve um movimento rotacional, aumentando a penetração. Por outro lado é requerida a adequação do equipamento ao processo. 1.9.3 Soldagem com Duplo Arame A soldagem GMAW com duplo arame pode ser realizada nas configurações Tandem e Twin. Na configuração Tandem, os dois arames são dispostos em série (um atrás do outro) no sentido de deslocamento da soldagem, sendo que para cada arame há uma fonte de energia (potencial isolado). Na configuração Twin os dois arames são dispostos paralelos um ao outro e transversalmente ao sentido de deslocamento da soldagem, sendo que existe uma única fonte de energia para os dois arames (potencial único). As Figuras 1.37 e 1.38 apresentam esquematicamente o processo GMAW com duplo arame na configuração Tandem e Twin, respectivamente.

Figura 1.37 – Soldagem com arco Tandem.



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Figura 1.38 – Soldagem Twin. A principal vantagem da utilização de duplo arame é a elevada taxa de fusão absoluta para um baixo aporte térmico. Por outro lado, devido as altas velocidades, podendo chegar a 5 m/s, e elevadas taxas de posição, alcançando valores em torno de 15 kg/h a soldagem com arame duplo exige processos automatizados ou robotizados. Com a configuração Twin, obtém-se uma maior concentração de calor nas bordas da junta que no centro do cordão. Esta configuração oferece menor penetração que no processo convencional (um único arame), devido à própria disposição dos arcos e as altas velocidades de soldagem. O processo é indicado principalmente para soldagem de revestimento. Com a configuração Tandem, o arco que vai à frente desempenha as funções de se obter uma penetração mais profunda e uma taxa de deposição mais alta, podendo operar com altas amperagens: 350 a 400 A. O arco de traz desempenha as funções de obter um bom acabamento e uma boa largura do Cordão, trabalhando com correntes mais baixas: 200 a 250 A. A regulagem das variáveis de soldagem do arco de traz deve ser tal que não provoque respingos do metal fundido (não sopre o metal fundido). O processo é indicado em aplicações que se deseja alta eficiência aliada à alta penetração. 1.9.4 Soldagem com Arame Tubular Conforme comentado anteriormente a AWS considera a utilização de arame tubular um segmento do processo GMAW e associações estrangeiras agrupam este processo de forma diferente: processo FCAW – Flux Cored Arc Welding. A seguir detalhes deste processo são apresentados destacando seu princípio operacional e as principais diferenças em relação ao processo GMAW. 2. PROCESSO FCAW – ARAME TUBULAR 2.1 Fundamentos do Processo FCAW é um processo de soldagem onde a coalescência entre metais é obtida através de arco elétrico entre o eletrodo e a peça a ser soldada. O mesmo procedimento utilizado com o processo GMAW para iniciar a soldagem é aplicado com o processo FCAW. Porém, a proteção do arco neste processo, diferente do processo GMAW, é feita pelo fluxo interno do arame podendo ser,



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ou não, complementada por um gás de proteção. Além da função de proteger o arco elétrico da contaminação pela atmosfera, o fluxo interno do arame pode também atuar como desoxidante através da escória formada, acrescentar elementos de liga ao metal de solda e estabilizar o arco. A escória formada, além de atuar metalurgicamente, protege o cordão de solda durante a sua solidificação. Conforme já destacado anteriormente, a o mesmo equipamento utilizado no processo GMAW pode ser utilizado no processo FCAW. O fato do arame nos dois processos serem alimentados continuamente, o alto fator de trabalho e a alta taxa de deposição são características compartilhadas nos dois processos. Por outro lado, através da soldagem FCAW, devido a presente do fluxo interno ao arame tubular, é possível obter a alta versatilidade da soldagem com eletrodo revestido através do ajuste da composição química do fluxo. Apesar de todos os aspectos metalúrgicos benéficos provenientes do fluxo interno aos arames tubulares, pelo fato deste formar escória, cuidados especiais são exigidos na sua eliminação após a soldagem visando evitar inclusões de escória em cordões subseqüentes. Fato este não encontrado na soldagem GMAW. O processo FCAW possui duas variações. Na primeira, o fluxo interno do arame tem a função de desoxidante e de introdutor de elementos de liga. As funções de proteção do arco e ionização da atmosfera ficam a cargo do gás de proteção introduzido à parte: soldagem com arame tubular com proteção gasosa, Figura 2.1.

