efeito da polaridade na penetração em soldagem de aço com...

Efeito da polaridade na penetração em soldagem

de aço com eletrodo revestido

Anizio Cesar Silveira de Souza1

Marilene Miranda Viana2

Marco Luiz de Souza Florias3

Resumo

O presente trabalho tem por objetivo comprovar, à luz da experimentação, as vantagens e

desvantagens do efeito da polaridade na penetração em soldagem de aço com eletrodo revestido.

Foram feitos ensaios experimentais onde foi constatada a veracidade da literatura acerca do

tema, onde se conclui que a penetração dos cordões de solda executados com Corrente Contínua

com Polaridade Inversa é maior que a penetração dos cordões de solda executados com Corrente

Contínua com Polaridade Direta.

Palavras chave: Penetração. Polaridade. Arco elétrico.

1 Mestre em Engenharia Mecânica e de Materiais; Especialista em Manutenção Industrial; Graduado para o

Magistério de disciplinas específicas dos cursos técnicos. Docente do Instituto Federal Fluminense, Campus

Centro – RJ Brasil. [email protected] 2 Mestranda em Engenharia de Produção; Pós Graduada em Sistema de Informações; Graduado para o Magistério

de Disciplinas Específicas dos Cursos Técnicos; Docente do Instituto Federal Fluminense, Campus Centro – RJ

Brasil. [email protected] 3 Licenciatura em Matemática. Docente atuante da área de soldagem. [email protected]

mailto:[email protected]



1. Introdução

1.1. A evolução da indústria em termos globais e nacionais.

A missão da indústria é, e sempre foi, transformar processos. A indústria da manufatura

consiste em transformar a matéria prima em diversos produtos que serão destinados diretamente

ao consumidor, ou reprocessada até serem utilizados por este.

A evolução histórica do processo industrial teve seu marco principal a partir da

revolução industrial, onde, a partir da necessidade de construção e reconstrução de processos,

o aporte de máquinas e equipamentos adequados às novas circunstâncias foi grande. É certo

que o processo se desencadeou a nível global, tendo seu início na Inglaterra, espalhando-se pela

Europa e Estados Unidos. Embora os países tenham percorrido caminhos diferentes para tal,

uma vez que as demandas foram diferenciadas até mesmo em função do grau de devastação

pelo qual tenham passado. Neste cenário um dos grandes exemplos de reconstrução que

despontam no mundo atualmente é o Japão, que se viu após a segunda grande guerra, devastado,

em condições totalmente desfavorecidas e teve a necessidade de adaptar-se a grandes

mudanças, tendo evoluído em um contexto industrial e tecnológico que o coloca em tempos

atuais como um modelo de revolução industrial e tecnológica.

De formas diferenciadas em um contexto global, o fato é que o grande marco para a

evolução e inovação na indústria, transformadora de processos, se deu a partir da Primeira

Revolução Industrial, datada do ano de 1760 e teve sua transição para novos processos

de manufatura no entre aquele ano a algum momento entre 1820 e 1840, este último período

denominado Segunda Revolução Industrial. Este tempo cronológico se baseia em uma média

de estudos feito entre as diversas literaturas acerca do assunto, pois há uma divergência entre

os diversos autores, mas de um modo geral, em termos medianos seria esse o marco

cronológico. Nesse período, ocorreu a transição dos processos fabris, passando de puramente

artesanais para a fabricação por máquinas, surgiram também novos processos químicos e

também novos processos para a produção de ferro.

No Brasil, o processo de industrialização pode ser dividido em quatro períodos, sendo

o primeiro período entre os anos de 1500 e 1808, denominado Período de Proibição, período

caracterizado pela restrição ao desenvolvimento de atividades industriais no Brasil, sendo

permitida apenas uma pequena indústria para consumo interno, principalmente de fiação e

calçados, em função das distâncias entre a metrópole e a colônia.

O segundo período que variou entre os anos de 1808 e 1930, denominado Período de

Implantação, teve como principal característica a abertura dos portos, por Dom Pedro Primeiro,

ao comércio exterior, passando pelo chamado primeiro surto industrial quando a quantidade de

estabelecimentos passou de 200, em 1881, para 600, em 1889, tendo sua culminância no período

pós-primeira guerra mundial, onde constatamos que os períodos de crise foram favoráveis ao

crescimento industrial do Brasil.

O terceiro período, chamado de Revolução Industrial Brasileira teve início no ano de

1930 e foi até o ano de 1956, seguido do quarto período, denominado período da

internacionalização da economia brasileira, períodos acabam por se fundir em termos

temporais.

Em outubro de 1953, foi inaugurada a Petrobrás, que seria responsável pela execução

do monopólio estatal do petróleo para pesquisa, exploração, refino do produto nacional e

estrangeiro, transporte marítimo e sistema de dutos.

