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Paulo Villani MarquesPaulo José ModenesiAlexandre Queiroz Bracarensec

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SOLDAGEMi

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIAc

3a edição atualizada1a reimpressão

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Universidade Federai de Minas GeraisReitor:Vke-Rettora: Roeksane de CaraJho Norton

CJéfio Campofina DWz

Cc Editora UFMG

Diretor: Wander Melo MirandaVice-Diretor: Roberto Alexandre do Carmo SaWcConselho EditorialWander Meio Miranda (presidente)Flavio de Lemos CarsaladeHeloísa Marta Murgd StaffingMárcio Gomes SoaresMaria das Graças Santa BárbaraMaria Helena Damasceno e Sflva MegalePaulo Sérgio Lacerda BeirSoRoberto Alexandre do Carmo Said

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4

€BELO HORIZONTE | EDITORA UFMG 2011

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€C SUMÁRIOCoordenação Editorial Danivia Wolff

Assistência Editorial Efiane Sousa c Eudídia MacedoEditoração de texto Ana Maria de Moraes

Revisão e normalização Maria do Carmo Leite RibeiroRevisão de provas Alexandre Vasconcelos de Melo

Atualização ortográfica Karen M. Chequer e Daniel ID SilvaProjeto gráfico Paulo Schmidt

Formatação e capa Warren MaritacProdução gráfica Warren Marilac

€PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO

PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES

APRESENTAÇÃO

€ 13

c 14

15

€

PARTE 1FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM€

€Capítulo 1€

Introdução à Soldagem1. Métodos de união dos metais2. Definição de soldagem3. Formação de uma junta soldada4. Processos de soldagem5. Comparação com outros processos de fabricação6. Breve histórico da soldagem7. Exercícios

17<51 200S, Paulo Villani Marques, Paulo José Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense© 2005, Editora UFMG© 2007, 2* ed. rev. e ampi.© 2009, 3* ed. atual.

2011, 1* reimpr.

181921€23c Este livro ou parte dele não pode ser reproduzido sem autorização escrita do Editor.25

Marques. Paulo ViBant

Soldagem: fundamentos e tecnologia / Paulo Vtlani Marques, PauloJosé Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense - 3* etfçáo atualizada - Béo Horizonte:

Editora UFMG, 2009.363 pLl- (Didática)

Indui b&tografia.ISBN: 978-85-7041-748-0

M357s

27cCapítulo 2

c Terminologia e Simbologia da Soldagem1. Soldagem. 2. Solda e soldagem. I. Modenesi.Pauto José.U. Bracarense, Alexandre Queiroz. 111. Titula

291. Introdução2. Terminologia da soldagem3. Simbologia da soldagem4. Exercício

O»;621.791CDU: 621.791

30Ficha catalográfica elaborada pela CCQC - Central òe Controle de Qualidade da Catalogação da Biblioteca Universitária da UFMG€ 36

41

c Editora UFMGAv. Antônio Carlos, 6.627 - Ala direita da Biblioteca Central - térreo

Campus Pampulha - CEP 31270-901 - Belo Horizonte/MGTd.: +55 31 3409-4650 | Fax: +55 31 3409-4768 |edtora@ufmgi>r | wwweditoraajfmgJjr

Capitulo 3

Princípios de Segurança em Soldagem1. Introdução2. Roupas de proteção

€€ 43

44

c

J

11

6. Características da zona termicamente afetada7. Descontinuidades comuns em soldas8. Exercícios e práticas de laboratório

98453. Choque elétrico4. Radiação do arco elétrico5. Incêndios e explosões

6. Fumos e gases

7. Outros riscos8. Recomendações finais

9. Exercícios

110046 I11248

148Capítulo 749

49 Tensões Residuais e Distorções em Soldagem50

1131. Introdução2. Desenvolvimento de tensões residuais em soldas

3. Consequências das tensões residuais4. Distorções5. Controle das tensões residuais e distorção6. Exercícios

115Capítulo 4119

0 Arco Elétrico de Soldagem I121

I123511. Introdução2. Características elétricas do arco3. Características térmicas do arco4. Características magnéticas do arco5. Exercícios e práticas de laboratório

1255256

Capítulo 85761 Automação da Soldagem

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Programação de robôs para a soldagem

4. Aplicações industriais5. Exercícios

' I127Capítulo 5130 >Fontes de Energia para Soldagem a Arco 133 1134631. Introdução

2. Requisitos básicos das fontes

3. Fontes convencionais4. Fontes com controle eletrónico5. Conclusão6. Exercícios

I13563I64ICapítulo 972

79 Normas e Qualificação em Soldagem1. Introdução2. Normas em soldagem

3. Registro e qualificação de procedimentos e de pessoal 141

4. Exercícios

180137139Capitulo 6 I

Fundamentos da Metalurgia da Soldagem }145

I811. Introdução2. Metalurgia física dos aços3. Fluxo de calor4. Macroestrutura de soldas por fusão5. Características da zona fundida

Capítulo 10 I82

88 Determinação dos Custos de Soldagem92 )1511. Introdução

2. Custo da mão de obra93

152

JJ

ۥf 3. Consumiveis

4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios e práticas de laboratório

1861533. Custo dos consumiveis4. Custo de energia elétrica5. Custo de depreciação

6. Custo de manutenção7. Custo de outros materiais de consumo8. Considerações finais

9. Exemplo10. Exercício

196155f 202155c 203156( 156

Capítulo 13c 156

c 157 Soldagem TIG159

2051. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumiveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios e práticas de laboratório

PARTE 2 206211

PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINSc 214217€

Capítulo 11 217€Soldagem e Corte a Gásc Capítulo 14

A -Soldagem a gás Soldagem e Corte a Plasma€ 1611. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumiveis4. Técnica operatória

5. Aplicações industriais

( A-Soldagem162c 2191. Fundamentos

2. Equipamentos

3. Consumiveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais

167221170223c 173225

B-Oxi-Corte227c 1741. Fundamentos

2. Equipamentos

3. Consumiveis4. Técnica operatória

5. Aplicações industriais6. Exercícios e práticas de laboratório

B-Cortec 1751. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumiveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios

228176í€r 228177I* 230179€ 230180232í

ic Capítulo 12 232

ic Soldagem com Elétrodos Revestidos1. Fundamentos

2. Equipamentos181183

€

A

14. Técnica operatória5. Aplicações industriais

283Capítulo 15 1287Soldagem MIG/MAG e com Arame Tubular 3

B- Soldagem eletrogás 1A - Soldagem MIG/MAG 1. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumíveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios

288 >2331. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumíveis4. Técnica operatória

5. Aplicações industriais

B- Soldagem com arames tubulares

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumíveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios e práticas de laboratório

289244 289248 290

3252 290254 291

Capítulo 18 I255

Soldagem por Resistência 1256257

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Técnica operatória4. Aplicações industriais5. Exercícios

293261

296261

300261

304306Capítulo 16

Soldagem a Arco Submerso Capítulo 193Processos de Soldagem de Alta Intensidade2631. Fundamentos

2. Equipamentos3. Consumíveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios e práticas de laboratório

1265A- Soldagem a laser268

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Técnica operatória4. Aplicações industriais

B- Soldagem com feixe de elétrons

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Técnica operatória4. Aplicações industriais5. Exercícios

307272309 1275310275312 3

Capítulo 17

Soldagem por Eletroescória e Eletrogás 313 3313 iA- Soldagem por eletroescória

1. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumíveis

3143277 315J279 315

281 i3J

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CCapítulo 20

Outros Processos de Soldagem1.Soldagem por fricção convencional2. Variações recentes da soldagem por fricção3. Soldagem por explosão4. Soldagem por aluminotermia5. Soldagem a frio6. Soldagem por ultrassom7. Soldagem por laminação8. Exercícios

fPREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃOf 317

320323326c Em uma era de constantes mudanças, quebras de paradigmas e crescente valorização

do capital intelectual, a Universidade, através dos autores deSoldagem-fundamentos etecnologia, transcende o conceito de Academia — baluarte da ciência pura — disponibili-zando sólidosemodernos conhecimentos na área desoldagem. A tão cobrada e mencionadaResponsabilidade Social está aqui perfeitamente demonstrada no pleno engajamento dosautores, pesquisadores renomados, difundindo ricos ensinamentos obtidos ao longo deanos de estudos e pesquisas.

Com este livro, busca-se uma forma mais abrangente de divulgação, acessível a todaa sociedade, ao contrário das apostilas, que possuem um público limitado e exclusivo.

A soldagem, tema caracterizado por alta complexidade, porém de importância e aplicaçãoinquestionável em todos os setores da indústria, é aqui tornada fácil, de entendimentoimediato, e perfeitamente ajustada às autênticas necessidades dos leitores. A sequênciaapresentada permite o entendimento do tema de forma gradativa e constante. Inicia-sepelos conceitos fundamentais e terminologias; introduz informações direcionadas sobrefísica do arco elétrico e eletricidade; define os equipamentos e dispositivos de soldagem,os riscos e a forma segura de operação. A metalurgia da soldagem é apresentada com umalinguagem clara e objetiva, permitindo a assimilação de sua dinâmica. O livro conclui avasta caminhada pelosconhecimentosno assunto comuma ampla abordagemdos processosde soldagem. Todo o conteúdo é enriquecido com ilustrações de nítido caráter explicativo.As questões apresentadas ao final de cada capítulo permitem ao leitor avaliar o grau deentendimento e avançar além do texto, incitando-o a expor suas ideias.

A adequação desta obra à realidade é perfeita. No momento em que o mercado exige,de forma contundente, profissionais abertos ao aprendizado permanente, alertas paracaptar tendências ou inventar técnicas apropriadas para contornar riscos e aproveitaroportunidades. Soldagem - fundamentos e tecnologia toma-se um recurso inestimávelpara se atingir um nível de excelência, cumprindo o seu papel de difundir ideias comelevada eficácia.

329f 330€ 331í 333(

Capítulo 21cBrasagem

I 3351. Fundamentos2. Equipamentos3. Consumíveis4. Técnica operatória5. Aplicações industriais6. Exercícios

€ 337

I 338

c 346349c349C

ccc BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 351

IÍNDICE ALFABÉTICO 353

íSOBRE OS AUTORES 363I

Eng°. Helder Aguiar Neves

€

I

4

11I

PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES 1I

!

tNo momento em que nosso país discute o Programa de Aceleração do Crescimento

(PAC), lançado pelo Governo Federal, e começa a trabalhar com a perspectiva deresolver seus graves problemas sociais ancorado no crescimento da economia, é maisque oportuno o lançamento de uma nova edição de um livro que traz tão importantescontribuições ao desenvolvimento científico e tecnológico.

Soldagem é um dos mais importantes processos de fabricação e está presente no dia--a-dia de todos nós. É parte integrante dos currículos de cursos de Engenharia Mecânica,Nuclear e Metalúrgica em praticamente todas as Escolas de Engenharia, além de serdestacada área dos cursos técnicos em Mecânica e Metalurgia.

Os Doutores Paulo Villani Marques, Paulo José Modenesi e Alexandre QueirozBracarense, professores da Escola de Engenharia da UFMG e pesquisadores dereconhecida competência, no Brasil e no exterior, tiveram a louvável iniciativa de produzirum texto didático genuinamente brasileiro para atender às necessidades de estudantese de profissionais que trabalham nas áreas afins. -

Os conceitos são apresentados com clareza e de forma didática, permitindo aosleitores um fácil entendimento dos conceitos e uma aprendizagem consistente dos maismodernos processos. Além disso, são apresentados os equipamentos e consumlveisutilizados através de desenhos de excelente qualidade.

O cuidado dos autores na abordagem ampla e precisa dos diversos aspectos ligadosa essa área salta aos olhos. Além dos aspectos técnicos, o livro dedica especial atençãoaos princípios básicos, à história, à terminologia, à segurança, às normas técnicas e aoscustos ligados à soldagem.

Os diversos processos contemplados em capítulos específicos são apresentadosde forma simples, direta e objetiva. A divisão uniforme dos capítulos em seções-Fundamentos, Equipamentos, Consumíveis, Técnica Operatória, Aplicações Industriais,Exercícios e Práticas de Laboratório - apresenta-se como ferramenta de fundamentalimportância para o entendimento dos processos. Destacam-se as práticas laboratoriaise os problemas propostos que complementam e criam as habilidades necessárias aoexercício desta atividade.

Esta obra reflete os esforços de profissionais que além da competência técnica ecientífica demonstram excepcional espírito público e indiscutíveis qualidades didáticas.Não há dúvidas de que os leitores terão muito prazer na leitura deste livro e que inúmerosestudantes de Cursos Técnicos e de Engenharia se interessarão por esta área doconhecimento.

1

1APRESENTAÇÃO

1

Este texto surgiu do desejo e da necessidade de ampliar e atualizar uma obra anterior,publicada em 1991. Muitos foram os avanços obtidos no campo da soldagem desde entãoe, particularmente no Brasil, muitas novidades surgiram com a abertura do mercado, apartir de 1994. A oportunidade foicriada quando a PROGRAD-Pró-Reitoria de Graduaçãoda UFMG lançou um edital para a seleção de projetos de produção de material didáticopara a graduação, em meados de 2003. Contudo, como esta não seria uma tarefa fácil,pois soldagem é um tema muito abrangente, convidei os colegas da UFMG Prof. Dr.Paulo José Modenesi e Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense para dividirem comigoesta empreitada.

Tendo por base o texto de 1991, decidimos que esta nova obra seria dividida em 21Capítulos, tendo cada um de nós assumido a produção de sete deles. O Prof. Modenesise responsabilizou pelos Capítulos 1, 2, 4, 5, 6, 7 e 9; o Prof. Bracarense pelos Capítulos 8,16, 17, 18, 19, 20 e 21,e eu, pelos demais, isto é, os Capítulos 3, 10, 11,12, 13, 14 e 15. Estadivisão foi motivada por questões práticas e de afinidade com os temas abordados.

Entre setembro e novembro de 2003, trabalhamos nos textos individualmente, masprocurando manter uma mesma orientação geral, através de reuniões periódicas. Oscapítulos produzidos foram enviados a técnicos atuantes na área de soldagem em nívelindustrial e acadêmico, para revisão e críticas, o que foi feito nos meses de dezembrode 2003 e janeiro de 2004. Em fevereiro de 2004, após outras reuniões para ajustes deorientação e manutenção da unidade da obra. as críticas e sugestões dos revisores foramincorporadas, chegando-se ao texto final.

Aiém de conhecimentos técnicos atualizados, procuramos colocar no texto experiên¬cias na área acadêmica e industrial obtidas no nosso trabalho em ensino, pesquisa eextensão na UFMG. Tentamos, também, oferecer alguma contribuição no que se refereà terminologia de soldagem usada no país, que é muitas vezes confusa e redundante,resultado da tradução livre, adoção e adaptação de termos de outras línguas e falta denormalização nacional.

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}Prof. Márcio Ziviani

Diretor Executivo- Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa J}

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Nesta edição, foram feitas pequenas alterações no texto de vários capítulos, paratornar mais claros alguns conceitos expressos, bem como foram corrigidos os erros daprimeira edição, na linguagem, figuras e equações.

Muitas pessoas e organizações contribuíram para que se chegasse a este resultadofinal. Em especial, agradeço aos Profs. Modenesi e Bracarense pela disposição em dividiro trabalho e pela sua dedicação a ele; ao Prof. Dr. Ronaldo Pinheiro da Rocha Paranhos,da UENF. pela contribuição nos Capítulos 3 e 10; ao Prof. Modenesi pelas ilustrações efotos; aos Profs. Américo Scotti e Valtair Antônio Ferraresi, da UFU. pelos filmes sobretranferência metálica; ao Prof. Paranhos. aos Engos. Carlos Castro. Francisco de OliveiraFilho, Gustavo Alves Pinheiro, Helder Aguiar Neves, José Roberto Domingues e ÓderSilva de Paula Júnior e a minha esposa Maria das Victórias de Mello Villani Marques, pelarevisão e sugestões; às empresas ESAB. RBG e SOLDAGERAIS. pela disponibilizaçãode informações técnicas, fotos e equipamentos; à PROGRAD e ao DEMEC, da UFMG,pelo suporte financeiro e logístico, e a minha filha Paula de Mello Villani Marques, peladigitação. Finalmente, a todos que direta ou indiretamente tornaram possível a conclusãodeste trabalho, gostaria de manifestar minha gratidão e agradecimentos e apresentarminhas desculpas pela incapacidade de citá-los nominalmente.

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€C PARTE 1

FUNDAMENTOS DA SOLDAGEMcí Paulo Villani Marques

CAPÍTULO 1€

INTRODUÇÃO À SOLDAGEM

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cc 1. Métodos de União dos Metais'€

Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias prin¬cipais, isto é, aqueles baseados na ação de forças macroscópicas entre as partesa serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas — interatômicas eintermoleculares. No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebi-tagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafusoou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, aunião é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a seremunidas, ou destes e de um material intermediário adicionado à junta, até distânciassuficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmenteligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se abrasagem, a soldagem e a colagem.

A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado indus¬trialmente. Este método de união, considerado em conjunto com a brasagem, temimportante aplicação desde a indústria microeletrônica até a fabricação de navios

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CAftTUlCI >18 S INTRODUçãO A SOIDAGEM I 19OAlttNTOS f TICOTIOOIA

1e outras estruturas com centenas ou milhares de toneladas de peso. A soldagem é.utilizada na fabricação de estruturas simples, como grades e portões, assim comoem componentes encontrados em aplicações com elevado grau de responsabilidade,como nas indústrias química, petrolífera e nuclear, e também na criação de peçasde artesanato, joias e de outros objetos de arte.

3. Formação de uma Junta Soldada

1>Deuma forma simplificada, uma peça metálica pode ser considerada como formada

por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico(estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercadospor um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0. na quala energia do sistema é mínima, como mostra a Figura 1.

* >2. Definição de Soldagem>EUm grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recupe¬

ração de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo "SOLDAGEM”.Classicamente, a soldagem é considerada como um processo de união, porém, naatualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para adeposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação depeças desgasta¬das oupara a formação de umrevestimento com características especiais. Diferentesprocessos relacionados coma soldagem são usados para corte de peças metálicas eem muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem.

Na literatura, encontram-se algumas tentativas de definição da soldagem:

• "Processo de união de metais por fusão."

Deve-se ressaltar que não apenas os metais -são soldáveis e que é possível sesoldar sem fusão.

ne Distânciaror Ig

1a

Figura 1Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função dadistância de separação entre eles

Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tenden¬do a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situaçãonão se mantém, poisos átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto.um maior nível de energia do que os átomos no seu interior. Esta energia pode serreduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-seduas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação deuma ligação permanente, uma solda entre as peças seria formada, como ilustrado naFigura 2. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contatoíntimo dois blocos de gelo.

>• "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a

continuidade das propriedades físicas e químicas."

Nessa definição, o termo "continuidade" é utilizado com um significado similar aoadotado na matemática. Isto é. considera-se que, embora as propriedades possamvariar ao longo de uma junta soldada, esta variação não apresenta quebras abruptascomo ocorre, por exemplo, em uma junta colada na qual a resistência mecânicamuda abruptamente entre um componente da junta e a cola.

• "Processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizadade metais e não-metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada,com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição."

Esta definição, adotada pela Associação Americana de Soldagem(AmericanWeldingSociety- AWS), é meramente operacional, não contribuindo com o aspecto conceituai.

Rnaliza-se com uma última definição, esta baseada no tipo de forças responsáveispela união dos materiais:

• ‘Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligaçãoquímica de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais, na regiãode ligação entre os materiais que estão sendo unidos."

Esta última definição engloba também a brasagem (Capítulo 21), que pode serconsiderada, neste contexto, como um processo de soldagem.

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Solda

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3Figura 2Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças

Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas, exceto emcondições muito especiais. A explicação para isto está na existência de obstáculos

• que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordemde r0. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos:

11)

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CAPÍTUIO 1 | 91INTRODUÇÃO À SOLDAGEM /ÿ'

on I SOLDAGEMAU I FUNOAMEMTOS E TECNOLOGIA

• As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidadeem escala microscópica e submicroscópica.

O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região da juntaaté a fusão do metal de base e do metal de adição (quando este é utilizado). Comoresultado desta fusão, as superfícies entre as peças são eliminadas e, com a solidi¬ficação do metal fundido, a solda é formada (Figura 5).

Mesmo uma superfície muito bem polida apresenta irregularidades da ordem de 50nmde altura, cerca de 200 camadas atómicas. Isto impede uma aproximação efetiva dassuperfícies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo queo número de ligações formadas é insuficiente para garantir qualquer resistência paraa junta. Metal de

adição Calor

\/• As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxido, umidade,gordura, poeira etc. (Figura 3), o que impede um contato real entre as superfícies,prevenindo a formação da solda. Estas camadas se formam rapidamente e resultamexatamente da existência de ligações químicas incompletas na superfície.

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Metal de base

f•___• _•_• _•_• Soldavzi -

i(a) (b)I

B Figura 5(a) Representação esquemática da soldagem por fusão, (b) Macrografia de uma junta

iA

Uma maneira de classificar os processos de soldagem consiste em agrupá-losem dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda:(a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos desoldagem por fusão.

t Figura 3Representação esquemática da estrutura de urna superfície metálica em contato com o ar.A-metal não afetado. B - metal afetado, C - camada de óxido, D - água e oxigénio absorvidos,E-gordura e F • partículas de poeira

<I

4. Processos de SoldagemPara superar estes obstáculos, dois métodos principais são utilizados, os quaisoriginam os dois grandes grupos de processos de soldagem. O primeiro consiste emdeformar as superfícies de contato, permitindo a aproximação dos átomos a distânciasda ordem de r0 (Figura 4). As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitara deformação das superfícies de contato.

I44

4.1 - Processos de soldagem por pressão (ou por deformação)4

• Pressãof ♦ Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por forjamento, por ultras¬som, por fricção, por difusão, por explosão, entre outros.m

i?fÓxidos• •

f

A

m Pressão

Solda 4.1.2 Processos de soldagem por fusão

. A,

.I

Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separadosem subgrupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada parafundir as peças. Dentre estes, os processos de soldagem a arco (fonte de energia:arco elétrico) são os de maior importância industrial na atualidade. Devido à ten¬dência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos

a

f Figura 4Soldagem por pressão ou deformação

f

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CApfruioiWTRODUÇÂO ÀSOUJASEM 123SOlGASai

FUMDAMSNTOSE TECNOLOGIA22

Entre os processos de soldagem por resistência (Capítulo 18). alguns podem serconsiderados como processos de soldagem por deformação. Outros são melhorcaracterizados como processos de soldagem por fusão.

Os processos de soldagem e afins podem ser classificados de diferentes formasalternativas. A Figura 6 mostra uma classificação segundo a AWS-American WeldingSociety, juntamente com as abreviações adotadas por esta associação para designarcada processo. Esta classificação e abreviações são muito utilizadas em diversospaíses do mundo. No Brasil, embora estas sejam usadas, designações de processo desoldagem de origem europeia são mais comuns. Além destas, abreviações baseadasno nosso idioma (como, por exemplo, SAER - Soldagem a Arco com ElétrodosRevestidos) foram propostas, mas tiveram uma aceitação muito restrita até opresente. A classificação dos processos de soldagem da AWS apresenta deficiênciascomo qualquer outro sistema de classificação.

processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar• estas reações. A Tabela I mostra os principais processos de soldagem por fusão e

suas características principais.

DTabela I- Processos de soldagem por fusão

Tipo decorrente

e polaridadeFonte de

calorProcesso Agenteprotetor Outras carcterísticas Aplicações

Soldagem de aços carbono,baixa e alta liga. espessura≥ 50 mm. Soldagem de pe¬ças de grande espessura.eixos etc.

Aquecimentopor resistên¬cia da escória

liquida

Contínua oualternada

Escória Automática/Mecanizada.Junta na vertical. Aramealimentado mecanicamentena poça de fusão. Nãoexiste arco elétrico.

Soldagempor eletro-escória >

>Contínua oualternada.

Automática/mecaniz. ousemiautomática. O arcoarde sob uma camada defluxo granular.

Soldagem de aços carbono.baixa e alta liga. Espessura≥ 10 mm. Posição plana ouhorizontal de peças estru¬turais. tanques, vasos depressão etc._

EscóriaArcoSoldagema arcosubmerso

elétricoSOL0AOZMAMMOTAl

ARCOFUSADOCURTOCWCUTO

SOLDAGEM A ARCO OASTOXOSTttOOARCO PULSADO

SOLDAGEM APLASMA

AM* OMA*Elétrodo + SOLDAGEM COMELETRODONUELETXOOOCP CARYAO CA»

CAW-CCAW4CAW-TFCAJ*

OEM COMI. AQAS OTA»

OTAW-PA ARCODUPLO

S0UM6QICOM ARAME TUBULARSOLDACOUIETROQAI_

PA»(«0Arco elétrico Contínua ou

alternada.Manual. Vareta metálicarecoberta por camada defluxo.

Soldagem de quase todos osmetais, exceto cobre puro.metais preciosos, reativos edebaixopontode fusão.Usadonasoldagem em geral.

Escória e gasesgerados

COMOCP

EUTROOOREVESTEO nu»Soldagemcomeletrodorevestido

ES» s»NOESTADO FORTE SAW« SEW SAWStflLOROEMFCRC&EXnttaAÕ cem <K*>Eletrodo + c»

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DPRou - SOLDAGEMPCREXPLOttOSCLDACENNRFORJAKEXTOSOLDAGEM PORFR9CÇA0SOLDAGEMPOR PRESSÃO A OUOfTlSOLDAGEM PORlAJOUÇAOSCLDAOniPOEOLTRAAOM_

tXH PBFOW BFR» «sHPW PROCESSOS RBContínua. Automático ou semiauto¬

mático. O fluxo está contidodentro de um arame tubularde pequeno diâmetro.

Soldagem de aços carbono.baixa e alta liga com espes¬sura ≥ 1 mm. Soldagem dechapas, tubos etc.

BRA3A8EMFRACAEscória e gases

gerados oufornecidos porfonte externa.

Em geral o CO,

Arco elétrico RO» OUTROSDESoldagemcom arametubular

TB IUS»TCABEletrodo + DS BRASAQEMCMnOCO BB

BRASAOEM EM FORMO FS CAD >BRASAQEMPCR SCUÇAO a BRASAOEM POR MXSAO S,BRASAGZM POR MFRAVXXMUHO nCOM FERROMSOLDA

BRASAOEM PORRCSSTtMCUBRASAQEM POR TOCHA

KS BRASAOEM POR FUaO FIDoAsPORSoldagem de aços carbono,babcaealtaBga.nãoferrosos,comespessura £=1 mm. Soldagemde tubos, chapas etc. Qualquerposição.

Contínua. nArco elétrico Automática/mecaniz. ousemiautomática. O arameó sólido.

Argônio ouHélio. Argônio

+ O., Argônio +Cor co2

>SoldagemMIG/MAG

RESOTtMOATI COMSUSTtVCL SOLDAGEMPOAFuUMUITR0K3ALTO VACUO■taovAcuoSEM VACUO

ta»uss (»n (OPWJBRASAOEM FORONDA MSEletrodo + ESMV

CBSFNV 1SOLDAGEM PCMCEKTELMAMHfTO F» IX»PUUBO-ZMjiD

TÍJOBCA(TXSP)

SOUMCEMPORBBUÇAOSOLDAGEMPORFUSOSOLDAGEMPORPCRCUXSAOSOLDAOEM ALASERSOLDAGEM ALUM1KOHRMCA

MTPROCESSOS COLAGEMSOLDAOEMPORPROJEÇÃO nowARO (**>SOLDAGEMPCR COSTJRAALUFREOUCMOAMCUçAO

SOLDAGEMPORPONTOSSOLDAGEM'UFSET

RSCM pmArgônio, Hélioou Argônio +Hidrogénio

Manualou automática. Oarame óadicionado separada¬mente.Eletrodo não consu-mível detungsténio. Oarco óconstritopor umbocal.

Todos os metais importantesem engenharia, exceto Zn.Be e suas ligas, com espes¬sura de até 1.5 mm. Passesde raiz.

Arco elétrico Continua.Soldagema plasma

LS»iw

RS»Eletrodo - un SOLDAGEMAAR ACSIUMOpTfl-ffypihcri

SOLDAGEMOMttttCAsotnAGniAoAssoopRissto

AAW IALTAfRZQUtMCMOBUCAo

VMM OA»UMM OH»CORTE A CORTE

TERME0CORTE

PULVER2AÇA0AARCO tLÉTOCÒPULVOGZAçAOACHAMAPUVERgAçAQ A PLASMA

ASP I(AO trarnsp (TO(OC1 CORTE A AJKÚ AACAAB0S9CORTE A ARCOCOMCAAVAOCORTEA ARCOOASMZTAlCORTEA ARCOOAS TUNOSTtWOCORTE A ARCOPUSMACORTECOMEUTBOCOREVOTPO

PSP CACManual ou automática.Eletrodo não consumívelde tungsténio. O arame éadicionado separadamente.

Soldagem de todos os metais.exceto Zn. Be e suas ligas,espessura entre1 e6mm. Sol¬dagem de não ferrosos e açosinox. Põssederazdesoldasemtubulações._

Contínua oualternada.

Argônio. Hélioou misturas

destes

Arcoelétrico

Soldagem CÕRTECOiiínjÚXOQUMOCOCORTE COMPONETAUCOCORTE OXFCOMDUSTtVEL

FÕC OTACTIG POC PACOfC SMACOFC-AOFC-HOFC*OFC*

Eletrodo - OUTROSMÍTOOC3CECORTE

CORTECOMFEKEOEBCTRONS ESCLBCQASHAIURAL

PROPAMOCORTE A AJBOonatnoCORTECOM1AMÇA CECC00ÍMB

CORTE A LASERUCAu&cvu&nuco

ARAOC EVAPORATW

GASBCZRTELOCContínua. Vácuo (stOÿmm Soldagem automática. Nãousa, em geral,metal deadição. Feixede elétronspermiteuma elevada con¬centração de energia.

Soldagem de todos os metas,excetonoscasosdeevolução degases ou vaporização exoesswa,em geral a partir de 25 mm deespessura. Indústria nuclear eaeroespariaL_

Feixe deelétrons

Soldagempor feixede elétrons

Hg)Figura 6Processos de soldagem e afins, segundo a AWS. Os nomes de diversos processos estáoresumidos ou truncados por falta de espaço na figura

Alta tensão.

Peça +

Soldagem de todos os metais.exceto nos casos de evoluçãodegasesouvaporizaçãoexces¬siva. Indústria automobilística,nuclear e aeroespacial

Argônio ou Hélio Soldagem automática.Nâousa, em geral,metal deadição. Laser permite umaelevada concentração deenergia.

Feixe de luzSoldagema laser )

*5. Comparação com Outros Processos de FabricaçãoChama oxi-

acetiiênicaGás (CO. H,. CO,. Soldagemmanual deaço carbo¬

no. Cu. A). Zn, Pb e bronze. Soÿdagem de chapas finas e tubosde pequeno diâmetro.

Manual. Arame adicionadosoparadamente.

Soldagem8 gás IHjO)

3A soldagem é hoje o principal processo usado na união permanente de peças

metálicas, permitindo a montagem de conjuntos com rapidez, segurança e economia I3

LCAPÍTULO 1 Lr

WTTOOLJÇÂOÀSOUMOCM0/1 SOiOACCMFUHDAUOfTOSITtOtCtOGtA

6. Breve Histérico da Soldagemde material. Por exemplo, a ligação de chapas metálicas com parafusos ou rebites. exige que as chapas sejam furadas, causando uma perda de seção de até 10%, que

deve ser compensada por uma espessura maior das peças. A utilização de chapasde reforço e os próprios parafusos e porcas ou rebites aumentam ainda mais o pesofinal da estrutura. Na união de tubos pode-se fazer considerações semelhantes ao secomparar juntas soldadas com juntas rosqueadas. Além disso, as juntas soldadas,desde que executadas corretamente, são por si mesmas estanques, não havendonecessidade de se recorrer a nenhum tipo de artifício para se prevenir vazamentos,mesmo sob pressão elevada.

Comparando-se a soldagem à fundição, como processo de fabricação, constata-se que a soldagem apresenta caracterfsticas interessantes, como: possibilidade dese terem grandes variações de espessura na mesma peça e inexistência de umaespessura mínima para adequado preenchimento do molde com o metal fundido,possibilidade de se usarem diferentes materiais numa mesma peça, de acordo comas solicitações de cada parte, maior flexibilidade em termos de alterações no projetoda peça a ser fabricada e menor investimento inicial.

A soldagem é muito versátil em termos dos tipos de ligas metálicas e das espes¬suras que podem ser unidos. A disponibilidade de um grande número de processosde soldagem permite a união da maioria das ligas metálicas comumente utilizada.Pode-se unir, através dos diferentes processos de soldagem, desde peças comespessura inferior a 1mm (joias, componentes eletrónicos etc.) até estruturas degrandes dimensões (navios, vasos de pressão etc.). A soldagem pode ser utilizadatanto no chão de fábrica, com condições de tràbalho bem controladas, como nocampo, em diferentes ambientes (como, por exemplo, no alto de estruturas elevadasou debaixo d'água). Finalmente, a soldagem pode atender, a um custo competitivo,diferentes requisitos de qualidade, tornando a sua utilização economicamente viáveltanto em trabalhos simples, que não apresentam uma grande responsabilidade (porexemplo, na fabricação de grades e de peças de decoração), como em situaçõesem que ocorrem solicitações extremas e existe o risco de grandes danos no casode uma falha do componente soldado (por exemplo, em navios e outras estruturasmarítimas e em vasos de pressão).

Por outro lado, algumas limitações da soldagem devem ser consideradas. Como asolda é uma união permanente, ela não deve ser utilizada em juntas que necessitamser desmontadas. Praticamente todos os processos de soldagem são baseados naaplicação, na região da junta, de energia térmica e mecânica, o que tende a causaruma série de efeitos mecânicos (aparecimento de distorções e de tensões residu¬ais) e metalúrgicos (mudanças de microestrutura e alteração de propriedades) naspeças. Estes efeitos, juntamente com a formação de descontinuidades como porose trincas na solda, podem prejudicar o desempenho dos componentes soldados ecausar a sua falha prematura. As consequências de uma falha de um componentesoldado podem ser ampliadas devido à natureza monolítica deste. Isto é, enquantoa fratura de uma peça em uma estrutura rebitada fica confinada somente à peça quefalhou, em uma estrutura soldada, a fratura pode se estender por toda a estruturadevido à eliminação da separação entre as peças. Diversos acidentes com estascaracterísticas já ocorreram, destacando-se, por exemplo, os navios de transportedurante a Segunda Guerra Mundial, fabricados por soldagem nos Estados Unidosda. América.

Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cercade 100 anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas desdeépocas remotas. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro comindicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 a. C.

O ferro, cuja fabricação se iniciou em torno de 1500 a. C., substituiu o cobre e obronze na confecção de diversos artefatos. O ferro era produzido por redução dire-ta’e conformado por martelamento na forma de blocos com uma massa de poucosquilogramas. Quando peças maiores eram necessárias, os blocos eram soldadospor forjamento, isto é, o material era aquecido ao rubro, colocava-se areia entre aspeças para escorificar impurezas e martelava-se até a soldagem. Como um exemploda utilização deste processo, cita-se um pilar de cerca de sete metros de altura emais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Dehli (índia).

A soldagem foi usada, na Antiguidade e na Idade Média, para a fabricação dearmas e outros instrumentos cortantes. Como o ferro obtido por redução direta temum teor de carbono muito baixo (inferior a 0,1%), este não pode ser endurecido portêmpera. Por outro lado. o aço. com um teor maior de carbono, era um materialescasso e de alto custo, sendo fabricado pela cementação de tiras finas de ferro.Assim, ferramentas eram fabricadas com ferro e com tiras de aço soldadas noslocais de corte e endurecidas por têmpera. Espadas de elevada resistência mecânicae tenacidade foram fabricadas no oriente médio utilizando-se um processo seme¬lhante, no qual tiras alternadas de aço e ferro eram soldadas entre si e deformadaspor compressão e torção. O resultado era uma lâmina com uma fina alternância deregiões de alto e baixo teor de carbono.

Assim, a soldagem foi, durante este período, um processo importante na tecno¬logia metalúrgica, principalmente, devido a dois fatores: (1) a escassez e o alto custodo aço e (2) o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por redução direta.

Esta importância começou a diminuir, nos séculos XII e XIII, com o desenvolvi¬mento de tecnologia para a obtenção, no estado líquido, de grandes quantidadesde ferro fundido com a utilização da energia gerada em rodas d'água e, nos séculosXIV e XV, com o desenvolvimento do alto-forno. Com isso, a fundição tornou-se umprocesso importante de fabricação, enquanto a soldagem por forjamento foi subs¬tituída por outros processos de união, particularmente a rebitagem e parafusagem,mais adequados para união das peças produzidas.

A soldagem permaneceu como um processo secundário de fabricação até o sé¬culo XIX, quando a sua tecnologia começou a mudar radicalmente, principalmente,a partir das experiências de Sir Humphrey Davy (1801-1806) com o arco elétrico,da descoberta do acetileno por Edrriund Davy e do desenvolvimento de fontes pro¬dutoras de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos desoldagem por fusão. Ao mesmo tempo, o início da fabricação e utilização do aço

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1 Neste processo, o minério de ferro era misturado com carvão em brasa e soprado com ar. Durante esta operação,o óxido de ferro era reduzido pelo carbono, produzindo-se ferro metálico sem a fusão do material.

CAPÍTULO 1INTRODUÇÃO ÀSOLDAKM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA26 27

na forma de chapas tornou necessário o desenvolvimento de novos processos de• união para a fabricação de equipamentos e estruturas.

A primeira patente de um processo de soldagem, obtida na Inglaterra por NikolasBernados e Stanislav Olszewsky, em 1885, foi baseada em um arco elétrico estabele¬cido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada (Figura 7).

7. Exercícios

O que é soldagem?a)

b) Por que é possível se soldar dois blocos de gelo por aproximação?

c) Quais as principais vantagens e desvantagens da soldagem?