Figura 2.1 – Soldagem com arame tubular com proteção gasosa. Na segunda variação, a proteção gasosa é obtida pelos ingredientes do próprio fluxo, não sendo utilizado gás proveniente de um compartimento (cilindro) externo: soldagem com arame tubular autoprotegido, Figura 2.2.



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Figura 2.2 – Soldagem com arame tubular autoprotegido. O gás de proteção usualmente utilizado com FCAW é o dióxido de carbono ou uma mistura deste com argônio. Os gases hélio e oxigênio também estão presentes em misturas a serem utilizadas com FCAW. O uso de mistura de gases no processo FCAW combina as vantagens separadas de dois ou mais gases. O aumento de gás inerte aumenta a eficiência de transferência dos desoxidantes que estão no fluxo do arame. Por outro lado, a penetração do cordão é reduzida. O Argônio é capaz de proteger a poça de fusão em todas as temperaturas de soldagem. Sua presença em quantidades suficientes resulta na diminuição da oxidação comparado à proteção com CO2 puro (100%). Atualmente, diversos tipos de misturas estão disponíveis no mercado. A mais usada no FCAW é 75% de Argônio e 25% de CO2. O metal de solda depositado com esta mistura tem alto limite de escoamento e resistência à tração, comparado ao metal depositado com proteção de CO2 puro. Entre as diversas opções de gases e misturas destes disponíveis no mercado, a melhor opção deve ser feita por aquele que atenda aos requisitos exigidos de qualidade com o menor custo possível. Já entre os metais de base soldáveis pelo processo FCAW pode-se citar os aços de baixo carbono, os inoxidáveis, os temperados, os estruturais resistentes à corrosão, os de médio carbono tratados termicamente e os de baixa liga. Além dos aços de cromo-molibdênio resistentes a altas temperaturas e os ligados ao níquel e as próprias ligas de níquel. O processo FCAW está sendo bastante utilizado para soldar aço carbono, de baixa liga e inoxidável na construção de vasos de pressão e tubulações para as indústrias químicas, petrolíferas e de geração de energia. Na indústria automotiva e de equipamentos pesados, vem sendo usado na fabricação de partes de chassi, eixo diferencial, cambagem de rodas, componentes de suspensão e outras partes. Arames tubulares com diâmetros menores vêm sendo utilizados no reparo de chassis de automóveis. Alguns arames autoprotegidos têm sido desenvolvidos especificamente para soldagem de aços com revestimento de zinco e aços ligados ao alumínio, muito comum na indústria automobilística. Normalmente, o processo com arame tubular autoprotegido é usado em trabalho em campo, pois permite correntes de ar maiores.



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Em qualquer operação de soldagem a arco elétrico devem ser tomados cuidados com o objetivo de evitar choques elétricos, queimaduras, exposição a radiação eletromagnética e aspiração de gases ou fumos metálicos. Montagem das instalações de forma adequada, utilização de equipamentos de proteção individual (luvas e avental de raspa de couro, touca, sapatos de segurança e máscara) e instalação de sistemas de exaustão são recomendados com o objetivo de minimizar os riscos envolvidos neste tipo de operação. Com relação a choques elétricos, queimaduras e radiação eletromagnética, as precauções a serem tomadas devem ser as mesmas dos outros processos de soldagem com arco elétrico. Entretanto, na soldagem FCAW são necessários cuidados especiais com relação a gases e fumos metálicos. Isto se deve ao fato deste processo geralmente apresentar taxas de emissão de fumos (g/min) superiores aos processos GMAW e SMAW, principalmente quando se utiliza arame tubular autoprotegido. A principal diferença no que diz respeito aos modos de transferência entre o processo GMAW e FCAW é que neste o fluxo de gotas metálicas não é central ao eixo do arame. As gotas são formadas na lateral do arame visto a existência de fluxo no centro do mesmo. Isto não é um problema, porém atenção especial deve ser tomada na soldagem de juntas de filete e em juntas de topo com chanfros em “V”, visando evitar o excesso de fusão lateral nas paredes da junta e a falta de penetração na junta. Em relação às variáveis de soldagem, as mesmas observações feitas ao processo GMAW são válidas ao processo FCAW. Destacando que uma das características dos arames autoprotegidos é o uso de extensões de eletrodos maiores. Essa extensão, dependendo da aplicação, pode variar de 19 a 95 mm. Aumentando a extensão do eletrodo, aumenta a resistência ao calor do eletrodo, este pré aquece e diminui a tensão requerida do arco. Em alguns casos, a corrente de soldagem diminui a qual reduz o calor disponível para fundir o metal de base, resultando assim numa solda estreita e rasa. Grandes extensões de eletrodos não podem ser igualmente aplicadas para os arames que utilizam proteção gasosa, devido aos efeitos desfavoráveis desta proteção, recomenda-se de 19 a 38 mm. Em relação à tensão do arco, com arames autoprotegidos, o aumento da tensão pode provocar aumento na absorção de hidrogênio. Se o arame for de aço de baixo carbono pode causar porosidade. Com arame de aço inoxidável pode originar trincas pela redução do teor de ferrita no metal depositado. No que diz respeito às técnicas de soldagem, deve-se evitar a técnica do avanço, na qual a tocha de soldagem empurra a poça de fusão, visto a presença da escória. Portanto, a soldagem com arame tubular deve ser realizada, sempre que possível, com a tocha puxando a poça de fusão: técnica do arraste. Destaca-se ainda que baixas velocidades e altas correntes com o processo FCAW, além de proporcionar uma fusão excessiva do metal de base (igual ao que ocorre com o processo GMAW) pode resultar na ocorrência de inclusões de escórias e isto tem que ser evitado. O processo FCAW possui muitas vantagens em relação ao processo SMAW e também proporciona vantagens sobre os processo SAW e GMAW. Em muitas aplicações, o processo FCAW proporciona uma solda de alta qualidade e um custo mais baixo, com menor esforço do soldador que no processo SMAW. As diversas vantagens da soldagem FCAW estão listadas abaixo:



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• Alta qualidade do metal depositado; • Ótima aparência da solda (solda uniforme); • Excelente contorno em soldas de ângulo; • Solda vários tipos de aços e em grandes faixas de espessuras; • Fácil operação devido à alta facilidade de mecanização; • Alta taxa de deposição devido a alta densidade de corrente; • Relativa alta eficiência de deposição; • Economiza engenharia para projeto de juntas; • Requer menor limpeza do metal de base que no GMAW; • Distorção reduzida sobre o SMAW; • Uso de eletrodos autoprotegidos elimina a necessidade do uso de cilindros de gases, além de

ser mais tolerante para condições ao campo; • Alta tolerância com relação a contaminantes que podem originar trincas; • Resistente a trincas do cordão; • Alta produtividade.

Por outro lado, as limitações do processo FCAW são:

• Limitado a soldagem de metais ferrosos e liga a base de níquel; • Necessidade de remoção de escória; • O arame tubular é mais caro na base de peso que o arame sólido; • O equipamento é mais caro se comparado ao utilizado no processo SMAW, mas a alta

produtividade pode compensar; • Restrição da soldagem ao ar livre (somente para soldagem FCAW com gás de proteção); • Dificuldade de realizar passes de raiz; • São gerados mais fumos que nos processos GMAW e SAW.

2.2 Arame Tubular 2.2.1 Fabricação No processo de fabricação de arames tubulares uma fita ou fio máquina passa por um conjunto de rolos de conformação até sua secção transversal possuir o perfil "U". A seguir o fluxo interno é alimentado e outro conjunto de rolos de conformação fecha sua secção. Posteriormente, o arame tem seu diâmetro reduzido até atingir a dimensão desejada. Esta redução pode ser através de trefilação utilizando fieiras ou rolos. Durante este processo, caso a redução da secção seja efetuada por trefilação, são utilizados lubrificantes que serão posteriormente queimados em fornos para remoção do excesso. A Figura 2.3 representa, esquematicamente, o processo de fabricação de arames tubulares utilizando fita. Os arames tubulares, em função do tipo de fechamento, podem possuir diversos diferentes tipos de seção, conforme apresentado na Figura 2.4. Entretanto as mais usuais são com fechamento de topo e sobreposto. O percentual de fluxo no interior de arames tubulares pode variar de 15 a 50% do seu peso. Este percentual vai depender, entre outros fatores, das funções a serem desempenhadas pelo fluxo. Arames tubulares autoprotegidos possuem percentuais de fluxo consideravelmente superiores



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aos que utilizam proteção gasosa. Existem arames de diâmetro desde 0,8 mm (difíceis de encontrar no mercado) até 3,0 mm. Com relação à composição do fluxo interno os arames podem ser básicos, rutílicos ou metal cored. Os básicos produzem soldas com excelentes propriedades mecânicas e baixos teores de hidrogênio, os rutílicos proporcionam uma soldagem "suave" e um cordão com excelente aspecto visual e os do tipo metal cored, que possuem alto percentual de pó de ferro em sua composição, proporcionam altas taxas de deposição e alto rendimento.