Quase que simultaneamente, também em 1953, foi fundada a COSIPA, Companhia

Siderúrgica Paulista, e após mais de dez anos em fase de preparação e projeto, a Usina foi

inaugurada em 18 de dezembro de 1963. A partir deste marco histórico, deu-se início ao

http://pt.wikipedia.org/wiki/Manufatura

processo de abrangência do uso de produtos siderúrgicos, despertando finalmente aí o país em

termos globais de industrialização, a partir da década de sessenta.

1.2. A relevância do processo de soldagem na indústria.

A partir da evolução histórica da indústria no Brasil, surge a necessidade de se conhecer

os fenômenos que ocorrem nesta, em especial os fenômenos de soldagem, criando-se assim a

Comissão Técnica de Soldagem, congregando interessados na produção, emprego e controle de

materiais e processos de soldagem. Com a consolidação das escolas técnicas, estabelecimentos

de ensino de engenharia metalúrgica, naval, mecânica e de produção, surgem especialistas de

grau médio capazes de soldar e também de entender o que se passa sob aquela chama ou arco,

fundando-se a Associação Brasileira de Soldagem, tamanha a relevância do processo.

Desde a união de pequenas juntas até a união de chapas em estruturas dos mais diversos

tamanhos, em suas diversas modalidades, está presente o processo de soldagem. Os processos

variam de acordo com a demanda, pode ser manual ou automatizado, por fusão ou por pressão,

depender de outras habilidades dos profissionais da soldagem, como o alpinismo, por exemplo,

enfim, cada caso vai criar uma demanda especial. Os processos de soldagem perpassam a

indústria como um todo, e dada a sua relevância, é estudado com graus de aprofundamentos

diferentes nas diversas engenharias industriais, em especial na área da metalmecânica.

Segundo Modenesi e Marques (2006), dentre os vários processos de soldagem

metalúrgica, exemplificam-se, o processo de soldagem TIG ou Gas Tungsten Arc Welding

(GTAW), Gas Metal Arc Welding (GMAW) ou MIG-MAG, sendo Metal Inert Gas (MIG),

quando gás for inerte e Metal Active Gas (MAG), quando o gás for ativo (CO2 ou misturas

Ar/O2/CO2), e o processo de soldagem eletrodo revestido, Manual Metal Arc (MMA) ou

Shielded Metal Arc Welding (SMAW), sendo este último objeto deste estudo.

2. O processo de soldagem.

2.1. Definição

Por definição de Modenesi, Marques e Bracarense (2009) a soldagem é considerada um

processo de união. No caso de dois pedaços de metais, esta união ocorre através da aplicação

de alta energia e nenhum outro método de junção forma um vínculo tão poderoso, uma vez que

a soldagem cria uma liga entre as juntas quase sempre mais forte do que os metais usados para

a sua formação.

Para Dutra (2015), denomina-se soldagem ao processo de união entre duas peças

metálicas, usando uma fonte de calor com ou sem pressão, sendo a solda é o resultado deste

processo.

Os processos de soldagem são utilizados nas mais diversas construções envolvendo

estruturas metálicas, aviões, veículos espaciais, locomotivas, pontes, prédios, óleo dutos,

gasodutos, plataformas marítimas, e outros diversos na linha de produção industrial.

Em seu trabalho, Santos (2015), retrata que cada processo de soldagem deve preencher

os seguintes requisitos:

Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais ou não.

Remover as contaminações das superfícies a serem unidas.

Evitar que o ar atmosférico contamine a região durante a soldagem.

Propiciar o controle da transformação de fase, para que a solda alcance as

propriedades desejadas, sejam elas físicas, químicas ou mecânicas.

2.2. Processo de soldagem por Eletrodo Revestido (MMA/SMAW)

2.2.1. O processo

A soldagem com eletrodos revestidos é chamada de MMA (Manual Metal Arc) ou

SMAW (Shielded Metal Arc Welding). Esse é o mais antigo e o mais versátil dentre os vários

processos de soldagem a arco (Figura 1).

É realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre duas partes metálicas, a

extremidade de um eletrodo metálico revestido e a peça de trabalho/metal base. O calor

produzido pelo arco elétrico é suficiente para fundir o metal de base, a alma do eletrodo e o

revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a poça de

fusão, são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos durante a decomposição do

revestimento. A escória líquida flutua em direção à superfície da poça de fusão, onde protege o

metal de solda da atmosfera durante a solidificação.

Fig. 1. Ilustração do processo de soldagem.

Fonte: http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_eletrodo_revestido_mma_smaw.cfm

2.2.2. Classificação

Os processos de soldagem podem ser classificados: pelo tipo de fonte ou pela natureza

da união.

2.2.2.1. Tipos de fonte

Geradora: fornece a corrente contínua, solda qualquer tipo de eletrodo, tanto

básico, celulósico ou rutílico. São máquinas que possuem boa estabilidade de corrente

além de funcionarem com uma fonte alternativa, possibilitando assim a amplitude de

trabalhabilidade em qualquer local menos apropriado, em questão de deslocamento.