Que outros ramos da ciência e da tecnologia contribuem para o desenvolvimento dasoldagem?

d)

*, 1Que tipos de materiais, além dos metais, podem ser soldados?e)

>f) Existem produtos impossíveis de serem fabricados sem a utilização da soldagem?Cite alguns, se for o caso. )

i/ g) Em que casos a soldagem não é recomendada como processo de união?

IFigura 7Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carváo de acordo com a patente de Bernados

)Por volta de 1890, N. G. Slavianoff, na Rússia, e Charles Coffin, nos Estados Unidos,

desenvolveram independentemente a soldagem a arco com eletrodo metálico nu.Até o final do século XIX, os processos de soldagem por resistência, por alumino-termia e a gás foram desenvolvidos. Em 1907, Oscar Kjellberg (Suécia) patenteia oprocesso de soldagem a arco com eletrodo revestido. Em sua forma original, esterevestimento era constituído de uma camada de cal, cuja função era unicamenteestabilizar o arco. Desenvolvimentos posteriores tornaram este processo o maisutilizado no mundo.

Nesta nova fase, a soldagem teve inicialmente pouca utilização, estando restritaprincipalmente à execução de reparos de emergência até a eclosão da primeiragrande guerra, quando a soldagem passou a ser utilizada mais intensamente comoprocesso de fabricação.

Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem têm utilização industriale a soldagem é o mais importante método para a união permanente de metais. Estaimportância é ainda mais evidenciada pela presença de processos de soldagem eafins nas mais diferentes atividades industriais e pela influência que a necessidadede uma boa soldabilidade tem no desenvolvimento de novos tipos de aços e outrasligas metálicas.

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€€€4€€ CAPÍTULO2

€TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEMc

€ÍC€( 1. Introdução€

Muitos são os termos com um significadoparticular quando aplicados à soldagem.Definir todos estes termos tornaria este capítulo tedioso e extenso. Assim, preferiu-secolocar algumas ilustrações e indicar alguns termos utilizados com frequência emsoldagem, de modo a tornar o restante do texto compreensível. Para definiçõesmais completas e precisas pode-se recorrer à literatura indicada no final do livro.De qualquer forma, a própria militância no campo da soldagem se encarregará detomar estes termos familiares.

Quanto à simbologia, serão abordados resumidamente os símbolos usados emsoldagem e seu significado, bem como sua utilização em desenhos técnicos, pormeio de algumas ilustrações. Da mesma forma, pode-se consultar a bibliografiaindicada para um estudo mais completo.

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CAPÍTULO 2SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA30 IER.VWOEOG1A E S1MBOIOGIA D* SOinAGEW

I2. Terminologia da Soldagem iI - II 1 ~i

meio vv

í:Como se viu no Capítulo 1, soldagem é uma operação que visa obter a uniãode peças, e solda é o resultado desta operação. O material da peça, ou peças, queestá sendo soldada é o metal de base. Frequentemente, na soldagem por fusão, ummaterial adicional é fornecido para a formação da solda, este é o metal de adição.Durante a soldagem, o metal de adição é fundido pela fonte de calor e misturadocom uma quantidade de metal de base também fundido para formar a poça defusão. A Figura 1 ilustra estes conceitos.

I 1x K U)

r i/~~i >Duplo JJ Duplo U>kFigura 3

Tipos de chanfro I!iMetal deadição

I II

l F I

r~" w i nI (com fresta)

Poça. de fusão >Juntas deTopo

I (ambos os lados) V Ii y i W iSolda DMetei, IDuplo V (ou X) 1/2 V llInK U PFigura 1

Metal de base, de adição e poça de fusão |ÿ- "JJuntas deCanto >§Chama-se junta a região onde as peças serão unidas por soldagem. A Figura 2

mostra os tipos básicos de junta comumente usados.

O posicionamento das peças para união determina os vários tipos de junta.Entretanto, muitas vezes, as dimensões das peças, a facilidade de se movê-lase as necessidades do projeto exigem uma preparação das peças para soldagem,na forma de cortes ou de uma conformação especial da junta. Estas aberturas ousulcos na superfície da peça ou peças a serem unidas e que determinam o espaçopara conter a solda recebem o nome de chanfro.

PV V e filete Filete

□JQ-] EZJXLFF “v

IJuntas deAresta P >P kcJuntas

Sobrepostas PI IFilete Filete duploiIJ1 |Juntas de

Ângulo s77 Filete Filete duplo] [Topo , Ângulo Canto P

P71 ] 1/2 V K ISobrepostaAresta P PFigura 4

Chanfros usados geralmente com os diferentes tipos de junta

O tipo de chanfro a ser usado em uma condição de soldagem específica éIhido em função do processo de soldagem, espessura das peças, suas dimensõese facilidade de movê-las, facilidade de acesso à região da junta, tipo de junta (Figura4), custo de preparação do chanfro etc. Chanfros em I são utilizados quandodições de soldagem permitem obter a penetração desejada (ver definição a seguir)

P PFigura 2Tipos de junta esco- p

P )Os tipos de chanfro mais comuns usados em soldagem de juntas de topo sãomostrados na Figura 3. A Figura 4 ilustra a aplicação destes chanfros em diferentestipos de juntas.

Pas con- PP pn

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ÍCAPÍTULO 2TERMINOLOGIA E SIMBOLOQA DA SOLDAGEM 133SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIAI 32 ; ■

, li*.«SÇH|Y\ AWWvt M .1, tl i

Existe um grande número de termos para definir o formato e as caracterfsticastécnicas dos cordões de solda. Neste capítulo, apenas alguns destes termos serãoapresentados. A Figura 6 mostra alguns destes termos para uma solda de topo euma solda em ângulo (filete).

1sem a abertura de um outro tipo de chanfro, sendo esta situação particularmentecomum na soldagem de juntas de pequena espessura. Como não necessitam deuma usinagem ou corte mais elaborado, este tipo de preparação tende a ser a demenor custo. Quando não é possível obter a penetração desejada desta forma,torna-se necessário usar um outro tipo chanfro, sendo os tipos mais comuns oschanfros em V ou meio V. Quando a espessura da junta que precisa ser soldadase torna muito grande, estes chanfros podem se tornar pouco interessantes, poisnecessitam de um grande volume de metal de adição para o seu enchimento, o quepode aumentar o tempo necessário para a soldagem e o seu custo. Neste caso ouso de um chanfro em U ou J pode ser mais interessante, embora estes possam termaior custo de preparação. Quando é possível executar a soldagem dos dois ladosda junta, chanfros em X, K, duplo U ou duplo J podem ser considerados. Estes aindatêm a vantagem adicional de melhor equilibrar as tensões térmicas geradas durantea soldagem e apresentar, assim, uma menor distorção. Na escolha de um tipo dechanfro, deve-se ainda considerar a posição de soldagem (ver definição a seguir).Por exemplo, para a soldagem na posição horizontal, um chanfro em meio V ou Ktende a ser mais adequado que um chanfro em V, pois, para o primeiro, existe umamenor tendência da poça de fusão escorrer sob ação da gravidade.

Um chanfro é definido por seus elementos ou características dimensionais. Osprincipais elementos de um chanfro são (Figura 5):

• Face da raiz ou nariz (s): Parte não chanfrada de um componente da junta.

• Abertura da raiz, folga ou fresta (f): Menor distância entre as peças a soldar.

• Ângulo de abertura da junta ou ângulo de bisel (P): Ângulo da parte chanfrada deum dos elementos da junta.

• Ângulo de chanfro (a): Soma dos ângulos de bisel dos componentes da junta.

i:

I Pi,Convexidade \

Garganta

'-•,l d ivM*vvy\.

LarguraFaceFace da solda

I Margem da solda Reforço / t\ jPemaI Penetração

da juntaPenetraçãoda raizI 7i

A \.t"5t'.\pRaiz daRaiz da solda

AV\L -fl\(a) (t)) . j-.-vV. \ .o •

vFigura 6Dimensões e regiões de soldas de topo ta) e de filete (b)I

I A Figura 7 mostra a seção transversal de uma solda e suas diversas regiões. Nestecaso. é mostrada também uma peça colocada na parte inferior da solda (raiz), cha¬mada de cobre-junta ou mata-junta, que tem por finalidade conter o metal fundidodurante a execução da soldagem. Terminada a soldagem, o mata-junta pode ou nãoser removido da junta. O mata-junta pode ser de um material similar ao que estásendo soldado, de cobre ou de material cerâmico. No primeiro caso, o mata-junta,em geral, passa a fazer parte da junta soldada, podendo, terminada a soldagem, serremovido da peça (por corte) ou não. Nos outros casos, o mata-junta não se tornaparte da junta soldada e é removido ao final da soldagem.

if€

IZona termicamenteafetada (ZTA)Zona fundida (ZF)

(

< a o = P 7/( Metal debase (MB)7 A AP

f 'ÿJ/is Mata - juntaIi Figura 7

Seção transversal de uma solda de topo por fusão (esquemática)

A zona fundida (ZF) de uma solda é constituída pelo metal de solda, que é a somada parte fundida do metal de base e do metal de adição. A região do metal de baseque tem sua estrutura e/ou suas propriedades alteradas pelo calor de soldagem échamada de zona termicamente afetada (ZTA). A zona fundida pode ser constituídapor um ou mais passes depositados segundo uma sequência de deposição (Figura8) e organizados em camadas (conjunto de passes localizados em uma mesma al¬tura no chanfro). Cada passe de solda é formado por um deslocamento da poça defusão na região da junta (Figura 1). Em diversas situações, o termo cordão é usado,significando, em alguns casos, a solda e, em outros, o passe.

| Figura 5Características dimensionais de chanfros usados em soldagem (s - nariz, f - fresta, r - raio dochanfro, a - ângulo do chanfro e |5 - ângulo do bizel)

Os elementos de um chanfro são escolhidos de forma a atender os requisitos doprojeto e, em particular, permitir um fácil acesso até o fundo da junta, minimizando,contudo, a quantidade de metal de adição necessária para o enchimento da junta.

1

JCAPÍTULO 2 I orTERMINOLOGIA E SJVBOIOGIA DA SOLDAGEM 03

SOLDAGEMFUNOAMENTOS E TECNOLOGIA34

Iit:»:mL v:, r -w~

1 : ! ií f r ~§keLf

/ K

Vy 9° passev.-,.Vÿ- Vytpnsse v.*ill > i ' vL

__u KPlana CircunferencialHorizontal

IfFigura 8Execução de uma solda de vários passes

KFigura 11Posições de soldagem para soldas em tubulaçõesA posição da peça a ser soldada e do eixo da solda determina a posição da

soldagem, que pode ser plana, horizontal, vertical ou sobrecabeça. Estas sãomostradas para soldas de topo, filete e soldas circunferenciais em tubulações, nasFiguras 9, 10 e 11. A soldagem na posição vertical pode ser executada na direçãoascendente ou descendente. Em tubulações fixas, a posição de soldagem mudadurante a operação (Figura 11). A posição de soldagem tem uma forte influênciasobre o grau de dificuldade da sua execução e na sua produtividade, sendo a sol¬dagem na posição plana, em geral, a mais fácil de ser executada e a que possibilitauma maior produtividade.

As posições de soldagem são designadas pela ASME - American Society ofMechanical Engeneers por um dígito seguido de uma letra. Assim, as posiçõesplana, horizontal, vertical e sobrecabeça são designadas, respectivamente, por 1G,2G, 3G e 4G nas juntas da Figura 9 e, por 1F, 2F, 3F e 4F, nas juntas da Figura 10.No caso de soldas em tubulações (Figura 11), as designações seriam 1G, 2G e 5G,respectivamente. Essa forma de indicar as posições de soldagem é amplamenteusada na indústria.

De acordo com a forma em que é executada, a soldagem pode ser classificada em:

• Manual: toda a operação é realizada e controlada manualmente pelo soldador.

9

9

Ii9

)KK• Semiautomática: soldagem com controle automático da alimentação do metal de

adição, mas com controle manual pelo soldador do posicionamento da tocha e deseu deslocamento.

MT -v'

F • Mecanizada: soldagem com controle automático da alimentação do metal de adição,controle do deslocamento do cabeçote de soldagem pelo equipamento, mas com oposicionamento, acionamento do equipamento e supervisão da operação sob res¬ponsabilidade do operador de soldagem.

Sobre cabeçaHorizontalPlana Vertical(descendente) K

Figura 9Posições de soldagem para soldas de topo • Automática: soldagem com controle automático de praticamente todas as operações

necessárias. Muitas vezes, a definição de um processo como mecanizado ou auto¬mático não é clara, em outros, o nível de controle da operação, o uso de sensores, apossibilidade de programar o processo indicam claramente um processo de soldagemautomático. De uma forma ampla, os sistemas automáticos de soldagem podem serdivididos em duas classes: (a) sistemas dedicados, projetados para executar umaoperação específica de soldagem, basicamente com nenhuma flexibilidade paramudanças nos processos e (b) sistemas com robôs, programáveis e apresentandouma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo.

Alguns destes termos, embora de uso consagrado na soldagem, têm significadodiverso do indicado acima para o pessoal envolvido com área de automação. Esteaspecto será discutido no Capítulo 8 deste livro.

K'ST* K>Z f

i' Vertical(ascendente)

i§ SSI8

hHorizontalPlana Sobre cabeça KKFigura 10

Posições de soldagem para soldas de filete 8li

lu

CAPÍTULO 2 'TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEM I J•

oc SOLDAGEM

°U | FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

3. Simbologia da Soldagem Soldas em chanfro

.v... „y„_V \L11 ir.A simbologia da soldagem consiste de uma série de símbolos, sinais e números,dispostos de uma forma particular, que fornecem informações sobre uma determi¬nada solda e/ou operação de soldagem. Estes elementos, que podem ou não serusados numa situação particular, são. segundo a norma AWS A 2.4:

a) Linha horizontal de referência

emI (Bordasparalelas)

em V ou X 1/2 V ou K U ou duplo U J ou duplo J V flangeado 1/2 V flangeado

Outros

A.....LL. X x=L ...O... .IS.Solda de Solda de

filete tampàoSolda deponto

Solda decostura

Solda dereverso

Soldas de aresta Solda derevestimento

b) Seta

c) Símbolo básico da soldaFigura 13Tipos básicos de soldas e seus símbolosd) Dimensões e outros dados

e) Símbolos suplementares '

l m Hf) Cauda - Especificação do processo de soldagem ou outra referência.

O elemento básico de um símbolo da soldagem é a linha de referência colo¬cada sempre na posição horizontal e próxima da junta a que se refere. Nesta linhasão colocados os símbolos básicos da solda, símbolos suplementares e outrosdados. A seta indica a junta na qual a solda será feita, e na cauda são colocados osdados relativos ao processo, procedimento ou outra referência quanto à forma deexecução da soldagem. Quando existe a possibilidade de se chanfrar uma peçaou outra, uma seta quebrada (formada por duas -linhas) indica qual peça deve sernecessariamente chanfrada. A Figura 12 mostra a localização dos elementos de umsímbolo de soldagem.

>nr A :.rA; AfeSiiÁlí I

!2 7prysr

A*1M £77

Símbolo de acabamentoSímbolo de contorno\FrestaÂngulo de chanfro''\ _

Símbolo básico'ÿÿ-ÿ- A*<Comprimento da solda mBDist. centro a centro'soldas intermitentes)

_ll ■'Dimensão de solda em chanfro R;Dimensão de solda/prep. Soldagem no campoLado

oposto — tr~L-Pí S(E)Especificação, Nprocesso ou outro T

ioldagem em todoo contorno F.Lado

da seta SetaLinha de referência

Cauda

A*+ Y +X Y ti

Figura 12Localização dos elementos de um símbolo de soldagem

O símbolo básico indica o tipo de solda desejado. Cada símbolo básico é umarepresentação esquemática da seção transversal da solda a que se refere. Se osímbolo básico é colocado sob a linha de referência, a solda deve ser feita do mes¬mo lado em que se encontra a seta. Caso o símbolo básico esteja sobre a linha dereferência, a solda deve ser realizada do lado oposto à seta. A Figura 13 mostra ossímbolos básicos mais comuns segundo a norma AWS A 2.4. A Figura 14 apresentaexemplos de soldas em chanfro e seus símbolos. Mais de um símbolo básico podeser usado de um ou dois lados da linha de referência.

mA*3- ++ prÿr

mw Figura 14

Sete variações de soldas em chanfro e seus símbolos

»SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

CAPÍTULO 2 >2038TERMINOLOGIA E SWBOLOGIA OA SOLDAGEM

il,

ilVários números, que correspondem às dimensões ou outros dados da solda, sãocolocados em posições específicas em relação ao símbolo básico. O tamanho dasolda e/ou sua garganta efetiva são colocados à esquerda do símbolo. Em soldasem chanfro, se estes números não são colocados, subentende-se que a penetraçãodeve ser total. A abertura de raiz ou a profundidade de soldas do tipo "plug" ou "slot"é colocada diretamente dentro do símbolo básico da solda. À direita do símbolopodem ser colocados o comprimento da solda e a distância entre os centros doscordões, no caso de soldas intermitentes.

Os símbolos suplementares são usados em posições específicas do símbolo desoldagem, quando necessários. Estes símbolos são mostrados na Figura 15. Alémdestes, existem símbolos de acabamento, que indicam o método de acabamentoda superfície da solda. Estes símbolos são:

• C- rebarbamento (chipping)

5/16 )!lR

/5/161/ II/5/16

)lT■SM ►■ i1/2il

(n1/4 /

1 1/2 /ií* i1/2 ilTitggiiiiT ,

J1/2• G - esmerilhamento (grinding)

ii- /Perna de 1/2”

membro B, /(1/4 x 1/2)! / \no• H- martelamento (hammering),ii1/4

.I 1 ‘ _• M- usinagem (machining)!»i• R - laminação (rolling)

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\ \ Figura 16Exemplos de soldas de filete e seus símbolos isn- |I

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■As Figuras 16 a 19 ilustram o que foi apresentado. l-~-- I • -ÿ

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1■Figura 17Exemplos de soldas de filete intermitente

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ilCAPiruio?TERMINOLOGIA E 3MBOLOGUDA SOLDAGEM 41SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA40I

!4. Exercício

10(13) /\1 60®60°!_Y Desenhe o símbolo ou a solda desejada, conforme o caso. H/10 13

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Solda Desejada Símbolo

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Exemplos de símbolos de soldas em chanfroC :!■Y> 3< i1 ISímboloSolda Desejada

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Exemplos de diversos tipos de solda e seus símbolos

1.í

CAPÍTULO 3 mPRINCÍPIOS DE SEGURANÇA EM SOLDAGEM

1. Introdução

Considerações sobre segurança são importantes em soldagem, corte e opera¬ções relacionadas a estas práticas, pois os riscos envolvidos nestas atividades sãonumerosos e podem provocar sérios danos ao pessoal, equipamentos e instalações.Neste capítulo serão estudados os principais riscos das operações de soldagem eafinse as práticas usuais para se evitar ou minimizara ocorrência de acidentes. Alémdessas práticas, as recomendações e instruções dos fabricantes de equipamentose produtos devem ser rigorosamente observadas.

/) Um componente fundamental da segurança em soldagem e outras práticasindustriais é o apoio, orientação e envolvimento direto das chefias e gerências, quedevem estabelecer claramente os objetivos e o Plano de Segurança da empresa.Este deve considerar a seleção das áreas para operações de soldagem e corte,exigências de compra de equipamentos de soldagem e equipamentos de segurançadevidamente aprovados, estabelecimento e fiscalização de normas de segurançainternas, execução de programas de treinamento no uso do equipamento de trabalhoe de segurança, procedimentos em caso de emergências ou acidentes, utilizaçãode sinais de advertência para os perigos de cada área específica e a inspeção emanutenção periódica dos equipamentos e instalações.

Como diversas outras operações industriais, a soldagem e o corte de materiaisapresentam uma série de riscos para as pessoas envolvidas. Os principais riscosincluem a possibilidade de incêndios e explosões, de recebimento de choque elétrico,de exposição à radiação gerada peio arco elétrico e a fumos e gases prejudiciais àsaúde. As principais causas destes riscos serão apresentadas em cada caso, bemcomo as formas de preveni-los.

.CAPÍTULO 3PRWdfTOS DE SEGURANÇA EM SOLDAGEMA A SOLDAGEM

44 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

3. Choque Elétrico2. Roupas de Proteção

Acidente por choque elétrico é um risco sério e constante nas operações desoldagem baseadas no uso da energia elétrica, particularmente na soldagem a arco.O contato com partes metálicas "eletricamente quentes" pode causar lesões ou atémorte, devido ao efeito do choque elétrico sobre o corpo humano, ou pode resultarem uma queda ou em um outro acidente devido à reação da vítima ao choque.

A gravidade de um choque elétrico não está relacionada com a tensão da fon¬te que o provoca, mas sim com a intensidade da corrente que passa pela vítima,ao seu percurso no corpo do acidentado e à sua duração. A Tabela I apresenta osefeitos e sensações experimentadas por uma pessoa normal quando submetidaa correntes de diferentes intensidades. Uma corrente acima de cerca de 80 mA,passando pela região torácica da vítima, pode ser fatal, provocando um fenômenochamado "fibrilação do coração" e a consequente perda de capacidade deste debombear o sangue.

As operações de soldagem e corte envolvem a manipulação de materiais a

temperaturas elevadas, a exposição a uma quantidade considerável de luz e aoutras formas de radiação eletromagnética e o contato com partículas metálicasincandescentes projetadas em alta velocidade(respingos). Os soldadores, expostosdiretamente a estes riscos, necessitam de vestimentas e equipamentos própriospara a proteção do corpo, da cabeça e dos olhos. Estes devem permitir liberdadede movimentos e ao mesmo tempo cobrir e proteger adequadamente as diversaspartes do corpo para minimizar a chance de queimaduras e outras lesões.

Roupas de raspa de couro são as mais adequadas ao soldador, devido à durabi¬lidade e resistência ao fogo. Tecidos sintéticos ou de algodão devem ser evitados,pois podem fundir ou pegar fogo quando expostos a calor intenso. As roupas de¬vem ser mantidas livres de graxa e óleo, pois estas substâncias podem pegar fogoe queimar com o seu aquecimento excessivo e, em particular, na presença de umaconcentração elevada de oxigénio. Dobras em luvas e calça podem reter fagulhasou metal quente e possibilitar a ocorrência de queimaduras. As pernas das calçasdevem sobrepor às botas (e não ser colocadas dentro destas) para evitar quepartículas quentes caiam dentro das botas. O soldador deve usar botas de couro,de cano alto é com biqueira de aço.

As principais peças de vestuário usadas pelo soldador para a sua proteção incluemvários itens mostrados na Figura 1. Além destas, é importante o uso de óculos deproteção por baixo do capacete.

!

!

í tTabela I- Efeitos fisiológicos do choque elétrico

I»

intensidade da corrente Efeito IAté 5 mA Formigamento fraco

5 até 15 mA Formigamento forte

15 até 50 mA Espasmo muscular

50 até 80 mA Dificuldade de respiração até desmaios

Fibrilação do ventrículo do coração;parada cardíaca; queimaduras de alto grau

80 mA até 5 Ai.Filtro (ver

Tabela II)Acima de 5 A Morte certa

6

8

rj A resistência interna do corpo humano é relativamente baixa (cerca de 500Í2), sendoa resistência da pele, quando seca, muito mais elevada (da ordem de 105 O). Este valorpode, contudo, ser grandemente reduzido quando a pele está úmida, aumentando orisco de choques mesmo para tensões relativamente baixas (em torno de 100 V).

Acidentes com choque elétrico podem ser divididos em duas categorias diferen¬tes: choque com a tensão de entrada (isto é, 230, 440 V) e choque com a tensãosecundária, ou seja, o circuito de soldagem (60-100 V).

No primeiro caso, o choque tende a ser mais forte e perigoso. Pode ocorrer,por exemplo, ao se tocar um fio dentro de um equipamento de soldagem quandoa alimentação de energia está conectada e ao mesmo tempo tocar na carcaça damáquina ou outra parte metálica. Mesmo com a máquina desligada, energia elétricapode estar armazenada em dispositivos como bancos de capacitores no interior damáquina. Assim, apenas técnicos capacitados devem fazer reparos no equipamentose este não estiver funcionando adequadamente, e a carcaça da máquina deve seradequadamente aterrada.

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Figura 1Vestuário de proteção típico a ser usado por um soldador; (1) Avental de couro. (2) mangade couro. (3) luva de couro. (4) perneiras de couro. (5) sapatos de segurança. (6) capacete deproteção. (7) óculos de segurança. (8) ombreira de couro

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SOLDAGEMFUNOAMOUDSE TECN0LD6M46 CAftolOS

FBMdROS DE SfGtHANÇA BUI SODAGRÍ DiliChoque com a tensão secundária ocorre quando se toca uma parte do circuito do

eletrodo ao mesmo tempo em que outra parte do corpo está em contato com a peçametálica que está sendo soldada. O uso de luvas secas e de roupas de proteção parase isolar do circuito de soldagem minimiza o risco de choques neste caso.

As precauções que devem ser tomadas para se evitar o choque elétrico são: ater¬rar todo o equipamento elétrico, trabalhar em ambiente seco, manter as conexõeselétricas limpas e bem ajustadas, usar cabos de dimensões corretas, evitar trabalharsobre circuitos energizados e usar roupas, luvas e calçados secos.

Em caso de choque elétrico, o circuito deve ser imediatamente interrompido e,caso isto não seja possível, a vítima deve ser afastada do contato. Não se deve to¬car o acidentado diretamente, mas com um material isolante, como um pedaço demadeira ou tecido seco. A respiração artificial (boca-a-boca) deve ser imediatamenteiniciada após retirar a vítima do circuito elétrico, caso se constate parada respiratória,e continuada até a chegada de socorro médico.

Tabela II - Lentes de proteção para operadores de soldagem e corte

Soldagem a areo elétricoOperação Diâmetro

do Eletrodo (mm)Filtra para

proteção mínimaCorrente de

soldagem (A)Filtro sugeridopara conforto

<2,5 7<60 i2.5 - 4.0 60-160 8 10Eletrodo

revestido 4.0 -6.4 160-250 10 12

>6.4 250- 550 11 14<60 7

60-160 10 11MIG-MAGArame tubular 160-250 10 12

250- 500 10 14<50 8 10

4. Radiação do Arco Elétrico TIG 50-150 8 12

150-500 10 14

O arco elétrico é formado em gases ionizados a uma temperatura muito elevadae capaz de gerar radiação eletromagnética intensa.na forma de infravermelho, luzvisível e ultravioleta. Chamas e metal quente também emitem radiação, mas comuma intensidade muito menor.

É essencial proteger os olhos da radiação do arco, pois esta pode causar a queimada retina e catarata. Mesmo uma pequena exposição à radiação do arco pode causaruma irritação dos olhos conhecida como "flash do soldador". Normalmente ela só ésentida várias horas após a exposição, causa grande desconforto e provoca inchaçodos olhos, secreção de fluidos e cegueira temporária. O flash do soldador é tempo¬rário, mas exposições prolongadas ou repetidas podem levar a lesões permanentesnos olhos.

A radiação do arco pode também causar queimaduras na pele, ofuscamento, fadigavisual e dor de cabeça. A proteção deve evitar a exposição do soldador e de terceirostanto à radiação direta quanto à indireta (isto é, resultante da reflexão da radiação).Individualmente. o soldador deve se proteger com o uso de roupas opacas e máscarascom filtros de luz adequados. A máscara, usada junto com o capacete, protege aindaa região da cabeça contra calor, respingos, chamas e choques. Os filtros de proteçãocontra a radiação são especificados por números que indicam a sua capacidade defiltrar a radiação (Tabela II). A proteção de terceiros pode ser proporcionada com ouso de biombos e cortinas não refletoras.

<500 10 12Goivagem

500-1000 11 14 1Soldagem e corte oxi-acetffênico

Operação Espessura da chapa (mm) Filtro sugerido para confortoLeve <3,2 4 ou 5

Soldagem Média 3.2-12,7 5 ou 6

Pesada >12,7 6 ou 8/Leve <25,4 3 ou 4

Corte Médio 25-150 4 ou 5

Pesado >150 5 ou 6

Nos anos 1990. surgiram máscaras eletrónicas, baseadas na tecnologia de cristallíquido. Este tipo possui um visor que é claro quando não há arco aberto e permiteenxergar normalmente. Quando um arco é iniciado e há emissão de radiação, o visorescurece em milésimos de segundo,oferecendo assim uma proteção adequada, semque haja necessidade de nenhuma ação do soldador. Existemdisponíveis no mercadodiferentesmodelos deste equipamento que permitem,por exemplo, ajustemanual ouautomático do çjrau de escurecimento do visor, desligamento automático quando nãohá emissão de radiação por um certo período de tempo e célula solar para recarga dabateria interna. O custo das máscaras de cristal líquido é ainda relativamente elevado.mas com tendência de queda, com o aumento da demanda.

íCAPÍTU103rewdros OE SEGURANçA EM S&DAGEM 4948r FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

r O soldador deve ficar atento para a direção tomada pela coluna de fumos geradosdurante a soldagem e tentar se posicionar de forma a se manter afastado desta.

Sistemas de exaustão de gases podem ser acoplados às tochas de soldagem.mas isto encarece o custo do equipamento e aumenta o peso que o soldador precisasustentar durante a operação.

5. Incêndios e Explosõesf.!!;,!iPara que se inicie um incêndio são necessários três elementos atuando

conjuntamente: uma fonte de calor, um material combustível e oxigénio.Na maioria das operações de soldagem e corte, o oxigénio estará presente no

ar que circunda a solda. Além disso, oxigénio puro existirá em cilindros ou em ins¬talações centralizadas de armazenamento deste gás. O arco elétrico, a chama desoldagem ouos respingos atuam como fontes de calor. Assim sendo, é fundamentalcontrolar e, se possível, evitar a presença de materiais combustíveis próximos à áreade operação de soldagem para se prevenir incêndios.

b Nos ambientes industriais, inúmeros são os materiais combustíveis presentes.Estes podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Muitas vezes, materiais inflamáveis,como tintas, solventes, graxas e óleos, são utilizados nas imediações de áreas desoldagem. Assim, todo o cuidado deve ser tomado para manter estes materiais emrecipientes adequados, tampados e afastados da área de soldagem e corte. Estopas.panos e papéis embebidos em solventes e outros líquidos inflamáveis devem serretirados da área antes de se iniciar quaisquer dessas operações. É evidente que alimpeza e a organização da área de soldagem são fundamentais para a segurança.

Na soldagem de manutenção de tanques de combustível ou recipientes quearmazenavam combustíveis ou materiais inflamáveis, muitas vezes há a formaçãode vapores explosivos. Antes de se iniciar a soldagem ou corte, estas peças devemser rigorosamente limpas ou lavadas. É recomendável que sejam preenchidas par¬cialmente com água de forma conveniente a não prejudicar a soldagem.

Na soldagem a gás. pode ocorrer o fenômeno conhecido como "engolimento dechama”, que será visto no Capítulo 11, que também pode ser causa de incêndio ouexplosão. Este risco é minimizado pelo uso de válvulas de fluxo de sentido único.

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7. Outros RiscosrQJ Outros riscos comuns em áreas de soldagem e operações afins são: quedas deobjetos e ferramentas, quando da soldagem acima do nível do solo, queda de pes¬soal trabalhando em andaimes e plataformas ou locais elevados e movimentaçõesde cargas no nível do solo ou elevadas. Capacetes de segurança devem sempre serusados nestes casos, e cintos de segurança são recomendados quando se trabalhaem locais elevados.

oJ Fagulhas e partículas frias ou aquecidas podem ser lançadas durante oesmerilhamento, limpeza e goivagem em áreas de soldagem. Acesso restritoe uso de biombos, óculos de segurança e proteção auricular devem ser imple¬mentados.

r> Cuidados especiais devem ser tomados corn os cilindros de gás. Estes podemconter gases a pressão muito elevada (de até cerca de 200 atm), podendo se tornarprojéteis pesados caso o gás escape de forma descontrolada (no caso da ruptura desua válvula, por exemplo). Apenas cilindros contendo o gás de proteção adequadopara o processo de soldagem em uso e reguladores de pressão próprios para estegás e sua pressão devem ser usados. As mangueiras e suas conexões devem seradequadas para a aplicação e estar em boas condições de uso. Os cilindros devemser mantidos em pé e presos a um suporte de forma que não possam cair. O seutransporte deve ser sempre feito com a proteção da válvula.

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6. Fumos e Gasest 8. Recomendações Finais

As operações de soldagempodem gerar fumos e gases que podem ser prejudiciaisà saúde por diversos motivos. Por exemplo, vapores de zinco podem causar dor decabeça intensa e febre, enquanto que vapores de cádmio podem ser fatais.

Os gases de proteção usados em alguns processos de soldagem (argônio, C02e misturas), não são tóxicos, mas deslocam o ar, pois são mais pesados que este epodem causar asfixia e morte, se forem usados em ambientes fechados.

Assim, as operações de soldagem e corte devem ser efetuadas em locais bemventilados e, se necessário, devem ser usados ventiladores e exaustores. Quandoisto não for possível, o soldador deve usar uma máscara contra gases ou equipa¬mentos de proteção respiratória.

■t■?-[) A segurança em instalações industriais é uma tarefa coletiva. Todos devem ser

engajados na prevenção de acidentes e conscientizados que só se consegue umresultado favorável na medida em que cada indivíduo se comprometa efetivamentecom a segurança.

A maior regra de segurança continua sendo PENSE ANTES DE AGIR E AJASEMPRE COM BOM SENSO. A perseverança é fundamental. Regras de segurançapassam a ser negligenciadas e relegadas a um segundo plano com o passar dotempo. Somente a ATENÇÃO e ALERTA constantes podem minimizar o risco deacidentes.

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9. Exercícios!

a) Que equipamentos de proteção individual são recomendados para a segurança desoldadores e operadores de soldagem?

b) Cite medidas de segurança para a proteção de instalações e equipamentos de solda¬gem.

c) Qual a diferença entre segurança pessoal e de terceiros?

d) Por que a segurança é uma tarefa coletiva?

e) Por que esforços individuais são pouco efetivos na prevenção de acidentes?

1

CAPÍTULO 4

0 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM

j

1. Introdução KO arco elétrico é a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de mate¬

riais metálicos, pois apresenta uma combinação ótima de características, incluindouma concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal de base,facilidade de controle, baixo custo relativo do equipamento e um nlvei aceitável deriscos à saúde dos seus operadores. Como consequência, os processos de solda¬gem a arco têm atualmente uma grande importância industrial, sendo utilizados nafabricação dqs mais variados componentes e estruturas metálicas e na recuperaçãodeum grande número de peças danificadas ou desgastadas. Este capitulo apresentauma descriçãogeral das características do arco elétrico,em particular aquelas impor¬tantes para a sua aplicação em soldagem. A ênfase aqui será nos fenômenos fisicosque controlam a soldagem a arco e não nos aspectos tecnológicos, industriais oumetalúrgicos da soldagem. Apesar de muito estudado, o arco elétrico é bastantecomplexo eos conhecimentos obtidosaté agora permitemumentendimento apenasparcialdos fenômenos envolvidos. Algumas dessas informações serão apresentadasneste capitulo, de forma simplificada.

O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada através de um gásionizado, a alta temperatura, conhecido como plasma, podendo produzir energiatérmica suficiente para ser usado em soldagem, pela fusão localizada das peçasa serem unidas. Atribui-se a primeira observação do arco elétrico em condiçõescontroladas a Sir Humphrey Davy, no início do século XIX. O termo arco foiaplicadoa este fenômeno em função de sua forma característica resultante da convecçãodos gases quentes gerados pelo mesmo. O limite superior de corrente em um arcoelétrico não é bem definido, podendo atingir dezenas ou centenas de milhares deampéres em certos circuitos. Para a soldagem a arco, correntes acima de 1000 A

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CAPÍTULO* rn0 ARCO ElÉTPJCO OS SOLDAGEM 3«3

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIAr 52i

são utilizadas no processo a arco submerso (Capítulo 16) e da ordem de 1 A ouinferiores são usadas na soldagem com microplasma (Capítulo 14). Os valores maiscomuns, contudo, são da ordem de 10’ a 102A.

Em soldagem, o arco, em geral, opera entre um eletrodo plano, ou aproxima-damente plano (a peça), e outro que se localiza na extremidade de um cilindro (oarame, vareta ou eletrodo), cuja área é muito menor do que a do primeiro. Assim, amaioria dos arcos em soldagem tem um formato aproximadamente cónico ou "desino", com o diâmetro junto da peça maior do que o diâmetro próximo do eletrodo(Figura 1). Exceções podem ocorrer nos processos de soldagem a plasma (Capítulo14) e a arco submerso. No primeiro, um bocal de constrição na tocha restringe oarco, tornando-o aproximadamente cilíndrico. Na soldagem a arco submerso, o arcoocorre dentro de uma câmara cujas paredes são formadas pelo fluxo fundido que seexpandem e contraem periodicamente. Na soldagem com eletrodo revestido (Capí¬tulo 12), o arco pode se mover rápida e de forma errática na superfície do eletrodoem associação com o movimento de liquidos na extremidade deste.

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Figura 2Regiões de um arco de soldagem (esquemáticas): (a) Zona de Queda Catódica,(b) Coluna do Arco e (c) Zona de Queda Anódica. /a - Comprimento do arco

■H i ;ÿmmAs regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes

térmicos e elétricos, da ordem de 106 °C/mm e de 103a 105 V/mm, respectivamente,e as somas das quedas de potencial nessas regiões é aproximadamente constante,independentemente das condições de operação do arco.

A parte visível e brilhante do arco constitui a coluna de plasma, que apresentagradientes térmicos e elétricos bem mais baixos que as regiões anteriores, da ordemde 103oC/mm e 1 V/mm, respectivamente. A diferença de potencial nesta regiãovaria de forma aproximadamente linear com o comprimento do arco. Assim, paraum dado valor de corrente de soldagem, a diferença de potencial entre o eletrodoe a peça é, em uma primeira aproximação, dada por (ver Figura 2):

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íFigura 1Imagem do arco elétrico observado entre um eletrodo de tungsténio e um bloco de cobre emuma atmosfera de argônio

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2. Características Elétricas do Arco={ÿa+Vc) + E Ha (Eq.1)

A diferença de potencial entre as extremidades do arco, necessária para manter adescarga elétrica, varia com a distância entre os eletrodos, chamada de comprimentodo arco (la), com a forma, tamanho e material dos eletrodos, composição e pressãodo gás na coluna de plasma e corrente que atravessa o arco, entre outros fatores.

Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença depotencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por este. Aqueda de potencial ao longo do arco elétrico não é uniforme, distinguindo-se trêsregiões distintas, como ilustrado na Figura 2.

A Figura 3 mostra a variação da tensão*no arco elétrico com a corrente de solda¬gem, para três diferentes comprimentos de arco e com outros parâmetros, comoa composição do gás de proteção, mantidos fixos. Esta curva é conhecida como"característica estática do arco". A curva característica do arco difere da curva de umaresistência comum, para a qual vale a Lei de Ohm (V = R.l). que tem o formato deuma reta passando pela origem. Por sua vez, a curva do arco passa por valor mínimo

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CArtTUUX Igg0ABCO afTHCO DE SOUMGEM5ÿ RMouramsiTOwma*

de tensão para valores intermediários de corrente e aumenta tanto para maiorescòmo menores valores de correntes. O aumento da tensão para os valores elevadosde corrente é similar ao observado em uma resistência comum. O comportamentoencontrado para baixos valores de corrente é próprio do arco elétrico e reflete o fatode que, neste, a condução da corrente elétrica é feita por Ions e elétrons gerados porionização térmica. Quando a corrente é baixa, existe pouca energia disponível para oaquecimento e ionização do meio em que o arco ocorre, resultando em uma maiordificuldade para a passagem da corrente e, como consequência, em um aumento datensão elétrica do arco.

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6 mm14 4

o 2 4 6>Comprimento do Arco (mm)o 12(O

to 4 mmc£ ItfD» BÉ Figura 4

Variação da diferença de potencial entre as extremidades de um arco de soldagem com adistância de separação entre elas. para diferentes níveis de corrente (dados da figura anterior)10- iffuBI 2 mmO plasma é constituído por moléculas, átomos, Ions e elétrons. Destes, os dois

últimos são os responsáveis pela passagem da corrente elétrica no arco. Assim, aestabilidade do arco está intimamente ligada às condições de produção de elétronse (ons, em grande quantidade. Elétrons e Ions são produzidos, na coluna de plasma.por choques entre os constituintes desta coluna que ocorrem nas elevadas tempe¬raturas existentes nesta. Contudo, devido à sua massa muito menor, a velocidadedos elétrons tende a ser muito superior à dos outros constituintes e mais de90% dacorrente elétrica do arco de soldagem pode ser transportada pelos elétrons. Destaforma, para manter a neutralidade elétrica do arco, elétrons adicionais precisam sergerados junto ao eletrodo negativo (cátodo).

Quando o material do cátodo tem um elevado ponto de fusão (por exemplo,tungsténio ou carbono), neste pode-se atingir temperaturas suficientemente altas(acima de cerca de 3.500 K) para que ocorra a emissão termiônica dos elétrons.Esta forma de emissão é caracterizada por uma tensão de queda catódica (Vc)relativamente baixa (cerca de 5 V) e por uma região de contato do arco com oeletrodo (ponto catódico) relativamente difusa e estática.

Quando o material do cátodo tem uma menor temperatura de fusão (por exem¬plo, aço. alumínio e cobre), a temperatura da região catódica fica abaixo de 3.500 K.sendo insuficiente para gerar uma quantidade suficiente de elétrons por emissãotermiônica. Assim, processos alternativos precisam operar. Na soldagem com um

8 3160 200100500 ,)Corrente (A)

Figura 3Curvas caracterfsticas estáticas do arco entre um eletrodo de tungsténio e um ânodo do cobrepara diferentes comprimentos de arco

A Figura 4 mostra esquematicamente uma curva de variação da queda de tensãoao longo do arco com o seu-comprimento para dois valores de corrente. Observa-seuma relação aproximadamente linear entre a tensão e o comprimento do arco e que,quando este último torna-se muito curto, o valor da tensão não tende para zero, oque está de acordo com a equação 1.

3

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J

CAPÍTULO 4O ARCO ELÉTRICO OE SOLDAGEM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA !5756m«

cátodo de material não refratário, o mecanismo mais comum envolve a emissão dos.elétrons a partir de filmes de óxido existentes na superfície do material, ocorrendo adestruição destes filmes com a emissão dos elétrons. Este mecanismo de emissão("emissão a frio") é caracterizado por uma tensão de queda catódica maior (entre 10e 20 V), pela existência de múltiplos pontos catódicos que se movem com elevadavelocidade na superfície do cátodo e pelo efeito de limpeza (remoção de óxido) destasuperfície. Em particular, este efeito de limpeza é de importância fundamental nasoldagem a arco com proteção gasosa de ligas de alumínio e magnésio (metais quepossuem uma camada de óxido de elevada temperatura de fusão).

A possibilidade de ocorrência de diferentes mecanismos de emissão de elétronsjunto com diferenças de composição, forma e temperatura dos eletrodos faz comque a polaridade dos eletrodos influencie significativamente a estabilidade do arcoe outras características operacionais de um processo de soldagem. A estabilidadeé importante, tanto do ponto de vista operacional quanto da qualidade da solda. Umarco instável é mais difícil de ser controlado pelo soldador, já que este precisa termaior habilidade para mantê-lo operando e executar a solda de maneira adequada.Além disso, o cordão de solda obtido com um arco instável tende a ter uma formamais irregular com dimensões variáveis e pode apresentar uma maior quantidadede porosidade, tornando-se muitas vezes inaceitável.

I n200 A12,1 V !:

18.000 K16.00015.00014.00013.00012.00011.00010.000

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If Figura 5Isotermas de um arco elétrico típico. V = 12 V. I = 200 A

Lt Além de calor, o arco elétrico gera radiação eletromagnética de alta intensidade,nas faixas do infravermelho, visível e ultravioleta, devendo ser observado com filtrosprotetores adequados.

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m3. Características Térmicas do Arco 4. Características Magnéticas do Arco

tO arco de soldagem apresenta, em geral, uma elevada eficiência para transfor¬

mar a energia elétrica em energia térmica e transferi-la para a peça. O calor geradonum arco elétrico pode ser estimado, a partir de seus parâmetros elétricos, pelaequação:

O arco de soldagem é um condutor gasoso de corrente elétrica. Quando compa¬rado com um fio metálico, tende a ser muito mais sensível à influência de camposmagnéticos.

Campos magnéticos são criados por cargas elétricas em movimento. Desta for¬ma, em torno de qualquer condutor elétrico percorrido por uma corrente, existe umcampo magnético circular induzido por esta corrente.

Por outro lado, se um condutor de comprimento I, percorrido por uma correnteelétrica i, é colocado em uma região onde exista um campo magnético B (orientadoperpendicularmente a I), ele experimenta uma força F, conhecida como "Força deLorentz", que é dada por:

(IF;íl Ii‘ IQ =V 1 1 (Eq. 2)

ti li/

I onde Q é energia térmica gerada, em Joules (J), V é a queda de potencial no arco,em Volts (V); / é corrente elétrica no arco, em Ampéres (A), etéo tempo de opera¬ção, em segundos (s).

Para que a ionização do plasma e, portanto, a capacidade deste de conduzir cor¬rente não sejam perdidas, altas temperaturas devem ser mantidas no arco elétrico.A Figura 5 mostra o perfil térmico de um arco de soldagem estabelecido entre umeletrodo de tungsténio e uma peça de cobre refrigerada a água, separados por 5mm,em atmosfera de argônio. Obviamente, esta distribuição de temperatura depende doprocesso e das condições de soldagem. Por exemplo, um aumento da corrente desoldagem, ocasionando uma maior geração de energia no arco, leva ao aparecimentode temperaturas mais altas além de aumentar as dimensões do arco. Na soldagemcom eletrodo consumível, uma quantidade de vapor metálico pode ser incorporadaao arco. Como esse vapor é, em geral, mais facilmente ionizável que os gases quenormalmente formam o arco (como o argônio e o oxigénio), a temperatura do arcotende a se reduzir.

Ét

I IF = B IA (Eq. 3)I» t

A forçaFéperpendicular a ambos,Bei, e o seu sentido pode ser obtido aplicando--se a "Regra do Parafuso", isto é, imaginava-se um parafuso convencional que girano sentido de I para B. O sentido de F será aquele de avanço do parafuso. As forçasde origem magnética aumentam com a corrente elétrica e, portanto, os seus efeitostendem a se tornar mais intensos na soldagem com corrente elevada.

::í.ni&r?:L.-1*

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA58 CAPilULO < ,-n

O ARCO tlÍTRICO DE SOLDAGEM

>É de especial importância para a soldagem a arco a força de compressão que ocampo magnético induzido pela corrente que passa por um condutor exerce sobresi próprio. Para um condutor cilíndrico, esta força, considerada na forma de pressão(p), é dada por:

As mesmas forças magnéticas que atuam no arco e causam a formação dojato de plasma exercem uma influência similar na extremidade fundida de elétro¬dos consumíveis. Estas forças tendem a estrangular, ou apertar ("pinch"), o metallíquido na região em que o seu diâmetro é menor e, desta forma, podem contribuirpara separá-lo do fio sólido (Figura 7). Este efeito, particularmente para valores decorrente de soldagem elevados, pode exercer um papel direto na transferência demetal do eletrodo para a peça.

ta/

IIH

4*2/?2 iflj II(Eq.4)P= PA +

/InEletrodoondepÿ é a pressão atmosférica, po,(4rc.10'7 H/m) é a permeabilidade magnética dovácuo, fléo raio do condutor eréa distância ao centro do condutor (r < R). Con¬siderando os valores comuns de corrente em soldagem, pode-se mostrar que estapressão é muito pequena para causar qualquer efeito importante em um condutorsólido, mas que seus efeitos podem ser consideráveis no arco ou no metal fundidona ponta de um eletrodo durante a soldagem.

No arco elétrico, esta pressão desempenha um papel importante devido ao for¬mato cónico usual do arco (Figura 1). Devido a este formato, o valor de R junto aoeletrodo é menor do que o seu valor junto da peça, onde, portanto, p é menor. Estadiferença de pressão induz, no arco, um intenso fluxo de gás do eletrodo para apeça que é independente da polaridade e do tipo de corrente usados e é conhecidocomo "Jato de Plasma". Figura 6.

IIIrGota](i-X. .;

h■íJIí.Arco ’ \

In")

)Figura 7Efeito "Pinch” (esquemático) Íí >Eletrodo Um outro efeito importante de origem magnética na soldagem a arco é o chamado

"sopro magnético", que consiste de um desvio do arco de sua posição normal deoperação e que tende a ocorrer de uma forma intermitente e similar a uma chamasendo soprada. O sopro magnético resulta de uma distribuição assimétrica do campomagnético em torno do arco, o que causa o aparecimento de forças radiais atuandosobre o arco e levando à alteração de sua posição. Esta distribuição assimétrica docampo magnético pode ser causada por variações bruscas na direção da correnteelétrica (Figura 8-a) e/ou por um arranjo assimétrico de material ferromagnético emtorno do arco, como mostrado esquematicamente nas Figuras 8-b (extremidadesdas peças) e 8-c (peças de diferentes espessuras).

BPii ' i 1

(ArcoP2<PiBP2

;!UUP

Figura 6Representação esquemática da formação do jato de plasma I )

it»O jato de plasma direciona os gases quentes do arco contra a peça, sendo,assim, um dos mecanismos responsáveis pela penetração da solda. Além disso,ele garante ao arco elétrico uma certa rigidez (o arco é um jato de gases) e afeta atransferência de metal do eletrodo para a poça de fusão (soldagem com eletrodosconsumíveis).

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iÍJ

CAp|rui04 C10 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM D 1SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA60

IIO sopro magnético é quase sempre indesejável na soldagem, pois orienta o arco

para direções que, em geral, prejudicam a penetração e uniformidade do cordão desolda, além de causar a instabilidade do arco e dificultar a operação.

O sopro magnético pode ser minimizado ou eliminado através de algumas me¬didas simples, entre elas:

ElétrodoConcentração delinhas de campo II9 iDireção

do sopromagnético /4 Saída de

correnteSM • inclinar o eletrodo para o lado para o qual se dirige o arco;

I ~r~ • soldar com arco mais curto:_ ■ (a)

\JJJUJUJUU • usar mais de uma conexão de corrente na peça, visando balanceá-la em relação aoarco:

l9 Indução

magnética l!4 • usar corrente de soldagem mais baixa, quando possível; e ■

: ií€ • usar corrente alternada, pois o efeito do sopro é menor.

. Ji« s5. Exercícios e Práticas de LaboratórioI( a) Por que o arco elétrico é a fonte de calor mais usada, hoje em dia, para a soldagem

por fusão?f(b) Como é possivel determinar experimentalmente a soma das quedas de potencial nas

regiões anódica e catódica?b)•: Concentração de linhas de campo

fc) Por que a corrente de soldagem é transportada principalmente por elétrons?4 IIEletrodo H7 Que proporção da corrente elétrica no arco é transportada por elétrons? E por ions

positivos?d)« 0 ii ll

Calcule quantos elétrons e ions são necessários para transportar uma corrente de150 A.

e)

ii:,

4 .Solda Explique como cada uma das medidas citadas no texto pode minimizar o sopro mag¬nético.

f),

li li:g) Estabeleça um arco elétrico de soldagem TIG sobre um bloco de cobre, refrigerado aágua. com o eletrodo ligado ao polo negativo da fonte de energia. Meça a queda detensão no arco para várias correntes de soldagem, mantendo fixos o comprimento doarco e o ângulo da ponta do eletrodo. Meça a tensão no arco para diferentes compri¬mentos, com a corrente e o ângulo da ponta fixos. Repita as experiências anteriorespara diferentes ângulos da ponta do eletrodo. Trace gráficos V x I e V xí para cadaângulo. Explique o resultado das experiências.

4c- (C)*.'X;í

i1 Figura 8Causas de sopro magnético (esquemático): (a) mudança brusca da direção da corrente na suapassagem do arco para a peça: (b) concentração do campo magnético na borda de uma juntade material ferromagnético e (c) concentração do campo no lado menos espesso de uma juntado mesmo tipo de material

h) Discuta qual é o significado físico da tangente à curva V x I.-‘

Discuta qual é o significado físico da tangente à curva V x£i) i4i. i) Determine a soma das quedas de tensão anódica e catódica.1 a

*

»11

CAPÍTULO 5

FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO

jí

IIIij

1. Introdução

A soldagem a arco utiliza uma fonte de energia (ou máquina de soldagem) pro¬jetada especificamente para esta aplicação e capaz de fornecer tensão e corrente,em geral, na faixa de 10 a 40 V e 10 a 1.200 A, respectivamente. Nas últimas trêsdécadas, ocorreu um grande desenvolvimento no projeto e construção de fontespara soldagem com a introdução de sistemas de controle eletrónicos nestes equipa¬mentos. Atualmente, pode-se encontrar no mercado tanto máquinas convencionais,cuja tecnologia básica vem das décadas de 1950 e 1960, como máquinas "eletróni¬cas", de desenvolvimento mais recente (décadas de 1970, 1980 e 1990). No Brasil,a grande maioria das fontes fabricadas ainda são convencionais. Em países do pri¬meiro mundo, a situação é bastante diferente. No Japão, Europa e Estados Unidos,a maior parte dos equipamentos fabricados para alguns processos de soldagem aarco são eletrónicos.

im2. Requisitos Básicos das Fontes

Uma fonte de energia para soldagem a arco deve atender a três requisitos básicos:

• produzir saídas de corrente e tensão com características adequadas para um ou maisprocessos de soldagem: i

;

CAPITULO 5 ' C[-fONTESOEENHIGIAPABA SOLDAGEM A AJICO [ ÕOCA : SOLDAGEM

0*+ 1 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

característica, uma fonte pode ser classificada como de corrente constante (Cl1) ou detensão constante (CV). A Figura 1 ilustra os diferentes tipos de curva característica.Esta Figura ainda mostra, sobrepostas às curvas das máquinas, curvas característicasdo arco (Capítulo 3) e o ponto de operação resultante das duas.

• permitir o ajuste dos valores de corrente e/ou tensão para aplicações específicas e

• controlar, durante a soldagem, a variação dos níveis de corrente e tensão de acordocom os requisitos do processo e aplicação.

Adicionalmente, o projeto da fonte precisa considerar os seguintes requisitosadicionais:

Tensão Tensãoestar em conformidade com exigências de normas e códigos relacionados com a

segurança e funcionalidade:

apresentar resistência e durabilidade em ambientes fabris, com instalação e operaçãosimples e segura:

ter controles/interface de fácil uso e compreensão para o usuário: e

Lr~\Fonteist\Wmmm

» Fonte Arco

mpife

quando necessário, ter interface ou saída para sistemas de automação.

Corrente3. Fontes Convencionais Corrente(a) (b) 1

3.1- Características estáticas e dinâmicas Figura 1Curvas características de fomes mostradas juntamente com uma curvacaracterística do arco. (a) corrente constante e (b) tensão constante

O funcionamento de uma fonte de energia depende fundamentaimente de suascaracterísticas estáticas e dinâmicas. Ambas afetam a estabilidade do arco e a aplica¬bilidade da fonte para um dado processo de soldagem, mas de uma forma diferente.Características estáticas se relacionam com os valores médios de corrente e tensãode saída da fonte como resultado da aplicação de uma carga resistiva.

As características dinâmicas envolvem variações transientes de corrente etensão fornecidas pela fonte em resposta a mudanças durante a soldagem. Estasvariações envolvem, em geral, intervalos de tempo muito curtos, da ordem de 10'2 sou menos, sendo de caracterização mais difícil que as características estáticas. Ascaracterísticas dinâmicas são importantes, em particular, (1) na abertura do arco, (2)

durante mudanças rápidas de comprimento do arco, (3) durante a transferência demetal através do arco e (4), no caso de soldagem com corrente alternada, durante aextinção e reabertura do arco a cada meio ciclo de corrente. As características dinâ¬micas das fontes são afetadas por: (1) dispositivos para armazenamento temporáriode energia, como bancos de capacitores ou bobinas, (2) controles retroalimentadosem sistemas regulados automaticamente e (3) mudanças na forma de saída da fonte.As duas últimas formas de controle das características dinâmicas não são usadasem fontes convencionais, sendo típicas de fontes com controle eletrónico.

As características estáticas da fonte são indicadas na forma de curvas caracte¬rísticas, obtidas através de testes com cargas resistivas, e que são, muitas vezes,publicadas pelo fabricante da fonte no seu manual. Com base na forma de sua curva

As fontes de corrente constante apresentam uma tensão em vazio (tensão naausência de qualquer carga) relativamente elevada (entre cerca de 55 e 85 V). Napresença de uma carga, esta tensão cai rapidamente. A inclinação ("slope") da curvacaracterística tende a variar ao longo da curva, mas, na região de operação do arco,situa-se entre cerca de 0,2 e 1,0 V/A para fontes convencionais de Cl. Em contraste,máquinas modernas com saída de Cl podem ter uma inclinação quase infinita, istoé, uma saída quase vertical na faixa de tensões de trabalho.

Fontes de corrente constante permitem que, durante a soldagem, o comprimentodo arco varie sem que a corrente de soldagem sofra grandes alterações. Eventuaiscurtos-circuitos do eletrodo com o metal de base não causam, também, uma eleva¬ção importante da corrente. Este tipo de equipamento é empregado em processosde soldagem manual, nos quais o soldador controla manualmente o comprimentodo arco (SMAW, GTAW e PAW, ver Capítulos 12, 13 e 14, respectivamente). emprocessos mecanizados de soldagem com eletrodo não consumível (PAW e GTAW)e, em alguns casos, em processos çemiautomáticos, mecanizados ou automáticoscom eletrodo consumível. quando o equipamento apresenta algum mecanismoespecial de controle do comprimento do arco.

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' Neste livro, serào usadas as abreviaturas Cl para corrente constante e CC para corrente contínua.

CAPÍTULO 5 e-7FOSTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO D'

CC SOLDAGEM0D | FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

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Fontes de tensão constante fornecem basicamente a mesma tensão em toda asua faixa de operação. A inclinação deste tipo de fonte situa-se entre cerca de 0,01 e0.04 V/A. Estas fontes permitem grandes variações de corrente durante a soldagemquando o comprimento do arco varia ou ocorre um curto-circuito. Este comportamentopermite o controle do comprimento do arco por variações da corrente de soldagem (aqual controla a velocidade de fusão do arame) em processos de soldagem nos quaiso arame é alimentado com uma velocidade constante (por exemplo, nos processosGMAW e SAW, ver Capítulos 15 e 16, respectivamente). Adicionalmente, o grandeaumento de corrente, que ocorre quando o eletrodo toca o metal de base, facilita aabertura do arco e possibilita a transferência do metal de adição do eletrodo para apoça de fusão durante o curto-circuito.

Alguns processos de soldagem a arco, como a soldagem a arco submerso (ver

Capítulo 16), podem utilizar mais de um arame. Nesta situação, os arames podem serenergizados pela mesma fonte ou porfontes separadas. Quando se trabalha com correntealternada, uma diferente fase da mesma fonte pode ser usada para cada arame.

!!!O ciclo de trabalho (ou fator de trabalho) é definido como a relação entre o tempode operação (tÿÿ) permitido durante um intervalo de teste especificado (tTEgeral, igual a 10 minutos), isto é:

emSTE'

Cf,fARCO «{TESTE

100% (Eq.1)

Assim, por exemplo, uma fonte com Ct = 60% pode operar por até seis minutosem cada intervalo de 10 minutos.

Para uma dada fonte, o valor do ciclo de trabalho vem geralmente especificadopara um ou mais níveis de corrente de trabalho. É importante não utilizar uma fonteacima de seu ciclo de trabalho de forma a evitar o aquecimento excessivo de seutransformador e de outros componentes. O ciclo de trabalho é um fator determinantedo tipo de serviço para o qual uma dada fonte é projetada. Unidades industriaispara a soldagem manual são, em geral, especificadas com Ct de 60% na correntede trabalho. Para processos semiautomáticos, mecanizados ou automáticos, umCt de 100% é mais adequado. Fontes de pequena capacidade, de uso domésticoou em pequenas oficinas, podem ter um ciclo de trabalho de 20%.

Para se estimar o fator de trabalho de uma fonte para correntes de soldagemdiferentes das especificadas pelo fabricante, pode-se utilizar a fórmula abaixo:

■is

3.2 -Ciclo de trabalho

§jfOs componentes internos de uma fonte de energia tendem a se aquecer pelapassagem da corrente elétrica durante uma operação de soldagem (Figura 2). Poroutro lado, quando o arco não está operando, o equipamento tende a se resfriar,particularmente quando este apresenta ventiladores internos. Assim, em uma fonteoperando continuamente por um período longo de tempo, a sua temperatura internapode se tornar muito elevada. Caso ela ultrapasse um valor crítico, dependente dascaracterísticas construtivas, o equipamento poderá ser danificado pela queima dealgum componente ou pela ruptura do isolamento do transformador, ou poderá ter

sua vida útil grandemente reduzida.

Temperatura_

DnPíct, • i;•ct,. if (Eq. 2)

onde os Ct’s e l's são os ciclos de trabalho e as correntes nas condições 1 e 2. ■J3.3- Classificação

”

/L—X-V-. /'\ Temperatura CríiF

\ / ' v vv / A A

•Jf Fontes de energia convencionais para soldagem podem ser classificadas dediversas maneiras. A Figura 3 mostra uma classificação apresentada por Cary nolivro Modern Welding Technology. Nesta, as fontes são separadas em dois gruposprincipais: (1) fontes que geram a energia elétrica no próprio local de soldagempela conversão de uma dada forma de energia em energia mecânica e a conversãodesta em energia elétrica e (2) fontes que convertem a energia elétrica da redede distribuição em uma forma adequada para a soldagem. Em ambos os casos,a corrente elétrica pode ser fornecida para soldagem na forma alternada (CA) oucontínua (CC).

■

ill!i' >9V

-ITempoFigura 2Ciclos de aquecimento e resfriamento interno durante a operação de uma fonte

IijCAPÍTULO 5 OQFONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO DaSOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA68

O transformador é um dispositivo que transfere energia elétrica de um circuitode corrente alternada para outro através de um campo magnético sem modificara frequência, mas, dependendo de sua construção, levando a um aumento ou re¬dução da tensão. Em linhas gerais, um transformador é composto de um núcleode chapas de aço sobrepostas e enrolado por dois segmentos de fio que formamos enrolamentos primário (de entrada) e secundário (de saída). Desprezando-se asperdas de energia e a eficiência do transformador (que podem ter um efeito consi¬derável, particularmente quando uma carga está ligada ao transformador), a razãoentre as tensões de entrada e saída (VI e V2) do transformador é igual à razão entreos números de espiras nos enrolamentos primário e secundário (N1 e N2):

Fontes de energiapara soldagem !I 1

Estática(Conversora)

Rotativa<Geradora>

II ! !rãs,

y-SBõaassaãPB ttma

HL-ILLV2~N2I (Eq.3)ES] IcAfCCCAcc cc

0E5 s Diodos, representados por - H são componentes eletrónicos retificadoresque apresentam valores de resistência elétrica diferentes, dependendo do sentidode fluxo da corrente, isto é. a resistência é muito menor em um sentido do que emoutro. Assim, em um circuito de corrente alternada, este dispositivo permite bloquear ofluxo de corrente em um sentido e, desta forma, retificar a corrente. Para tornar esteprocesso mais eficiente, um número de retificadores são colocados em arranjos espe¬ciais (pontes). Figura 5. A corrente contínua resultante da retificação apresenta flutuaçõesremanescentes. Estas flutuações podem ser reduzidas pelo uso de circuitos trifásicose de bancos de capacitores ou indutores que atuam como filtros da corrente.

WNNC, CV C, CI/CV cv 0■

Figura 3Classificação de fontes de energia convencionais para soldagem .

Outra forma de classificação é pela sua curva característica de saída: fontes decorrente constante (Cl) e fontes de tensão constante (CV). Fontes, ainda, podem serclassificadas de acordo com a suas características construtivas ou operacionais.como por exemplo, máquinas rotativas, unidades moto-geradoras, máquinasestáticas, transformadores, transformadores-retificadores, fontes para um operador,fontes para vários operadores etc. Aspectos adicionais importantes para a classifi¬cação e seleção de fontes de energia são a sua capacidade ou corrente nominal eo seu ciclo de trabalho (item 3.2).

M

liM

M u■>(Entrada

(CA)

Saída3.4 - Construção e métodos de controle de fontes convencionais estáticas(CC)

Fontes convencionais que utilizam diretamente a energia elétrica da rede são forma¬das basicamente de um transformador, um dispositivo de controle da saída da fontee um banco de retificadores (em equipamentos de corrente contínua). Figura 4. Figura 5

Ponte retificadora de onda completa para um circuito monofásico

Saída O dispositivo para o controle da saída das fontes convencionais é, em geral, deacionamento mecânico ou elétrico, existindo diversas formas destes. Duas formassimples e muito comuns em fontes convencionais são o uso de transformadorescom "taps" e o de transformadores de bobina móvel.

Transformadores com vários "taps", seja no primário seja no secundário do transfor¬mador, permitem um ajuste descontínuo das condições de soldagem pela variação darelação entre o número de espiras no primário e secundário do transformador (Figuras6 e 7). Fontes mais simples apresentam, em seu painel, vários bornes. e as condiçõesde soldagem são selecionadas pela conexão do cabo ao borne adequado (Figura 7b).Em sistemas um pouco mais sofisticados, a seleção da condição de soldagem podeser feita através de uma chave de várias posições. Esta forma de controle é mais usada

Alimentação

v, ■

S Banco deRetificadores

Transfor¬mador .de

m&

Figura 4Diagrama de bloco de uma fonte convencional

1

pi]CAPÍTULOS I 71FONTES OE ENERGIA PAHA SOLDAGEM A AFLC0 ' 1SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA70I lllll

pc

Íem sistemas pequenos e de baixo custo e não permite controle remoto ou ajuste■contínuo. Um sistema similar, mas que permite uma variação contínua da saída doequipamento, é o uso de sapatas ou contatos móveis (em geral de carvão) que, aoserem deslocados sobre a superfície de uma bobina do transformador, permite avariação das relação de espiras de forma relativamente contínua.

Tensão

IíIITL:Primârio~j

|!|íI ffit

TensãoTensão

\V\ígig Corrente(c)(b)(a)

lí:.w>:3

\\\W __ ArcoFigura 8Ajuste de uma fonte tipo transformador de bobina móvel para saída de corrente,(a) mínima (b) máxima, (c) Curvas características resultantes

YVn M~

mf3.5- Fontes tipo geradorCorrenteCorrente(b)(a)

umO gerador de soldagem (ou motor-gerador) é um dos tipos mais antigos de fontede energia para soldagem a arco e é, ainda hoje, uma das mais versáteis. Eles podemser projetados para gerar qualquer tipo de curva característica e, embora geralmen¬te produzam corrente contínua, existem equipamentos de corrente alternada cujafrequência pode ser diferente da frequência da rede.

Fontes deste tipo são constituídas de um motor que gera energia mecânica a qualé transmitida através de um eixo ou por um sistema de correia e polias ao gerador deenergia elétrica (Figura 9). O motor pode ser elétrico ou de combustão interna, tendo,como combustível, gasolina, óleo diesel, gás natural etc. Este tipo de equipamento émais comumente utilizado na soldagem com eletrodo revestido no campo, particular¬mente em locais onde o acesso à rede de distribuição de eletricidade é complicado.São, por outro lado, equipamentos mais pesados, barulhentos e de manutençãomais complicada do que as fontes estáticas convencionais.

■ <Figura 6Ajuste das condições de soldagem por "taps": (a) fonte de corrente constante, (b) fonte detensão constante

[íIII)

pll!li

!- Bomes èli-•Iliillm lísâÿaiEntradaI s| Saída .im!Z3

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gato■

1' I

KAlimentação

1Energia elétricaGasolinaÓleo diesel, etc.

(b) Wfy f Motor %(a) íeradorFigura 7(a) Diagrama de uma fonte tipo transformador com ajuste de saída por “taps" e (b) desenhoesquemático de uma fonte deste tipo

0 controle por bobina móvel é baseado no uso de um transformador, cujo núcleoé alongado de forma a permitir o movimento de uma bobina (normalmente o primá¬rio) em relação à outra. Como a distância entre as bobinas controla o acoplamentomagnético destas, quanto mais afastadas as bobinas forem colocadas, menor será asaída da fonte, isto é, mais inclinada fica a sua curva característica (Figura 8).

Figura 9Diagrama esquemático de um motor-gerador

A

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Ill%FONTtS DE ENERSA PARA SOMEÿSo I 7372l SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIAm• Funções múltiplas: podem possuir múltiplas4. Fontes com Controle Eletrónico curvas caracteristicas. e a elevadavelocidade de resposta permite a mudança, durante a operação, da saída da fonte'ou, mesmo, de sua curva característica, adequando-a, por exemplo, aestejam ocorrendo no arco.

#eventos que

encionais estáticas (transformadores e transformadores-retificadores)

dependem de sistemas mecânicos ou elétricos para o controle e ajuste de sua saída.

Estas fontes pouco mudaram nos últimos quarenta anos. Estes equipamentos têm,

em geral, um formato fixo de sua curva característica, velocidadede resposta baixa (da

ordem de IO-1 s), insuficiente para controlar diversos eventos que ocorrem no arco e

na transferência de metal, além de serem de difícil interação com sistemas digitais de

controle. A partir da década de 1960 e, de forma importante, nas décadas de 1980 e

1990,novosconceitos foramintroduzidosnoprojeto efabricação defontes de energia

para soldagem. Estes conceitos têmemcomum a introdução dedispositivos eletróni¬

cos, muito mais versáteis e rápidos (Figura 10), para o controle da saída da fonte.

# Fontes conv

# • Conexão mais fácil com equipamentos periféricos e capacidade de serda; o controle eletrónico permite que a fonte troque sinais coprograma-

m sensores externos,microprocessadores internos, computadores, robôs etc. Condições de soldagem"otimizadas" ou regras preestabelecidas para a seleção de parâmetros depodem ser armazenadas em alguma forma de memória eletrónicadefinir a operação do equipamento.

I# ■soldagem

e usadas parat• Redução de peso e dimensões; a introdução,na década de1980, de fontesinversoras(ver abaixo) levou a uma grande redução nas dimensões do transformador devido aouso de corrente alternada de alta frequência. Como o transformador é a parte demaiorvolume de uma fonte convencional, isto permitiu uma grande redução no tamanhoda fonte.

• Maior custo e manutenção mais complexa.

Existem diferentes projetos de fontes que podem ser classificadas como decomando eletrónico. As formas mais conhecidas são:

♦r , Freq. de ope

fffm

• fontes tiristorizadas

• fontes transistorizadas em série ("Series regulators")

• fontes transistorizadas chaveadas ("Choppers")

• fontes inversoras ("Inverters")

#€

F Hlc _I IJ€ d,

4.1-Fontes tiristorizadastt Tiristor, ou "retificador controlado de silício" (SCR), pode ser considerado comoumtipo de diodo chaveado. A condução de corrente no sentido de baixa resistênciaelétrica do SCR só se inicia quando um pequeno sinal é enviado a uma conexãoadicionaldo dispositivo que atua como um gatilho.Uma vez disparado, o dispositivocontinua a conduzir a corrente até que esta se anule ou o seu sentido se inverta.SCRspodem ser usados em substituição aos retificadores comuns após o transformadorde uma fonte de corrente contínua. Para regular a saída desta fonte, o momento dedisparo do gatilho é controlado a cada meio ciclo de corrente (Figura 11). Assim,parase obter uma corrente relativamentepequena com este sistema, énecessário retardaro disparo do gatilho, o que pode tornar a saída da fonte distorcida. Este problemaé minimizado pelo uso de alimentação trifásica e de filtros na forma de capacitoresou indutores. Estes últimos reduzem a velocidade de resposta da fonte.

£€ Freg.de controle (Hz): ,

.1 - 10 100 1K 10k 100ÍiJ|

Figura 10Relação entre o tempo caracterlstico de fenômenos no arco elétrico e a frequência de controlede vários tipos de fontes segundo Ushio, em artigo publicado na revista Trans. Of The JWRI

Em comparação com as fontes convencionais,as fontescomcontrole eletrónico

são caracterizadas por:

• Desempenho superior: apresentam resposta dinâmica e reprodutibilidade superiores

às fontes convencionais.

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II

*4 rê- ,M#

lilll7 A ' SOLDAGEM' FUNDAMEKNTOSETECNOIOGIA CAPÍTULO 5 i -jC

FOWTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO ' 3

III

funcionamento pode ser explicado por meio de um sistema hidráulico análogo,no qual a passagem de água (a corrente) no duto principal é controlada por umaválvula acionada por uma pequena vazão de água em um duto secundário (a base),Figura 12.

seuI.. SCR [-© ImEntrada IControle| Saída

I.ijm

ÍÍÍíVL'Transformadormt-(a) b>0 * b5, * sat ítllCorrente

IBase Base Base

í \\ \\ \\ \ IlliíI ill!Tempo (a) (b)Corrente (C) u

1,1liiiiiFigura 12Sistema hidráulico análogo a um transistor de potência, (a) quando a corrente na Base (lb) énula. o circuito principal permanece interrompido; (b) para uma corrente na base pequena, aprincipal (I) é proporcional a l0; (c) para lt maior do que o seu valor de saturação lut,corrente principal passa livremente

' illlli!t )corrente;!HTempoL»(b)

Dependendo do valor da corrente na base e da forma como esta é variada, otransistor pode operar como uma resistência variável ou uma chave liga-desliga. Oprimeiro caso ocorre quando lb émantida entre zero e lMt. Figura 12(b). O segundo casoocorre quando somente dois níveis de lb são usados (0 e lMt), Figura 12 (a) e (c).Em uma fonte de energia analógica, transístores operando em série com umtransformador-retificador controlam continuamente a saída da fonte através de umacorrente de base menor que o seu valor de saturação (Figura 13).

Figura 11(a) Diagrama esquemático de uma fonte tiristorizada monofásica, (b) Efeito do tempo dedisparo do tiristor na forma de onda da corrente de saída

H

PCIIIAs vantagens do controle por SCR são a sua simplicidade, robustez e a possibi¬lidade de controle da saída da fonte com pequenos sinais eletrónicos. A velocidadede resposta do sistema é limitada pela necessidade de a corrente se anular antesde o gatilho poder ser novamente disparado e para se reiniciar a passagem de cor¬rente. Assim, o menor tempo de resposta que pode ser esperado com este sistemaé de cerca de 3 a 9 ms. Mesmo com a possibilidade de distorção da saída e a baixavelocidade de resposta, é possível obter fontes tiristorizadas de desempenho muitosuperior que as convencionais. Em particular, é possível compensar a saída da fontecontra possíveis variações na rede por meio do uso de retroalimentação. Controletiristorizado tem sido utilizado em fonte para soldagem SMAW com corrente contí¬nua, GMAW, GTAW pulsado ou com corrente alternada quadrada e para soldagemSAW (Capítulos 12, 15, 13 e 16, respectivamente).

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PLIm

_ ■■■'■ :

TranfórmadorRetificador

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1CTransistorRef. tfArco: > ! )

ijiii>p,4.2- Fontes transistorizadas analógicas ("Series regulators") .O transistor é um dispositivo eletrónico cuja saída é controlada por meio do ajuste

de uma pequena corrente passando através de uma de suas conexões (a "base"). O >Figura 13Principio de funcionamento de uma fonte transistorizada analógica hit

r)

i$«J

1CAPÍTULO 5 U-,FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO ••-JC SOLDAGEM

'°| FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

A velocidade de resposta da fonte também depende da frequência de chaveamento.Fontes com alta velocidade de chaveamento são capazes de responder em poucosmicrossegundos, sendo significantemente mais rápidas do que as fontes convencionaisde soldagem.

