UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS – UFMGGRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA LABORATÓRIO DE PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

TURMA: N3 – QUARTA-FEIRA ÀS 19H00MIN PROFESSOR: PAULO VILLANI MARQUES

DATA DO EXPERIMENTO: 17/04/2013 APRESENTAÇÃO DO RELATÓRIO: 24/04/2013ALUNO: FELIPE COSTA DE MEIRELES MATRÍCULA: 2009018766

AULA PRÁTICA 1: SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOS

1) INTRODUÇÃO:

HISTÓRICO

Inglaterra, 1885, Nikolas Bernardos e Stanislav Olszewsky registraram a primeira patente de um processo de soldagem, baseado em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada.

Em 1890, N.G. Slavianoff (Rússia) e Charles Coffin (EUA) desenvolveram, independentemente, a soldagem com eletrodo metálico nu.

Suécia, 1904, Oscar Kjellberg melhora o processo através de eletrodos revestidos com cal. Com isso, se consegue uma melhor abertura e maior estabilidade do arco.

DEFINIÇÃO

A soldagem com eletrodos revestidos e o processo de soldagem com arco, em que a união e produzida pelo calor do arco criado entre um eletrodo revestido e a peca a soldar.

A Soldagem a Arco com Eletrodos Revestidos (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) é um processo no qual a coalescência (união) dos metais é obtida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo especial revestido e a peça. O eletrodo é formado por um núcleo metálico ("alma"), com 250 a 500 mm de comprimento, revestido por uma camada de minerais (argila, fluoretos, carbonatos, etc.) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas, etc.), com um diâmetro total típico entre 2 e 8 mm. A alma do eletrodo conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem da atmosfera a região sendo soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas. A figura a seguir ilustra o processo:

Figura 1: Região do arco na soldagem com eletrodos revestidos.

O seu equipamento usual consiste de fonte de energia (ou máquina de soldagem), porta-eletrodo e cabos, além de equipamentos de segurança para o soldador (máscara, luvas, avental, etc.) e para a limpeza do cordão e remoção de escória (picadeira e escova de aço). Para soldagem, a parte não revestida do eletrodo é fixada no porta eletrodo e o arco é iniciado tocando-se rapidamente a ponta do eletrodo na peça (que estão conectados, por cabos, aos terminais da máquina de soldagem). O calor do arco funde a ponta do eletrodo e um pequeno volume do metal de base formando a poça de fusão. A soldagem é realizada manualmente, com o soldador controlando o comprimento do arco e a poça de fusão (pela manipulação do eletrodo) e deslocando o eletrodo ao longo da junta. Quando o eletrodo é quase todo consumido, o processo é interrompido para troca do eletrodo e remoção de escória da região onde a soldagem será continuada.

A figura a seguir ilustra o equipamento e o processo de soldagem e a tabela 1 apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais.

Figura 2: Equipamento para soldagem SMAW

Tabela 1: Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SMAW

VANTAGENS E LIMITAÇÕES APLICAÇÕES

- Equipamento simples, portátil e barato.- Não necessita fluxos ou gases externos.- Pouco sensível à presença de correntes de ar (trabalho no campo).- Processo muito versátil em termos de materiais soldáveis. - Facilidade para atingir áreas de acesso restrito.- Aplicação difícil para materiais reativos.- Produtividade relativamente baixa.Exige limpeza após cada passe.

- Soldagem de produção, manutenção e em montagens no campo.

- Soldagem de aços carbono e ligado.

- Soldagem de ferro fundido.

- Soldagem de alumínio, níquel e suas ligas.

No Brasil, normas da AWS são amplamente utilizadas para a especificação de consumíveis de soldagem. Eletrodos para a soldagem de aços de baixo carbono são, em geral, especificados com base nas propriedades mecânicas do metal depositado, no tipo de revestimento e em suas características operacionais. A especificação da AWS para estes aços é feita através de um conjunto de letras e dígitos (figura 9). Por exemplo, de acordo com a norma AWS A5.1, uma classificação do tipo E6010 indica um eletrodo capaz de depositar material com um limite de resistência de 60.000 psi (420 MPa) e que possui um revestimento celulósico, com ligante a base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições com corrente contínua e o eletrodo no polo positivo. Para os aços carbono, os eletrodos podem ser separados em diferentes tipos em função das características de seu revestimento, destacando-se:

Os revestimentos oxidantes, pouco usados atualmente, são compostos basicamente de oxido de ferro e manganês. A escória produzida e abundante e fácil de destacar, com caráter oxidante. Produz um cordão com baixo teor de carbono e manganês, baixa penetração e boa aparência. Pode ser usado em corrente continua (CC) ou alternada (CA). As propriedades resultantes da junta soldada são inadequadas para aplicações de responsabilidade.