Retificadora: possuem as mesmas características das fontes geradoras, porém

não dependem exclusivamente da energia elétrica para sua alimentação.

Transformadora: pode ser encontrada tanto para uso com corrente contínua

quanto com corrente alternada. São máquinas de baixo custo, de fácil deslocamento,

porém são limitadas em suas funções por não possuírem propriedades de

trabalhabilidade com consumíveis de revestimento básico.

2.2.2.2. Natureza da união

2.2.2.2.1. Calor

Entende-se por união induzida por calor os processos que utilizam o arco elétrico ou

chama.

2.2.2.2.2. Pressão

Entende-se por união por pressão, o processo de soldagem por ponto, ou por resistência

e por fricção.

2.2.3. Características

O processo de soldagem com eletrodo revestido é o mais amplamente utilizado. Possui

a maior flexibilidade entre todos os processos de soldagem uma vez que a maioria dos metais

pode ser unida ou revestida pela soldagem.

Existe uma grande variedade de eletrodos revestidos, facilmente encontrados no

mercado, cada eletrodo contendo no seu revestimento a capacidade de produzir os próprios

gases de proteção dispensando o suprimento adicional de gases, necessário em outros processos

de soldagem.

Eletrodos revestidos podem ser usados em todas as posições (plana, vertical, horizontal,

sobre cabeça), como em praticamente todas as espessuras de metal de base e em áreas de acesso

limitado. Também é usado para revestimentos duros, corte e goivagem.

É mais simples em termos de necessidades de equipamentos com custo do investimento

relativamente baixo.

2.2.4. Vantagens

Processo de soldagem de baixo investimento;

Não há necessidade do suprimento de gases;

Flexibilidade de aplicação;

Grande variedade de combustíveis;

Equipamentos podem ser usados também para outros processos.

2.2.5. Desvantagens

Baixa produtividade;

Necessidade de cuidados especiais com os eletrodos;

Volume de gases e fumos gerados no processo.

2.2.6. Aplicações

A soldagem com eletrodo revestido é usada na fabricação e montagem de diferentes

equipamentos e estruturas, tanto em oficinas como no campo, sendo particularmente

interessante neste último caso.

Pode ser usada em grande número de materiais, como aços baixo carbono, baixa liga,

média liga e alta liga, aço inoxidável, ferro fundido, alumínio, cobre, níquel e ligas destes.

Diferentes combinações de metais dissimilares também podem ser soldadas com eletrodo

revestido. Metais de baixo ponto de fusão como chumbo, estanho e zinco e metais muito

refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônio, molibdênio e nióbio não são soldáveis

por este processo.

2.2.7. Classificações

Existem diferentes tipos de eletrodos revestidos, variando de acordo com o material a

ser soldado e sua aplicação. A norma mais utilizada para classificação dos eletrodos revestidos

é a ASME II Part C (American Society of Mechanical Engineers - Sociedade Americana dos

Engenheiros Mecânicos), que segue as definições da AWS (American Welding Society -

Sociedade Americana de Soldagem).

A classificação é feita de acordo com o tipo de consumível, propriedades mecânicas,

posições de soldagem, tipo de revestimento e composição química do metal depositado. A

Figura 2 apresenta a especificação dos Eletrodos Revestidos Aço Carbono e Aço Baixa Liga

segundo ASME II Part C AWS SFA 5.1 e 5.5.

Fig. 2. Especificação dos Eletrodos Revestidos


Quadro 1 - Classificação dos consumíveis

E6010 Resistência à tração do metal depositado, mínima de 60ksi (~430MPa).

Soldagem em todas as posições em corrente CC+. Revestimento tipo

celulósico ligado com silicato de sódio.


Soldagem em todas as posições em correntes CA, CC+ ou CC-. Revestimento

tipo rutílico ligado com silicato de potássio.


Soldagem em todas as posições em correntes CA, CC+. Revestimento tipo

básico de baixo hidrogênio e pó de ferro ligado com silicato de potássio.

E8018-B2 Resistência à tração do metal depositado, mínima de 80ksi (~550MPa) após

tratamento térmico. Soldagem em todas as posições em correntes CA, CC+.

Revestimento tipo básico de baixo hidrogênio e pó de ferro ligado com silicato

de potássio depositando metal de solda com teores de 1,25% Cr e 0,5 Mo

(resistente a fluência).

Fonte: Autores

http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_eletrodo_revestido_mma_smaw.cfm

Quadro II – Classificação química do depósito de soldagem

A1 Ligado ao Molibidênio 0,5% para trabalhos a quente.

BX Ligado ao Cromo e Molibidênio para trabalhos a quente.

BXL Ligado ao Cromo e Molibidênio com baixo teor de Carbono para trabalhos a

quente, com maior ductilidade e menor dureza.

CX Ligado ao Níquel para maior resistência mantendo alta tenacidade a baixa

temperaturas.