4.3 - Fontes transistorizadas chaveadas ("Choppers")

Nas fontes chaveadas. os transístores trabalham como chaves (Figura 12) que sãoabertas e fechadas a uma elevada velocidade. A saida da fonte é controlada pela razãodos tempos em que os transístores permanecem abertos ou fechados (Figura 14). 1

4.4 - Fontes inversoras ilIfrn n: SConrente I* Os tipos de fontes apresentados acima usam um transformador convencional parareduzir a tensão da rede até o valor requerido para a soldagem. Este transformadoropera na mesma frequência da rede (50/60 Hz). As fontes inversoras trabalhamum transformador muito menor, o que é possível quando a frequência da correntealternada é grandemente elevada, melhorando, assim, a sua eficiência. A Figura 16ilustra o funcionamento básico de uma fonte inversora.

mU com

Tempo I(a)

imCorrente m§J ;50/60 Hz CC CA - 5000 a 50.000 Hz CC.t.Vi SMLí-

rtiadòrTempo

~m(b) ArcomWFigura 14

Técnicas de modulação para controle da saída: (a) modulação.da frequência e (b) controle dalargura do pulso

Embora o circuito básico destas fontes (Figura 15) seja muito similar ao das ante¬

riores, a utilização dos transístores no modo chaveado permite um grande aumento

de eficiência na utilização da energia pela fonte e. em várias aplicações, a utilização deresfriamento a ar. A maior eficiência permite também uma construção mais simples.

menor número de transístores e menores dimensões, o que reduz o preço dafonte. O processo de chaveamento gera um ruído na saída do equipamento, mas.

frequência de chaveamento for suficientemente elevada, esse ruído não tem

nenhum efeito negativo no processo. Frequências de chaveamento de 1 a 30 kHz,

mesmo superiores, são comumente usadas.

IS1Figura 16Princípio de funcionamento de uma fonte inversora

comNestas fontes, a corrente alternada da rede é retificada diretamente, e a corrente

contínua de tensão elevada é convertida em corrente alternada de alta frequência(5 a 50 kHz, ou mais) através do inversor. Devido à sua elevada frequência, a tensãopode ser reduzida eficientemente com um transformador de pequenas dimensões.Adicionalmente, a saída da fonte é controlada atuando-se no inversor. A velocidadede resposta é bastante elevada, dependendo, dentre outros fatores, da frequência deoperação do inversor. A saída do transformador é novamente retificada para a obtençãoda corrente de soldagem contínua. Reatores ou capacitores são usados para reduziro nível de ruídos da fonte. A Figura 17 compara a variação da corrente de soldagemdurante a abertura do arco com uma fonte tiristorizada e com uma fonte inversora.

se a

ou

_y%agltmm:W

BITransístor

Ref. iArco■

■) ■ ITill I■ i!I‘ |

Figura 15Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada chaveada

TIl

CArtTULO 5 7QFONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM A ARCO '“SOEDAI1EM

FUNDAMENTOS E TECNOLOOIA78

Tabela I- Características de fontes convencionais e eletrónicasControle por InversorControle por Tristor

ÉSí iwíêKSia»r- ■ 1 : ”

EficiênciaElétrica

CaracterísticasFísicas

CustoRelativo

Tipo de Fonte Saída Aplicações"CD" 200•

CD

Fixada pelo projeto,resposta lenta, semestabilização da rede

g Grande, pesada,robusta, e resis¬tente.

SMAW manualGTAW. Uso geral,

ConvencionalB Razoável 1O

0 Resposta variável, masrelat. lenta. Estabiliza¬ção da rede. ruído ele¬vado.

Mais compacta doque fontes con¬vencionais equi¬valentes.

GMAW/GTAW manuale mecanizada, SMAWmanual. Qualldfldt»média a alto

Tiristorizada Razoável 3(b)(a)

Figura 17Comparação da velocidade de subida da corrente na abertura do arco para: (a) uma fontetiristorizada e (b) uma fome fonte Inversora segundo Byrd, em artigo publicado no WeldingJournal

Resposta muito rápi¬da, flexibilidade, preci¬sa, ausência de ruído,alta feprodutibilidade.

GTAW/GMAW tinalta qualldad», mtltlnpulsado, |>r)Mi|i i|r,n 11

desanvolvlmoulii.

Relat.grande, ne¬cessita refrigera¬ção de água.

Analógica Pobre 6

A elevada frequência de operação do transformador permite, nas fontes inverso-ras, uma significativa redução do consumo de energia elétrica. O controle da fonteno primário permite também uma grande redução na dissipação de energia quandoa fonte está operando em vazio (que pode ser cerca de 80% menor do que umafonte convencional).

Resposta rápida, saídavariável e reprodutível,estabilidade.

Tamanho médio,refrigeração pelo

Chaveada ou □ualldailn mAillii 11

alto, multlproimnrm»Muito boa 4Híbridas ar,

Resposta rápida, saídavariável e reprodutível,estabilidade.

Compacta,projetocomplexo.

Qualldaíin rtiòdlrt nalto, multlproGfinMno

Inversora Muito boa 4

4.5- Fontes híbridas

5. ConclusãoUma tendência recente tem sido a combinação dos tipos da fonte de energia

acima descritas de modo a aumentar o desempenho a um menor custo. Cita-se. porexemplo, a utilização de controle por transístores na saída de uma fonte inversorade forma a se obter características operacionais especiais.

A Tabela I compara as características das fontes convencionais estáticas e dasfontes com controle eletrónico.

Existe, atualmente, um grande número de opções, em termos de modo dofuncionamento e de custo, de fontes de energia para soldagem em uma dada apli¬cação. Na seleção de uma fonte, itens como tipo de processo de soldagem, nivalde corrente e posição de soldagem, ciclo de trabalho, disponibilidade de onerglnelétrica e tipos de equipamentos auxiliares, particularmente a necessidade do Interfaceamento com robôs e outros dispositivos, devem ser considerados, Pontoaadicionais que não podem ser esquecidos incluem o custo do equipamento,eficiência elétrica, facilidade ou, mesmo, disponibilidade de manutenção adequailnpara o tipo de fonte considerada e, ainda, a experiência e confiabilidade do seufabricante e fornecedor.

SUfl

KIMDAGEMIIINDAMENTOS E TECNOLOGIA110

6. Exercícios

a) Desenhe esquematicamente as curvas características estáticas de fontes de tensão e

corrente constante. Para cada caso, sobreponha uma curva do arco e indique o ponto

operacional.

b) Defina "Ciclo de Trabalho". Estime, para uma fonte de 200 A 60%, a maior corrente

recomendada para a sua operação contínua por um longo período de tempo.

c) Você dispõe de uma fonte estática tipo transformador de corrente constante comuma corrente nominal/cicio de trabalho de 160 A/60%. Desenhe a curva característicadesta fonte e indique o tipo de corrente que ela fornece. Discuta a possibilidade deuso desta fonte em uma aplicação que necessita de utilização contínua da fonte por

uma hora.

d) Você dispõe de uma fonte estática tipo transformador-retificador de tensão cons¬tante com uma corrente nominal/ciclo de trabalho de 350 A/100%. Desenhe a curvacaracterística desta fonte e indique o tipo de corrente que ela fornece. Discuta apossibilidade de uso desta fonte em uma aplicação que necessita de uma corrente

de 400 A.

n) Apresente, de forma simplificada, o funcionamento de uma máquina de soldagem

rotativa e de máquina estática convencional. Discuta a aplicação de cada um destestipos de máquinas.

I) ( lompare, emtermos de seu funcionamento e características operacionais, uma fonte

convencional tipo transformador-retificador e uma fonte inversora.

0

** CAPÍTULO 6

* FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM*

1. Introdução

A soldagem geralmente é realizada com a aplicação localizada de calor e/oudeformação plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material, nemsempre desejáveis ou aceitáveis, podem ocorrer na região da junta. A maioria destasalterações depende das reações ocorridas durante a solidificação e resfriamento docordão de solda e de sua microestrutura resultante. Assim, a compreensão destesfenômenos metalúrgicos é importante em muitas aplicações da soldagem.

Neste capítulo, serão discutidos aspectos metalúrgicos relevantes para as opera¬ções de soldagem e corte térmico. Para isso, uma breve revisão de metalurgia físicaserá feita. De modo geral, a discussão se baseará nos aços, embora os princípiosbásicos possam ser aplicados a outros metais e suas ligas.

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iVi1 83CAPÍTULO 6RJNDAMfNTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM82 fUNOAMEKTOS E TECttOlO&A

2.2- Níveis estruturais2. Metalurgia Física dos AgosS1)O termo estrutura pode compreender desde detalhes grosseiros (macroestrutura)

até detalhes de organização interna dos átomos (estrutura eletrónica). A metalurgiafísica interessa-se, principalmente, pelo arranjo dos átomos que compõem as diversasfases de um metal (estrutura cristalina) e pelo arranjo destas fases (microestrutura).Diversas propriedades mecânicas e algumas das propriedades físicas e químicas dosmetais podem ser estudadas nestes nfveis estruturais. A Tabela I ilustra os diferentesníveis estruturais com exemplos de detalhes observados nestes níveis.

! lili I2.1- Relação estrutura - propriedades

"UUma característica fundamental dos sólidos, e em particular dos metais, é a

grande influência de sua estrutura na determinação de várias de suas propriedades.Por sua vez, a estrutura é determinada pelos processamentos sofridos pelo materialdurante a sua fabricação, isto é. pela sua "história". A Figura 1 mostra um exemplodeste princípio fundamental, para um aço com 0,8% de carbono, após tratamentotérmico a 900 °C.

1000

:

% íTabela I-Níveis estruturais, exemplos de técnicas usuais de estudo e de detalhes que podem serobservados ss:

Nivel Dimensõesaproximadas

Exemplos de técnicas deestudo

Detalhes comunses&utural

IIIs. Segregação, trincas, camadas

cementadas.Macroestrutura > 100/um Macrografia, Radiografia

2 750- Microscopia ótica (MO), micros-copia eletrónica de varredura(MEV)_

100pm a Tamanho de grão. microcons-tituintes, microtrincas.

OMicroestrutura 0,1pm

Microscopia eletrónica de trans¬missão (MET)

Precipitados submicroscópi-cos. células de deslocações.

500- 0.1/um a 0.1nm$

Células unitárias, parâmetrosde rede, defeitos cristalinos.

Ui Estrutura cristalina 1nm a 0,1nm Difração de raios X■§ 250- Espectroscopia de emissão

ótica2 Níveis atómicos, defeitoseletrónicos.

Estrutura eletrónica < 0.1nmI

0 !»'!0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Velocidade de Resfriamento (°C/s)

Observações:

(a) Esta tabela é apenas ilustrativa e a separação adotada dos níveis estruturais é arbitrária.(b) 1/um = 0.001mm, Inm = 0,001/um.(c) Diversos dos termos citados são discutidos ao longo do presente capitulo.Figura 1

Variação do limite de escoamento com a velocidade de resfriamento de um aço com 0.8% C.inicialmente squecido a 900 °C por uma hora

li2.3-Microestrutura dos açosA maioria dos processos de soldagem causa, nas partes que estão sendo unidas.variações de temperatura e deformações plásticas que resultam em alterações na

estrutura dos materiais da junta sendo soldada e. portanto, de suas propriedades.Assim, sob certos aspectos, a soldagem pode ser considerada um tratamento ter-

momecânico violento, cujo efeito nas características metalúrgicas do material deve

ser cuidadosamente considerado.

Muitas dessas alterações podem comprometer o desempenho em serviço do

r aerial, e, assim,devem ser minimizadas pela adequação do processo de soldagem

a material a ser soldado ou pela escolha de um material menos sensível a alteraçõest uturais pelo processo de soldagem.

:/

Os aços são ligas de ferro contendo carbono em teor inferior a 2% em peso (masem geral, muito menor que este valor), e ainda diversos outros elementos residuaisde seu processo de fabricação ou adicionados intencionalmente, visando a obtençãode certas propriedades. Quando o único elemento de liga é o carbono, têm-se osaços.carbono e, quando outros elementos de liga são utilizados, os aços ligados.De acordo com o teor de elementos da liga, os aços podem ser subdivididosbaixa liga (teor de liga inferior a 5%). aços média liga (entre 5 e 10% de elementosde liga) e aços de alta liga (com mais de 10% de liga). •

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4

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

CAFTTUL06 OETUNOAMífJTDS DA VEIALURSUL DA SOt OAGEM 0384

Compreendem o grupo de ligas mais usadas pelo homem, pela abundância dasmatérias-primas básicas, relativa facilidade de refino, baixo custo e vasta gama depropriedades obtidas pela adição de elementos de liga e pelo controle de sua estruturapor tratamentos térmicos e mecânicos. Em particular, são também os materiais maisutilizados em estruturas soldadas.

Para o estudo dos efeitos da soldagem no aço, é necessário um conhecimentoprévio de sua microestrutura e de como esta pode ser alterada pelos tratamentostérmicos e variações de composição química. Uma ferramenta fundamental para oentendimento das fases presentes em um aço e para uma primeira análise da forma¬ção de sua microestrutura, particularmente em condições de resfriamento lento, é odiagrama de equilíbrio Fe-C.

As fases representadas neste diagrama são: líquido, austenita (y ), ferrita (a e6) ecementita (Fe3C). A ferrita é essencialmente puro ferro com uma estrutura cristalinacúbica de corpo centrado (CCC), que pode conter traços de carbono em soluçãosólida. A cementita é um carboneto de. ferro de estrutura ortorrômbica. Estas duasseriam as fases existentes no aço carbono abaixo de 727 °C. Para temperaturasmais elevadas (acima da linha GSE, Figura 2), o ferro existe em uma outra estruturacristalina (cúbica de face centrada - CFC) que é capaz de dissolver maiores quanti¬dades de carbono, sendo conhecida como austenita.

Durante o seu resfriamento, a austenita se torna instável abaixo da linha GSE(Figura 2) e começa a se transformar em ferrita (aços com menos de 0,8%C) ou emcementita (aços com teor de carbono superior a 0,8%). Abaixo de 727 °C, em ambosos casos, a austenita remanescente trarisforma-se diretamente em uma misturade ferrita e cementita (esta transformação é conhecida como "reação eutetoide”).Quando a velocidade de resfriamento é suficientemente baixa, a mistura formadatem um arranjo característico de camadas (ou lamelas) alternadas de ferritamentita. formando um constituinte típico dos aços que é denominado de perlita.Assim, um aço carbono com teor de carbono inferior a 0,8% (aço hipoeutetoide)resfriado lentamente teria uma microestrutura de ferrita e perlita, um aço com maisde 0,8%C (aço hipereutetoide) seria formado por cementita e perlita, e um aço com0,8%C (aço eutetoide) seria formado somente de perlita.

Em geral, a ferrita é macia, dúctil e tenaz, enquanto que a cementita éextremamente dura e frágil. A perlita, formada por estas duas fases, apresenta umadureza relativamente elevada e uma baixa tenacidade. Assim, aços com maior teorde carbono tendem a apresentar um maior teor de constituintes duros (perlita ecementita), possuindo, como consequência, maiores valores de dureza e resistênciamecânica, mas menores ductilidade e tenacidade.

I

a) Fases e estrutura do aço resfriado lentamente

O estudo da constituição e estrutura das ligas de ferro (aços e ferros fundidos)

deve começar com o diagrama de equilíbrio Fe-C (Figura 2). Este mostra, em funçãoda temperatura e teor de carbono, as fases que podem existir e as reações entre

elas em condições de equiiíbrio nas ligas Fe-C. As suas informações se aplicamadequadamente para aços carbono quando a temperatura é mantida relativamenteconstante ou varia lentamente. Para aços mais complexos ou em situações em que atemperatura varia rapidamente, o diagrama Fe-C ainda é uma importante referência,

deve ser usado com cuidado, e o efeito dos elementos de liga e das condições

I

e ce-

masde aquecimento e, principalmente, de resfriamento nas características do materialdeve ser considerado. O diagrama de equilíbrio Fe-C fornece um conjunto de infor¬mações fundamentais para o conhecimento e compreensão dos aços carbono e deuma grande variedade de aços ligados.

1G00Líquido

1M4*

1400! ib) Fases metaestáveis e diagramas de transformação

Liquido + y2 !:1200 I!Y Quando a velocidade de resfriamento aumenta, a temperatura na qual a austenitacomeça a se transformar torna-se menor. Menores temperaturas de transformaçãoimplicam menor mobilidade atómica e. portanto, maior dificuldade para a separaçãodos átomos de ferro e de carbono para a formação da ferrita e do carboneto de fer¬ro nas camadas características da perlita. Além disso, a presença de elementos deliga no aço também tende a dificultar a formação da perlita, pois torna necessária aredistribuição de um maior número de elementos químicos. Assim, um aumento davelocidade de resfriamento ou a presença de elementos de liga levam inicialmenteà formação de uma perlita mais fina (menor separação entre as camadas de ferrita ecementita para menores temperaturas de transformação). Para uma temperatura detransformação suficientemente baixa (em tomo de 500 °C ou menos), a estrutura la¬melar típica da perlita não é mais formada, podendo aparecer, no aço, um novo

1147”Ei — Austenita_£ 1000

7 ♦ Fe3CG

eooFemia'j 727'

a* FegCG00

4,01,0 2.0 3.0Carbono {% peso)

Figura 2Diáyrama Fe-C, mostrando os constituintes em equilíbrio nos aços (esquemático)

%CAPÍTULO 6 ! p7FUNDAMENTOS OA METALURGIA DA SOEOAGEM j 0'86 ' SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

tenham sido desenvolvidos originalmente para transformações após austenitizaçâo atemperaturas relativamente baixas (tratamento térmico convencional), já existem diagra¬mas de transformação aplicáveis à soldagem. A Rgura 4 mostra, de forma esquemática,a aparência de um diagrama TRC.

constituinte, conhecido como bainita, formado por grãos alongados de ferritacom uma fina dispersão de carbonetos. A bainita tende a conferir uma elevadaresistência mecânica ao aço e. em algumas situações, permite a manutenção deuma boa tenacidade. Existem atualmente classes de aços estruturais com microes-trutura bainítica obtida através da adição de elementos de liga ou por tratamentos

térmicos especiais.

Para velocidades de resfriamento suficientemente elevadas, a reação eutetoideé inibida e uma fase nova, não prevista pelo diagrama Fe-C, a martensita, pode serformada. A martensita apresenta uma elevada dureza que aumenta fortemente como seu teor de carbono, ao mesmo tempo que se torna extremamente frágil. Quando

observada em uma seção polida e atacada de uma amostra de aço, a martensitatem um aspecto típico de agulhas ou lâminas. A Figura 3 mostra, de uma formaesquemática e simplificada, a evolução da microestrutura de um aço em função desua velocidade de resfriamento a partir da condição austenítica.

>lili>HCurvas de

Resfriamento Austenita

— - >I IPcsc. I(b)Ih- — I

(a)Éta

i"Martensita

TempoVelocidades de Resfriamenro Crescentes

tilFigura 4Diagrama TRC esquemático. Neste diagrama, estão sobrepostas duas curvas de resfriamentoque resultam na formação de uma microestrutura de (a) ferrita e perlita e de (b) martensita

,Microestrutura i;r );

c) Elementos de liga

A adição balanceada de elementos de liga permite a obtenção de uma variedadede tipos de aços com diferentes propriedades mecânicas, químicas, magnéticas,elétricas e térmicas. Estruturalmente, pode-se considerar que os elementos de ligaatuam em dois aspectos fundamentais: termodinâmico e cinético.

No primeiro aspecto, um elemento de liga pode alterar a estabilidade relativa dasfases do aço ou mesmo tornar estável uma outra fase. Por exemplo, o níquel é um ele¬mento estabilizante de austenita e, quando presente em teores superiores a um certonível, torna esta fase estável até a temperatura ambiente. Nióbio, vanádio e titânioreagem fortemente com o carbono e. quando presentes em pequenas quantidades(menos de 0,1%) em um aço baixo carbono, promovem a formação de partículas decarbonetos de grande estabilidade, que podem existir sem se dissolver na austenitaa temperaturas de cerca de 1.000 °C. Estes carbonetos, juntamente com a aplicaçãode tratamentos termomecânicos adequados, são fundamentais para a obtenção doschamados aços microligados ou aços de alta resistência e baixa liga, caracterizadospor um reduzido tamanho de grão e uma elevada resistência mecânica.

Como já foi dito, a maioria dos elemento’s de liga reduz a velocidade de transfor¬mação da austenita ou, em outras palavras, aumenta a sua temperabilidade. Esteefeito pode ser diferente para os diversos constituintes, assim, a adição de elementosde liga pode favorecer a formação de um constituinte, em prejuízo de outro.

FerritaFerritaMartensitaBainita-r+

Perlita(Fina)

Perlita(Grossa) I II

Figura 3Microestrutura de um aço(diagrama esquemático)

;em função da velocidade de resfriamento após austenitizaçâo IK'Kli*De um modo geral, pode-seafirmar que, quantomenor a temperatura detransformação

e maior o teor de carbono, mais dura e frágil é a microestrutura. Na soldagem por fusão,a velocidade de resfriamento varia com a energia cedida durante a soldagem por unidadede comprimento da solda, com a temperatura inicial da peça e com a sua espessura egeometria. Este fato é muito importante, pois pode limitar a faixa de energia utilizável nasoldagem de um componente de aço em que se necessita uma alta tenacidade.

A microestrutura formada em função da velocidade de resfriamento (ou da tempera¬

tura de transformação) em um dado aço pode ser obtida a partir de diagramas detransformação deste aço. Estes diagramas são obtidos experimentalmente paratransformações de temperaturas constantes (Diagramas III) ou para transforma¬ções durante um resfriamento contínuo (Diagramas TRC) e mostram a evoluçãoda microestrutura em função da temperatura e do tempo de resfriamento. Embora

I

J

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA88 cr

■! i-CArttut06 onfUNtMVÍMOS OA MfTAiUBGU» DA SOIDAGU/ 89

i!Ao entrar em solução sólida em uma fase. um elemento de liga pode alterar aspropriedades desta fase. Em particular, a resistência mecânica é. em geral, aumen¬tada e sua ductilidade diminuída. Av = L /t

P= nv i XX /2.4 - Mecanismos de aumento de resistência mecânica

í!

Éz //•\ / / x

\X 1/

i■

A resistência mecânica dos aços pode variar enormemente, de cerca de 200 até2.000MPa. Como em outros metais, existem para os aços diversos mecanismos deendurecimento, dos quais podem-se citar: deformação a frio, formação de soluçãosólida, formação de constituintes mais resistentes, endurecimento por precipitaçãoe refino de grão. Destes, o refino de grão é particularmente importante por produzir,simultaneamente, uma melhoria de ductilidade e tenacidade.

r:

■

'H = Energia = q VI

L vt

figura 5Conceito de energia de soldagem. P = (q.V.I.) é a potência dissipadaé o tempo e L é o comprimento da solda

Na segunda etapa, a dissipação do calor ocorreprincipalmentepor condução, na peça.das regiões aquecidas para o restante do material. A evolução de temperatura em dife¬rentes pontos, devido à soldagem, pode ser estimada teórica ou experimentalmente.

Cada ponto do material localizado próximo à junta experimentará uma diferentevariação de temperatura devido à passagem da fonte de calor, como mostra a Figura6. Esta curva é chamada de "ciclo térmico de soldagem" e pode ser consideradacomo o "tratamento térmico" que o ponto sofreu durante a soldagem.

no arco e cedida à peça. t

3. Fluxo de Calor

Na maioria dos processos de soldagem, a junta precisa ser aquecida até umatemperatura adequada. Em particular, na soldagem por fusão, trabalha-se com fon¬tes de calor de elevada temperatura (2.000 a 20.000°C) e concentradas (como, porexemplo, o arco elétrico, cuja intensidade atinge cerca de 8x108W/m2), as quais.ao serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formação da solda pela fusãoe solidificação localizadas da junta. Esta aplicação concentrada de energia gera, empequenas regiões, temperaturas elevadas, altos gradientes térmicos (102 a 103 °C/mm).variações bruscas de temperatura (de até 103°C/s) e, consequentemente, extensasalterações de microestrutura e propriedades, em um pequeno volume de material.

O fluxo de calor na soldagem pode ser dividido, de maneira simplificada, em duasetapas básicas: fornecimento de calor à junta e dissipação deste calor pela peça.

Na primeira etapa, um parâmetro importante para caracterizar o processo é aenergia de soldagem (aporte térmico ou heat input) definida como a quantidadede energia fornecida à junta por unidade de comprimento da mesma (Figura 5). Nasoldagem a arco, pode-se considerar o arco como a única fonte de calor, e a suaenergia de soldagem pode 'ser expressa por:

H: !

T(°C) k

TP

TcTi 4>

>T2

tc At Tempo jjH-lXl (Eq. 1)vFigura 6Ciclo térmico de soldagem (esquemático). Ver texto para a definição dos itens mostrados nafigura

São características importantes do ciclo térmico de soldagem:• Temperatura de pico (TD): é a temperatura máxima atingida pelo ponto. A temperatura

de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais,determinando, assim, a extensão da região afetada pelo calor durante a soldagem.

ondeFl é a energia de soldagem(J/mm),qé a eficiência térmica do processo, V é a tensãono arco (V), I é a corrente de soldagem (A), e v é a velocidade de soldagem (mm/s).

1i

11«90' SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA CAPITULO 6 Q1

FUNOAMENTOS OA METALURGIA DA SOLDAGEM j a 1 :i\. ’!*>Tp diminui com a distância ao centro da solda e pode ser estimada, para soldas de

um passe e penetração total, pela expressão:• tipo de metal de base: metais e ligas de elevada condutividade térmica, como o cobre

e o alumínio, dissipam rapidamente o calor da região da solda para o restante da peça,o que torna mais difícil a formação da poça de fusão. Por outro lado, materiais commenor condutividade térmica tendem a apresentar gradientes térmicos mais abruptosno aquecimento e menores velocidades de resfriamento. Nestes materiais, a energiatérmica é melhor aproveitada para a fusão localizada necessária à soldagem.

• geometria da junta: considerando todos os outros parâmetros idênticos, uma junta emTpossui três direções para o fluxo de calor, enquanto uma junta de topo possui apenasduas, comomostra a Figura 8: logo, juntas em ângulo tendem a esfriar mais rapidamente.

1:

. >i= 4,133

H1 + T,-T0TP-T0 (Eq. 2) III!l

•:!onde p é a densidade do material: céo seu calor específico; h é a espessura dapeça; y é a distância do ponto considerado à linha de fusão (local em que Tp é igual àtemperatura de fusão) ; Tt é a temperatura de fusão do material; T0 é a temperatura

inicial eWéa energia de soldagem. A Figura 7 mostra esquematicamente a variaçãoda temperatura de pico com a distância ao centro do cordão de solda, na direçãoperpendicular a este para dois níveis de energia de soldagem.

• tempo de permanência [tc) acima de uma temperatura crítica: tempo em que o ponto

fica submetido a temperaturas superiores a uma temperatura mínima (temperatura

crítica, Tc) para ocorrer uma alteração microestrutural ou de propriedades significativasno material.

• velocidade de resfriamento (<)>): é obtida pela derivada (ou inclinação) em uma de¬terminada temperatura (T) da curva de resfriamento. Alternativamente, é comumcaracterizar o resfriamento de uma solda pelo tempo necessário (At,,ÿ) para a soldase resfriar de uma dada temperatura (T,) até outra <T2). Para a soldagem de aços, astemperaturas consideradas são, em geral. 800 e 500 °C (Ata5).

iji!

i'

tVI:!Iiii-

i(a) (b)

I:Figura 8

Direções para escoamento do calor em juntas (a) de topo e (b) em ângulo (ouT) ! )

'Espessura da junta: Para uma mesma condição de soldagem, uma junta de maior espes¬sura facilita o escoamento do calor da região da solda. Assim, quanto mais espessa ajunta, mais rapidamente esta tenderá a se resfriar durante a soldagem até uma espessuralimite acima da qual a velocidade de resfriamento independe da espessura. Para estaúltima condição de resfriamento, o tempo de resfriamento da solda entre 800 e 500 °C(Atÿ) pode ser estimado pela expressão:

'Tp :Hl (-)ÿ,> H2

VH2 A?8/5 271 k 500-r0 800 - TQ1 1

(Eq. 3)

i"Distância ao Centro da Solda onde k è a condutividade térmica do material, e os outros termos têmsignificado usado anteriormente.

• Energia de soldagem e temperatura inicial da peça: a velocidade de resfriamentodiminui com o aumento destes dois parâmetros, e a repartição térmica torna-se maislarga. Do ponto de vista operacional, estes dois parâmetros são aqueles que podem

mais facilmente alterados pelo pessoal responsável pela operação de soldagem.Isto é muito importante pois a seleção adequada destes permite um certo controlesobre a velocidade de resfriamento da região da solda e, portanto, sobre a sua mi-croestrutura e propriedades.

o mesmo nFigura 7Curvas esquemáticas de repartição térmica em soldas realizadas com diferentes energias desoldagem (H, e H2)

Esta última característica é particularmente importante na soldagem dos açoscarbono, pois estas ligas, quando aquecidas a temperaturas elevadas, sãotenitizadas na região da solda e. no resfriamento, os produtos da transformaçãoda austenita dependem fortemente das condições de resfriamento, como já foiressaltado na seção 2.

Os ciclos térmicos de soldagem e a repartição térmica dependem de diversasvariáveis, entre elas:

Pseraus-

í\)||D

ISI

CAPÍTULO 6 00FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM a92, SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

5. Características da Zona Fundida4. Macroestrutura de Soldas por Fusão(

#A curva de repartição térmica permite definir, para uma solda por fusão, três

regiões básicas (Figura 9):

• Zona Fundida (ZF): região onde o material fundiu-se e solidificou-se durante a operaçãode soldagem. As temperaturas de pico desta região foram superiores à temperatura

de fusão (Tf) do metal de base;

• Zona Termicamente Afetada (ZTA) ou Zona Afetada pelo Calor (ZAC): região não fun¬dida do metal de base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alteradas pelo

ciclo térmico de soldagem. As temperaturas de pico nesta região foram superiores àtemperatura critica do material em questão e inferiores à sua temperatura de fusão; e

• Metal de Base (MB): região mais afastada do cordão de solda e que não foi afetadapelo processo de soldagem. As suas temperaturas de pico são inferiores à temperatura

critica do material.

* 5.1 - Características da poça de fusão44

ijNos processos de soldagem por fusão, a zona fundida pode ser formada sob asmais diversas condições. Nos processos mais comuns, isto é, na soldagem a arcocom eletrodo consumível, o metal de adição fundido é transferido para a poça de fusãona forma de gotas, aquecidas a temperaturas muito elevadas, acima de 2.000 °C, nocaso de aços.

Nas partes mais quentes da poça de fusão, localizadas logo abaixo do arco, ometal de adição é misturado, sob intensa agitação, ao metal de base fundido. Naparte posterior da poça, a temperatura cai e ocorre a solidificação. Nas regiõessuperaquecidas ocorre uma intensa interação do metal fundido com os gases eescórias presentes na região do arco. Estas interações envolvem a absorção degases (por exemplo, hidrogénio pelo aço, alumínio ou cobre), a redução de óxidos,com a transferência de oxigénio para o metal, a transferência de elementos de liga eimpurezas do metal fundido para a escória, ou vice-versa, e a volatilização de algunselementos (por exemplo, Zn, Cd, Cr e AI).

A composição química final da ZF depende da intensidade destas interações,das composições químicas do metal de base e de adição e da participação relativadestes na formação da ZF. Esta participação relativa é conhecida como "coeficientede diluição" ou, simplesmente, como "diluição” (6), como definida abaixo:

4 I4 !:! !l;44

í9 Tp

!!TfI ;:ÍTcf !c T; : ::è c 'l v''4< Figura 9

Regiões de uma solda por fusão (esquemática). A - Zona Fundida (ZF),B - Zona Termicamente Afetada (ZTA) e C - Metal de Base (MB)

Massa fundida do metal base (Eq. 4)8 =-•ÿ x 100 {%)Massa total do cordão de solda4

I!c O ciclo térmico de soldagem influencia de forma importante as reações e altera¬ções estruturais que ocorrem em uma dada região do material devido ao processo desoldagem. A Figura 10 mostra esquematicamente as reações e alterações esperadas, nasoldagem a arco de um aço de baixo carbono, para um ponto situado na zona fundida.

Stk-loMa'

A diluição pode ser medida em macrografias da seção transversal de soldas,como mostra a Figura 11. Seu valor pode variar entre 100% (soldas sem metal deadição) e 0% (brasagem).

H-i if iíí( B- i6 = x 1001 A+BSolklificflçfto

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III -4Figura 11Diluição medida na seção transversal de (a) um cordão depositado sobre chapa e (b) uma soldade topo

4 Tempo

| Figura 10Diagrama esquemático mostrando diferentes alterações que podemocorrer na zona fundida de uma solda em um aço de baixo carbono

»tV . li

!l\Q4 ! SOLD-fUND

AGEMIAMENTOS E TECNOLOGIA iU106 nr

FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM I !">%O controle da diluição é importante na soldagem de metais dissimilares, nadeposição de revestimentos especiais sobre uma superfície metálica, na soldagemde metais de composição química desconhecida, caso muito comum em soldagemde manutenção, e na soldagem de materiais que tenham altos teores de elementosprejudiciais à zona fundida, como o carbono e o enxofre.

Na parte posterior da poça de fusão, a temperatura cai até a temperatura deinício da solidificação do material. Esta queda de temperatura faz com que diversasreações que ocorreram nas regiões mais quentes ocorram agora em sentido contrá¬rio. O material pode ficar supersaturado de gases em solução, como o hidrogénioe o nitrogénio, devido à redução de sua solubilidade com a queda de temperaturae a solidificação, como ilustra a Figura 12. A evolução destes gases pode causar aformação de porosidade na solda.

í IHjCaO + MgO +Na?0 +K?0 +CaF? +1/2(FeO+MnO)

Si02 +1/2(A/203 + 7702 + Zr02)B

N(Eq. 5)

Ui

s0,10

í 0,088cLi °.°6£o

0,04-■CUCD><

■o 0,02•••"7 I50

1 2indico de Basicidade40.

I Liquide

ii|30- Figura 13Efeito da basicidade da escória no teor de oxigénio da zona fundida20

10I Fe-rFe-o, Fe-6

5.2- Solidificação da poça de fusão1SOO

Temperatura (°C)tooo 2000

Na parte posterior da poça de fusão, o metal líquido se solidifica dando origemao cordão de solda. O processo de solidificação determina diversas característicasmacro e microestruturais do cordão, tendo, assim, um importante efeito sobre aspropriedades e o comportamento da solda. Embora, em muitos aspectos, um pas¬se de solda possa ser considerado como uma pequena peça fundida, esse possuicaracterísticas próprias que resultam em diferenças significativas em termos daestrutura de solidificação e, consequentemente, de propriedades.

A Figura 14 ilustra a estrutura de solidificação típica de um lingote ou peça fundi¬da. A região mais externa (zona coquilhada) é formada no início da solidificação dapeça, quando existe uma grande diferença de temperatura entre o molde e o metallíquido. Esta diferença causa um forte resfriamento do líquido em contato comparede do molde e propicia a nucleação de um grande número de grãos que formamesta região, A zona colunar ocorre após a formação da zona coquilhada, quando.devido à liberação de calor latente de solidificação e ao afastamento da interfacesólido-líquido da parede do molde, a tenpperatura do líquido próximo desta interfacese aproxima da temperatura de fusão do metal. Como consequência, o número denovos grãos nucleados é fortemente reduzido e o sólido passa a ser formado prin¬cipalmente pelo crescimento de grãos já existentes em direção ao líquido. Comoresultado, os grãos assumem o formato colunar característico desta zona. Nas etapasfinais da solidificação, a rejeição de solutos e impurezas, que ocorre durante toda asolidificação, causa o aparecimento de inclusões e de outros pontos que facilitam a

Figura 12Variação da solubilidade do hidrogénio no ferro líquido e sólido

liA solubilidade do oxigénio no aço líquido também cai com a temperatura, e este

passa a reagir com outros elementos. O produto destas reações pode ser um gás(por exemplo, C+0->C0(g)), que pode causar porosidade; um sólido ou um líquidoinsolúvel na poça que, se for capturado pela frente de solidificação, resultará eminclusões na solda. A formação de porosidade, devido a reações do oxigénio com ocarbono e a formação de ipclusões, sua forma, tamanho e quantidade, dependemdo processo e do procedimento de soldagem, da composição do meio de proteçãoda poça de fusão e do arco (gases e escórias) e das composições do metal de basee de adição, em particular, do teor de elementos desoxidantes.

A extensão das reações que ocorrem na poça de fusão depende, também, dascaracterísticas químicas da escória em contato com o metal líquido, quando esta éusada. Por exemplo, na soldagem a arco submerso, o teor final de oxigénio na soldae, portanto, o volume de inclusões, tende a diminuir com o aumento da proporçãode óxidos básicos na composição do fluxo, como mostra a Figura 13. Nesta figura, otermo "índice de Basicidade" é uma relação entre os teores (em %peso) dos óxidosbásicos e os óxidos ácidos existentes no fluxo da seguinte forma;

li

ai ÍiíJJ

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CAPÍTULO 6FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM !QC SOLDAGEM

30 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 97m jlI

Devido às elevadas velocidades de solidificação em soldagem, a segregação(variação de composição entre diferentes pontos do material solidificado ocasionadapela solidificação) ocorre em menor escala do que em um lingote ou peça fundida,Esta segregação, contudo, é suficiente para causar variações localizadas de micro-estrutura, propriedades, e, mesmo, problemas de fissuração, particularmente, nocentro do cordão.

Como as peças fundidas em geral, a zona fundida é caracterizada por uma estru¬tura primária de grãos colunares e grosseiros. Este tipo de estrutura pode conferiruma menor tenacidade ao material.

ocorrência da nucleação de novos grãos. Além disso, na parte central da peça, ondea solidificação final, em geral, ocorre, o calor é extraído de forma aproximadamenteigual em todas as direções. Desta forma, os novos grãos formados tendem a crescercom um formato equiaxial, resultando na zona central.

99

0Zona Coquilhada

Zona ColunarZona Central

0f

=__•0 1§§

iÇ-~~ \ s\~t (T T_5.3- Formação da estrutura secundáriar~

f( í Após sua solidificação, a zona fundida pode sofrer ainda alterações até o resfriamento

final à temperatura ambiente (ver Figura 10). Estas alterações podem incluir, por exemplo,o crescimento de grão, a formação de carbonetos, nitretos e outras fases intermetálicase a transformação de uma fase em outra(s). Nos aços carbono e aços de baixa liga, porexemplo, a poça de fusão normalmente se solidifica como ferrita delta, que logo setransforma em austenita. Com o seu resfriamento, esta se transforma em uma misturacomplexa de constituintes, em função de fatores como o tamanho de grão austenítico.composição química, velocidade de resfriamento e composição, tamanho e quantidadede inclusões.