Os revestimentos ácidos são uma evolução dos revestimentos oxidantes, modificados a adição de sílica (dióxido de silício, SiO2), seu uso resulta em cordões com boa aparência, com penetração média e propriedades mecânicas melhores na junta soldada, quando comparados com os revestimentos oxidantes. A escória produzida e abundante e fácil de destacar, porém porosa.

Também pode ser usado em CC ou CA. As desvantagens dos revestimentos ácidos são: Promove uma alta taxa de fusão, o que

resulta em uma poça de fusão volumosa e limita a aplicação desse grupo de revestimento às posições plana e horizontal.

O cordão de solda produzido é susceptível a trincas de solidificação. Neste aspecto, este grupo é o pior entre os tipos de revestimento.

O cordão de solda produzido possui alto teor de inclusões de óxidos e materiais não metálicos, o que é negativo para a ductilidade e tenacidade da solda. Por isso, este tipo de revestimento não é recomendado para a soldagem de aços com mais que 0,25% C e 0,05% S.

Os revestimentos rutílicos são fabricados com areia de rutilo (óxido de titânio, TiO2) ou ilmenita (óxido de ferro e titânio, FeTiO3). Possuem mais de 20% destes óxidos em sua composição, daí o nome deste grupo de revestimento. O uso deste grupo de revestimento

proporciona alta estabilidade do arco elétrico, que permite a soldagem em tensões mais baixas. O cordão de solda tem bom aspecto superficial, com baixa quantidade de respingos.

O rutilo reduz a viscosidade da escória e reduz seu intervalo de solidificação; a escória produzida é abundante, densa e fácil de destacar.

Também pode ser usado em CC ou CA, além disso, solda em qualquer posição. O cordão de solda apresenta penetração média, tendendo a baixa, e é susceptível a trincas a quente.

Os revestimentos celulósicos são assim denominados por possuírem grande quantidade de material orgânico, especialmente celulose, em sua composição.

Durante a queima, ocorre oxidação da celulose, segundo a reação:2 C6H10O5 + 7 O2→ 12 CO2 + 10 H2

O que gera uma atmosfera redutora que protege a poça de soldagem. Dada à presença de hidrogênio, o nível deste gás no banho pode ser elevado, aumentando a tendência de formação de trincas a frio. Exceto a fragilização pelo hidrogênio, as propriedades mecânicas da solda são boas. A escória formada é fina e solidifica-se rapidamente. A taxa de deposição é baixa, o que resulta em poça de fusão pouco volumosa.

Estas características permite a soldagem fora de posição.Em comparação com outros tipos de revestimentos, a tensão do arco é alta, o que confere

alta energia do arco e alta penetração do cordão de solda. Porém, o volume de respingos é alto e o aspecto do cordão de solda é ruim.

A alta penetração, a baixa taxa de deposição e o alto volume de respingos fazem seu uso inadequado para o enchimento de chanfros.

Os revestimentos básicos possuem carbonato de cálcio (CaCO3) em sua composição. Com o calor do arco elétrico, o carbonato de cálcio se decompõe em óxido de cálcio (CaO) e dióxido de carbono (CO2):

CaCO3 + calor → CaO + CO2

O dióxido de carbono torna redutora a atmosfera, sem a presença de hidrogênio.O óxido de cálcio torna a escória básica, daí a denominação deste grupo de revestimento.

Escória básica permite a redução de compostos óxidos do banho, a eliminação de sulfetos enxofre (dessulforação), o que reduz o problema de trincas de solidificação. Desta forma, produz soldas com os mais baixos teores de inclusões que qualquer outro tipo de revestimento, resultando em maior tenacidade do cordão.

O baixo teor de hidrogênio (este grupo não possui componentes orgânicos em sua composição) promove soldas com menor susceptibilidade a trincas a frio.

A alta tenacidade do cordão e a baixa susceptibilidade a trincas a frio fazem deste grupo de revestimento a melhor opção em aplicações de alta responsabilidade mecânica, soldagem de grandes espessuras, estruturas de alta rigidez e soldagem de aços de baixa soldabilidade (alto teor de carbono e enxofre).

A baixa tendência de oxidar metais durante a transferência no arco torna este revestimento o mais adequado para a soldagem de aços-ligas e ligas não ferrosas.

Bastante higroscópico, este revestimento requer secagem e manutenção cuidadosas para assegurar baixo teor de hidrogênio no metal depositado.

Eletrodos deste grupo podem ser usados CA e CC direta, soldam em todas as posições e o cordão de solda tem penetração média.

2) CONTEÚDO PRÁTICO:

Após apresentação de um filme sobre aspectos envolvendo a soldagem, foram apresentados alguns tipos de eletrodos, com diferentes revestimentos, tamanhos e diâmetros.