NM Ligado ao Níquel e Molibidênio para evitar a necessidade de tratamento

térmico pós-soldagem (TTPS).

DX Ligado ao Manganês e Molibidênio, para combinar resistência mecânica com

adequada resistência a corrosão.

G Necessita de um teor mínimo de qualquer um dos seguintes elementos: 1,00%

Mn, 0,80% Si, 0,50% Ni, 0,30% Cr ou 0,20%Mo, podendo ser desenvolvido

para atender requisitos específicos de uma aplicação.

M Conforme composições cobertas pelas especificações militares

PX Ligado a Níquel, Cromo e Molibidênio para soldagem de tubulações

WX Ligado a Níquel, Cromo e Cobre, para resistência a corrosão atmosférica.

Fonte: Autores

2.2.8. Juntas típicas e posições de soldagem

Para cada cordão de solda específico, são geradas juntas específicas, conforme mostram

as ilustrações da Figura 3.

Fig. 3. Juntas e posições.


3. Corrente elétrica no processo de soldagem por Eletrodo

Revestido (MMA/SMAW)

3.1. Definição

http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_eletrodo_revestido_mma_smaw.cfm

Pode-se definir o arco elétrico “como a descarga elétrica mantida através de um gás

ionizado, iniciada por uma quantidade de elétrons emitida do eletrodo negativo (catodo),

aquecido e mantido pela ionização térmica do gás aquecido”. No arco elétrico a descarga

elétrica tem baixa tensão e alta intensidade. Nesta definição existiam três conceitos importantes

para o conhecimento do arco elétrico: calor; ionização e emissão.

3.1.1. Calor

O calor é devido à movimentação de carga elétrica no arco elétrico de um eletrodo

permanente; a ocorrência de choques entre estas cargas gera calor.

3.1.2. Ionização

No arco os íons positivos podem ser considerados imóveis quando comparados com a

velocidade dos elétrons, sendo estes, portanto, os responsáveis pela geração do calor. Para se

ter uma ideia da participação dos elétrons, basta saber que, na colisão de um elétron com um

átomo de hélio, somente 0,06% da energia acumulada pelo elétron é transferida para o átomo,

aquecendo o de 0,001º C por colisão.

No caso do arco elétrico de eletrodos consumíveis, além do choque entre íons, há

também o choque entre íons e átomos gerados na fusão do eletrodo e entre íons e as gotas que

atravessam o arco.

A seleção de parâmetros de soldagem, as suas condições operacionais e seus resultados

dependem fortemente de fenômenos que ocorrem no próprio arco e em suas vizinhanças.

3.1.3. Emissão

São causadas pelo aumento do fluxo de elétrons que saem do metal, devido ao aumento

substancial de sua temperatura (Efeito termiônico), tornando extremamente facilitada a saída

dos elétrons.

Um arco elétrico é formado quando dois condutores de corrente elétrica são

aproximados para fazer o contato elétrico e depois afastados aumentando a resistência ao fluxo

de corrente fazendo com que as extremidades do condutor onde ocorre este fluxo de corrente

sejam elevadas a altas temperaturas isto acontece também com o pequeno espaço de ar entre

eles, os elétrons vindos do eletrodo negativo colidem com as moléculas e o espaço de ar,

desmembrando-se em íons e elétrons livres e tornando a fresta de ar um condutor de corrente

devido a ionização. Isto mantem a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco; na prática

para acender e manter o arco elétrico o soldador toca ou resvala na peça com a extremidade do

eletrodo depois o afasta ligeiramente respeitando um afastamento máximo para que ocorra esta

intensa descarga de elétrons e ocorra este intervalo entre os condutores, no instante do contato

a corrente passa no circuito e continua a circular quando o eletrodo é afastado, formando um

arco, devido a ter acontecido à ionização, isto é, o ar se torna condutor de corrente. A tensão

faz com que a corrente prossiga mesmo depois que o eletrodo é afastado da peça, fazendo com

que o arco elétrico se mantenha, isto faz com que o arco produza alta temperatura, fundindo o

material do eletrodo e da peça, formando a solda.

3.2. Tipos de corrente

3.2.1. Corrente contínua

Quando a corrente segue na mesma direção e sentido chama-se corrente contínua, a

fonte fornecedora desta corrente mantém constante sua polaridade; ou seja:

O borne negativo será sempre negativo;

O borne positivo será sempre positivo.

3.2.2. Corrente alternada

Quando a corrente que passa através de um corpo sofre inversão de sentido em intervalos

regulares de tempo, caminhando primeiro num sentido depois no outro chamamos corrente

alternada, cada borne ora será negativo, ora será positivo.

Com corrente alternada a penetração e a taxa de fusão são médias, mas existe a vantagem

de se utilizar eletrodos maiores e correntes mais elevadas.