Na soldagem com vários passes destes aços, a microestrutura é ainda mais com¬plexa, pois cada passe pode afetar os passes imediatamente abaixo, causando a suareaustenitização e subsequente transformação desta no resfriamento e, assim, alterando(refinando) parcialmente a sua microestrutura. A Figura 16 ilustra este efeito em umasolda de vários passes de um aço carbono.

— -P /~sI I. Parede do molde1 - I IFigura 14

Seção transversal esquemática de uma peça fundida, mostrando as suas três regiõescaracterísticas

f jl i

IEm um cordão de solda, o metal líquido da poça de fusão em contato com o

metal de base (a "parede do molde") não é fortemente superresfriado pois o metalde base foi aquecido até a sua temperatura de fusão pela fonte de calor. Assim, aformação de um grande número de novos grãos não tende a ocorrer, a zona coqui¬lhada não é formada e o cordão de solda é constituído predominantemente por umazona colunar. Na soldagem com elevada energia de soldagem, quando a poça defusão apresenta grandes dimensões, uma zona central pode ser formada, contudo,na maioria das aplicações esta não é formada.

Como a formação de novos grãos é muito limitada, o início da solidificação napoça de fusão ocorre principalmente pelo crescimento de grãos do metal de baseque estão na linha de fusão (fronteira entre a ZF e a ZTA), assegurando a continuidademetalúrgica entre a ZF e a ZTA (Figura 15).

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c ii iiZTA MB 1 1‘§ §»] IffIrEI m

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Ii Figura 16Macrografia de uma solda de vários passes realizada em um aço de baixo carbonoFigura 15

Metalografia da região de transição entre a ZTA e ZF de um aço inoxidável ferrítico mostrandoa continuidade de grãos da ZTA na ZF. Aumento: 100X í

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KtCArtTUlD6 |ggSOICAQEUFUNDAMENTOS E TÍCNOLDGU98 FUNDAMENTOS DA META1DRSA DA SGLDAKM

Í KK6.1- Região de crescimento de grãoAs propriedades da zona fundida dependerãodesua estrutura final, incluindo asmicro-' estruturas de solidificação e a secundária, bem como a presença de descontinuidades. !Compreende a região do metal de base mais próxima da solda e que foi sub¬

metida a temperaturas entre cerca de 1.200 °C e a temperatura de fusão. Nestasituação, a estrutura austenítica sofre um grande crescimento de grão. Este cres¬cimento dependerá do tipo de aço e da energia de soldagem (processos de maiorenergia resultarão em granulação mais grosseira). A estrutura final de transforma¬ção dependerá do teor de carbono e de elementos de liga em geral, do tamanhode grão austenítico e da velocidade de resfriamento. A granulação grosseira daaustenita dificulta a sua transformação durante o resfriamento (isto é, aumenta asua temperabilidade), o que pode ser acentuado se o aço for ligado ou tiver ummaior teor de carbono. De um modo geral, esta região é caracterizada por umaestrutura grosseira, com a ferrita apresentando uma morfologia em placas e a pre¬sença de bainita. Condições de soldagem que resultem em uma maior velocidadede resfriamento, particularmente em aços ligados ou com maior teor de carbono,podem resultar, nesta região, em uma estrutura completamente martensítica.Esta região tende a ser a mais problemática da ZTA de um aço, podendo ter baixatenacidade e ser um local preferencial para a formação de trincas. Para um dadomaterial, espessura e tipo de junta, as condições de resfriamento e, portanto, amicroestrutura desta região, poderão ser ajustadas pela seleção adequada dascondições de soldagem, particularmente a energia de soldagem e a temperaturade pré-aquecimento da junta.

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6. Características da Zona Termicamente Afetada

:;KAs características da ZTA dependem fundamentalmente do tipo de metal de

base e do processo e procedimento de soldagem, isto é, dos ciclos térmicos e darepartição térmica (Figuras 6 e 7). De acordo com o tipo de metal que está sendosoldado, os efeitos do ciclo térmico poderão ser os mais variados. No caso de me¬tais não transformáveis (por exemplo, o alumínio ou o cobre) no estado recozido,a mudança estrutural mais marcante será o crescimento de grão. Caso o materialesteja encruado, a ZTA apresentará, além de uma região de crescimento de grãoadjacente à ZF. uma região recristalizada localizada um pouco mais afastada.

Em metais transformáveis, a ZTA será mais complexa. No caso dos aços carbonoe aços baixa liga, esta apresentará diversas regiões características, ilustradas naFigura 17 e discutidas a seguir:

ii lui]

Hw|HÍ

III]Temperatura (°C)Temperatura

\de Pico Líquido ! II6.2- Região da refino de grão !?I II !'I íj!>«I Compreende a porção da junta aquecida a temperaturas comumente utilizadasna normalização dos aços ou um pouco acima destas (900 até cerca de 1.200°C).Após o processo de soldagem, esta região é caracterizada, geralmente, por umaestrutura fina de ferrita e perlita, não sendo problemática na maioria dos casos.

ííliI :nírxjct+Y I!

A1 6.3- Região intercrftica:t T T— T !" IDistância a+ Fe3C INesta região, a temperatura de pico varia entre 727°C (temperatura eutetoide)

e a linha A3 (linha GS, na Figura 2), sendo caracterizada pela transformação parcialda estrutura original do metal de base. Nesta faixa de temperatura, somente umaparte do material é austenitizada e, portanto, alterado pelo ciclo térmico. Em algunscasos, particularmente na soldagem com vários passes, constituintes de elevadadureza e baixa tenacidade podem se formar nesta região.

Regiões mais afastadas do cordão de solda, cujas temperaturas de pico foram infe¬riores a 727°C, apresentam mudanças microestruturais cada vez menos perceptíveis.

jl'ZFj AjBj C j MB %C Teor deC (%)

KFigura 17Estrutura da ZTA de um aço de baixo carbono (esquemática). A- Regiáo de crescimento degrâo. B - Regiáo de refino de grâo. C- Região intercrftica. Ver texto para uma explicação destafigura

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ICAPÍTULO 6FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS £ TECNOLOGIA100 101I

I7. Descontinuidades Comuns em Soldas 7.1.1- Distorção (Figura 18)

Neste texto, será considerado como descontinuidade uma interrupção ou umaviolação da estrutura típica ou esperada de uma junta soldada. De acordo com asexigências de qualidade para a junta soldada (baseadas em normas ou em um con¬trato), uma descontinuidade pode ser considerada como prejudicial para a utilizaçãofutura da junta, constituindo-se, desta forma, em um defeito e exigindo ações cor¬retivas. Devido ao alto custo dessas ações, a presença de defeitos deve sempre serevitada. Apresenta-se a seguir uma classificação das descontinuidades em soldas,

baseada no livro Welding Inspection, da American Welding Society, que consideratrês categorias básicas de descontinuidades:

Origem

São alterações de forma e dimensões que componentes soldados sofrem comoresultado de deformações plásticas devidas ao aquecimento não uniforme e loca¬lizado durante a soldagem.

: !i

illI Causas práticas

Soldagem em excesso, soldagem em juntas livres(aquelas em que as peças podemse mover facilmente), seleção incorreta do chanfro e da sequência de soldagem etc.

Consequências

Mudanças de formas e dimensões.

Medidas corretivas

A distorção pode ser reduzida durante a soldagem, diminuindo-se a quantidadede calor e metal depositado, pela utilização de dispositivos de fixação, pelo martela-mento entre passes, escolha correta do chanfro e da sequência de soldagem etc. Acorreção da distorção em soldas prontas exige medidas, em geral onerosas,desempenamento mecânico ou térmico, remoção da solda e ressoldagem etc.

(a

• Descontinuidades dimensionais

- DistorçãoI 1- Dimensões incorretas da solda(- Perfil incorreto da soldat !f • Descontinuidades estruturais

como( - Porosidades

- Inclusões de tungsténio

t■ Falta de fusão

I - Falta de penetraçãot ÊÊ- Mordedura ___K - Trincas e( (a) (b)- Outrasff

•Propriedades inadequadasi:A - Propriedades mecânicas

a - Propriedades químicas e(c)

ff - Outras

Figura 18Formas básicas de distorção em juntas soldadas: (a) Contração transversal,(b) contração longitudinal e (c) distorção çngular■m 7.1 - Descontinuidades dimensionais

ASão inconformidades nas dimensões ou forma dos cordões de solda. Sua gravi¬

dade varia com a magnitude e a aplicação, ou processamento posterior que a peçasoldada vai ser submetida.

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CAPÍTULO 6FUNDAMENTOS DA METALURGIA OA SOLDAGEM102 103SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

HL7.2- Descontinuidades estruturais7.1.2 - Dimensão incorreta da solda 1!iNo projeto de uma estrutura, as dimensões das soldas são especificadas de modo

a atender a algum requisito, por exemplo, resistência mecânica à tração. Dimensõesfora das tolerâncias admissíveis configuram defeitos de soldagem, uma vez que a

solda deixa de atender a esses requisitos. As dimensões de uma solda são verifica¬das, em geral, numa inspeção visual, com o auxílio de gabaritos.

São descontinuidades na micro ou macroestrutura na região da solda, associadasà falta de material ou à presença de material estranho em quantidades apreciáveis.Sua gravidade depende do tipo de descontinuidade, sua extensão e geometria.

ssí7.2.1- Porosidades

7.1.3 -Perfil incorreto da soldaOrigem

Evolução de gases durante a solidificação da solda. As bolhas de gás podemser aprisionadas pelo metal solidificado à medida que a poça de fusão é deslocada.Pode ocorrer uniformemente distribuída, em grupos, alinhada ou como porosidadevermicular, conforme mostra a Figura 21.

Causas práticas

Umidade ou contaminação de óleo. graxa, ferrugem etc. na região de junta, elé¬trodo. fluxo ou gás de proteção úmidos; corrente ou tensão de soldagem excessivas,corrente de ar durante a soldagem etc.

ConsequênciasPequenas quantidades de poros não são consideradas prejudiciais. Acima dedeterminados limites(emgeral estabelecidos por normas), a porosidade pode afetaras propriedades mecânicas, particularmente, reduzindo a seção efetiva da junta.

Porosidade alinhada pode ser mais prejudicial que porosidade distribuída.

Medidas corretivasA formação de porosidade pode ser minimizada pelo uso de materiais limpos esecos, de equipamentos em boas condições epelo uso de parâmetros de soldagadequados.

I(1Este deve ser considerado, na medida em que variações geométricas bruscas agem

como concentradores de tensões, facilitando a formação e a propagação de trincas.A Figura 19 mostra alguns exemplos de perfis inadequados de soldas. Convexidadeexcessivadecordõesemsoldasmultipassespodemcausar faltadefusãoe/ouinclusões

de escória entre passes. Em quase todos os casos, um perfil inadequado do cordão de

solda está relacionado com a manipulação ou posicionamentos imperfeitos do eletrodoe/ou utilização de parâmetros de soldagem inadequados.

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"iil

/ li»%&Garganta Convexidadeinsuficiente excessiva

Figura 19Exemplos de perfis de soldas inadeauados (esquemático)

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Falta depenetraçãoPerna

insuficiMordedura Dobra

enle

P7.1.4 - Formato incorreto da junta

emdimensionamento inadequado das peças pode levar aO posicionamento ou oproblemas como o desalinhamento em juntas de topo (Figura 20). Problemas de dis¬

torção podem também ser um importante fator para a obtenção de juntas soldadas

com um formato incorreto.] i«ln

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s Iffm lii!. P )m i»mo°oo )w__ (a) (b) , (c) (d)

|IHFigura 21Formas de porosidade: (a) distribuída, (b) agrupada,(c) alinhada e (d) vermicular (esquemática)

Figura 20Desalinhamento em junta de topo

u

.CAPITULO 6 incÍUNOAMEVTOS DA METAWHGA DA SOLDAGEM '05SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA104

7.2.4 - Falta de fusão7.2.2 - Inclusões de escória (Figura 22)

fl i<9 Origem

O termo refere-se à ausência de continuidade metalúrgica entre o metal deposi¬tado e o metal de base ou dos passes adjacentes, como ilustra a Figura 23. Resultado não aquecimento adequado do metal presente na junta e/ou da presença de umacamada de óxido espessa o suficiente para dificultar a fusão do metal de base.

Causas práticas

Manipulação incorreta do eletrodo, falta de limpeza da junta, energia de solda¬gem insuficiente (corrente muito baixa ou velocidade de soldagem muito elevada),impossibilidade de o arco atingir certas regiões da junta (por exemplo, na soldagemem vários passes, a região entre dois passes de convexidade excessiva) etc.

Consequências

A falta de fusão é um concentrador de tensões severo, podendo facilitar o apareci¬mento e a propagação de trincas. Além disso, pode reduzir a seção efetiva da solda.

Medidas corretivasEm peças de responsabilidade, a existência da falta de fusão não pode ser tole¬rada, exigindo-se a remoção da região defeituosa e a sua ressoldagem. Para evitarsua formação, deve-se atuar no sentido de se eliminar suas causas práticas.

Falta de fusão

Origem

Vários processos de soldagem utilizam fluxos que formam escória que tende a

se separar do metal liquido na poça de fusão. Além disso, várias reações se proces¬

sam na poça, podendo gerar produtos insolúveis no metal líquido que tendem a se

separar deste e também formar escória. Por diversos motivos, parte desta escóriapode ficar presa entre os passes de solda ou entre estes e o metal de base.

Causas práticas ...Manipulação incorreta do eletrodo, de tal forma que a escória flui à frente da poça

de fusão, particularmente, na soldagem fora da posição plana e na remoção parcial da

escória solidificada entre os passes de solda. Este problema é especialmente agravado

quando os passes têm uma convexidade excessiva ou o chanfro é muito estreito. Este

tipo de inclusão apresenta-se, em geral, com uma forma alongada numa radiografia.

Consequências

As inclusões alongadas formadas entre os passes de solda são concentradoresde tensão relativamente severos e podem facilitar a formação de trincas.

Medidas corretivasManipulação correta e remoção adequada da escória dos passes de soldagem

anteriores.

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li!Inclusão de escória !i

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;figura 23Falia de fusão (esquemática)Figura 22

Inclusão de escória (esquemática)

7.2.5 - Falta de penetração7.2.3 - Inclusão de tungsténio

Este tipo de inclusão ocorre na soldagem com o processo TIG, quando a ponta

do eletrodo toca o metal de base ou a poça de fusão, em especial, na abertura doignitor de alta frequência, ocorrendo a transferência de partículas de tun¬

gsténio para a solda.

:<OrigemO termo refere-se a falhas em se fundir e encher completamente a raiz da solda,como mostra a Figura 24.

| arco sem

ii

CAPÍTULO 6 I 1fi"7FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM IU/106 1

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

! lit15vários passes, a sua eliminação (com o esmeril, por exemplo) é importante para se

evitar problemas na deposição dos passes seguintes.Causas práticas

Manipulação incorreta do eletrodo, junta mal projetada (ângulo de chanfro ouabertura de raiz pequenos), corrente de soldagem insuficiente, velocidade de sol¬dagem muito alta e diâmetro de eletrodo muito grande. ia7.2.7- Trincas

í1ÿConsequências

Redução da seção útil da solda e concentração de tensões. ",São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem. São fortesconcentradores de tensão, podendo favorecer o início de fratura frágil na estruturasoldada. De um modo bem simples, uma trinca pode ser considerada como o resul¬tado da incapacidade do material, em responder às solicitações impostas localmentepelas tensões decorrentes do processo de soldagem. Como já discutido, a aplicaçãolocalizada de calor, acarretando expansões e contrações localizadas no material, causao aparecimento de tensões de tração bi ou mesmo triaxiais na região da solda. Esteestado de tensões, juntamente com a fragilização associada às mudanças microes-truturais durante a soldagem e/ou a presença de certos elementos (particularmenteo hidrogénio), pode resultar na formação de trincas.

As trincas podem ser externas, isto é, atingir a superfície, ou totalmente internas,não sendo, nesse caso, detectáveis por inspeção superficial na região da solda.Podem se localizar na ZF. ZTA ou mesmo no metal de base. Quanto às dimensões,tanto podem ser micro quanto macroscópicas. A Figura 25 mostra as localizaçõestípicas de trincas de soldagem e a Figura 26 mostra um exemplo de uma trincainterna localizada no centro de um cordão de solda.

jllÿMedidas corretivasA falta de penetração pode ser evitada pelo projeto adequado da junta e utiliza¬

ção de um procedimento de soldagem apropriado. Deve-se ressaltar que muitasjuntas são projetadas para serem soldadas com penetração parcial. Nestes casos,

a penetração parcial não constitui um defeito de soldagem.

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'011Figura 24Falta de penetração (esquemática)

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.7.2.6 -Mordedurasin-mI

Origem

Fusão do metal de base na margem do cordão de solda, sem ocorrer o enchi¬mento desta área. resultando na formação de uma reentrância nesta região, comomostrado na Figura 19.

35 I-r /_ /

F/ó //V6 /mCausas práticas

Manipulação incorreta do eletrodo, comprimento excessivo do arco, corrente ouvelocidade de soldagem muito elevadas. Deve-se observar que, na soldagem comeletrodos revestidos, certos eletrodos têm maior tendência para gerar mordedurasdo que outros.

5jlll

8

Hgura 25Classificação das trincas de soldagem de acordo com a sua localização:(1) trinca na cratera, (2) trinca transversal na ZF. (3) trinca transversalna ZTA. (4) trinca longitudinal na ZF. (5) trinca na margem da solda.(6) trinca sob o cordão. (7) trinca na linha de fusão e(8) trinca na raiz da solda

Consequências

Redução da área útil e concentração de tensões. Particularmente, a resistênciaà fadiga é reduzida.

;lPrMedidas corretivas

Atuar no sentido de impedir as suas causas. Quando ocorre na soldagem emI '

<i

1!SOUMBEM [ 109inn SOLDAGEM;UO j FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA

O formato do cordão é também um fator importante na formação de trincasna solidificação, pois determina a maior ou menor facilidade de alimentação,metal líquido, de certas regiões do cordão no final da solidificação (efeito similar aoobservado em fundição com o projeto do formato da peça) e influencia as tensõesagindo nestas regiões. A Figura 28 ilustra o efeito do formato do cordão na formaçãodeste tipo de trinca,

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ii H.L "1 » ' - •íâ?--:' Hí Trinca Trinca

!__ V7Figura 26Trinca formada no centro do cordão de solda entre uma chapa de aço baixocarbono de 9 mm de espessura e um pino de aço SAE 1045. Ataque: Nital 10%

Vários mecanismos atuam para a formação de trincas em soldas. Assim, essas podemser formadas durante a soldagem (na solidificação), durante o resfriamento da junta,horas após a realização da soldagem, quando da realização de tratamentos térmicospara alívio de tensões e, mesmo, em serviço, muitos meses (ou anos) após a soldagem.Vários acidentes graves em componentes soldados, que ocorreram em diferentes partes

do mundo e resultaram em perdas materiais e de vidas humanas, foram associados àexistência de descontinuidades em soldas, particularmente com trincas.

Dois dos mecanismos mais comuns de formação de trincas em soldas serãodiscutidos resumidamente a seguir.

A fissuração na solidificação, também denominada de fissuração a quente, é ummecanismo de formação de trincas muito comum e que ocorre também em outros

processos de fabricação, em particular, na fundição. Ela está associada com a forma¬ção de filmes de material líquido segregado entre os contornos de grão do material

estágios finais de sua solidificação e com a incapacidade desta estrutura resistiresforços decorrentes da contração do material. A formação destes filmes é pro¬

movida por certos elementos químicos capazes de sofrer forte segregação,enxofre e 0 fósforo, em ligas ferrosas e é facilitada em materiais que se solidificamcom estrutura cristalina CFC como os aços de maior teor de carbono (ver Figura 2),

certos aços inoxidáveis e ligas de cobre e de alumínio. Frequentemente, este tipo

de trinca aparece no centro do cordão de solda (Figura 25), mas pode aparecer emdiferentes localizações e orientações, inclusive como microtrincas (Figura 27).

B 1_1(a) (b)

Trinca Trinca

; w : .r —

(c) (d) :Figura 28F-ormação de trincas a quente favorecida peio formato do cordão em:(a) uma solda de filete côncava e (b) passe de raiz côncavo em junta de topo, (c) soldas de topocom elevada razão penetração/largura e (d) em cordão em forma de sino

A fissuração pelo hidrogénio, também denominada de fissuração a frio, é consi¬derada como um dos mecanismos de formação de trincas mais comuns em açoscarbono e de baixa e média liga, principalmente aqueles que são temperáveis (istoé, em que ocorre a formação de martensita) durante a soldagem. Este tipo de trincaocorre principalmente na ZTA (na região de crescimento de grão), podendo ocorrertambém na ZF de aços de maior resistência mecânica. A trinca aparece um certotempo após a soldagem (o que pode ser até várias horas) e cresce lentamente,podendo levar até cerca de dois dias para 0 seu completo desenvolvimento. Destaforma, uma inspeção, realizada logo após a soldagem, pode falhar em detectar asua presença.

Quatro fatores são considerados como fundamentais para o aparecimento destaforma de fissuração:

• presença de hidrogénio: este elemento pode ser absorvido pela poça de fusão eincorporado à solda a partir de material orgânico ou de umidade existentessumíveis de soldagem ou na superfície da junta.

• microestrutura sensível: a fragilização ocasionada pelo hidrogénio é mais perniciosaquando a microestrutura é de baixa tenacidade e elevada dureza, destacando-se, nestesentido, a presença de martensita. Assim, condições de soldagem que favorecem odesenvolvimento de velocidades elevadas de resfriamento (por exemplo, a soldagem

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SNI;ri:Figura 27

Microtrincas de solidificação na ZF de uma liga Fe-Mn-AI-Si-C. 200x

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"HCAPÍTULO 6FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOIDAGEM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 111110 ;

!i

\de juntas de grande espessura e o uso de uma baixa energia de soldagem) facilitama fissuração e, no mesmo contexto, a soldagem de aços de maior temperabilidade é,também, mais critica. Neste sentido, é comum o uso de fórmulas de "carbono equi¬valente" para estimar a sensibilidade do aço à fissuração. Por exemplo, considerandoa fórmula abaixo, em que se considera os teores (em % peso) dos elementos de umaço carbono ou de baixa liga. quando CE < 0,40, o material é considerado muitopouco sensível à fissuração e, quando CE > 0,60, o material é considerado altamentesensível.

7.3.1- Propriedades mecânicas

Entre as propriedades mecânicas que podem ser avaliadas incluem-se: resistênciaà tração, limite de escoamento, ductilidade, dureza e resistência ao impacto. Os proce¬dimentos para a execução de chapas de teste, retirada dos corpos de prova, confecçãodestes e execução dos ensaios são especificados nos diversos códigos e normas.

'"iIII

'%7.3.2- Propriedades químicas

cc r c i%Mn

i°/oMo

i%Cr

i%Ni

'%Cu

'%P

>(Eq. 6) A resistência à corrosão da solda deve ser avaliada para as aplicações em queesta característica é indispensável. Os problemas de perda de resistência à corrosãodevido à soldagem são especialmente importantes em aplicações que utilizam açosinoxidáveis e algumas ligas não ferrosas, mas também podem ser relevantes paraaços carbono. Entre os vários problemas de corrosão, destacam-se os de corrosãointergranular, corrosão sob tensão e corrosão preferencial da solda. A Figura 29ilustra um problema de corrosão preferencial de uma solda, que levou à ocorrênciade vazamentos em uma tubulação de aço carbono de uma torre industrial defriamento de água.

6 :

I• elevada solicitação mecânica: a ocorrência destas e de outras formas de fissuração éfacilitada por quaisquer fatores que aumentem a intensidade da solicitação mecânicana região sensível ao problema. Assim, a soldagem de peças de maior espessura,com menor facilidade de se deformar, ou de peças presas em dispositivos de fixaçãopara minimizar a distorção, tende a ser mais sensível à fissuração do que a soldagemnaqueles casos em que as solicitações mecânicas são mais facilmente acomodadas.

• temperatura: a fissuração pelo hidrogénio ocorre entre cerca de -100 e 200°C. Assim,

a manutenção da solda acima desta faixa de temperatura por um período adequadode tempo pode permitir a difusão do hidrogénio para fora da junta e, desta forma,

reduzir a chance de formação de trincas.

I

IIres-

agpiftsli#m7.2.8 - Outras descontinuidades estruturais Solda

Citam-se. ainda, como descontinuidades estruturais: furos na junta, cordões deaspecto irregular etc. Sm

8®f-3É7.3- Propriedades inadequadas !<As soldas pertencentes a um dado equipamento ou estrutura soldada devem

possuir propriedades mecânicas (e, em alguns casos, propriedades químicas, elétri-etc.) bem determinadas. Estas características são, em geral, especificadas por

códigos, ou pelo projetista. Soldas incapazes de atender às exigências

Ti«.(a) (b)

iKcas Figura 29Exemplo de um problema de corrosão preferencial da solda observado em uma tubulação deaço baixo carbono, (a) Esquema e (b) micrografia com 100x de aumento

normas emínimas em termos de propriedades mecânicas ou outras relevantes são entãoconsideradas defeituosas, exigindo ações corretivas. Estas propriedades são nor¬malmente avaliadas pela execução de chapas de teste, de onde são retirados os icorpos de prova para ensaios. i]

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I HO SO10AGBÉ»ÿ* fUKOAIOffltJ* E TICMOlOOtA

8. Exercícios e Práticas de Laboratóriorf

a) O que se entende por "estrutura" de um metal ou liga metálica?

b) Explique sucintamente o que é ferrita, austenita. perlita e cementita.

c) A energia de soldagem é um parâmetro suficiente para descrever umprocedimento

de soldagem? Por quê?

d) Porquea energiadesoldagem eopré-aquecimento sáo as variáveis mais importantes

que afetam o ciclo térmico, do ponto de vista do engenheiro de soldagem?

e) Cite algumas maneiras práticas de se controlar a diluição em soldas.

f) Descreva a estrutura primária da ZF de uma solda. Explique o porquê destas carac-

teristicas.

g) Descreva a macroestrutura de uma solda por fusão em aço. Explique o porquê destas

caracterfsticas.

h) Qual a diferença entre descontinuidade e defeito de soldagem?

i) Por que a soldagem é capaz de induzir fissuras num material?

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CAPÍTULO 7cTENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEMf

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Deposite cordões de solda sobre uma chapa de aço, usando, por exemplo, ascondições abaixo:

;cc IVskxidsde

lan/min)TeraloCorrent»#Etotrodo (U/minlc (A)|mml

1, Introdução-3036306003.2SAW1c;;

-2033254003.2SAW2 íll -10-19 Deummodo geral, as operações desoldagem, particularmentepara os processospor fusão, envolvem o aquecimento intenso e localizado da região a unir. As regiõesaquecidas tendem a se dilatar, mas a dilatação é dificultada pelas partes adjacentessubmetidas a temperaturas menores, oque causa o aparecimento de deformaçõeselásticas e, eventualmente,plásticas na região da solda. Como resultado, ao final dasoldagem, tensões internas (tensões residuais) e mudanças permanentes deformae de dimensões (distorções) se desenvolvem na junta. Tanto as tensões residuaisas distorções podem afetar de modo importante a utilidade e o desempenhoda estrutura soldada, sendo fundamental o conhecimento de suas caracterfsticase de medidas para a sua prevenção e controle.

Tensões residuais são aquelas que permanecem na peça quando todas as so¬licitações externas são removidas. Essas tensões podem aparecer em materiaissubmetidos a diferentes processamentps térmicos ou mecânicos (fundição, sol¬dagem. laminação, forjamento, usinagem, dobramento, têmpera etc.). Uma dasprincipais causas de seu aparecimento é a ocorrência, ao longo de uma seção dapeça. de deformação plástica não uniforme, o que pode ser causado por efeitostanto mecânicos como térmicos. Um exemplo simples é o aparecimento de tensõesresiduais em uma peça submetida a processos como o esmerilhamento ou jatea-mento com granalhas, os quais causam oescoamento plástico do material próximo

-231403-2SMAW3-10-19-231403-2Elétrodo Nu4 !

ÍCorte transversalmente as soldas obtidas, faça um polimento e ataque para

observação metalográfica e observe as amostras ao microscópio. Identifique a ZF,

ZTA e o metal de base.If comoI %j) Discuta a influência das variáveis do procedimento de soldagem na estrutura das soldas.

k) Repita o procedimento de união das soldagens acima, variando a temperatura inicial

da chapa. Qual é o efeito deste parâmetro?

'<1

!i1I) Por que é importante a existência de um meio de proteção do arco e da zona fundida

contra a atmosfera, durante a soldagem?

m) Quais as vantagens metalúrgicas de uma solda multipasses?'iI

44 i

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illCAPÍTULO ? LieTENSÕES RESIOUAJS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM 113■I -I I SOLDAGEM

114 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA )!

Kda superfície. Como as regiões mais internas da peça não se deformam igualmente,elas restringem o escoamento da camada superficial, causando o aparecimento dastensões residuais de compressão nesta (Figura 1). Tensões residuais e distorçõespodem se desenvolver ainda como resultado das transformações de fase durante,por exemplo, tratamento térmico, devido a diferenças de densidade entre as fases.

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(a) IilkTensõesresiduais *illr

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IPiFigura 2Volume ocupado pelo metal de adição: (a) no estado líquido e (b) à temperatura ambiente.esquemático

»IFigura 1

Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo esmerilhada íP>:JComo as tensões residuais podem existir na ausência de solicitações externas, asoma das forças resultantes dessas tensões, em uma dada seção da peça, deve sernula. Por exemplo, na Figura 1. as tensões residuais de tração desenvolvidas na super¬fície da peça devem ser contrabalançadas por tensões de compressão desenvolvidasno interior da peça. Se o equilíbrio das tensões residuais for perturbado (por exemplo,pelo corte de uma parte da peça), as tensões serão redistribuídas para restaurar oequilíbrio. Este rearranjo das tensões causa uma distorção adicional na peça.

O desenvolvimento de tensões residuais em peças e estruturas soldadas podegerar diversos problemas, como a formação de trincas, a maior propensão para aocorrência de fadiga ou fratura frágil, e a perda de estabilidade dimensional. Distor¬ções podem dificultar ou inviabilizar a montagem de componentes soldados.

Uma maneira de se visualizar o desenvolvimento de tensões internas numa peçasoldada é mostrada na Figura 2. No instante em que é depositado, o metal de adiçãoestá aquecido e no estado líquido, ocupando o volume mostrado na parte (a). Estamesma quantidade de material sólido e à temperatura ambiente ocupa somente ovolume indicado na parte (b). Entretanto, como foram formadas ligações em nívelatómico com o metal base durante o processo, este material ocupa ao final da ope¬ração o mesmo volume que ocupava inicialmente, estando, portanto, intensamentetensionado e deformado.

ijHI >2. Desenvolvimento de Tensões Residuais em Soldas!|!i

)P.Devido à sua importância para a soldagem, serão aqui consideradas as tensões

residuais associadas com a ocorrência de deformação plástica não uniforme porefeitos térmicos.

Quando um metal é aquecido, suas dimensões aumentam proporcionalmente àvariação de temperatura (AT = T -T0), isto é:

Iw,1IImilliíAC =(- CQ = ÍQXCX AT (Eq.1)

}onde (AI) é a variação do comprimento inicial (/„), e a é o coeficiente de dilataçãotérmica linear. Se um objeto for aquecido e resfriado uniformemente e não existiremrestrições às suas variações dimensionais, estas não resultam em efeitos mecânicosimportantes no objeto. Contudo, se a variação de temperatura não for uniforme aolongo da peça ou se esta não puder se expandir ou contrair livremente durante ociclo térmico, tensões residuais e/ou distorções podem se desenvolver.

Como um exemplo inicial, suponha-se que duas barras metálicas de grande seçãotransversal sejam unidas por três outras barras metálicas de menor seção transver¬sal, como mostrado na Figura 3, de tal forma que nenhuma das peças envolvidasesteja sob esforço mecânico, isto é, que o nível de tensões internas seja nulo aofinal desta etapa. Suponha agora que a barra central seja aquecida, por exemplo,com um maçarico a gás, de maneira uniforme. Faça-se então uma análise das con¬sequências deste aquecimento, em termos das tensões que se desenvolverão nas

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CAPÍTULO 7 « - -TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM I » i /SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA116 i ! í

peças da montagem proposta. Para isso, deve ser lembrado que os metais, quandoaq.uecidos, tendem a se expandir (dilatação térmica), que, quando as tensões apli¬cadas atingem o limite de escoamento (tensão mínima para deformação plástica).o material se deforma plasticamente e que o limite de escoamento tende a diminuircom o aumento da temperatura.

Continuando-se o aquecimento, a dilatação térmica tende a prosseguir. Entretanto,como o nível de tensões internas atingiu o limite de escoamento, a barra centralpassa a se deformar plasticamente (deformação permanente) em compressão. Istoquer dizer que a barra sofre, pela deformação plástica, uma diminuição emcomprimento e um aumento em sua seção transversal, o que é compensado peladiiatação térmica. Este processo continua até que cesse o aquecimento (ponto C),quando a barra estará submetida a esforços de compressão, da ordem do limite deescoamento em compressão na temperatura do final do aquecimento.

Cessado o aquecimento, a barra central tende a resfriar e, consequentemente,a se contrair termicamente. Assim, quando a temperatura começa a cair, o esforçode compressão sentido peia barra tende a diminuir, até se anular, para uma dadatemperatura acima da temperatura inicial (ponto D).

Entretanto, a temperatura continua a abaixar e a barra quer continuar a diminuir decomprimento, mas, como este foi diminuído por deformação plástica durante o aque¬cimento, a contração é restringida pelas barras transversais e laterais. Assim, a barracentral passa a sentir um esforço de tração e uma deformação elástica crescentes, àmedida que a temperatura continua caindo, até que o limite de escoamento em traçãoseja alcançado (ponto E). A partir daí a barra passa então a se deformar plasticamenteem tração, até que a temperatura volte ao valor da temperatura ambiente (ponto F).

Portanto, ao final do processo, a barra central que inicialmente não estava subme¬tida a nenhum esforço interno, agora apresenta tensões internas (chamadas tensõesresiduais) da ordem do limite de escoamento à tração. Para manter o equilíbrio, comojá discutido, as barras laterais estão sujeitas a tensões de compressão.

Em soldagem, o cordão de solda e as regiões adjacentes se comportam de formasimilar à barra central, e as regiões mais afastadas (metal de base), de forma similaràs barras laterais do exemplo acima. A distribuição de tensões longitudinais numajunta soldada ao longo da direção transversal é mostrada esquematicamente e com¬parada com a montagem das três barras na Figura 5. A região da solda está sujeita atensões de tração cujo valor máximo é próximo do limite de escoamento do material.Estas tensões reduzem de intensidade, passando para valores negativos (compressão)para regiões mais afastadas da solda. Tensões residuais também são desenvolvidas aolongo da solda e, no caso de soldas em peças espessas, ao longo da espessura.

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Barra 1.Barra 2

Barra 3 ,

1Maçarico

mimam(b)(a)

Figura 3Diagrama esquemático da montagem das três barras: (a) conjunto de barras presasextremidades e (b) barra central sendo aquecida

A Figura 4 mostra a evolução do nível de tensões internas na barra central emdecorrência da variação da temperatura. Inicialmente (ponto A), o nível de tensõesinternas é nulo. Quando a temperatura começa a aumentar, a barra central tende a seexpandir, sendo restringida pelas peças de maior seção e pelas barras laterais, quepermaneceram à temperatura ambiente. Dessa forma, ela experimenta um esforçode compressão, que tende a aumentar com a elevação da temperatura, deformando—-se elasticamente em compressão, até que as tensões internas atinjam o limite deescoamento em compressão (ponto B).

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Temperatura (°C)o

Figura 4Diagrama esquemático das tensões internas em função da temperatura na barra central daFigura 3

CAPfrUlO 7 I - - QTENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES EM SOLDAGEM Mb1 -t p SOLDAGEM

MO FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA III3. Consequências das Tensões Residuais

/5 A xn x "s3.1- Variações nas tensões residuais devido a um carregamento estático de

traçãoillIIII*» I1' y in,y Quando um componente soldado, contendo uma distribuição inicial de tensões

residuais é carregado por tensões de tração, as tensões residuais tendem a se somaràs tensões de carregamento. Assim, as regiões submetidas a tensões residuais maiselevadas atingem primeiro as condições de escoamento, deformando-se plastica¬mente. Esta deformação localizada diminui as diferenças de dimensão responsáveispelas tensões residuais e, desta forma, reduz essas tensões quando o carregamentoexterno é retirado. Esta análise permite tirar as seguintes conclusões:

• tensões residuais afetam de forma significativa apenas fenômenos quecom tensões aplicadas relativamente baixas (inferiores ao limite do escoamento domaterial) como, por exemplo, na fratura frágil, na fragilização pelo hidrogéniocorrosão sob tensão:

t5 m Infp: )In

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e emIn

■)

SI• em estruturas submetidas a carregamento, quanto maior o carregamento, menor oefeito das tensões residuais; >i |H(b)(a)

.• se a estrutura é carregada além de seu limite de escoamento, o efeito das tensõesresiduais se toma desprezível; e

• métodos que utilizam alguma forma de solicitação mecânica podem ser usados paradiminuir as tensões residuais de um componente soldado.

IllFigura 5(a) Comparação entre as tensões residuais desenvolvidas na montagem de três barras e(b) asresiduais longitudinais formadas ao longo da direção transversal (y) de uma solda de topo por fusão '

tensões

mSe a peça soldada tem pouca possibilidade de se mover ou de deformar por seupróprio volume e resistência ou por estar fixada por dispositivos próprios de soldagem

ligada a outros componentes da estrutura, diz-se que ela está vinculada. Quantomais intensa a vinculação, maiores os esforços desenvolvidos durante o processo

tensões residuais, que, por sua vez, induzem maiores consequências para a

IIII\OU

III3.2- Comportamento em fadiga

: !'e aspeça e a estrutura. Como as tensões residuais atingem valores próximos do limitede escoamento, componentes de materiais de maior resistência mecânica tendema apresentar valores mais elevados de tensões residuais. *A presença de tensões residuais de compressão na superfície de um compo¬

nente é um fator para redução da chance de iniciação de trincas de fadiga. Emcomponente soldado, as tensões residuais de tração podem ter um efeito negativono seu desempenho à fadiga, embora não existam resultados claros quanto a esteefeito devido, possivelmente a: (a) sob a ação de cargas variáveis, as tensões resi¬duais de soldagem devem ser, pelo menos parcialmente, aliviadas e (b) as irregu¬laridades superficiais (reforço e escamas) têm um efeito predominante na reduçãoda resistência à fadiga.