Já no laboratório prático, todos dispondo de material de segurança mínimo para acompanhar a soldagem, identificou-se diversos equipamentos utilizados em soldagem de eletrodos revestidos, caracterizando seu funcionamento, alguns ajustes e suas principais partes.

Verificou-se que, a regulagem da corrente, no processo de soldagem, pode variar, de acordo com o equipamento: em equipamentos mais antigos, grandes núcleos de ferro são dispostos de forma apropriada para fazer a variação e ajuste da corrente. A posição dos núcleos de ferro é variada através de uma manivela própria acoplada ao equipamento.

Já nos modernos equipamentos eletrônicos, os ajustes são realizados por meio de diais, botões e conexões, e a eletrônica embarcada no equipamento, fez os ajustes no mesmo.

Utilizando luvas, avental, perneira e máscara própria, foram feitos alguns cordões de solda, utilizando diferentes eletrodos. Outras variáveis, características da soldagem por eletrodos revestidos também foram variadas, como: tamanho do arco; corrente e ângulo de soldagem.

A variação dos eletrodos deixou claro diferenças como: queima e emissão de fumos, o que pode dificultar a visualização do procedimento e a formação do cordão de solda. Ressalta-se que durante o procedimento de soldagem, os exaustores existentes no ambiente estavam ligados, garantido-se assim a saúde ocupacional dos presentes. A cor e a luminosidade provocada pelo arco acompanham as mudanças de eletrodos.

A projeção de fagulhas é bem característica a cada eletrodo, e pode ser um fator importante para a limpeza e segurança do local de trabalho. Com menor influência, a projeção de muitas fagulhas pode alterar o rendimento completo de uma vareta de solda.

A velocidade de formação da poça de solda, líquida, também é influenciada pelo tipo de eletrodo utilizado, além da própria profundidade de solda e sua largura. A formação das “escamas” no cordão soldado é uma característica mais ligada ao operador, já que a velocidade de solda, determinada por ele, é que levará à formação de escamas mais ou não uniformes.

Cada eletrodo, à medida de sua utilização e seu desgaste, apresenta diferentes formas em sua ponta, e esta característica pode ser usada para outra função: fazer uma furação em uma chapa fina: o eletrodo básico forma em sua ponta de utilização uma espécie de cone que direciona melhor e de maneira mais eficaz o jato de gases e metais, permitindo assim uma maior profundidade de influência, podendo ser usado então, para a perfuração dessas chapas.

Variando-se o comprimento do arco, pode-se melhorar a visualização do ponto de solda, a formação do cordão, e a qualidade do cordão que está sendo produzido, esta informação leva o operador a atuar sobre o processo, com o objetivo de manter a uniformidade da união, desde o ponto inicial até seu ponto final. Neste tópico, faz-se uma observação importante: sugere-se que, para manter a mesma qualidade de solda em toda a sua extensão, visando também os pontos iniciais e finais, a utilização de uma chapa em contato com o material que se está soldando, de forma a propiciar que o cordão de solda seja finalizado nesta chapa, e não no componente principal que se está unindo.

O ângulo de inclinação do eletrodo também foi observado, sendo que a inclinação média de 15° deve ser respeitada pelo operador, isto para manter os padronizados os processos de soldagem feitos por diferentes operadores. Esta inclinação é realmente necessária, para que durante o procedimento, o operador possa ter visão da ponta do eletrodo, a poça de fusão e a direção a se deslocar para a formação do cordão de solda, e em alguns casos para a correta movimentação e trançagem do cordão de solda.

3) CONCLUSÃO:

Após a realização da atividade prática, podem-se visualizar diversas características variáveis, no processo de soldagem por eletrodos revestidos. A importância e a influencia dessas variáveis na qualidade final da solda deve ser ressaltada, já que diversos equipamentos, edificações e projetos utilizam componentes e uniões soldadas, que por muitas vezes, são soldas de alto padrão, e que exigem técnica apropriada, utilização de eletrodos corretos, confecção de chanfros e etc.

A utilização de equipamentos de proteção individual é um ponto forte a ser mencionado, visto que os processos de soldagem, em geral, acontecem pela geração de arcos, que emitem grandes quantidades de luz e energia, sendo, portanto necessário a utilização de óculos e máscaras específicas. Ainda falando sobre segurança, é fundamental a utilização de calças compridas no ambiente laboratorial: a projeção de faíscas e gotas do material fundido pode causar acidentes graves.

Por fim, os processos de soldagem, especialmente o apreciado nesta aula prática: por eletrodos revestidos, exigem grande habilidade, treino e experiência do operador, visto que este processo depende enormemente das mãos do operador que a realiza. Não só corretas especificações, como: o tipo de eletrodo, chanfros, sentido de soldagem e etc. são necessários para que o resultado final seja uma solda com o nível de exigência mínimo ao qual a mesma será solicitada.