3.2.3. Sentido da corrente

A corrente elétrica sempre circula do polo negativo para o polo positivo. No processo

de soldagem quando a máquina de solda esta operando, a corrente elétrica sai pelo borne A,

desloca-se pelo cabo até a peça que esta sendo soldada, provoca a fusão do material da peça

com o material do eletrodo através do arco elétrico, passa pelo eletrodo e retorna ao borne B,

através do cabo, entra pela máquina e torna a sair pelo borne A, conforme Figura 4. Por isto é

comum se dizer que quando o cabo porta eletrodo esta ligado no polo negativo da máquina

temos uma polaridade negativa ou direta, e quando o cabo porta eletrodo esta ligado ao polo

positivo da máquina temos uma polaridade positiva ou indireta. Durante a soldagem percebe-

se que o comportamento dos polos do arco não é o mesmo; por isso é importante especificar o

polo utilizado em um processo de soldagem.

Figura 4: sentido da corrente

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAX-4AB/apostila-soldador-eletrico

3.2.4. Penetração e polaridade

A polaridade influencia a forma e a dimensão da poça de fusão, além de afetar o tipo de

transferência e a estabilidade do arco elétrico. A polaridade inversa produz maior penetração,

enquanto a polaridade direta permite penetração menor com maior taxa de fusão.

Como sabemos os polos do arco elétrico não se comportam de maneira igual. O bombardeio a

que os elétrons sujeitam o anodo é mais eficiente que o bombardeio dos íons no catodo em

função da energia cinética de cada elétron ser muito maior do que de cada íon, bem como o fato

da saída dos elétrons do catodo consumir energia. Isto significa sempre que a temperatura do

anodo é maior que a catodo.

A polaridade tem a ver com a direção do fluxo de corrente no processo de soldagem.

Com corrente contínua (DC), o circuito da solda pode ser de polaridade direta ou inversa.

Quando a fonte é configurada para a polaridade direta a corrente flui do eletrodo para a

superfície da solda criando calor considerável no metal. Quando a fonte está em polaridade

inversa, a corrente caminha ao contrário, fluindo do metal para o eletrodo e causando uma maior

concentração de calor no eletrodo. Em uma soldagem com eletrodos opostos, há três tipos de

interfaces entre os materiais: duas interfaces eletrodo-peça e uma interface peça-peça. Como os

eletrodos condutores são geralmente colocados contra materiais resistivos e vice-versa, não é

comum haver junções desiguais na solda. Para tirar proveito da polaridade, o eletrodo negativo

deve ser colocado sobre a resistiva, e o eletrodo positivo, contra as peças mais condutivas. Isto

aumentará o calor das interfaces nos dois materiais e reduzir o calor das interfaces eletrodo

peça. Inverter as polaridades fará com que a interface do material fique mais fria e poderá causar

a aderência do eletrodo.

3.2.4.1. Penetração com corrente contínua com polaridade direta

Em função do comportamento dos polos do arco ser diferente, convencionou-se chamar

de polaridade direta aquela em que o eletrodo é o catodo (polo negativo) e a peça é o anodo,

representados por CC -, usada no processo o porta eletrodo é conectada ao negativo da fonte de

energia e a peça é conectada ao positivo da fonte. Quando o arco é estabelecido, os elétrons vão

do eletrodo para a peça. Nesse caso, cerca de 70% do calor ficará concentrado no lado positivo

do arco, ou seja, na peça, o que oferece maior penetração. O eletrodo recebe uma menor porção

de energia e trabalha a uma temperatura mais baixa, além disso, o fluxo de elétrons que deixa

o eletrodo melhora o efeito de refrigeração do eletrodo, e ao mesmo tempo em que os elétrons

estão indo de encontro à peça, os íons são atraídos pelo eletrodo.

3.2.4.2. Penetração com corrente contínua com polaridade inversa

Quando o eletrodo é o anodo (polo positivo) e a peça é o catodo, a polaridade é dita

inversa CC+, utilizada quando a porta do eletrodo é conectada ao terminal positivo da fonte e a

peça no negativo (Figura 5). Neste caso, o fluxo de elétrons ainda é do negativo para o positivo,

porém o eletrodo agora é o polo positivo do arco e a peça o negativo. Neste caso, elétrons saem

a peça com o mesmo efeito de refrigeração, impactando o eletrodo e resultando um efeito de

aquecimento, onde o eletrodo recebe a maior quantidade de calor, portanto se aquece mais e a

peça recebe a menor quantidade de calor e dessa forma tem-se uma penetração menor, mais

superficial. Outra desvantagem de se usar CC+ é a maior susceptibilidade ao efeito das forças

magnéticas, fazendo com que o arco às vezes se mova de um lado para o outro.

Figura 5: conexões e efeitos da CC – polaridade inversa

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAmPkAB/processos-fabricacao-apostila?part=2 (adaptado)

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAmPkAB/processos-fabricacao-apostila?part=2

3.2.5. Efeito termodinâmico

A soldagem por fusão é realizada pela aplicação localizada de energia em uma parte da

junta (região da(s) peça(s) onde será feita a solda) de forma a conseguir a sua fusão localizada,

de preferência afetando termicamente ao mínimo o restante da(s) peça(s).