Ill)um

11%As tensões residuais têm importante influência em diversos aspectos do compor¬tamento de componentes soldados (ver próxima seção). Essas tensões podem sermedidas por métodos destrutivos (por exemplo, pela medida, com extensômetroselétricos, da deformação que ocorre quando uma peça contendo tensões residuaisé cortada) ou não destrutivos (por exemplo, por difração de raios X). O desenvolvi¬mento das tensões residuais em uma peça pode, também, ser simulado por técnicasnuméricas, destacando-se o método dos elementos finitos.

'ill)I íllíí >f ill3.3- Fratura frágil)

,Estruturas soldadas são particularmente propensas à falha por fratura frágildevido a diversos fatores, destacando-se: II *

>i||»! J

rtifCAHTUUI7 101ItKSÔtS RESOWS EBSIORÇte EM SOCCACai 1120r FUXOAltOfTOS E TECK01DG1A

t3.6- Instabilidade dimensional• uma estrutura soldada é monolítica, não apresentando interfaces (como em uma estru¬

tura rebitada) que possam interromper a propagação de uma trinca de fratura frágil:

• a região da solda apresenta alterações estruturais caracterizadas, frequentemente, porum aumento do tamanho de grão em relação ao metal de base, o que, em materiaisde estrutura cristalina CCC, tende a diminuir a tenacidade do material;

• a região da solda tende a apresentar diversas descontinuidades, como trincas einclusões de escória, que podem atuar como concentradores de tensão e pontos deiniciação da fratura: e

• tensões residuais de tração elevadas existem na região da solda.

A fratura frágil é favorecida por baixa temperatura, elevadas taxa de deformaçãoe espessura do componente, presença de concentradores de tensão ou de umamicroestrutura de baixa tenacidade. Diversos destes fatores podem estar presentesem uma estrutura soldada. Neste caso, uma trinca pode se propagar sob tensõesinferiores ao limite de escoamento, praticamente sem deformação plástica. Nestassituações, as tensões residuais associadas à solda podem ser suficientementeelevadas ou podem se adicionar às tensões externas para causar a fratura frágil.Devido a este risco, em diversas situações, componentes soldados devem sertratados termicamente para alivio de tensões residuais e/ou refino da estrutura naregião da solda.

t í :, li-t Quando um componente soldado é usinado ou submetido a outra operação deremoção de material, o equilíbrio das forças responsáveis pelas tensões residuaisé perturbado. Para restaurar o equilíbrio de forças, o componente sofre pequenasdistorções que causamuma redistribuição das tensões residuais. Esteprocesso podeser usado para a medida de tensões residuais, mas pode, também, causar problemana usinagem de precisão de componentes com tensões residuais.

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i4. Distorções

As distorçõesdepeças soldadas são desviospermanentes de forma e/oudimensõesresultantes das deformações plásticasqueocorremdevidoàs tensõestransientes desen¬volvidas durante a soldagem. Além disso, ao final da operação, a peça fica submetida atensões elásticas (tensões residuais)que podemser da ordemdo limitedeescoamento.Quando se retiram os vínculos de fixação ou montagem, estas tensões podem serparcialmente aliviadas, causando uma distorção adicional.

A Figura 6 ilustra esquematicamente a formação da distorção. Durante a solda¬gem. o aquecimento causa uma maior expansão térmica da região superior da peça,sua deformação plástica mais intensa e a distorção transiente desta (Figura 6-a). Aofinal da soldagem, com o resfriamento do material na região da solda, ocorre a suacontração. Como a região superior da peça foi a mais aquecida e sofreu a maiordeformação plástica, a peça apresenta uma distorção final voltada para a direçãooposta da distorção transiente máxima (Figura 6-b).

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3.4- Formação de trincas em soldas :■i

Trincas são frequentemente formadas em soldas. Estas trincas podem ser asso¬ciadas basicamente a dois fatores: uma solicitação, isto é, tensões mecânicas detração, e uma incapacidade do material, muitas vezes, momentânea, de acomodaresta solicitação deformando-se plasticamente(fragilização). Fragilização da região dasolda e de regiões adjacentes a esta pode ocorrer por diversos motivos(formação defilmes de líquido em contornos de grão, crescimento de grão, presença de hidrogéniodissolvido no material, precipitação etc.) durante e após a soldagem.

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Soldagem Resfriamento€€ 3.5- Corrosão sob tensão (a)eo

€ !TempoNa presença deum ambiente agressivo, trincas decorrosão podem se desenvolverde forma acelerada devido à presença de tensões de tração. No caso de aços estru¬turais ao carbono ou de baixa liga,por exemplo, este fenômeno é desencadeado pelocontato com hidróxidos ou com sulfeto de hidrogénio. Em estruturas soldadas, astensões residuais são muitas vezes suficientes para o desenvolvimento de corrosãosob tensão, dependendo do material e do ambiente.

!Íít r d (b) 6t€ Ti~*ôf€ Ba

c figura 6Evolução da deflexão longitudinal de uma barra pelo calor de soldagem. 6, - Deflexão oudistorção final, (a) Soldagem, (b) resfriamento posterior

iii

C I

I ilCAPÍTULO 7 I 123SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA122:

TENSÕES RESIDUAIS £ DISTORÇÕES EM SOTOAGEMlit

\Alguns lipos básicos, apresentados na Figura 7, são considerados para facilitar oestudo das distorções geradas por soldagem. Entretanto, de modo geral, o estadofinal de tensões e deformações numa solda real é bastante complexo e dependede diversos fatores, tais como: material, propriedades mecânicas e espessura daspeças, grau de rigidez da estrutura, dimensões, posição, geometria e quantidadedas soldas, além de suas propriedades mecânicas e sua qualidade.

5. Controle das Tensões Residuais e Distorção

%Hi5.1 - Controle e alívio das tensões residuaisi

IIIO nfvel de tensões residuais em uma junta soldada pode ser diminuído

reduzindo-se a quantidade de calor fornecido à junta ou o peso de metal depositado.Na prática, isto pode ser feito otimizando-se o desenho do chanfro (reduzindo-se oângulo do chanfro ou usando-se preparações simétricas,,por exemplo) e evitando-sedepositar material em excesso (evitando-se reforço excessivo em soldas de topo ouminimizando-se o tamanho de soldas de filete). A seleção de processos de maioreficiência térmica (fonte de maior intensidade) é uma possível alternativa de con¬trole, mas difícil de ser justificável economicamente na maioria dos casos. Tensõesresiduais também podem ser reduzidas pelo uso de metal de adição com a menorresistência permissive! no projeto, assim como uma redução dos vínculos externosda junta soldada (minimizando-se, assim, as tensões de reação).

Após a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas por métodos térmicosou mecânicos, mostrados na Tabela I.

kI)<b><«>

: !,S3 III.

í(c)

III>(«

)Tabela I - Métodos para aliviar tensões residuais, segundo Okumura e Taniguchi, no livroEngenharia de soldagem e aplicaçõesFigura 7

Tipos básicos de distorção em soldagem: (a) contração transversal; (b) contração longitudinal:(c) distorção angular e (d) flexão em relação à linha neutra

Uma estimativa da contração transversal (CT) em soldas de topo de aço ao carbonoou de baixa liga é dada pela equação empírica:

IIIProcedimento Descrição Características Limitações

HlMartelamento do metal depo¬sitado e de suas adjacênciasdurante ou após a soldagem,

Método simples,podecausar refino de grão.

Inadequado para ma¬teriais de baixa ductili-dade.

Martelamento

A junta soldada é deformadaplasticamente pela aplicaçãode cargas de tração.

Bastante eficiente paratanques esféricos etubulações.

Inadequado para estrutu¬ras complicadas pela difi¬culdade de aplicar tensõesuniformes.

CT =0,2ÿ-+0.05 f (Eq. 2) (a) Encruamento

Vibrações são aplicadas naestrutura causando uma res¬sonância de baixa frequência.o que ocasiona deformaçãoplástica parcial da estruturae alívio de tensões.

Inadequado para chapasgrossas ou grandes estru¬turas. O alívio de tensõesnão é uniforme.

onde Aw é a área da seção transversal da solda, t é a espessura das chapas e f é aabertura da raiz do chanfro. O valor real de CT depende de vários fatores como, porexemplo, o grau de restrição da junta e o número de passes usados. De uma formageral, um maior número de passes (através do uso de eletrodos de menor diâmetroou de uma maior velocidade de soldagem) causa contração transversal e distorçãoangular maiores.

A contração longitudinal tende a ser menor que a transversal (medindo cercade 1/1000 do comprimento total da solda), contudo, ela pode causar efeitos impor¬tantes como o dobramento ou flexão de peças com soldas feitas fora de sua linhaneutra (Figura 7-d) e a distorção por flambagem (enrugamento) de chapas finas. Adistorção angular ocorre quando a contração transversal não é uniforme ao longoda espessura da junta, podendo ocorrer tanto em soldas de topo como em soldasde filete (Figura 7-c).

IIVibração Operação simples.

iRecozimentopara alívio detensões

I!Aquecimento a 600-700°C(aços ferríticos) ou 900°C(aços austenlticos) seguidode resfriamento lento. Podeser locai ou total.

Inaplicável para grandesestruturas e difícil de serexecutado nocampo. Cus¬to elevado.

Muito utilizado e bas¬tante eficiente. íiiliiíy

Recozimentoa alta tempe¬ratura

Aquecimento a 900-950°C(aços ferríticos) seguido deresfriamento lento. Pode serlocal ou total.

Pode eliminar comple¬tamente as tensõesresiduais.

Inaplicável para grandesestruturas e difícil de serexecutado no campo. Cus¬to muito elevado.

(b)

!«?Alívio de ten¬sões a baixastemperaturas

Aquecimento do local da sol¬da a 150-200°C emuma largu¬ra total de 60 a 130 mm.

Adequado para gran¬des estruturas.

O alívio de tensões éparcial. /

M(a) Processos mecânicos (b) Processos térmicos

M: i •#

;íiCAPÍTULO? ! 1nrTENSÕES RESIDUAIS £ OISTOILÇÔES EM SOLDAGEM I A O24 ! SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGUL

5.2- Controle e correção da distorção 6. Exercícios

a) O que são tensões residuais? Descreva o seu aparecimento em soldas. Mostre a suadistribuição usual em uma solda de topo.

Diversas medidas podem ser usadas para reduzira distorção em soldagem, emdiferentes etapas.I

b) Discuta o comportamento de uma solda de uma liga de elevada ductilidade durante oseu carregamento considerando a existência de tensões residuais. Discuta a influênciadestas tensões na fadiga e na fratura frágil de estruturas soldadas.

5.2.1- No projeto de estruturas soldadas

!projetar estruturas com a menor quantidade possível de soldas: c) Mostre como tratamentos térmicos e mecânicos podem reduzir o nível das tensõesresiduais. Sugestões: para o tratamento térmico, considere o efeito da temperaturano limite de escoamento e. para o tratamento mecânico, considere a resposta daquestão anterior.

9 usar chanfros que necessitem da deposição de pouco metal de adição;t Iusar chanfros simétricos (X, K, duplo U etc.);

posicionar soldas junto da linha neutra da peça ou em posições simétricas em relação àlinha neutra: e

f d) Como aparecem distorções em uma junta soldada? Quais as consequências princi¬pais destas? Como estas podem ser eliminadas ou minimizadas? Estime a distorçãotransversal para a junta indicada na figura abaixo (aço carbono).

t< especificar o menor tamanho possível das soldas compatível com as solicitações

existentes ou usar a soldagem intermitente.9

5.2.2- Na fabricaçãoi

45°« • estimar a distorção que ocorrerá na estrutura e posicionar as peças de forma a com¬pensar esta distorção (difícil de aplicar em estruturas complexas);

• colocar peças na sua posição correta e utilizar dispositivos de fixação e técnicas paraminimizar a distorção (ponteamento antes da soldagem, gabaritos etc.); e

• usar sequências de deposição de cordões de solda (deposição por partes, uso demais de um soldador iniciando a operação no mesmo ponto e soldando em direçõesopostas) e de montagem (montagem por subcomponentes etc.) que minimizem adistorção.

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€9t 5.2.3- Após a soldagem (correção da distorção)

1!!;ifa) remoção a quente:I

• aquecimento localizadot• aquecimento uniforme e pressão mecânica

b) remoção a frio: ;

* • calandragem

9 • prensagem•t

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%CAPÍTULO a K

1 ifAUTOMAÇÃO DA SOLDAGEMm%litinSi

1. Fundamentos

IIPor definição, qualquer sistema ou conjunto de equipamentos eletrónicos e/oumecânicos que controlam seu próprio funcionamento, com o mínimo de intervençãohumana, são sistemas automáticos. Na soldagem, a classificação dos processosquanto ao tipo de operação é baseada nas atividades necessárias para a confecçãode uma solda. Dentre estas operações, citam-se:

• abertura e manutenção do arco

• alimentação do material de adição

• controle do calor cedido e da penetração

* deslocamento da tocha ao longo da junta com uma velocidade determinada

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ifHilt]«• procura e seguimento da junta

• direcionamento da tocha e do arco .

K• mudanças e compensações para variações na preparação ao longo da junta.

Um processo de soldagem é classificado como manual quando todas asatividadescitadas são executadas e controladas pelo soldador. No outro extremo, para que o

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CAFtmiOSAUTOMAÇÃO DA SOIOAGEM 129teinACm

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Tabsia II- Classificação dos processos de soldagem revisadaprocesso de soldagem seja classificado como automatizado, todas essas atividadesdevem ser executadas e controladas pela máquina.

A Tabela I apresenta as atividades de soldagem, o agente executor e a classificaçãodos processos adotada pela AWS (American Welding Society).

Tipo de operaçãoAtividades Manual Semimecanizado Mecanizado Automático '

Abertura e manutenção do arco Soldador Máquina Máquina Máquina

Tabela I- Tipos de operação de soldagem de acordo com a AWS Alimentação de material Soldador Máquina Máquina Máquina i

í SoldadorControle do calor e penetração Soldador Máquina MáquinaControle

AdaptathroMecani¬

zadoSemlauto-

máticoTipo de

operação -> RobotizadoAutomático Deslocamento da tocha Soldador Soldador MáquinaManual Máquina

1O Procura e seguimento da junta Soldador Soldador ' Soldador MáquinaO

]*ú Direcionamento da tocha e doarco

05 Soldador Soldador Soldador Máquina iAçãoJ5| jf# Máquina

(podendo ounão ocorrer)

crc Soldador SoldadorCorreções e compensações SoldadorAbertura emanutençãodo arco

Máquina(Robfl)

Máquina(com sensor)€ MáquinaMáquinaSoldador Máquina

Um processo tipicamente manual é a soldagem com eletrodos revestidos, naqual todas as atividades são executadas e controladas pelo soldador. No processode soldagem com proteção gasosa e eletrodo consumível (MIG/MAG ou GMAW). osoldador é responsável pelo deslocamento da tocha de soldagem, ficando apenasa abertura do arco e a alimentação do arame sob responsabilidade da máquina,este é classificado como semimecanizado. Quando utiliza-se de um dispositivomecânico para deslocamento da tocha de soldagem, este passa a ser classificadocomo mecanizado. Finalmente, quando o dispositivo é capaz de seguir juntas, alte¬rar o direcionamento e fazer eventuais correções de forma automática, o processoé chamado de automático. A soldagem robotizada com o processo GMAW é umexemplo típico de soldagem automatizada.

O objetivo da automação, seja total ou parcial, é reduzir o custo de manufatura.aumentando a produtividade e melhorando a qualidade e confiabilidade do produtofinal (repetibilidade). Isto é possível pela redução ou eliminação de erros humanos. Umequipamento automatizado pode, em um extremo, ser projetado para acomodar umamontagem simples ou uma família de montagens similares (automação fixa), ou. emoutro extremo, pode ser flexível para ser modificado rapidamente para executar umaoperação similar sobre componentes ou montagens diferentes (automação flexível).

Na automação fixa. o sistema de soldagem automático se caracteriza por ter umacombinação de dispositivos de movimentação do arco (único ou múltiplo) e umaplataforma de trabalho, projetados para trabalhar em sincronia e soldar uma famíliaespecífica de produtos. Os mecanismos auxiliares de fixação e manuseio do metalbase estão geralmente incluídos e podem ser configurados em função da juntaque será soldada. Normalmente essesf sistemas possuem controles relativamentesimples e não são facilmente reprogramáveis. Tais equipamentos possuem movi¬mentos também relativamente simples e são projetados para reduzir os tempos de"set-up" (montagem e desmontagem) e o de soldagem. O operador, no contexto doprocesso, somente carrega e descarrega as peças em produção, objetivando umamaior produtividade. A automação fixa é empregada quando se têm produções emgrandes escalas de peças similares.

Alimentaçãode material

MáquinaMáquinaMáquinaMáquinaMáquinaSoldador

Máquina(Robô)Controle do

calor e pene¬tração

Máquina(com sensor)MáquinaMáquinaSoldador Soldador

(só comsensor) !!

Máquina(com sensor)

Máquina(Robô)

Deslocamen¬to da tocha

Máquina MáquinaSoldadorSoldador

Máquina(Robô)Máquina,

trilha progra¬mada

Procura eseguimentoda junta

Máquina(com sensor)SoldadorSoldadorSoldador

(só comsensor)

Direciona¬mento datocha e doarco

Máquina(com sensor)

Máquina(Robô)c MáquinaSoldadorSoldador Soldador

JlMáquina(Robô) I€ Máquina

(com sensor)Correção ecompensação !íSoldador Não ocorreSoldadorSoldador

(só comsensor) !

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4;!O termo automático indica que todas as funções ou passos de uma operação são

executados,em sequência, por meiosmecânicos e/oueletrónicos, sem qualquer ajustefeito pelo soldador, exceto uma eventual programação do equipamento. A automaçãotambém pode ser parcial, com certas funções ou passos executados pelo soldador.Dizer que um processo é semiautomatizado é dizer que algo está faltando para que omesmo se torne automatizado. Assim,embora muito usado,o termo semiautomáticonão é muito adequado, sendo mais adequado o termo semimecanizado. Pelo exposto,Uma nova classificação dos processos de soldagem é apresentada na Tabela II.

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CAPÍTULO 8 I i21SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA !130 AUIOMAÇÀODASOUMGEM

Na soldagem automatizada flexível, um programa de controle computacional ounumérico substitui o posicionamento fixo e serviço sequencial da soldagem automa¬tizada fixa. Um robô industrial é o sistema automatizado flexível mais utilizado emoperações de manufatura. A operação robotizada pode ser bastante simples, quandoas condições de soldagem são fixas e uma única sequência é usada em todas asoperações, ou bastante complexa, se as condições são constantemente modificadasem função da configuração da junta, exigindo a atuação de inúmeros sensores pararetroalimentar e corrigir o sistema, dependendo do tipo de peça a ser processada.Como a tecnologia atual não dispõe de sistemas realmente inteligentes, todas aspossibilidades de mudanças e correções devem estar iógica e sistematicamenteprevistas na memória do sistema. A arquitetura do equipamento para esses casospode ser bastante complexa para promover um perfeito ajuste em função dos desviospercebidos de trajetória, sendo, portanto, bastante aproximado da sensibilidade ehabilidade humana na compensação das mudanças de operação. A automação flexívelé empregada quando se têm produções de grande diversidade de peças.

Os dois processos descritos (poderiam ser) são classificados como "mecanizados",pois apesar de executarem toda a operação de soldagem sem a interferência humana,podendo até realizar ajustes de trajetórias quando necessário, não são capazes dedetectar e corrigir em tempo real um problema de soldagem, como por exemplo umafalta de penetração. Entretanto, tratar um processo de soldagem robotizado comosemiautomatizado é bem aceito no ramo industrial.

Sistemas totalmente automatizados para soldagem, chamados de automático comcontrole adaplativo, ainda se encontram em fase de pesquisa e desenvolvimento emescala de laboratório e em plantas piloto. Estes se’ caracterizam por atuar automati¬camente numa sequência e condições de soldagem preestabelecidas (sistema emmalha aberta) ou inseridas durante o processo (sistema em malha fechada). Este últimoopera de acordo com um controle central que determina as mudanças apropriadaspara as condições de soldagem com base na retroalimentação. Dispositivos de sen-soreamento são usados para captar sinais de parâmetros e variáveis do processo, quesão comparados com dados de situações nas quais as condições de operação sãoestáveis ("set-points"). Caso ocorram perturbações no processo ou nas condições dajunta, causando desvios, essas diferenças são corrigidas com base em algum modeloteórico ou empírico armazenado em arquivos remotos ou em um banco de dados namemória do sistema. O nível de automação desses sistemas pode variar à medidaque mais itens forem controlados e consequentemente maior número de sensorestem de ser usado, encarecendo o equipamento. A utilização de sistemas deste tiposó é viável na produção totalmente integrada e de grandes lotes de peças.

2.1- Tipos de robôs usados em soldagem

Um robô industrial consiste de um conjunto de elos conectados e articulados,sendo o primeiro elo vinculado, geralmente, a uma base fixa e, no último elo,denominado extremidade terminal, tem-se a ferramenta (tocha de soldagem). Dessemodo, o deslocamento da tocha passa a ser controlado segundo a movimentaçãoespecificada durante a programação do robô.

As configurações de robôs mais utilizadas em operações de soldagem são apre¬sentadas na Figura 1. Os robôs de configuração retangular (ou cartesiana) movema ferramenta dentro de um espaço de trabalho retangular, nas direções x, y e z. Sãoos mais utilizados nos processos de soldagem para a produção de cordões de soldalineares. O tipo cilíndrico é similar ao retangular, pois utiliza movimentos de desliza¬mento em duas direções (vertical z e extensão x), mas com uma junta de rotação, aqual estabelece o espaço de trabalho cilíndrico. O tipo esférico, ou polar, possui umeixo deslizante e dois eixos rotativos. Seu espaço de trabalho é uma esfera. O robôdo tipo articulado, cujos movimentos são todos de rotação, apresenta um espaçode trabalho mais complexo e flexível, tornando-o adequado para qualquer tipo desoldagem (linear ou fora de posição). Devido a esta grande flexibilidade, o robô tipoarticulado é o mais utilizado atualmente.

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Rotação da baseI I

Rotação da base

1 2. Equipamentos

Um sistema para soldagem automatizada requer equipamentos e dispositivos dealta confiabilidade. O equipamento mais empregado nas indústrias atualmente paraa automação da soldagem é o robô industrial. (c) (d)

Figura 1Configurações básicas de robôs industriais: a) retangular; b) cilíndrico; c) esférico e d)articulado

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CAPÍ7U106 1O.JAUTOMAÇÃO DA SOLDAGEM f»3*3f 132 SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

junta, restringindo o seu grau de liberdade. Em muitas aplicações os manipuladorespermitem, sè devidamente integrados com os robôs, soldar grandes extensões naposição plana, mesmo em planos diferentes. A Figura 3 apresenta um tipo de posi-cionador normalmente utilizado em soldagem onde mais 3 graus de liberdade sãoadicionados ao sistema de soldagem.

2.2- Componentes de um sistema para soldagem a arco robotizadaff A Figura 2 apresenta uma célula robótica com configuração básica para a solda¬

gem (robô, fontes de energia e gás de proteção e mesa posicionadora), e a Tabela IIIapresenta uma descrição sucinta dos principais componentes e suas característicasmais importantes.

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Configuração básica de uma célula robótica.

Figura 3Tipo de posicionador para soldagem robotizada de 3 graus de liberdadef

í:[ Tabela III- Componentes básicos de um sistema para soldagem robotizada;'iI

I 3. Programação de Robôs para a SoldagemComponentesbásicos Características importantes<

Graus de liberdade, envelope de trabalho, destreza (precisão), fonte de ener¬gia. repetibilidade. velocidade, capacidade de carga. tipos de acionadores.< A programação de um robô para a realização de soldas obedece à seguinte

sequência:Robô

< Técnica de programação, sistema de feedback de controle, tamanho damemória e do arquivo de backup, armazenamento do programa, inter¬faces. protocolos de comunicação, softwares especiais de soldagem.

Controle computacionaldo robô (1) calibração da posição da tocha de soldagem, para assegurar que o robô operará dentro

de sua faixa de alcance e precisão;IICiclo de trabalho (usualmente 100% é desejável), interface com o

controle do robô, precisão (corrige pequenas flutuações da tensãodò arco) e capacidade de constantemente iniciar o arco elétrico.

I Fonte de energia parasoldagem (2) localização dos componentes de trabalho (mesa, gabaritos, fixadores etc.) e definição

do tipo de fonte de energia;I :Tipo de alimentador do arame (dois ou quatro roletes. por exemplo),tipo de controle, interface com o controle do robô. tocha de sol¬dagem (capacidade, precisão, dimensões), cabos (comprimento emontagem), ferramentas para alinhamento, estação de limpeza dobocal da tocha, estação do operador e equipamento de segurança.

< (3) definição do caminho que será seguido pela tocha, assim como a localização doscordões de solda;

Alguns robôs são do tipo "ensino e repetição" (armazenam na memória docontrolador os pontos a serem percorridos), outros devem ser programados nomodo "off-line", isto é, sem o robô estar operando. O controle computacional damovimentação de um robô pode ser realizado de três formas diferentes: ponto aponto, caminho contínuo e caminho controlado. Na movimentação ponto a ponto,o robô se move de um ponto específico para outro, mas a princípio pouco importao caminho percorrido entre os pontos (este tipo tem aplicação em solda a

l|Equipamento e acessóriospara soldagem a arco Ii

I I*iI Dentre os diversos equipamentos de suporte e auxiliares na soldagem com robôs.citam-se os posicionadores. Estes equipamentos são usados para melhorar a versa¬tilidade do sistema e aumentar a sua amplitude, pois em muitos casos a geometriadas peças não permite aos robôs uma livre movimentação da tocha para o acesso à

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ISpontos); na movimentação caminho contínuo o robô tem a habilidade de se movertomando como referência pontos específicos que definem um caminho, mas atrajetória seguida pode não corresponder exatamente aos pontos programados(normalmente utilizado na manipulação de peças); e na movimentação caminhocontrolado (trajetória computada), o caminho entre os pontos programados écontrolado, podendo ser definido através de urna interpolação linear (linha reta) oupor uma interpolação parabólica, bastando para isso que as coordenadas inicial efinal, bem como o tipo de interpolação, sejam informadas ao controle. 0 controlecomputacional depende do tipo de robô e do programa implementado, entretanto,

a maioria dos robôs para soldagem utiliza trajetória computada.

(4) definição das condições de soldagem a serem utilizadas e que devem estar atreladasàscoordenadasde movimentação do robô. Nessa etapa da programação, são inseridosna programação dois conjuntos de dados: o primeiro, no inicio da trajetória, ondeserá depositado o cordão, contendo instrução para a abertura do arco; e o segundo,no final da trajetória, contendo instrução para a extinção do arco; e

(5) refinamento do programa através da verificação do desempenho e introdução de al¬guns controles básicos para soldagem.Algumas vezes é necessário editar o programanovamente para se obter a correta soldagem da peça.

5. ExercíciosI

a) Explique com suas palavras quando um robô para soldagem podeser considerado umsistema automático e quando pode ser considerado semiautomático considerandoas definições apresentadas nas Tabelas I e II. Em que situação ele é consideradomecanizado? %

b) Dentro da classificação proposta, dê um exemplo de um sistema semimecanizadopara soldagem com eletrodo revestido. 5

c) Qual a diferença fundamental entre automação flexível è automação fixa? Dê exem-11pios.

sd) Discuta a aplicação dos quatro tipos de robôs em soldagem.

e) Que outros tipos de posicionadores você acha que poderiam ser utilizados para sol¬dagem? Esboce os tipos indicando os movimentos com setas.

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>!! HÍ4. Aplicações Industriais

:A automação da soldagem é muito vasta e promissora e ainda é tópico de vá¬rios trabalhos de pesquisa e projetos. Entretanto, já existem algumas áreas onde aautomação é consagrada e tem apresentado resultados muito satisfatórios. Resu¬midamente, algumas destas áreas são:

• soldagem de peças automobilísticas;

• submontagens de peças navais e caldeiraria pesada;

• soldagem estrutural pesada, incluindo fabricação de perfis e pontes; e

• soldagem de produtos.tubulares, incluindo montagem soldada de tubos flangeadose derivações.

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CAPÍTULO 9

c NORMAS E QUALIFICAÇÃO EM SOLDAGEM€ !i(€C ;,€C 1. Introdução

!ili; 5Desde o inicio da civilização existe a necessidade de regras e regulamentos paracontrolar de uma forma ou outra as atividades humanas. Com o advento da RevoluçãoIndustrial, as atividades neste campo começaram a exercer um importante efeitosobre os indivíduos não diretamente envolvidos com os processos de fabricação,tanto os usuários diretos como os não usuários dos produtos destes processos. Afalta de regulamentação nas diferentes etapas de um processo de fabricação, ou anão observância de regulamentações existentes, tem ocasionado acidentes e outrosproblemas que podem ter sérias consequências tanto para os produtores, como paraos usuários e, também, para a população em geral e para o meio ambiente.

Assim, um dos objetivos primários de uma norma (Tabela I) é a prevenção deacidentes que poderiam resultar em morte de pessoas, perdas materiais e conta¬minação do meio ambiente. O uso bem-sucedido de normas pode resultar em umaprodução mais uniforme, reduzindo a variabilidade de produtos e procedimentos,melhor controle de qualidade, maior tastreabilidade, possibilidade de correção defalhas em produtos e um método de produção mais sistemático. Além disso, a nor¬malização proporciona um meio eficiente para facilitar a troca de informação entreo produtor de um dado bem ou serviço e seus clientes. Mais recentemente, com ogrande aumento das relações económicas entre as nações, levando tanto a um au¬mento da competição como a uma maior necessidade de cooperação e padronização

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l1 CAftnjlDSNORMAS E OUAUHCAÇAO EM SOLDAGEM 139138 “DAMENTQS E TESNOIOQ3A

Uma outra caracterfstica importante é a "interpretabilidade" da norma. Para ser dealgum uso, tanto para o fabricante como para o comprador ou usuário, uma normadeve ser escrita em uma terminologia clara, concisa e não ambígua. Este aspectoé extremamente importante quando a obediência de uma dada norma se torna umassunto legal.

Um código ou outro tipo de norma deve também ser prático. Isto significa queo seu usuário deve conseguir atender às suas exigências e ainda produzir, comlucro, um dado produto que seja útil ao usuário. Esta "praticidade" não é semprefácil de ser conseguida. Ela requer discussões entre especialistas de todas as ativi¬dades envolvidas com um dado produto ou serviço especifico e, também, requerexperiência. A decisão de quanto controle é necessário é muito delicada e deve sercuidadosamente avaliada para se evitar o problema muito comum de a obediência aocódigo ou norma se tornar o maior obstáculo a uma produção eficiente e lucrativa.Por outro lado, na maioria dos casos, a correta adoção de códigos e de um sistemade garantia da qualidade em uma empresa é uma forma de se obter importantesganhos de produtividade e de eficiência e de se reduzir custos.

Para que o problema anterior seja evitado, muitas normas devem ser escritas porcomités constituídos por grupos representativos de entidades governamentais, deprodutores e de consumidores. Da experiência acumulada deste grupo, espera-seque a norma resultante seja justa e adequada para todos os interessados. A existên¬cia de dispositivos que possibilitem a eventual alteração da norma, quando isto fornecessário, é também importante. Isto pode ocorrer quando a experiência acumu¬lada ou o desenvolvimento de novas técnicas de fabricação, inspeção ou controleindicarem que a alteração, substituição ou abandono de alguns requerimentos, oua adoção de novos, sejam necessários.

entre empresas de diferentes países, a maior ênfase nas necessidades dos clientese a- maior demanda para a conservação de recursos e proteção do meio ambientetornaram o uso de normas técnicas e o desenvolvimento de sistemas de garantiada qualidade (e do meio ambiente) fundamentais para empresas que anteriormentenão se preocupavam com estes aspectos. Finalmente, o registro padronizado dasoperações envolvidas em um dado processo e os seus resultados é uma forma efi¬ciente de uma empresa guardar e demonstrar o seu domínio de uma dada tecnologia,podendo representar, assim, uma vantagem competitiva.

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Tabsla I- Definição de alguns termos importantes'>

DefmiçíoTermoAplica-se coletivamente para Códigos. Especificações, Práticas Recomendadas.Classificações e Guias para processos, materiais e aplicações que tenham sidopreparados e aprovados por uma organização normalizadora,classe ou profissional ou alguma outra organização similar.

:!•:>Norma

íi-uma entidade de

Consiste de um conjunto abrangente de regras e normas sistematicamentearranjadas para uma dada aplicaçõo. Em muitas situações, um código tem caróterobrigatório estabelecido por lei ou contrato.

Código iill\lilflTrata-sede uma norma que descrevede forma clara eprecisa as exigências técnicas

relativas a um material, produto, sistema ou serviço.Especificação

í,i»É uma norma que descreve práticas industriais gerais para algumprocesso, técnica.método ou material, em particular, e que dqve ser considerada antes de se usareste processo, técnica, método ou material:

Prática reco¬mendada M

?Trata-se de uma norma cujo objetivo primário é estabelecer um arranjo ou divisãode materiais ou produtos em grupos baseados em caracterfsticas similares.

Classificaçãoli

Consiste em um conjunto de requerimentos relacionadoscom o modo pelo qualumtipo particular de ensaio, técnica de amostragem, análise ou medida é realizado.

Método mi:Trata-se de uma norma que informa ao usuário sobre os melhores métodos para

realizar uma determinada tarefa. Em geral, fornece um conjunto de diferentesmétodos.

Guia

f,2. Normas em SoldagemÉ um documento, emgeral, baseado em exigênciasde alguma norma, queindica asvariáveis de soldagem para uma aplicação especifica para garantir a repetibilidadedos resultados em soldas realizadas por soldadores ou operadores treinados deforma adequada. _

múEspecificaçãode procedimen¬to de soldagem No caso específico das operações de soldagem, a realização de soldas inade¬

quadas durante a fabricação de certos tipos de estruturas ou equipamentos, taiscomo. navios, pontes, oleodutos, componentes automotivos e vasos de pressão,pode resultar em sérios acidentes com grandes perdas materiais e, eventualmente,humanas e danos ao meio ambiente. Como consequência, diferentes aspectos dasoperações de soldagem para diversas aplicações são regulados por diferentes códi¬gos, especificações e outras normas segundo a aplicação específica. Como exemplosde códigos e especificações importantes ligados à soldagem, podem-se citar:

• ASME Boiler and Pressure Vessel Code (vasos de pressão)

• API STD 1104, Standard for Welding Pipelines and Related Facilities (tubulações edutos na área de petróleo)

• AWS D1.1. Structural Welding Code (estruturas soldadas de aço carbono e de baixaliga)

,:íIUma das caracterfsticas mais importantes de uma norma é a sua autoridade,

isto é, uma norma precisa ter um grau de autoridade suficiente para garantir que assuas exigências sejam seguidas por seus usuários. Esta autoridade é asseguradageralmente por organizações reguladoras internacionais,governamentais, industriaisou de consumidores, às quais é dado o poder de policiar as atividades daqueles quefalham em seguir as suas regulamentações. Algumas vezes, a autoridade associadaa um código ou um outro tipo de norma pode resultar em punições, tais como, aexclusão do mercado de um fabricante que não observou os seus requerimentos.Em alguns casos, grupos de proteção ao consumidor podemexercer eficientementeeste tipo de autoridade.

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' Baseado em definições da American Welding Society (AWS).

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CAPÍTULO 9 - ...NORMAS E QUAUnCAÇÀOEM SOlOAGEM I

tOLDAGCMrujtnAKOfro*iIECKOLOOA|ÿi140 i \I if • DNV. Rules for Design, Construction and Inspecion of Offshore Structures (estruturas

marítimas de aço)

• Especificações diferentes de associações como a International Organization forStandardization (ISO). American Welding Society (AWS), British Standard Society (BS).

Deustches Institute fúr Normung (DIN), Association Française de Normalisation (NF),

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) etc.

Estes códigos e especificações podem cobrir as mais diferentes etapas de sol¬dagem. incluindo, por exemplo, a especificação de material (metal de base e consu-míveis). projeto e preparação da junta, qualificações de procedimento e de operadore procedimento de inspeção. Especificações da American Welding Society paraconsumtveis de soldagem, muito utilizadas em nosso país, são citadas em diversaspartes deste livro. A Tabela II lista algumas normas relacionadas com a soldagempublicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas.