Figura 2.3 – Processo de fabricação de arames tubulares (esquematicamente).

Figura 2.4 – Seções de arames tubulares. 2.2.2 Classificação A AWS (American Welding Society) possui três especificações destinadas aos consumíveis para soldagem com o processo FCAW:

• A5.20 – especificação para arames tubulares de aço carbono; • A5.29 – especificação para arames tubulares de aço de baixa liga; • A5.22 – especificação para arames tubulares de aço inoxidável.



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O sistema de classificação AWS utilizado para a especificação A5.20 segue basicamente o apresentado pela Figura 2.5.

Figura 2.5 - Sistema de classificação AWS para consumíveis de aço carbono. Em função do último dígito apresentado na classificação AWS para a especificação A5.20, pode-se listar 12 tipos de eletrodos para o processo FCAW: EXXT-1. São designados para serem utilizados com proteção gasosa por CO2 com DCEP. Contudo, misturas de CO2 e argônio são também utilizadas visando uma melhoria na estabilidade do arco, especialmente para aplicações fora de posição. Menores quantidades de CO2 na mistura com argônio pode aumentar a porcentagem de manganês e silício no metal de solda e melhor a resistência ao impacto do cordão de solda. Estes eletrodos são designados para soldagem de simples e múltiplos passes. Os eletrodos T-1 são caracterizados por transferência spray, baixos níveis de respingos, configuração do cordão plano para levemente convexa e moderada quantidade de escória é formada na qual oferece uma completa proteção (cobertura) para o cordão de solda. EXXT-2. São designados para trabalhar com DCEP com proteção por CO2. Oferecem uma maior porcentagem de manganês ou silício ou ambos ao metal depositado que os do grupo T-1. São designados primariamente para passe único nas posições plana e horizontal. Os T-2 que utilizam o manganês como principal elemento desoxidante oferece boas propriedades mecânicas ao metal de solda tanto no passe simples como em múltiplos passes. Contudo, um cordão de solda contendo um alto teor de manganês e uma alta resistência à tração pode ocorrer em aplicações de múltiplos passes. As características do arco e a taxa de deposição destes eletrodos são similares aos eletrodos T-1. EXXT-3. Os eletrodos desta classificação são autoprotegidos, usados com DCEP, e tem transferência metálica tipo spray. O sistema de fluxo oferece a possibilidade de se trabalhar com velocidade de soldagem bastante alta. São usados para realizarem soldas de passe simples na posição plana, horizontal e na posição vertical descendente sobre aços de até 4,8 mm de espessura. Não são recomendados para soldagem de aços acima desta espessura, nem para soldagem de múltiplos passes.



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EXXT-4. São autoprotegidos, operam com DCEP e o tipo de transferência é globular. O sistema de fluxo oferece características que permitem alta taxa de deposição com nível de desulfurizantes no metal de solda baixo, permitindo que o metal depositado seja resistente ao trincamento. Estes eletrodos oferecem baixa penetração e podem ser utilizados em simples ou múltiplos passes. EXXT-5. Designados para serem utilizados com proteção gasosa por CO2 (misturas de argônio e CO2 também podem ser utilizadas), para simples e múltiplos passes na posição plana e horizontal. São caracterizados por transferência globular, configuração do cordão levemente convexa e o baixo volume de escória produzido pode não oferecer completa cobertura ao cordão de solda. O metal de solda depositado com estes eletrodos apresenta propriedades ao impacto e resistência à trincas superiores aos do tipo rutílico (EXXT-1 e EXXT-2). EXXT-6. São autoprotegidos, operam com DCEP e tem transferência do tipo spray. O sistema de fluxo oferece boa resistência ao impacto à baixa temperatura, grande penetração e fácil destacabilidade da escória. Eletrodos utilizados na soldagem de simples e múltiplos passes na soldagem na posição plana e horizontal. EXXT-7. São autoprotegidos e operam com DCEN. O sistema de fluxo permite a obtenção de altas taxas de deposição utilizando eletrodos de diâmetros maiores e a soldagem em todas as posições utilizando eletrodos de diâmetros menores. O sistema de fluxo também é designado a permitir uma desulfurização no metal de solda, melhorando a sua resistência ao trincamento. São utilizados na soldagem de simples e múltiplos passes. EXXT-8. São autoprotegidos e operam com DCEN. O sistema de fluxo permite que estes eletrodos sejam utilizados na soldagem de todas as posições. O sistema de fluxo também oferece boa resistência ao impacto à baixa temperatura e a desulfurização no metal de solda, melhorando a sua resistência ao trincamento. São utilizados na soldagem de simples e múltiplos passes. EXXT-10. São autoprotegidos e operam com DCEN. O sistema de fluxo permite que a soldagem possa ser realizada com velocidades elevadas. Estes eletrodos são utilizados na soldagem de simples passe sobre material de qualquer espessura na posição plana, horizontal e na vertical descendente. EXXT-11. São autoprotegidos e operam com DCEN e tem uma transferência tipo spray. O sistema de fluxo permite a soldagem em todas as posições e com altas velocidades. São normalmente designados para soldagem de simples e múltiplos passes e em todas as posições. EXXT-G. Classificação designada a novos eletrodos de múltiplos passes. O sistema de fluxo, as características do arco, a aparência do cordão e a polaridade não são pré-definidas. EXXT-GS. Classificação designada a novos eletrodos de simples passes. O sistema de fluxo, as características do arco, a aparência do cordão e a polaridade também não são pré-definidas. Para a especificação A5.29, aços de baixa liga, o sistema de classificação AWS utilizado segue basicamente o apresentado pela Figura 2.6.