A fonte transfere energia à junta através de uma área de contato de forma a aquecer o

material adjacente até a sua fusão. Por outro lado, devido à elevada condutividade térmica dos

metais e à grande diferença de temperatura entre as regiões próximas e afastadas da área de

contato, a energia fornecida ao material tende a se difundir rapidamente para restante da(s)

peça(s), o que dificulta manter a fusão localizada na região de contato e afeta termicamente as

regiões vizinhas.

Para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte deve fornecer energia a uma taxa elevada

e em uma área pequena para garantir a fusão localizada do metal base na região adjacente à área

de contato antes que o calor se difunda para o restante da peça, conforme Figura 6.

Fig. 6. Fluxo geral de calor na soldagem por fusão

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfxOoAL/ligas-metalicas-alto-ponto-fusao?part=2

Um aumento da intensidade da fonte reduz o tempo necessário para a criação da poça

de fusão e aumenta a sua penetração no metal de base. Desta forma, fontes de maior intensidade

tendem a resultar em processos de soldagem de maior produtividade. Entre as características da

junta, destacam-se a sua espessura e a condutividade térmica do material base. Neste contexto,

a formação da poça de fusão em uma junta de cobre (metal de alta condutividade térmica) tende

a ser muito mais difícil do que em aço embora este funda a temperaturas superiores ao cobre.

Em geral, os materiais são classificados em três categorias: condutora (tal como

alumínio, cobre, prata e ouro, etc.), de resistência (tal como o aço, níquel, Inconel, titânio, etc.)

e de refração (tungsténio, molibdénio, etc.). Os materiais condutores requerem uma grande

quantidade de corrente para aquecer-se durante uma soldagem, e o calor gerado é rapidamente

conduzido para fora, tornando-se difícil formar uma ligação. Materiais resistivos, por outro

lado, aquecem rapidamente e, portanto, requerem menos entrada de corrente para formar uma

ligação. Materiais de refração têm pontos de fusão elevados, são suscetíveis a rachaduras, e são

geralmente mais difíceis do que materiais condutores ou resistivas. Por estas razões, materiais

de soldagem de refração pode ser muito desafiador.

Estas categorias de material não se aplicam apenas aos materiais a serem unidos, mas

também para os eletrodos usados para se juntar a eles. Assim, a "regra dos opostos" aplica-se

aos eletrodos correspondentes às peças a serem soldadas. A regra geral é a utilização de

eletrodos condutores contra partes resistivos e eletrodos de refração contra partes

condutoras. Por extensão, ao soldar materiais diferentes, os eletrodos superiores e inferiores (ou

ânodo e cátodo) devem ser de materiais diferentes entre si, a fim de aplicar a "regra dos

opostos".

4. Procedimentos experimentais

4.1. Confecção dos corpos de prova

Os corpos de prova utilizados foram confeccionados a partir de barras de aço Sae 1020,

metal base, medindo 100 mm X 52mm X 9,25 mm e o metal de adição AWS E 6013. Foram

realizados cordões de solda nos corpos de prova, com início e término do cordão a 10 mm de

suas bases e no centro da barra para evitar dissipação térmica desigual ao longo do cordão,

fazendo com que houvesse diferença da penetração pelo fato de haver concentração de calor

em algum ponto.

A parte retirada do CP para análise da penetração foi no centro com um largura de 8

mm de cordão, como mostra a Figura 7.

Fig. 7. Representação do corpo de prova e a parte retirada para preparação para as medições.

Fonte: autores

Foram selecionados os seguintes parâmetros de soldagem: Intensidade da Corrente

Elétrica, Velocidade de Soldagem e Tipo de corrente com os valores mostrados na tabela

abaixo.

Tabela 1 - Parâmetros de soldagem com respectivos corpos de prova. Corrente (A) 60 A 80 A 100 A

Velocidade

(mm/s)

CC+

13 14 13 14 13 14

1 7 13

15 mm/s 2 8 14

3 9 15

4 10 16

20 mm/s 5 11 17

6 12 18

Corrente (A) 60 A 80 A 100 A Velocidade

(mm/s)

CC-

13 14 13 14 13 14

19 25 31

15 mm/s 20 26 32

21 27 33

22 28 34

20 mm/s 23 29 35

24 30 36

Fonte: autores

Foram realizados 3 (três) cordões de solda para cada conjunto de parâmetro com

o intuito de dar confiabilidade ao experimento. Dentre os parâmetros selecionados, a velocidade

de soldagem foi o que apresentou maior grau de dificuldade para execução pelo fato da

velocidade necessariamente avançar de modo constante, caso contrário, ter-se-ia, em um

mesmo corpo de prova variação de penetração pela concentração de energia de soldagem.