C Tabala II- Algumas normas da ABNT ligadas à soldagem

Tabela II- Algumas normas da ABNT ligadas à soldagem (Conclusão)rr Qualificação em soldagem NBR10474 09/1988c Radiografia - Inspeção de soldas de topo em vasos de pressão e

tanques em armazenamento - Critérios de aceitação

Reguladores de pressão para cilindros de gases usados em solda.corte e processos afins - Requisitos e métodos de ensaio

IííNBR10150 11/1987

NBR14250 i12/1998f 1Requisitos gerais para um programa de qualificação de soldadores eoperadores de soldagem em nível aeroespacial NBR9540 09/1986

j|lIRequisitos para a execução de ensaios radiográficos em juntas solda¬

das de materiais metálicos íNBR10558 12/1988 !!íl!Símbolos gráficos de solda para construção naval e ferroviário NBR7165 02/1982 !jl !€ Solda branda NBR5883 10/1982 Jii:i!iSolda branda em fio com núcleo de resina NBR6634 05/1987 :(Continua)íSolda manual e semiautomática para estrutura de embarcações -

Qualificação de soldadores NBR8878 05/1985C \Código Data Solda para construção naval - Identificação de descontinuidadesradiográficas

Norma€ !!ÍNBR8420 11/1989NBR7239 03/1982Chanfro de solda manual para construção naval - Ttpo£ 111Soldagem - Números e nomes de processos NBR13043 09/199310/1988NBR10516Consumlveis em soldagem

Soldas em partes estruturais do casco de embarcações - Ensaio porultrassom€ NBR14842 ii07/2003Critérios para a qualificação e certificação de inspetores de soldagem NBR10S85 06/1989

€ NBR10617 01/1989Elétrodos de aço carbono e fluxos para a soldagem a arco subtherso !Terminologia de soldagem elétrica NBR5874 197201/1989NBR10618Elétrodos de aço carbono e fluxos para a soldagem a arco submerso íc Varetas e arames de ligas de alumínio para soldagem e brasagem. de

aplicação aeronáutica NBR9111 11/1985Elétrodos de aço carbono e fluxo s para a soldagem a arco submerso- Ensaios

!NBR10619 01/19B9e :f

01/1989Elétrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétrico NBR10614 i,!€ -S4!NBR10615 01/1989Elétrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétricoli3. Registro e Qualificação de Procedimentos e de PessoalElétrodos revestidos de aço carbono para a soldagem a arco elétrico

- Ensaios!H>01/1989NBR10616?ír í!c iirl?jii ;iNBR10777 10/1989Ensaio visual em soldas, fundidos, forjados e laminados€ Para diversas aplicações, as normas relevantes exigem que. antes da execução

da soldagem de produção, especificações dos procedimentos que serão adotadospara a sua execução sejam preparadas e qualificadas. Este processo visa demons¬trar que, através do procedimento proposto, soldas adequadas, de acordo com osrequisitos colocados pela norma ou estabelecidos em contrato, podem ser obtidas.Além disso, ele permite uniformizar e manter registro das condições especificadasde soldagem para controle do processo e eventual determinação decausas de falha.A Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS) é um documento no qual osvalores permitidos de diversas variáveis do processo estão registrados para seremadotados, pelo soldador ou operador de soldagem, durante a fabricação de umadada junta soldada. Variáveis importanteè de um procedimento de soldagem e que,portanto,podem fazer parte de uma EPS incluem, por exemplo,a composição, classee espessura do(s) metal(is) de base, processo(s) de soldagem, tipos de consumlveise suas características. projeto da junta, posição de soldagem, temperatura de pré--aquecimento e entre passes, corrente, tensão e velocidade de soldagem, aportetérmico, número aproximado de passes e técnica operatória. Naturalmente, a forma

Equipamento elétrico para soldagem a arco - Fontes de energia decorrente constante e fontes de energia de tensão constante M

NBR9378 06/1986€Inspeção de solda por ensaio de ultrassom em partes estruturais docasco de embarcações _

"ji€ 06/1989NBR10686

€ 05/1986NBR9360Inspeção radiográfica em soldas na estrutura do casco de embarcações

Junta soldada em componentes metálicos de uso aeroespacial_ NBR12275 06/1991j1974NBR5900Mangueiras para solda a gásf Manómetros para gases comprimidos utilizados em solda, corte e

processos afins _ INBR13196 08/1994c :•!'iiN8R7859 04/1983Máquina elétrica para soldagem e arco

Qualificação de procedimentos de soldagem pelo processo eletrodorevestido para oleodutos e gasodutos _ 3NBR10663 04/1989t 'i

i!Qualificação de soldadores e operadores de soldagem em nívelaeroespacialt 05/1989NBR10680

J;€ ,

II

s IIICAFfTUUOB |1ÿ2142 nmuMBnosiTtcNoueu NORMAS E 01WJHCAÇÂ0 EM SOIDAGEM ;

ftPara diversas aplicações, o soldador (ou operador) precisa demonstrar, antesde poder realizar um dado tipo de soldagem na produção, que possui a habilidadenecessária para executar aquele serviço, isto é. ele precisa ser qualificado de acordocom os requisitos de um dado código. Para isto, ele deverá soldar corpos de provaespecíficos, sob condições preestabelecidas e baseadas em uma EPS qualificada ouem dados de produção. Estes corpos de prova serão examinados para se determinarsua integridade e, desta forma, a habilidade de quem o soldou. Como é impossívelavaliar o soldador em todas as situações possíveis de serem encontradas na pro¬dução, o exame de qualificação geralmente engloba uma determinada condição desoldagem e não uma situação específica (tal como a qualificação para a soldagemem uma determinada posição com um dado processo). Segundo o código ASME.as variáveis que determinam a qualificação de um soldador são:

• processo de soldagem

• posição de soldagem

• classe do consumlvel

* espessura da junta

■ situação da raiz (presença de cobre-junta).

Ensaios comumente usados na qualificação de soldador (ou operador) incluem,por exemplo, a inspeção visual da junta, ensaio de dobramento, macrografia, radio¬grafia e ensaios práticos de fratura. Os resultados dos testes de qualificação sãocolocados em um documentochamado Registro deTeste de Qualificação deSoldadorou operador de soldagem. Figura 3, página.150.

A qualificação de um soldador ou operador para uma determinada condição desoldagem não garante a este qualificação para qualquer situação. Dependendo doserviço a ser executado, este pode não ser coberto pela qualificação obtida por umdado soldador, exigindo uma nova qualificação deste que inclua esta nova situação.Além disso, a qualificação tem uma duração definida, a qual pode, em muitos casos,ser renovada desde que o soldador se mantenha trabalhando regularmente como processo para o qual foi qualificado e não gere motivos para se duvidar de suahabilidade. índices de desempenho, baseados, por exemplo, na porcentagem desoldas radiografadas que necessitaram reparos, podem ser utilizados para averiguara necessidade de uma nova qualificação.

Como no caso de procedimentos de soldagem, a manutenção de uma equipede soldadores devidamente qualificada para os tipos de serviços que a empresarealiza, é um importante fator para manter a competitividade desta. Portanto, odesenvolvimento de programas para o treinamento e aperfeiçoamento constanteda equipe, de forma a atender as demandas dos diferentes códigos e clientes, nãodeve ser relegado a um segundo plano de prioridades.

A implantação de um sistema de especificação e qualificação em soldagem nãoé uma tarefa simples e deve necessariamente envolver a administração da empresa.Esta implantaçãodeveenvolver a criaçãodeuma estrutura administrativa para gerenciaro sistema com atribuições e poderes bem definidos, criar os meios para o registroe arquivamento das qualificações realizadas e estabelecer os vínculos necessárioscom as entidades competentes para o funcionamento do sistema.

exata de uma dada Especificação de Procedimento de Soldagem, as variáveis porela Consideradas, sua relevância e variação permitida dependem da norma técnicaque está sendo aplicada. A Figura 1, páginas 146 e 147, mostra um exemplo deformulário para a preparação de uma EPS.

Para que possa ser utilizada na produção, uma EPS deve ser previamente testadae qualificada. Para isto, amostras adequadas devem ser preparadas e soldadas deacordo com a EPS. Corpos de prova devem ser retirados destas amostras e tes¬tados ou examinados, os resultados destes devem ser avaliados e, com base nosrequerimentos estabelecidos pela norma, projeto ou contrato, o procedimento deveser aprovado ou rejeitado (neste caso, podendo ser convenientemente modificadoe testado novamente). Algumas normas apresentam procedimentos de soldagempré-qualificados cuja utilização dispensa a necessidade dc sua qualificação.

Os testes que serão realizados na qualificação de uma EPS, assim como o seunúmero,dimensões e posição no corpo deprova, dependem da aplicação e da normaconsiderada. Como testes, que podem ser requeridos, podem-se citar:

• Ensaio de dobramento

• Ensaio de tração

• Ensaio de impacto (ou outro ensaio para determinação de tenacidade)

• Ensaio de dureza

• Macrografia

• Ensaios não destrutivos (por exemplo, radiografia)

• Testes de corrosão

Os resultados dos testes devem ser colocados em um Registro de Qualificaçãode Procedimento de soldagem (RQPS), Figura 2,páginas 148 e 149, o qual deve serreferido pela EPS, servindo como um atestado de sua adequação aos critérios deaceitação estabelecidos: Enquanto os originais da EPS e RQP devem permanecerguardados, cópias da EPS já qualificadas devem ser encaminhadas para o setor deprodução e colocadas próximas das juntas que serão fabricadas de acordo com

EPS. Durante a fabricação, os valores indicados na EPS deverão ser seguidos.Inspeções periódicas são realizadas para verificar qué isso está ocorrendo.

Dependendo do serviço a ser executado, um grande número de juntas soldadaspode vir a exigir qualificação.Nestas condições,o processo de qualificação poderá terum custo relativamente elevado e demandar um longo tempo para a sua execução.Assim, a utilização, quando possível, de procedimentos de soldagem previamentequalificados, juntamente com a facilidade de acessar estes procedimentos (em umbanco de dados) e selecioná-los de acordo com os critérios dos códigos que estãosendo usados, é uma importante estratégia para manter a própria competitividadeda empresa. Existem disponíveis atualmente programas de computador específicospara o armazenamento e seleção de procedimento de soldagem.

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í:€'ÿ 144 CAPÍTUUJg - -cNORMAS E OUAlfCAÇÁO £M SOLDAGEM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

4. ExercíciosAs qualificações de procedimento de soldagem e de soldador (ou operador) fazemparte do sistema de garantia da qualidade em soldagem. Este controle englobadiversas outras atividades, apresentando uma maior ou menor complexidade emfunção de cada empresa, seus objetivos e clientes e do serviço particular. Em geral.três etapas podem ser consideradas:

1. Controle antes da soldagem, que abrange, por exemplo, a análise do projeto, cre-denciamento de fornecedores ou controle da recepção de material (metal de base econsumíveis). qualificação de procedimento e de soldadores, calibraçáo e manutençãode equipamentos de soldagem e auxiliares.

2. Controle durante a soldagem, que inclui o controle dos materiais usados (ex.: con¬trole da armazenagem e utilização de eletrodos básicos), da preparação, montagem

e ponteamento das juntas e da execução da soldagem (por exemplo, a verificaçãose o consumlvel está correto, se as ferramentas estão adequadas e se a EPS estásendo seguida).

3.Controle após soldagem, que pode ser realizado através de inspeções não destrutivase de ensaios destrutivos de componentes selecionados por amostragem ou de corposde prova soldados juntamente com a peça.

Os termos classificação, qualificação e certificação muitas vezes são usadosde forma indiscriminada, mas em geral têm significado diferente e se aplicam adiferentes situações. A classificação de consumíveis de soldagem tem por objetivoenquadrar um produto numa determinada divisão.fDor grupos previstos em normastécnicas, com base, normalmente, em sua composição química e propriedadesmecânicas. Às vezes, um mesmo produto pode ser enquadrado em mais de umaclassificação. A qualificação de consumíveis ou de pessoal normalmente envolve arealização de testes para averiguar que um produto ou profissional possui determi¬nadas qualidades ou atributos. No caso de pessoal, pode ser necessário um treina¬mento antes do exame de qualificação. No caso de consumíveis. écomum o usuáriofazer testes específicos para verificar a adequação de um produto específico a umadeterminada condição de fabricação. A certificação é a emissão de um documentopor entidade competente e reconhecida, atestando uma determinada qualificação.Deve-se observar que tanto a qualificação quanto a certificação de pessoal e de pro¬dutos envolvem despesas, muitas vezes elevadas e sua necessidade deve ser bemavaliada, a fim de não encarecer desnecessariamente a fabricação por soldagem.

c:C a) O que é uma EPS e para que é usada?

€ b) 0 que é uma RQPS e como ela é obtida?f I!c) O que é qualificar um soldador? E um procedimento de soldagem?

d) O que é um soldador certificado?!:

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CAPÍTULOSNORMAS E OUAUFCAÇA0 W SOIDAHM 1 147 ;146 FUNDAMENTOSE TECNOLOGIA :

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I■

litESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM (verso)ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM-EPS I'Nome da Cia:

RQPts) Corresp:|Data:Num EPS: IDETALHES DA JUNTA:Tipo:Processo{s) de Soldagem: ií (

li íi(manual, semi-cutomátrco otc.)

Tratamento Térmico Pós-SoldagemJunta li:Faixa de Temperaturas:

Tempo de Permanência:Outros:

Tipo:Cobre-junta (sim/Não):Material (tipo):Outros:

§!í!i!!lliiliií;1 i! !nCaracterfetlcas ElétricasMetal Base|HTipo de Corrente (CC/CA):

Polaridade:Faixa de Corrente (A):

Tensão (V):Outros:

Tipo:Análise Quimica: j!l|iij

ílii."Faixa de Espessura:Outros: IIIPasse Metal de adição Corrente Faixa de

Tensão (V)Velocidade deSoldagem(mm/s) iProcessoN° Classe Diâmetro Pol. Faixa (A)

!Técnica de SoldagemMetal de Adição e e Fluxo

i»1Dimensão do Bocal:Distância Bico de Contato-Peça (mm):

Método de Limpeza Inicial:Tipo de Cordão (reto ou trançado):Oscilação- Amplitude:

Frequência:Método de Goivagem:Número de Passes (por lado):

Classif. AWS:Marca Comercial:Dimensões:

í!;liOutros: IinGás de Proteção-j:Gas(es):

Composição:Vazão (l/min):Outros:

Número de Elétrodos:Velocidade de Soldagem:Posição de Soldagem:Outros:

mi!'iMlPré-Aquecimento':íTemperatura:

Temperatura Entre Passes:Outros:

'ifVH

J!Rgura 1Formuláriopara Especificação de Procedimento deSoldagem.(Baseado pardalmenteno códigoASME, SeçãoIX.Este formulárioé uma adaptação simplificada de uso apenas didático.Ver napróxima página o verso do formulário.)

Rgura 1(Cont.) F8ce oposta de uma EPS

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CAPÍTU109NORMAS E QUAUECAÇAO EM SOLDASM 149 iii148f FtlNOAlíIWTOS f TÍCXOLOG1A

i!€ 'i!€ l!iTeate de Tração i;€ Registro de Teste de Qualificação

de Procedimento de Soldagem - RQPSDimensões:Tipo de CP:

Chanfro: ( ) Reforço: ( ) Pinos: ( ) Limite de resistência mínimo:>

t V

íiÁrea Lim Resist. Tipo FraturaEspessura CargaNo. CP Largura OBSNome da Cia:f IProcesso(s) de Soldagem:EPS Usada Num:

uiTipo e Modelo de Equipamento Usado:

!!!TSeqfiêndo de Soldagem Teste de DobromentoJuntaChanfro: Simples ( ) Duplo ( ) liDimensões do CP:

I£ Resultado Tipo Teste ResultadoTipo TesteResultado Tipo Teste ResultadoTipo TesteMaterial do cobre-junta: _(mm) Nariz: (mm)Fresta:

Ângulo do Chanfro:Extração de raiz: Sim ( ) Não ( )

Processo:

(mm)Raio: ■illTeste de Impacto

lit Temperatura_Dimensões do CP:Tipo:Localização do entalhe: Metal de Solda -MS, Metal base-MB. Zona termicamente afetada -ZTA

€ Tratamento TérmicoTemperatura:_Outros:

Expansão LateralEnergia Absorvida % Fratura dúctilCP Num LocalizaçãoMetal BaseEspecificação:_Tipo ou Grau:_Grupo:_Espessura ou Diâmetro: __Revestimento:Material:__Compos Química:Outros:

; yTempo:c :wMi liGases

Tipo(s):_Mistura: _Vazão: _;_Proteção na raiz: Gás:

(mm) uiCisalhamanto do FileteMacrografla€ Espessura: i!í€ ii?illi

Vazão:

€CarsctOTfstícas Elétricas"Stick-out":_Metal do Adição e e Fluxo

Análise Química:_Metal de Adição: __Especificação AWS: _Classificação AWS: _Fluxo:_Inserto: Especif: _Guia: Sim ( ) Não ( ) Tipo:Outros:

€ “Stand-off”:Modo de transferência de metal:Tipo de eletrodo de Tungsténio:Corrente: ( ) CC+ ( ) CC- ( ) CA ( ) PulsadaEnergia de Soldagem:_Pulso: Tp:_ Ip:_ Tb:Outros:

So aplicável

€ ) Aprov.) Aprov.) Aprov.) Aprov.) Aprov.) Aprov.) Aprov.) Aprov.

) Reprov.) Reprov.) Reprov.) Reprov.) Reprov.) Reprov.) Reprov.) Reprov.

Ensaio de dureza: Tipo: _Inspeção Visual:Torque:Análise Química:Estanqueidade: Tipo:_Ensaio não destrutivo: Tipo:

Tipo:Tipo:

Valores:

Ib:Ciasse: :!í;i

t if iTécnicaOscilação: Frequência:_ Amplitude:_

Tempo de espera lateral:€ Posição do Soldagem:

Chanfroÿ__ Empresa/Laboratório:

Certificamos que os resultados de ensaios registrados neste documento estão corretos e que as soldasexaminadas foram preparadas, soldadas e testadas conforme os requisitos da Norma Técnica

. para este tipo de qualificação.

1Filete:íi I;• i Número de passes:_Número deeletrodos:Martelamento:_Limpeza:_Outros:_

Pré-AquecimentoTemperatura inicial: __Temperatura entre passes:Método de aquecimento: _

A 31í / /l ' liAprovação• li

!Responsável íRevisão

■I ■

Figura 2Exemplo simplificado de formulário de RQPS€ i.

; t

Rgura 2(Cont.) Formulário de RQPS (face oposta) I

■ > .€ ■ií■í;

€ 1i€

VS150 mraMiramsíncmusiA

!3SÍRegistro de Teste de Qualificaçãode Soldador ou Operador de Soldagem- RTOS sSinete:

(plana, horizontal, vertical asc. vert desc. sobrecabeça)

Tipo: __Nome:__Posição:_Processo de Soldagem:

í;ft§5Manual, semiautomática. etc.

Hiii!De acordo com a EPS NumMaterial:_ >Diâmetro/Espessura da Junta (tubo):

!:MLê)Faixa de espessuras qualificada: aMetal de AdiçãoEspecificação:_Descrição (se for o caso): í5F Number:Classificação:

'iiCobre-iunta: ( ) Sim ( ) Não Tipo:Nome Comercial: P!Teste de Dobramento

ResultadoTipoResultadoTipo| íCAPÍTULO IO illII,DETERMINAÇÃO DOS CUSTOS DE SOLDAGEMLaboratório:

Teste Num:Teste Num:Teste Num:

hResponsável:Responsável:Responsável:

Teste de Solda de Filoto i;i‘Tamonhotlo filete:Responsável: |:‘!iAparência: _

Teste Num: iirMacrografia ;íI1. Introdução láLaboratório: _

Teste Num: _Responsável: IIIOs preços de produtos e serviços, por um longo período da história, foram de¬

terminados por uma fórmula simples: preço=custo+lucro. Assim, o custo total erarepassado integralmente aos preços finais, sem que houvesse muita preocupaçãocom sua evolução. Entretanto, o processo de globalização da economia obrigou osdiversos setores a reverem suas posições quanto à formulação dos preços de ser¬viços e produtos. Rarticularmente no mercado brasileiro, as tarifas de importação jánão representam uma barreira intransponível. Este cenário fez com que o preço deprodutos e serviços não fosse mais tratado como uma questão regional. O preço édeterminado pelo mercado mundial. Com isso. a equação teve de ser rearranjadacomo: lucro=preço-custo.

Assim, conhecer a estrutura dos custos passa a ser primordial para o sucesso dasempresas. Menores custos implicam em maior competitividade e maiores lucros e,consequentemente, sobrevivência. Cadaÿetapa da produção, como por exemplo asoldagem, deve ter seu custo avaliado e acompanhado.

A análise dos custos da soldagem pode ser solicitada antes de se realizar a sol¬dagem, constituindo uma estimativa de custo (por exemplo, para participar de umaconcorrência), ou pode ser feita para uma operação já existente para compor o custodeum produto, avaliar lucratividade ou comparar o custo orçado com custo real. Uma

■illRadiografiaObservaçõesResultadoNum Filme uObservaçõesResultadoNum Filme

%Acompanhado por:Teste Num:_

Fabricante ou Contratante:Aprovado por:_Aprovado por:_

litEm: / /Em: j; !

tj

Figura 3Exemplo (simplificado) de um formulário para qualificação de soldador

'3:3»

Í

CAPÍTULO 10 « rnKWBNAÇÃO DOS CUSTOSK SOLDAÍitM •3*5ico! SOLDAGEM

1 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

t 1O tempo de soldagem na equação anterior deve ter como base as mesmas

considerações tomadas para se obter o custo unitário e, portanto, nos dois casospode ou não se incluir os tempos de parada do soldador para troca de eletrodos,retirada de escória etc.

Num cálculo mais focalizado, o custo da mão de obra pode levar em conta apenaso trabalho do pessoal envolvido diretamente com a soldagem, incluindo montado¬res epessoal administrativo, comissões de venda etc., devem ser consideradosparcela específica.

avaliação incorreta dos custos de soldagem pode levar a empresa a oferecer preços' muito baixos e gerar perdas económicas, ou preços muito altos que inviabilizarão aempresa na captação de obras.

O objetivo deste capítulo é mostrar como calcular, de maneira simplificada, ocusto total (CT) de um processo qualquer de soldagem. Este pode ser desmembradoem diversas parcelas, como mestrado abaixo:

I1

f soldadores. Neste caso, os custos fixos da empresa, como aluguel, telefone,I em uma(Eq. 1)(R$!CT = CMO + CC + CE + CM + CD + CMCI

onde CMO é o custo da mão de obra. CC è o custo dos consumíveis, CE é o custoda energia elétrica. CM é o custo de manutenção, CD é o custo de depreciação eCMC é o custo de outros materiais de consumo.

Ao calcular os custos da soldagem, todos os itens acima podem ser considerados.ou apenas alguns destes itens, dependendo da precisão necessária. A Figura 1 mostraque o custo da mão de obra é, via de regra, o fator de maior peso nos custos da sol¬dagem. se forem incluídos nesta parcela os custos fixos de uma empresa. Note ainda

neste caso. o custo da mão de obra mais o custo dos consumíveis representamde 93% do custo da operação, e, em muitos casos, apenas calculando estas

duas parcelas consegue-se uma boa aproximação dos custos da soldagem.

100% i-1

I

3. Custo dos ConsumíveisIO custo dos consumíveis (CC) é dado pela soma dos custosdo metal de adição

(CMA). do fluxo (CF) e do gás de proteção (CG), se usados.A estimativa do custo do metal de adição deve-se iniciar pela avaliação do custo

do metal depositado (CMD), calculado pelo produto da massa de metal depositadopelo custo do eletrodo (ou vareta), conforme a equação 3.

que.cerca

■BrasilBE.U.A

iCMD (R$) = massa do metal depositado (kg) x custo do eletrodo (RS/kg) (Eq. 3)g 80%

5 60% A massa do metal depositado (MMD) é calculada pelo produto da área da seçãotransversal da junta, do comprimento da solda e da densidade do material, comomostra a equação 4. A área da seção transversal depende do tipode chanfro utilizado.A Tabela I mostra como calcular a área de alguns chanfros, ea Tabela II mostra adensidade de alguns materiais.

Oao.

40%

20%

I 0%Máo-cie-Obra e Equipamentos Consumíveis Energia Etetnca

Soldagem

Parcelas do custo totalI MMD (kg) = A (cm2) x L (cm) x p (kg/cm3)"Overhead" (Eq. 4)

I onde A é área da seção transversal da junta, Léo comprimento da solda e p é adensidade do material.

Figura 1Distribuição dos principais custos de soldagem

IIPi Tabela I - Área da seção transversal fI

I 2. Custo da Mão de obra Área da Seção TransversalTipo de Chanfro| V Simples (e-h)7 x tan (0/2) + d x e

(Eq. 2) V Duplo 0.5 x |(e - hj!* tan (0/2)] -r d x eI CMO (RS) = (Custo unitário) (RS/h) x tempo de soldagem (h)

O custo unitário mostrado acima pode ser calculado incluindo salários, encargossociais e os custos fixos da empresa ("overhead"). Para se obter este valor, pode-se

solicitar junto ao departamento depessoal o total da folha de pagamentos mensal totalou setorial, dependendo da conveniência, incluindo encargos sociais, e dividir essevalor pelo número total de horas trabalhadas no mês em operações de soldagem.

K 0,5 x ||e- h)J x tan 0] + d x e% Y 0,25 x [|e - h)! x tan 0) + d x eI e = espessura da chapa, h = nariz. 6 = ângulo da junta, d = frestaiI

HiI;CAPÍTULO IOOH£RMNAÇAODOS CUSTOS DE SOU3ASEM 155 !i154 RMSAKBnUETICiniOIU

*:Tabela I!- Densidades aproximadas da algumas ligas O custo dos gases (CG) de proteção é obtido geralmente pelo produto da vazãoutilizada pelo tempo de arco aberto e preço do metro cúbico do gás.

CG CHS) = [vazão de gás (l/min) x tempo de arco aberto (s) x custo do gás (H$/m3| / 60.000 (Eq.7)A constante 60.000 no denominador permite obter o valor em reais do custo do

gás utilizando as unidades usuais de medida das grandezas constantes na equação.Este valor foi obtido a partir de um fator de 60, relativo à diferença de unidades detempo na medida da vazão de gás (min.) e do tempo de arco aberto (s) e outro de1.000 devido à diferença às unidades de volume usadas na medida da vazão de gás(l/min.) e do preço do gás (R$/m3).

Finalmente, pode-se determinar o custo do consumtvel CC como mostradoabaixo:

iiDensidade (kg/cm')Liga \0.0078Aço carbono

Aço inoxidável

Ligas de cobre

Ligas de níquel

Ligas de alumínio

Ligas de titânio

'S0.0080

ii0,0086

0.0086

10,0028li

:!í0,0047

1 !'iO custo do metal de adição deve levar em conta também que parte deste é per¬dida na forma de respingos, pontas descartadas etc., estimada pela eficiência dedeposição (ED) e, portanto, é calculado dividindo-se o preço do metal depositadopela eficiência de deposição do processo, como mostra a equação 5. A eficiênciade deposição depende do processo e dos parâmetros de soldagem. Algumas faixasde valores são mostradas na Tabela III. Em alguns casos não se utiliza material deadição, como por exemplo, na soldagem de chapas finas, sem abertura de raiz.

CMA (RS) =

Tabela 111- Valores típicos de eficiência de deposição para diferentes processos

CC (/?$)= CMA (/?$) + CF (RS) + CG (/?$) (Eq. 8) !>!:Í! !>lJl- in■Jí4. Custo de Energia Elétrica

.1*1ij;:ii |uCE (nt)_10PE(RS/kWh)XPES(kW)Xt(h) (Eq. 9)(Eq. 5)

WWondePE é o preço da energia elétrica.PES é a potência elétrica de saída,Té o tempo

de arco aberto e E è a eficiência elétrica do equipamento.A constante 10 no numerador permite obter o valor em reais do custo da energiaelétrica utilizando as unidades usuais de medida das grandezas constantes naequação. Este valor foi obtido a partir de um fator de 100 relativo à eficiência dedeposição e outro de 1.000 devido à diferença de unidades para a potência de saída(kW) a as utilizadas na sua determinação, tensão (V) e corrente (A) de soldagem.cujo produto é expresso em Watts (W).

A eficiência elétrica média dos equipamentos de soldagem é fornecida pelosfabricantes. Como exemplo, a eficiência de um transformador é de cerca de 80%,enquanto um gerador apresenta eficiência de cerca de 65%. A potência de saída éobtida pelo produto da tensão (V) pela corrente (A) de soldagem.

Klçp (%)Processo : HlSMAW

M55-6560-70

Comprimento: 350mm450mm

H95-99SAW

85-97GMAWI*80-90FCAW

IIEm outros casos se usam, além do metal de adição, fluxos de soldagem e/ou ga-de proteção, que devem ser considerados e incluídos no custo dos consumíveis.

Deve-se, então, acrescer ao custo destes o custo do fluxo (se for o caso, como. porexemplo, na soldagem a arco submerso) e o custo do gás de proteção, para o casoda soldagem MIG/MAG ou TIG, por exemplo.

O custo do fluxo (CF) pode ser estimado pela razão (massa de fluxo consumido)/

(massa de m8tal depositado),RMF.que pode ser obtida junto aos fornecedores, para

cada tipo de fluxo. Normalmente, esta relação varia de 0,9 a 1,2. Assim,

31«ses

5. Custo de Depreciação A

Os equipamentos de uma empresa sofrefn desgaste ao longo de sua vida útile, consequentemente, é necessário determinar o valor de reposição destes, isto é,sua depreciação.

CD (R$) = Valor do investimento inicial (R$) - Valor residual (R$)Vida útil do equipamento

!!;íí A(Eq. 10) 'CF (R$) = MMD (kg) x RMF x custo do fluxo (R$/kg) (Eq. 6)

‘1 J

CAPÍTULO TO 1EiDETERMINAÇÃO DOS CUSTOS DE SCUMGEM 13/souiAsai

FUJÍOAJCDTTDÍ E TTCKCtOdAC156c

O valor residual corresponde ao valor de venda do equipamento ao términode sua vida útil, que pode ser determinada pelo desgaste, inadequação ouobsolescência. No Brasil, taxas máximas de depreciação são estabelecidas pelaSecretaria da Receita Federal (SRF). A Tabela IV mostra as taxas máximas anuaisde depreciação de alguns itens e seu tempo de vida útil.

Observe-se também que os custos da soldagem podem ser expressos em R$/peça soldada, R$/kg de solda depositada, R$/m de junta soldada ou ainda em R$/hde operação. Cabe ao usuário determinar e utilizar as unidades mais adequadas emcada caso.

ií

I

I!9. Exemplo iiTabela IV - Taxas máximas de depreciação estabelecidas pela SRF iii■! ISuponha-se que a junta de ângulo da Figura 2, com um filete de 6.4 mm, será

soldada por dois processos diferentes; eletrodo revestido e arco submerso. Emseguida será calculado o custo aproximado da solda feita pelos dois processos,considerando apenas os custos de mão de obra, custo do metal depositado e custode energia elétrica. Alguns dados a serem considerados nos cálculos são fornecidosnas Tabelas V e VI. Será tomado como comprimento total da solda 100 cm e a razãode consumo de fluxo igual a 1.

Vida útil (anos)Taxa anual (%}Tipos de ativos254€ Prédios/Construçôes10 :ii10Móveis e utensílios1010Máquinas e equipamentos

!520Veículos e ferramentas.c

ií;6. Custo de Manutençãoc Lâ-4 Iii1O custo médio de manutenção (CMM) deve ser avaliado com base nos custos de

manutenção do equipamento, num certo período de tempo, dividido pelo númerode horas de operação deste equipamento no mesmo período. Assim, o custo damanutenção para uma determinada operação será dado por:

ill( ii6,4€

‘jT

€(Eq. 11)CM (R$) = CMM (R$/h) x tempo de operação (h)

Este custo pode ser avaliado para cada equipamento em particular ou para todoum conjunto.

Figura 2Junta considerada no cálculo de custo da soldagem deste exemplo

(Tabela V - Características dos processos arco submerso e eletrodo revestido(

7. Custo de Outros Materiais de Consumo Caracteristica Processo-ÿ Eletrodo revestido Arco submersoc Tamanho da solda |mm) 6.4 6,4Outros materiais de consumo incluem: bicos de contato, líquido antirrespingos,

eletrodos não consumíveis, materiais de segurança etc. O custo destes deve serlevado em consideração no custo total de soldagem.

O custo destes outros materiais de consumo pode ser estimado em valoresmédios de forma semelhante à usada na avaliação do custo de manutenção.

Área da solda (cm2)■

0,32 0,32

Velocidade de soldagem (cm/min) 25( 60I! I!Corrente (A) 300 AC 500 DC if€ Tensão (V) 25 30 ;;

€ Eletrodo (classe/diâmetro) (mm) E7024 / 5.0 EL12/3.2Número de passest 1 18. Considerações FinaisEficiência de deposição 0.60 0,95c ■:íEficiência do equipamento 0.75 I0,80

Note-se que a determinação de custos de soldagem não é uma tarefa simplesou trivial. Ela pode ser feita com base em diferentes abordagens e muitos fatoresdevem ser levados em consideração. Por exemplo, na fabricação de um equipamentopodem ser usados diferentes processos, soldadores e montadores com diferentesgraus de especialização e salário etc. A apropriação dos custos pode ser feita deforma específica para cada etapa ou processo específico ou de uma maneira maisgeral, com base em valores médios.

I !i(í!l!■ií■:í:

Cí

!'CArtTUlOlODETERMINAçãO DOS CUSTOS DE SOLDAGEM

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 159158 li

illCC (R$)= CMA (R$) + CF (Ft$) + CG (R$)

Elétrodo: 0,16 kg x 5 R$/kg /0,60 = R$1,33

Arco submerso: 0,16 kg x (R$4,00 + R$3,00) /0.95 = R$1,18

Tabela VI- Valores aproximados de custos (eq. 9)

líValorItem

iíR$25.00/hMão de obra

II mRS5.00A9ElétrodoR$4,00/kgArame Note-se que foi atribuído rendimento de 0,60 para o eletrodo revestido e 0,95

para o arco submerso e a razão de consumo de fluxo de 1/1.R$3,00/kgFluxo

\R$0,19 kwhEnergia elétricatill•p;9.3- Custo da energia elétrica9.1- Custo da mão de obra

\fO tempo de arco aberto a ser usado será obtido a partir da velocidade de solda¬

gem dada naTabela III. Já o tempo de soldagem deve levar em consideração o fatorde ocupação do soldador ou operador, e serão considerados os valores de 0,4 e 0.9,respectivamente. para a soldagem com eletrodos revestidos e arco submerso.

Eletrodo: tempo de arco aberto = (100 cm)/|25cm/min) = 4 min = 4/60h = 0.067h

tempo de soldagem = 0,067/0,4 = 0,17h

Arco submerso: tempo de arco aberto = (100 cmM60cm/min) =1.67 min = 0,028h

tempo de soldagem = 0,028/0,9 = 0,031h

CE (R$) = [PE (R$/kwh) x PES (kw) x T (h) / (E x 1000)

Eletrodo = (0.19 x 300 x 25 x 0,067) / (0.75 x 1000) = R$0,13Arco submerso = (0,19 x 500 x 30 x 0,028) /(0,80 / 1000) = R$0,10

(eq. 6)waíi:.!n1hlv9.4- Custo total Jl.i

!É o somatório das 3 parcelas de custo consideradas: mão de obra. metal de

adição e energia elétrica.Eletrodo = 4,25 + 0,48 + 0,13 = R$4,86

Arco submerso = 0,78 + 1,18 + 0,10 = R$2,06

O exemplo acima mostra que processos semiautomáticos ou mecanizados desoldagem (no caso o arco submerso) tendem a produzir soldas de menor custo queprocessos manuais. Isto é devido principalmente à maior produtividade dos proces¬sos mecanizados, que em geral permitem maiores velocidades de soldagem e taxasde deposição, reduzindo consideravelmente o tempo de operação. Por outro lado,a soldagem a arco submerso requer pesado investimento em capital, o que não foiconsiderado na presente análise.

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(eq. 2)CM0 (R$) = (custo unitário) (R$/h) x tempo total de soldagem (h) \{hiEletrodo: CMO = 25 x 0,17 = R$4,25

Arco submerso: CMO = 25 x 0,031 = R$0,78 !«ItI

9.2- Custo dos consumíveis i*rtíi!.

9.2.1-Massa de matai depositado (MMD)10. Exercício

(eq. 4)MMD = A(cm2) xL(cm) xp( kg/cm3) = (0,64x 0,641/2 x 100 x 0,00785 = 0,16kg

1) Calcule o custo da soldagem da junta abaixo pelos processos arame tubular e eletrodorevestido. Use os dados do exemplo anterior e suponha outros, se forem necessários.

'i!:>9.2.2- Custo do metal de adição

Pode ser calculado com a ajuda das equações 3, 5 e 9:

12 mmCMD (R$) = Massa do metal depositado(kg) x custo dos consumíveis (R$/kg)

CMA (R$) = CMD/ED

(eq. 3)

(eq. 5)J

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!;PARTE 2

PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINS ;!IC f:iiiCAPÍTULO 11€

c SOLDAGEM E CORTE A GÁSc!€

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C 1. Fundamentos il ?

M€A soldagem a gás oxi-combustivel (Oxy-Fuel Gas Welding - OFW) ou simples¬

mente soldagem a gás é um processo no qual a coalescência ou união dos metais éobtida pelo aquecimento destes até a fusão com uma chama deum gás combustívele oxigénio. O metal de adição, se usado, também é fundido durante a operação. AFigura 1 mostra esquematicamente o processo.

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CAPÍTULO 11 i -1 coSOLDAGEM E CORTE A GÁS 1 0J )

SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA162

%Oxigénio +gás combustível Reguladores

de pressão dek oxigénioCilindro de

acetileno !>Maçarico IIm SiZ MangueirasA Maçaricoi

VCone interno

( '•! <1 !I ’ 4 4Metal deChama

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Poça de fusão mFigura 2Equipamento básico para soldagem oxi-gás

Os gases utilizados na soldagem oxi-gás podem serseções de uma instalação industrial através de cilindros portáteis, normalmentecolocados sobre carrinhos, através de uma tubulação proveniente de uma instalaçãocentralizada, fixa ou portátil, ou ainda de geradores de acetileno e de tanques dearmazenagem de oxigénio líquido. Quando o consumo de gás é pequeno, utiliza-senormalmente um cilindro de oxigénio e outro de gás combustível, e onde se exige

grande consumo de gás, utiliza-se instalação centralizada de cilindros ou tanquesde armazenagem e geradores.

Os cilindros para oxigénio e outros gases armazenados a alta pressão são feitosde tubos de aço sem costura, suportam pressões internas de até 150 a 200 kgf/mm2e têm capacidade de armazenamento entre 1 e 10m3, em geral. Antes de seremusados, estes cilindros passam por testes hidrostáticos a pressões maiores do queas de utilização. Os cilindros de gases devem ser sempre identificados e periodica¬mente testados pelos fornecedores de gás.