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Figura 2.6 – Sistema de classificação AWS para consumíveis de aço de baixa liga. Estes eletrodos são designados para produzirem depósitos de solda com composição química e propriedades mecânicas similares aos produzidos com eletrodos revestidos para aços de baixa liga. São geralmente utilizados na soldagem de metais de base de aços de baixa liga de composição química similar ao do arame. A classificação AWS para a especificação A5.29 listar 5 diferentes tipos de eletrodos para o processo FCAW: EXXT1-X. São designados para serem utilizados com proteção gasosa por CO2. Contudo, misturas de CO2 e argônio são também utilizadas visando uma melhoria na estabilidade do arco, especialmente para aplicações fora de posição. Estes eletrodos são designados para soldagem de simples e múltiplos passes. São caracterizados por transferência spray, baixos níveis de respingos, configuração do cordão plano para levemente convexa e moderada quantidade de escória é formada na qual oferece uma completa proteção (cobertura) para o cordão de solda. EXXT4-X. São autoprotegidos, operam com DCEP e o tipo de transferência é globular. O sistema de fluxo oferece características que permitem alta taxa de deposição e baixo nível de desulfurizantes no metal de solda, permitindo que o metal depositado seja resistente ao trincamento. Estes eletrodos oferecem baixa penetração e podem ser utilizados em simples ou múltiplos passe nas posições plana e horizontal. EXXT5-X. Designados para serem utilizados com proteção gasosa por CO2 (misturas de argônio e CO2 também podem ser utilizadas), para simples e múltiplos passes na posição plana e horizontal. Alguns T5-X são designados para soldas DCEN com mistura de argônio e CO2, fora de posição. São caracterizados por transferência globular, configuração do cordão levemente convexa e o baixo volume de escória produzido pode não oferecer completa cobertura do cordão de solda. O metal de solda depositado com estes eletrodos apresentam propriedades ao impacto e resistência à trincas superiores aos do tipo T1-X. EXXT8-X. São autoprotegidos e operam com DCEN. O sistema de fluxo permite que estes eletrodos sejam utilizados na soldagem de todas as posições. O sistema de fluxo também oferece boa resistência ao impacto à baixa temperatura e a desulfurização no metal de solda, melhorando a sua resistência ao trincamento. São utilizados na soldagem de simples e múltiplos passes.



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EXXTX-G. Classificação designada a novos eletrodos de múltiplos passes. O sistema de fluxo, as características do arco, a aparência do cordão e a polaridade não são pré-definidas. Para a especificação A5.22, aço inoxidável, o sistema de classificação AWS utilizado segue basicamente o apresentado pela Figura 2.7.

Figura 2.7 – Sistema de classificação segundo a AWS para especificação A5.22. A classificação AWS para a especificação A5.22 listar 4 diferentes tipos de eletrodos para o processo FCAW: EXXXT-1. São designados para serem utilizados com proteção gasosa por CO2 com DCEP e em todas as posições. EXXXT-2. São designados para trabalhar com DCEP com proteção por mistura de argônio e O2. EXXXT-3. São autoprotegidos, usados com DCEP. EXXXT-G. Classificação designada a novos eletrodos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASM Handbook, Welding, Brazing, and Soldering. ASM International, Vol. 6, USA, 1993.

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