O equipamento usado para execução dos cordões de solda possui um acessório chamado

“tartílope” que nos garante uma velocidade constante, a posição inicial e final do cordão de

solda, como mostram as figuras 8 e 9. Ainda para melhorar a estabilidade do arco elétrico

controlado pela sua altura e deslocamento foi colocado no “Tartílope” uma peça que restringia

ao movimento horizontal do eletrodo como mostram as figuras 10 e 11, uma arruela com um

furo de diâmetro um pouco maior que o diâmetro do eletrodo. A chapa a ser soldada foi fixada

em um dispositivo com quaro parafusos para não deixar que a mesma se deslocasse da posição

definida previamente. Assim estaria resolvido o problema da velocidade em que o eletrodo

avançaria, mas ficou na responsabilidade do soldador manter a altura do arco elétrico de acordo

com a figura 12.

Figura 8. Dispositivo de fixação da chapa para ser soldada (detalhe).

Fonte: Mateus Almeida

Figura 9. Dispositivo de regulagem da velocidade de soldagem e posição de início e término do cordão.


Fig. 10. Peça utilizada para deslocamento do eletrodo.


Fig. 11. Dispositivo de fixação da chapa para ser soldada.


Figura 12. Demonstração prática de como o soldador procurou manter a posição do eletrodo constante.


Na figura 12 tem-se a demonstração de como foi realizada a soldagem dos corpos de

prova na prática onde o soldador procurou manter o eletrodo, na maior parte do tempo, numa

altura constante.

4.2. Medição da temperatura na ponta do eletrodo e na possa de fusão

durante a soldagem

A polaridade influencia a forma e a dimensão da poça de fusão, além de afetar o tipo de

transferência e a estabilidade do arco elétrico. A polaridade inversa (+) produz maior

penetração, enquanto que a polaridade direta (-) permite penetração menor, com taxa de fusão

maior. Com corrente alternada (±), a penetração e a taxa de fusão são médias, mas existe a

vantagem de poder utilizar eletrodos maiores e correntes mais elevadas. A influência do tipo

de corrente e da polaridade na penetração pode ser visualizada numa figura, em que h é a

penetração.

No caso do Eletrodo revestido o calor total gerado, cerca de 30% é produzido no eletrodo

e 70% na peça, ocorrendo a maior penetração entre as três polaridades. A poça formada é

estreita e profunda, o que pode ser indesejável em peças muito finas. Diferentemente das outras

polaridades, esta não provoca ação de limpeza de óxidos superficiais na poça de fusão.

Também, se o eletrodo for de tungstênio puro, há oscilação de pontos catódicos sobre a

superfície do mesmo, causando instabilidade do arco. Para a polaridade do tipo corrente

contínua eletrodo positivo (CCEP), em torno de 70% do calor total é gerado no eletrodo e 30%

na peça, resultando na menor penetração entre todos os casos, com a poça de fusão rasa larga.

Apesar de produzir um arco com menor temperatura, a CCEP pode ser de interesse naquelas

situações em que se deseja pouca penetração e eficiente remoção dos óxidos superficiais que

se formam sobre a poça de fusão, pois há oscilação de pontos catódicos sobre a mesma.

(Machado, 1996).

As figuras 13 e 14 foram geradas por uma máquina fotográfica que mede a temperatura.

Para constatar as temperaturas na ponta do eletrodo e na peça durante a soldagem com

polaridade direta e inversa foram feitas várias fotografias.

Fig. 13. Soldagem com Corrente Contínua com polaridade Inversa (CC+) sendo que a temperatura na ponta do

eletrodo era de 461,3oC e na poça de fusão 438,3 oC.


Fig. 14. Soldagem com Corrente Contínua com polaridade Direta (CC-) sendo que a temperatura na ponta do

eletrodo era de 640,9oC e na peça 968,6oC.


4.2.5. Preparação dos corpos de prova para a medição da penetração

Após a soldagem foi retirado do corpo de prova a parte que seria preparada para medição

da penetração tendo o cuidado de ser recolhida uma parte central do cordão se retirando a seção

transversal, com a intenção de obter a penetração numa posição em que o insumo de calor não

estava no início e nem no final. A amostra retirada media 8 mm de comprimento por uma

largura de 15 mm.

Em seguida os corpos de prova foram lixados com as lixas d’agua nas seguintes

granulometrias: 120; 320; 600; 800; 1000, polidos com pasta de diamante de 6µ e em seguida

atacados com solução de 2% de ácido nítrico e 98% de álcool.

Após o ataque foram feitas fotografias e as imagens inseridas no Autocad 2013

(software de desenho assistido por computador – CAD computer aided design).

1° passo:

Após o polimento final das peças, foram tiradas fotos com as provas posicionadas a 90°

em relação ao plano horizontal para que não houvesse distorção.

2° passo:

As fotos foram importadas para o software aplicativo auto cad, versão 2013, onde foram

posicionadas entre duas linhas retas horizontais e paralelas com a distância equivalente a altura

real das peças, 9,25mm, para que as imagens pudessem ser trabalhadas em verdadeira grandeza.

3° passo:

Utilizando o comando line, foi traçado um segmento de reta ligando as extremidades da

superfície da poça de solda, cujo topo irregular foi desprezado.

4° passo:

Utilizando-se o comando spliline, a partir do ponto inicial do segmento traçado

anteriormente, foi contornada a poça de solda até atingir o outro extremo do segmento, passando

pelo ponto mais profundo da poça.

5° passo:

Utilizando o comando dimension linear, com o osnap acionado, foi localizado no

desenho de cada poça de solda feito sobre a imagem, o ponto mais profundo e feita a aferição

da medida em relação a superfície da poça, com uma precisão de três casas decimais após a

vírgula, e todas as medidas em milímetros.

6° passo:

Finalmente, com as medidas aferidas, os desenhos em cad, produzidos a partir das fotos

originais das peças, foram exportados na forma de imagens, objetivando ser inseridas no

presente trabalho científico, de forma segura e protegida de alterações,conforme as imagens

finais dos corpos de prova geradas nas Figuras de 15.1 a 15.36.

Figuras de 15.1 a 15.3.

Fonte: autores


Fonte: autores


Fonte: autores

Tabela 2. Profundidade da penetração do cordão de solda nos corpos de prova

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

01 1,71 13 3,099 25 0,611 02 1,338 14 3,563 26 2,09 03 1,221 15 3,688 27 0,546

Fonte: autores (continua)

Tabela 2. Profundidade da penetração do cordão de solda nos corpos de prova

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

Nº

corpo

de

prova

Profundidade da

penetração

04 1,86 16 5,677 28 1,726 05 2,468 17 3,095 29 1,157 06 3,044 18 2,147 30 0,984 07 3,045 19 2,062 31 2,099 08 1,665 20 0,668 32 1,127 09 3,983 21 0,727 33 2,438

10 3,262 22 0,532 34 1,166

11 3,641 23 0,714 35 1,662

12 3,541 24 1,327 36 4,155 Fonte: autores (finalização)

4.2.6. Análise dos resultados

De acordo com a tabela 01 foram montados os gráficos com as combinações entre Tipo

de corrente elétrica, intensidade da corrente elétrica e velocidade de soldagem. Cada Gráfico

compra os parâmetros de Intensidade de corrente elétrica e velocidade de soldagem com os dois

tipos de corrente.

Por exemplo, o primeiro gráfico combina CC+, com as três intensidades de corrente (60

A,80 A e 100 A) com um valor de velocidade de soldagem. E para cada combinação foi feito

um gráfico onde aparecem duas barras uma azul que representa a corrente contínua com

polaridade inversa e uma barra azul que representa a penetração com corrente contínua com

polaridade direta.

Tomou-se o tipo de corrente como constante para cada tipo e repetiu-se para três valores

de corrente e dois valores de velocidade de soldagem. Foram executados três cordões de solda

com cada conjunto de variáveis para garantir a leitura dos resultados.

Os gráficos a seguir representam a penetração em relação dos parâmetros indicados na

tabela 4, representado pelo número de cada corpo de prova.

Fig. 16. Demonstração gráfica da penetração com Corrente contínua com polaridade inversa (barra azul) e Corrente

continua com polaridade direta (barra vermelha).

Fonte: Silva e Almeida








contínua com polaridade direta (barra vermelha).








5. Conclusão

Após análise dos gráficos apresentados, conclui-se que a penetração dos cordões de solda

executados com Corrente Contínua com Polaridade Inversa é maior que a penetração dos

cordões de solda executados com Corrente Contínua com Polaridade Direta.

As figuras 11 e 12 apresentam de maneira prática que a concentração de calor é maior

na chapa quando é utilizada a Corrente Contínua com Polaridade Direta e menor no eletrodo e

ocorre o inverso na polaridade inversa, o que indicaria ser a penetração maior na Polaridade

Direta.

Pela experiência realizada neste trabalhou provou-se o contrario, com uma explicação

que confirma os resultados obtidos. Na verdade, no processo de soldagem com eletrodo

revestido há transferência de metal em gotas durante a soldagem. Tendo em vista que na

polaridade inversa 70% o calor do aporte térmico fica concentrado no eletrodo as gotas de metal

transferidas para chapa estão bem mais quentes o que soma o calor das gotas ao calor do aporte

térmico da chapa possibilitando uma maior penetração.

Effect of polarity on penetration in welding

steel with coated electrode

Abstract

This study aims to prove, in the light of the trial, the advantages and disadvantages of the effect

of polarity penetration in steel welding with coated electrode. Experimental tests were made

where it was found the truth of literature on the subject, which concludes that

the welds penetration, performed with Direct Current with Reverse Polarity is greater than the

penetration of welds performed with Direct Current to Direct Polarity.

Key words: Penetration. Polarity. Electric arc.

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