O oxigénio é elemento comburente e, quando sob pressão, pode reagir violen¬tamente com óleo ou graxa. Assim, os cilindros, manómetros e outras peças queentram em contato direto com o oxigénio (e também outros gases) nunca devemser lubrificados, devem ser mantidos limpos e armazenados longe de combustíveis.O contato com cabos e condutores elétricos também deve ser evitado.

O acetileno geralmente é acondicionado em cilindros preenchidos commassa porosa, à base de carvão, cimento especial e asbesto, embebida em acetona.A massa porosa forma pequenas cavidades dentro do cilindro, onde pequenos vo¬lumes de acetona se alojam, evitando o choque excessivo entre as moléculasconsequentes detonação e explosão. O acetileno pode ser dissolvido na proporçãode até 25 litros deste para cada litro de acetona, para cada atmosfera de pressão, atéuma pressão máxima de cerca de 17 atm (= 17 kgf/cm2). Desta forma, o acetilenopode ser armazenado em volumes razoáveis e utilizado com segurança a pressõesacima da ambiente. Os cilindros de acetileno possuem em suas extremidadespequenos selos de uma liga Sn-Cd, que se funde a uma temperatura aproximadade 80°C. Assim, se os cilindros forem submetidos a um calor excessivo, ocorrerá afusão do selo e a liberação do acetileno, prevenindo explosões.

A retirada máxima de acetileno neste sistema é de 1/7 da capacidade do cilindropor hora. Isto porque, se a retirada for maior, ocorrerá um resfriamento do cilindro,

)aFigura 1Diagrama esquemático de uma soldagem oxi-gás

Uma importante característica deste processo é o excelente controle que sepode exercer sobre a entrada de calor e a temperatura das peças que estão sendosoldadas, devido ao controle independente da fonte de calor e da alimentação dometal de adição.

O equipamento usado é bastante simples, tem baixo custo e também pode serusado, com pequenas variações, em outras operações como dobramento e desem-peno de peças metálicas, pré e pós-aquecimento em soldagem, em operações debrasagem, solda-brasagem e corte a gás.

Os gases usados como combustível devem ter alta temperatura de chama, altataxa de propagação de chama, alto potencial energético e mínima reação químicacom os metais de base e adição. O gás mais usado é o acetileno.

Durante a operação, o calor da chama proveniente da queima áa mistura com¬bustível-oxigénio na ponta do maçarico é usada para fundir o metal de base e formara poça de fusão. O metal de adição, quando usado, é adicionado separadamentenesta, a partir de uma vareta. A operação de soldagem normalmente é manual e osoldador movimenta a tocha de forma a obter uma fusão uniforme e progressiva ealimenta o metal de adição, se for o caso.

Este processo é adequado à soldagem de chapas finas, tubos de pequeno diâ¬metro e também é muito usado na soldagem de reparo. Entre os metais soldáveispelo processo oxi-gás incluem-se os aços, particularmente os de baixo carbono e amaioria dos metais não ferrosos.

distribuídos pelas várias

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ríl2. Equipamentos

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O equipamento para a soldagem oxi-gás. mostrado na Figura 2, consiste ba¬sicamente de cilindros de oxigénio e gás combustível, reguladores de pressão,mangueiras e maçarico ou tocha de soldagem.

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CAPÍTULOSOLDAGEM E CORTE A uni°G* 165164: SOLOAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA i

a queda de pressão e a falsa impressão de que o cilindro está vazio. Além disso, oacetileno poderá arrastar consigo partículas de acetona, que afetarão a chama e aqualidade do trabalho. A acetona também pode ser retirada caso o cilindro de acetilenoesteja deitado durante a operação, o que precisa ser evitado.

O acetileno em contato com o cobre, mercúrio ou prata pode, sob certas condi¬ções, formar compostos explosivos, que podem ser detonados por simples choquesou aplicação de calor. Por essa razão, as canalizações usadas para o acetileno sãofeitas, geralmente, de ferro ou aço. Apesar disso, os bicos dos maçaricos em geralsão feitos de cobre mas não oferecem perigo, já que a pressão e tempo de contatocom o acetileno, neste caso, não são suficientes para a reação.

Todo cilindro deve sempre ser armazenado em locais frescos, ventilados, limpose secos. Durante o uso. os cilindros não devem ficar deitados. Choques mecânicosviolentos com os cilindros devem ser sempre evitados.

Os maçaricos são dispositivos que recebem o oxigénio e o gás combustível puros efazem a sua mistura na proporção, volume e velocidade adequados à chama desejada.O volume liberado dos gases determinará o tamanho desta e sua capacidade de aque¬cimento; a velocidade determinará se a chama será violenta, intermediária ou suave,e a proporção dos gases determinará seu caráter oxidante, neutro ou carburante.

Basicamente, existem dois tipos de maçarico: os de média pressão, do tipomisturador, e os de baixa pressão, do tipo injetor. O maçarico misturador, mostradona Figura 3, é utilizado juntamente com cilindros ou geradores de acetileno demédia pressão, sendo usadas as mesmas pressões de trabalho para o oxigénio e oacetileno.

passam, então, por um tubo divergente, onde se misturam, perdem velocidade eocorre um aumento de pressão. Saindo do divergente, a mistura se completa e segueaté a ponta do bico. No maçarico do tipo injetor não ocorre variação na proporçãoda mistura provocada por flutuações na pressão de oxigénio, já que a quantidadede acetileno arrastada é proporcional a esta pressão.

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Figura 4Maçarico injetor: (1) Registro de oxigénio, (2) Registro de acetileno. (3) Injetor. (4) Divergente.

(5) Extensão. (6) Bico7. ,Siim 1ÿ;,. ■. .

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Num maçarico, se a velocidade de saída for maior que a de combustão, a queima sedará a uma certa distância da ponta. podendo ocorrer a extinção da chama. Caso con¬trário, velocidade de queima maior que a de saída, a combustão ocorrerá no interior dobico, provocando um aumento na temperatura e sua dilatação, com uma consequentequeda na velocidade de saída. Como a velocidade de combustão permanece constante,a queima se dará, cada vez mais, no interior do bico. Este fenômeno, conhecido como"engolimento de chama", resulta de uso de pressões excessivamente baixas, existênciade dobras nas mangueiras, superaquecimento do bico, toque do maçarico na peçaou obstrução do bico por partículas de metal e pode causar queimaduras e danos aoequipamento. O problema pode ser minimizado pelo uso de pressões corretas e demaçaricos em boas condições de conservação e manutenção. Em casos extremos, achama poderá atingir a fonte de acetileno, provocando sua explosão. Para eliminar operigo de explosão, causada pelo engolimento de chama, utilizam-se válvulas contraretrocesso de chama, que permitem fluxo apenas num sentido.

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Figura 3Maçarico misturador: (1) Registro de oxigénio, (2) Registro de acetileno, (3) Câmara de mistura.

(4) Divergente, (5) Extensão, (6) Bico

O maçarico do tipo injetor, mostrado na Figura 4,pode ser utilizado com o acetileno abaixa pressão, uma vez que utiliza um sistema em que a pressão do oxigénio é usadapara aspirar o acetileno. Neste maçarico o oxigénio passa a grande velocidade atravésde um pequeno orifício, criando um vácuo parcial que arrasta o acetileno. Os gases

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'J J iÿL>'19YWi CAP!TUISOLDAGEM E CORTE A GáS 167SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA166 1 !)L\\lOs bicos dos maçaricos, também chamados de extensões, são intercambiáveis

e de diversos tamanhos, devendo ser escolhidos em função da espessura daspeças a serem soldadas. A Tabela I apresenta exemplos de tamanho de extensõese pressões de gases a serem utilizados em maçaricos dos tipos injetor e misturador,de acordo com a espessura das peças. Extensões de diferentes tamanhos podemser vistas nas Figuras 3 e 4, para os dois tipos de maçarico.

O regulador de pressão é um dispositivo que permite diminuir a pressão internade armazenagem dos gases nos cilindros para a pressão de trabalho, mantendo-aaproximadamente constante. Existem dois tipos básicos de reguladores de pressão:de um e de duplo estágio, sendo que os do segundo mantêm a pressão de trabalhomais constante, quando varia a pressão interna do cilindro. A Figura 6 mostra umregulador de pressão típico. O gás proveniente do cilindro entra numa câmara dealta pressão, indicada pelo manómetro da direita. Atuando-se no volante regulador,aciona-se uma alavanca que está ligada a um obturador, diminuindo a pressão sobreuma pastilha que veda um furo existente na câmara de alta pressão. Assim, o gáspode fluir por este orifício, atingindo uma câmara de distribuição, à qual estão ligadoso medidor da pressão ou vazão de saída do gás e a tubulação de saída.

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tTabela I - Exemplas de tamanho de bico, pressão de gases e velocidade de soldagem paradiversas espessuras de peças de aço para diferentes tipos de maçarico UiI?

HLVelocidadede soldagem

(cm/min)

Vazão de gases(l/h)

Pressão dinâmica(kqf/mm2)

NúmeroTipo Espessuraa soldar )dode {itnd do

( Lfidroi$2 ff.AcetilenoOxigénioOxigénio Acetilenobico(mm)maçarico nI;«'M -V14,5-15,070-9075-950.40.40.3 - 0.5 2

i|.'V:i llf

vl13.0-15.0100-130115-1400.40.440.5 -0.8■ v

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lífliro140-165 11,0-13.0150-1800.46 0.40.8- 1,5 ( i8,0-12,0210-250220- 2700.40.491.5 -2,5

U 5U T !) Õ o ís I. VlK %JMisturador 6.0-10,0280- 320310-3500.50,5122,5 -3,0í|3,5 -6.0365-410400-4500.50.5153.0 -5,0 I i2,5 -4,5470- 560510-6000,50,5205.0- 6.5 ;ÿ•7

. - —1.5 -3,0625- 805690- 8900.50.5306,5 -9.5 ll14,0-16,090- 130100- 1800.10,8- 1.30,8- 1.5 4

130- 220 11,0-15,0 M170-2201,6 -2.0 0.161.5 -2,5 Figura 6Regulador de pressão de gás típico8.0-11.0 k200-300280- 3401.6 -2.0 0.192.5 - 3.0Inietor i3.0-7.0400- 600 A abertura da válvula dos cilindros deve ser feita sempre com o obturador fe¬

chado, evitando-se, assim, que o gás, saindo do cilindro a alta pressão, danifiqueo redutor.

As saídas dos cilindros de gases são ligadas aos maçaricos através de manguei¬ras, capazes de suportar pressões elevadas e o ambiente quase sempre agressivodo local de trabalho. Essas mangueiras são geralmente de cores diferentes, parase evitar confusão quanto ao gás que devem transportar. Por convenção, adota-sea cor vermelha para o acetileno, e a verde ou azul para o oxigénio.

580- 6400,11.5- 1.9153.5 -6.51,5 -3,0800-1.100 700-1.0001.2 -1,6 0.1308,0-13,0

OBS: Esta tabela é apenas ilustrativa. Para valores práticos, deve-se consultar o manual doequipamento em uso.

A Figura 5 mostra um maçarico de aquecimento usado para pré e pés-aquecimentoem operações de soldagerh. )

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-ãSS&iS', V. 3. Consumíveismf

iOs consumíveis normalmente usados na soldagem a gás são os gases (com¬bustível e oxigénio), os metais de adição e os fluxos de soldagem, se usados. ATabela II apresenta as características de combustão de alguns gases usados indus¬trialmente.

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Figura 5Maçarico para aquecimento

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CAPtrmon 1cnSOIDAGEM E court A 6ÃS *0» :!f 168 FWOAKBfTOS C TttKClDGJA

f 0 metal de adição usado na soldagem a gás é fornecido na forma de varetas.com comprimentos e diâmetros variados e padronizados, que são escolhidos emfunção da quantidade de metal a depositar e da espessura das peças a serem unidas.Estes consumíveis são classificados e especificados em diferentes normas técnicas,propostas por diferentes entidades, nos diversos países. As normas mais usadasno Brasil são as da American Welding Society - AWS (Associação Americana deSoldagem), mostradas na Tabela III.

Tabela II- Caracteristicas de combustão de alguns gases usados em soldagem!!ÿ

f MetanoGás de rua PropanoAcetilenoGás

€ Hj 53%CH4 25%C0 8%

Diversos 14%C,H„ CH,€ C,H,Composição

€ Tabela III- Especificações AWS para varetas de metal de adição para soldagem a gás€ 9.4104.300 24.30014.000Poder calorífico superior (kcal/m3)

Poder calorífico inferior (kcal/m3)

Oxigénio teoricamente necessário (m3/m3)

Velocidade máxima de propagação (m/s)

Temperatura máxima de chama ("Cl

Imensidade média na ponta do maçarico (kcal/cmfsl

€ Tipo de metal de adiçãoNorma8.4703.800 22.30011.000 iiAWS A 5.2 Metal de adição para soldagem a gás de sços carbono e baixa liga0.8 a 0.9 5.0 2,02.5

€ AWS A 5.7 Metal de adição para soldagem a gás do cobre e suas ligas

Metal de adição para brasagem

Metal de adição para soldagem de aços inoxidáveis

Metal de sdtção para soldagem de alumínio e suas ligas

Metal de adição para soldagem de níquel e suas ligas

Metal de adição para soldagem de ferro fundido

Metal de adição para soldagem de titânio e suas ligas

Metal de adição para revestimentos

I3.37,05 3.713.5AWS A 5.8I 2.750 2.800 2.7303.100AWS A 5.92.0€ 3.0 2.710,9

AWS A 5.10€ AWS A 5.14O acetileno (C2H2) é o gás combustivel mais usado na soldagem, devido ao

conjunto de suas propriedades (Tabela II). É incolor epossuiumcheiro característico.Normalmente, este gás não existe livre na natureza, sendo produzido em geradoresa partir da reação do carbureto de cálcio (CaC2) com a água (H20). Para uso industrial.o acetileno pode ser fornecido em cilindros ou see'produzido em geradores.

O oxigénio é o comburente e é incolor e insípido, sendo encontrado em abun¬dância na atmosfera. Elepode serobtido industrialmentepor trêsprocessos: reaçãoquímica, eletrólise da água ou liquefação do ar. O processo de obtenção mais usadoé este último, no qual, após a retirada do gás carbónico, o ar é resfriado, expandidoe liquefeito, passando posteriormente por colunas de retificação, onde os diversosgases do ar são separados de acordo com o seu ponto de evaporação. O oxigénioassim obtido é de alta pureza, maior ou igual a 99%.

Outros gases combustíveis,por possuírem caracteristicas para soldageminferio¬res às do acetileno, têm seu uso restrito à união de ligas com baixo ponto de fusão,aquecimento, brasagem e, às vezes, operações de corte.

Os fluxos são materiais fusíveis, na forma de pó, granulado ou pasta, usados nasoldagem a gás com a função de reagirem quimicamente com óxidos metálicos eformar escórias nas temperaturas de soldagem, além de melhorar a molhabilidade ea fluidez da poça de fusão.

Uma condição importantepara a obtenção de soldas de boa qualidade éde óxidos superficiais das peças metálicas, que é feita durante a preparação destaspara a soldagem. Entretanto, os metais têm uma afinidade tão grande pelo oxigénioque a formação de óxidos é praticamente instantânea, como visto no Capítulo 1.Além disso, em alguns casos, os óxidos formados têm ponto de fusão maior queo do metal de base, o que dificulta muito a soldagem, já que formam uma barreiratérmica entre o metal de base e a fonte de calor. A remoção dos óxidos pode serfeita eficientemente com o uso dos fluxos.

Os fluxos são usados na soldagem do ferro fundido, do aço inoxidável eemgrandeparte dos metais não ferrosos, como o alumínio, o cobre e suas ligas. Na soldagemdos aços, de um modo geral, não há necessidade de uso de fluxo.

c fAWS A 5.15

AWS A 5.16 H1i€ AWS A 5.21

c Em geral, as especificações para metais de adição para soldagem admitem trêsclassificações possíveis,R, E e ER.Os materiais tipo R devem ser usados comovaretaspara soldagem (do inglês. Rod), os do tipo E devem ser usados como eletrodos parasoldagem a arco (Electrodes) e os do tipo ER podem ser usados como um ou outro.

Por exemplo, a norma AWS A 5.2 especifica e classifica os metais de adição parasoldagem de aço carbono e baixa liga nas classes: R45, R60, R65, R100 e XXX-G.O material classificado com R45 não tem limite de resistência especificado, os trêsseguintes têm limite de resistência mínimo de 60, 65 e 100ksi' (410. 450 e 690 MRa),respectivamente, e o último será designado pelo limite de resistência mínimo obtidoemtestedetração,expresso emksi(representadopor XXX), limitadoaos designadores45, 60 ,65 ,70 .80, 90 ou 100. Para a soldagem do ferro fundido, a norma AWS A 5.15especifica os arames de adição, que são designados pelas letras RCI. Os aços inoxidá¬veis são soldados com metais de adição classificados pela norma AWSA5.9. Estes sãodesignados pelas letras ER. seguidas pelos números que normalmente correspondem

. à designação AISI do aço a ser soldado. Por exemplo, o metal de adição AWS ER 316é usado para a soldagem do aço inoxidável AISI 316. Para a soldagem de alumíniosuas íigas e outros metais, os metais de adição podem ser do tipo R ou ER, sendo queR (do inglês. Rod) indica vareta para soldagem a gás ou outro processo. E (do inglês.Electrode) indica eletrodo para soldagem a arco, e ER indica que o metal de adiçãopode ser usado tanto como vareta quanto como eletrodo. Para o cobre e suas ligas, adesignação é baseada na composição química do metaldepositado.Por exemplo,umavareta de metal de adição à base de cobre e níquel será classificada como RCuNi.

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CAPÍTUL0 11 171SOLDAGEM ECOflTE A GÁS ' ' 1170 SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

'VpAs pressões de trabalho são escolhidas em função do tipo de maçarico etamanho de bico usados, como já ilustrado na Tabela I. Outros fatores a seremconsiderados são o diâmetro e o comprimento das mangueiras de gás utilizadas.Diâmetros pequenos e/ou mangueiras muito longas podem levar a uma queda depressão no maçarico a valores abaixo dos recomendados. Em geral, os fabricantesdos equipamentos fornecem as informações necessárias quanto a estes aspectos.Recomenda-se que a regulagem das pressões de trabalho seja feita com os registrosde gás do maçarico abertos, já que as pressões indicadas nos manómetros tendema ser mais altas quando as saídas de gás estão fechadas.

O acendimento da chama é feito com um gerador de fagulha ou isqueiro apósa abertura do registro de acetileno do maçarico. A chama assim obtida temcor amarelo-brilhante e é bastante fuliginosa (chama acetilênica). Para se evitaresta fuligem, pode-se abrir ligeiramente o registro de oxigénio do maçarico antesdo acendimento. Uma vez acesa, a chama deve ser regulada para se obter umtamanho e tipo adequados à soldagem que vai ser executada. A Figura 7 mostraos aspectos característicos da chama oxi-acetilênica, (redutora, neutra e oxidante),obtidas sequencialmente à medida que se aumenta a vazão de oxigénio. A chamaredutora apresenta, além das duas regiões já citadas, o cone interno e o envoltórioexterno, uma terceira região entre as duas anteriores, chamada de "penachointermediário", onde a reação primária é completada com oxigénio da atmosfera,quando a quantidade de oxigénio é insuficiente para reagir comtodo o acetileno damistura proveniente do maçarico. A chama neutra apresenta um ruído característicosuave, enquanto a chama oxidante apresenta um chiado mais estridente, além depenacho menor que o da chama neutra e de cor mais azulada.

A escolha de um metal de adição adequado a uma determinada soldagem deve serfeita cóm base nas propriedades mecânicas e/ou composição química do metal depo¬sitado. Esta escolha é orientada pelos fabricantes das varetas para soldagem oxi-gás,que fornecem as aplicações típicas e recomendações para o uso de seus produtos.

4. Técnica Operatória

"44KO tipo de maçarico a ser usado dependerá da forma de suprimento de gases,

do tamanho do bico e do ajuste desejado para a chama, e a necessidade de uso defluxo e seu tipo dependerão dos materiais e espessuras a serem unidos. 1

umaUma chama oxi-acetilênica apresenta basicamente duas regiões: um cone interno,

também chamado de "dardo", de forma bem definida e cor azulada, localizado logoà frente do bico, onde se dá a reação iK

i>Uo.C2H2 + 02 — 2 CO + H, + CALOR

chamada de reação primária. O oxigénio para esta reação ou parte dele é prove¬niente do maçarico. Uma segunda reação, ou reação secundária, com o oxigéniodo maçarico ou da atmosfera,

1oL(Eq. 1)

I?ou cone

N'W

(Eq. 2)4 CO + 2 Hj + 3 02 — * 4 CO, + 2 H20 + CALOR

segunda região, formando um envoltório exte'rno difuso, conhecido comoocorre na''penacho", de cor mais avermelhada ou laranja.

|(A quantidade de calor resultante destas reações é função direta da quantidadede acetileno que é queimado. Um aumento na quantidade de calor é obtido peloaumento da vazão dos gases no maçarico. Uma troca de bico para um tamanhomaior pode ser necessária. A vazão da mistura proveniente do maçarico dotado de

certo bico determinará se a chama será mais áspera ou macia. Chamas muitomacias são ineficientes e sensíveis ao fenômeno de engolimento, enquanto chamasmuito ásperas são de difícil manuseio.

As temperaturas mais altas na chama oxi-acetilênica ocorrem na ponta do coneinterno, de modo que, para uma operação mais eficiente, a ponta deste deve serposicionada próximo à superfície a ser fundida.

A proporção de gases na mistura proveniente do maçarico determina o caráteroxidante, neutro ou redutor da chama. A chama neutra, mais usada, é conseguida coma proporção de um volume de oxigénio para um volume de acetileno. Alterando-se a

proporção dos gases na mistura, pode-se ter uma chama ligeiramente oxidante ouligeiramente carburante, oxidante ou carburante, ou ainda, muito oxidante ou muitocarburante, com teores crescentes de oxigénio ou acetileno, respectivamente.

Operacionalmente, a soldagem a gás é feita seguindo-se as seguintes etapas:

abertura dos cilindros de gases e regulagem das pressões de trabalho, acendimentoe regulagem da chama, formação da poça de fusão, deslocamento da chama e

realização do cordão de solda, com ou sem o uso de metal de adição, interrupçãoda solda e extinção da chama.

(a)um

m(b)

' iíÍPM(C)

U8(d)

iiFigura 7Aparência típica dos diversos tipos de chama: (a) acetilênica. (b) redutora, (c) neutra e (d) oxidante *

ÍP

CAPÍTULO 11 I1-70SOLDAGEM E COTTI A GÁS I /J !r2l FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

iPara a formação da poça de fusão, a ponta do cone interno deve ser posicionada de

1 a 3 mm da superfície, formando um ângulo de 45 a 60 graus com a peça e mantidanesta posição até a fusão do metal de base.

Quando a poça de fusão atingir um tamanho adequado, a chama deve então serdeslocada ao longo da junta, mantendo-se constante a distância do cone interno àpoça de fusão. A velocidade de soldagem deve ser escolhida de forma a não provocarfusão insuficiente ou excessiva da peça e ser mantida constante durante a operação.Quando necessário, promove-se a adição de metal de enchimento, que deve serfeita na poça de fusão, à frente do cone interno. A ponta da vareta deve ser mantidatodo o tempo dentro da região do cone externo, para evitar sua contaminação pelaatmosfera.

Existem basicamente duas técnicas para a execução da soldagem oxi-acetilênica,ilustradas na Figura 8.0 uso da técnica soldagem a ré ou soldagem para trás produzum cordão de solda estreito e com maior penetração, permitindo o uso de maiorvelocidade de soldagem e a soldagem de peças de maior espessura. Já a outratécnica, soldagem para frente, resulta num cordão mais raso, sendo adequada paraa soldagem de chapas finas, de até 3 mm de espessura. Isto se deve à aplicação docalor mais diretamente sobre a superfície da chapa na soldagem à frente, enquanto

que na soldagem a ré, o calor é mais aplicado sobre a poça de fusão, particular¬mente na soldagem com adição de metal.

5. Aplicações Industriais

Embora a temperatura e a quantidade de calor geradas pela chama oxi-acetilênicasejam suficientemente elevadas para torná-la utilizável em soldagem, estes valo¬res são ainda baixos quando comparados com os de outras fontes de calor parasoldagem por fusão, como o arco elétrico, por exemplo, o que implica em baixasvelocidades de soldagem. Comparativamente, a intensidade média é da ordem de10 W/mm2 para a chama oxi-acetilênica, e de 300 W/mm2 para o arco elétrico.

Com isso. apesar de sua simplicidade e versatilidade, a soldagem a gás tem usorestritona indústria atual, devido à sua baixa produtividade, sendo utilizada principal¬mente em casos onde se exige um ótimo controle do calor cedido e da temperaturadas peças, como na soldagem de chapas finas e de tubos de pequeno diâmetro,em operações de brasagem e na soldagem de reparo, devido à sua portabilidade.A Tabela IV apresenta algumas ligas soldáveis pelo processo oxi-acetilênico.

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C Tabela IV- Algumas ligas soldáveis a oxi-acetilano

Metal de base Metal de adição£ Tipo de chama Uso de fluxoAlumínio Alumínio Ligeiramente redutora SimtBronze Bronze Ligeiramente oxidanteBireçtode

towágem SimI Cobre Cobre Neutra NôoDireção doâ Ferro fundido Ferro fundido Neutra SimMeld do Moto) do

sdtçflof íNíquel Níquel Ligeiramente redutora NãoISoMg Aço de baixo carbono

Aço de baixo carbono

Aço de alto carbono

Aço|Solda Neutra NãoIMetal deIbaie .IMetal de

lease IBronze Ligeiramente oxidante Sim(a) i-»V Al Aço Redutora•> Não

Figura 8Técnicas de soldagem oxi-acetilênica: (a) soldagem á ré ou à direita e (b) soldagem à frente ouà esquerda

Quando necessário, além do movimento longitudinal de translação da tochaao longo da junta, é feito um movimento transversal, chamado de tecimento, quepermite a obtenção de cordões mais largos e maior fusão das paredes do chanfro.Este tecimento auxilia também no controle da poça de fusão, evitando que ela escorrana soldagem fora da posição plana.

Ao final da soldagem, recomenda-se diminuir ao mínimo o tamanho da chamafechar primeiro o registro de acetileno e depois o do oxigénio. Isto porque, na

sequência inversa, ocorreria a formação de fuligem na ponta do bico, o que. com otempo, prejudicaria o funcionamento do maçarico devido a entupimentos.

Terminado o serviço, as válvulas dos cilindros de gases devem ser fechadas,as mangueiras e reguladores de pressão esvaziados, e os registros do maçaricofechados:

Aço inoxidável Aço inoxidável Neutra Simf \

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«I 74 SOLDAGEM1 / H! FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA CAPITULO

SOLDAGEM E CORTE A 175-! hB- OXI-CORTE 2. Equipamentos

ífi j~!’ c':.l( iVV/(L O equipamento usado para o corte a gás é basicamente o mesmo usado na solda¬gem a gás, diferenciando-se apenas pelo tipo de bico, que é próprio para operaçõesde corte. Este possui as partes essenciais de um maçarico de solda e uma tubulaçãoextra para o oxigénio de corte, dotada de uma válvula de acionamento rápido. Ummaçarico e bicos de corte típicos são mostrados na Figura 2.

J/v o O tt)

1. Fundamentos

%O processo oxi-corte ou corte a gás (Oxi-Fuel Gas Cutting -OFC) é um processono qual o corte do metal é obtido pela reação do oxigénio puro com o metal, a altatemperatura. Esta alta temperatura é conseguida inicialmente com o uso de umachama oxigénio-gás combustível. Para o corte de metais resistentes à oxidação, areação é auxiliada pela adição de fluxos e pós metálicos. O metal a ser cortado éaquecido por uma chama de pré-aquecimento pelo menos até a temperatura emque ocorre a reação do metal com o oxigénio, chamada de "temperatura de igni¬ção", sendo, a seguir, exposto a um jato de oxigénio de alta pureza. A oxidação dometal produz uma quantidade de calor suficiente para fundir o óxido formado, que éexpulso pelo jato de oxigénio, ocorrendo, assim, o corte e o aquecimento do metalde base adjacente. A Figura 1 ilustra o processo.

Por exemplo, a oxidação do ferro a altas temperaturas se processa emtrês reações,representadas pelas equações:

2 Fe + 02 — 2 FeO + 534 kJ

3 Fe + 2 02 Fe304 + 1.120 kJ

4 Fe + 3 02 — » 2 Fe203 + 1.650 kJ

sendo que a terceira reação só ocorre no corte de peças de maior espessura.

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S!i il. IiFigura 2Maçarico e bicos de corte oxi-gás típicos

Os maçaricos de cortetambém podem ser do tipo injetor ou misturador e tambémpossuem bicos intercambiáveis, que são trocados de acordo com a espessura a sercortada. A Tabela I apresenta alguns exemplos de diâmetros de bicos, consumo degás e velocidade de corte para aços de baixo carbono.

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KK

(Eq. 3)

(Eq. 4)

(Eq. 5)

Tabela I Exemplos de diâmetros de bicos, consumo de gases e velocidade de corte paraaços carbonoir\

1Espessuraa cortar

Diâmetro doorifício dobico (mm)

Velocidadede corte(cm/min)

Fluxo de gás(l/min).Oxigénio

I IOxigénio +111 combustível

(mm)Oxigénio (corte) Acetileno Gás Natural Propano

3.2 0.5 -1,0

0.7 -1,5

0,7 -1,5

1,0- 1,5

Bocal de corte 41-81 7-21 1,4 -4,3

1.4 -4.32,8-5,7

2.8- 5,7

3.3-6,6

3.3 -6.63.8-7,6

3,8 -7.64,3-9,4

4,3 -9.44.7-11,64.7-11,67.1-14,27,1-16.59.4 - 18.9

4.3-11,8

4,3-11.8

4.7-11.87.1- 14,2

7.1-14.28,5-16,5

1.4 -4,7

2.5 -5.72,4 -7.12.4 -7.12.8 -8.52.8 -8.53,8-9.43.8 -9.4

4,3-10,4

4,3-11,3

4,7-11,8

4,7-14.2

7.1-15,1

7,1-16.5

9.4-21.2

6.4 41 -66 14-26!. ti tl 1 ?!ChamasMarcas de corte 9.5 39-60 19-33

ílj13 30-58 26-40Metal de Cortebase 19 1.1 - 1,5 30-53 47-70)25 1,1 -1,5

1.5 -2.01.5 -2.0

23-46.Jato de oxigénio 52-76Escória

}38 15-35 52-83 8.5-16,5Figura 1Processo de corte a gás (esquemático) 51 15-33 61-90 9,4-18,9

76 1.6 -2.22.0 -2.32.0 -2.42.4 -2,7

2.4 -2,8

2.4 - 2.82.8 -3.3

10-28 ■I90-142 9,4-18,9O calor gerado durante o corte é suficiente para dar continuidade ao processo,

entretanto, a chama de pré-aquecimento é mantida durante toda a operação, poisfacilita a reação com o oxigénio, pelo fornecimento de calor à superfície da peça etambém evita que o jato de oxigénio seja contaminado pela atmosfera.

O processo é muito versátil, podendo cortar desde peças finas até peças com maisde um metro de espessura de aço. Os equipamentos mais comumente usados podemser manuais ou mecanizados e efetuar cortes retos, curvilíneos, múltiplos etc.

102 10-25 113-170127-170123- 236

217-293

9.4-18.9127 I10-20 11,8-23.6152 8-18 |11,8-23.6203 8-13 14.2-26.0 J254 5-10 274-331 16,5-33305 5-10 340- 401 21,2-44.9

'*•

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CAPÍTUL0 11 'S01DAGEMEC0RTEA6ÂS I / /17K I SOLDAGEM1 •0 I FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

Os equipamentos usados podem ser do tipo manual ou mecanizado, sendo queestes últimos realizam o corte com uma velocidade mais uniforme, propiciando melhoraparência e regularidade da superfície de corte. Equipamentos mecanizados podemser acoplados a copiadores óticos ou mecânicos e realizar cortes de acordo comgabaritos predeterminados. No Brasil, existem diversos equipamentos disponíveiscomercialmente, tanto manuais quanto mecanizados, com capacidade de cortesimples ou múltiplo, numa ampla faixa de espessuras. A Figura 3 mostra um equi¬pamento industrial típico de corte a gás mecanizado.

O acetileno é o mais usado, mas, para algumas aplicações especiais, como cortes muitolongos, outros gases podem apresentar vantagens, como menor custo e maior volumeacondicionado em cilindros de uma dada capacidade.

Os fluxos e pós são usados em operações de corte de materiais especiais, como oaço inoxidável, o ferro fundido, o bronze e o alumínio. Os pós utilizados são geralmenteo de ferro, no corte do aço inoxidável, ferro fundido e peças muito espessas de açocarbono, e o de alumínio, no corte de bronze e alumínio. Fluxos químicos são usadosno corte dos aços inoxidáveis e têm como função reagir com os óxidos de elementosde liga, como o cromo e o níquel, para formar compostos de ponto de fusão próximosao do óxido de ferro.

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>u 4. Técnica Operatória3 !i| É AÊtffiíll.I A operação de oxi-corte é relativamente simples e, em muitas etapas, semelhanteà soldagem oxi-gás. Inicialmente, efetua-se a regulagem da chama de pré-aqueci¬mento, em geral, neutra. A seguir é feito o pré-aquecimento da região de início docorte, até o rubro, quando é acionada a válvula de oxigénio. Este reage com o metale, quando o jato atinge a face oposta da peça, inicia-se o movimento de translaçãodo maçarico.

A velocidade de deslocamento é função do tipo e espessura do metal que estásendo cortado. Para cortes manuais, a velocidade de corte é dada pelo operador, epara cortes mecanizados geralmente é indicada pelo fabricante do equipamento,devendo ser ajustada de maneira conveniente. A Figura 4 mostra o efeito da veloci¬dade de corte no acabamento das faces cortadas.

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Figura 3Equipamento industrial típico de corte a gás mecanizado(

mmmmmmNormal fli:!íí!

■F’3. Consumíveisj■

IOs consumíveis do processo oxi-corte são o oxigénio, o gás combustível e os fluxose pós utilizados para corte de metais em que o corte convencional é insatisfatório.

O oxigénio usado na operação de corte deve ser de pureza elevada, maior ou iguala 99,5%. Um decréscimo de 1% nesta pureza pode resultar em um decréscimo de até15% na velocidade de corte e um aumento de até 25% no consumo de oxigénio. Alémdisso, a qualidade do corte é pior e ocorre maior aderência dos resíduos do corte nasfaces da peça. Para purezas inferiores a 95%. a ação de corte é extinguida.

Vários gases combustíveis podem ser usados nopré-aquecimento para início do corte,

incluindo o acetileno, o propano, o propileno, o butano, o metano, o GLP e o gás natural.

1 Rápido M!

Mm:;!i!;illLento

Figura 4Efeito da velocidade de corte no acabamento das faces cortadas por oxi-corte (esquemático)

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miií|179uwniULUSOLDAGEM E CORTE A i178'I SOLDAGEM

FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

%Tabela II- Efeitos dos elementos de liga sobre a operação de corte \%Ao final do corte, o jato de oxigénio é interrompido, e a chama de pré-aquecimentoextinta, como na soldagem a gás. A figura 5 mostra peças oxi-cortadas mecaniza-damente. \%Elemento Efeito

jCarbono Aços com até 0,25% de carbono podem ser cortados sem problemas.Acima disso passa a ser necessário o uso de pré-aquecimento para prevenirtêmpera e fissuração do material. Grafita e cementita são prejudiciais, masferros fundidos com até 4% de carbono podem ser cortados com o usode técnicas especiais.

Y > rM i1TV \ \\ '"Ví

Manganês Aços com aproximadamente 14% de manganês e 1,5% de carbono são di¬fíceis de cortar e o uso de pré-aquecimento produz melhores resultados.

Aços com até 5% de cromo são cortados' sem muita dificuldade quandoa superfície está limpa. Com teores mais altos, da ordem de 10%, exigemtécnicas especiais. A superfície de corte será áspera se usado o corte oxi-acetiiênico convencional.

\iU.F

Cromo/ /

ta-A

wmm s%Aços com até 7% de níquel podem ser cortados sem maiores problemas.Oxi-corte de excelente qualidade de aços inoxidáveis podem ser feitos coma utilização de pós e fluxos. :!íj Níquel

SÉ !iAs ligas usuais com até 14% de tungsténio podem ser cortadas facilmente.mas o corte é mais difícil quando o teor é mais alto.

Tungsténio W.I*.Em teores até 2%, não tem nenhum efeito.Cobre i

ItDesde que presente com teores até 10%. seu efeito não é apreciável.

Nas quantidades normalmente toleradas nos aços, este elemento não temqualquer efeito.

Pequenas quantidades comuns nos aços não têm efeito. Para teores maiselevados a velocidade de corte é reduzida e o dióxido de enxofre passa aser notado.

Alumínio

Fósforo

EnxofreFigura 5Peça cortada pelo processão oxi-corte mecânico

O processo de corte convencional é adequado para os aços carbono. Nos açosligados, os elementos de liga podem provocar efeitos indesejáveis sobre a operação,como indicado na Tabela II. Para o corte de aços inoxidáveis, ferros fundidos e nãoferrosos, o processo convencional não é adequado, exigindo o uso de técnicas es¬peciais como oscilação da tocha e adição de pós e fluxos para facilitar a operação.

J'Nas quantidades usuais em aços. este elemento mais facilita do que pre¬judica o corte.

Vanádiot

O corte térmico de aços temperáveis pode exercer alguma ação de têmpera nasuperfície de corte e, às vezes, se torna necessário o uso de pré-aquecimento oupós-aquecimento para contornar o problema.

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■

u5. Aplicações Industriais i»

XXO corte a gás é um processo com diversas aplicações industriais em váriossegmentos e, devido à sua versatilidade, é usado tanto na fabricação quanto namontagem e desmontagem de estruturas e peças metálicas. Na desmontagem, eleé usado na separação de uniões mecânicas em geral, através de rebites, parafusos,pinos, soldas, etc, bem como no corte de peças e chapas. Na montagem, o pro¬cesso é usado para a preparação de chapas, permitindo dar-lhe formas adequadaspara sua utilização posterior. Neste tipo de aplicação, podem-se citar os estaleiros

XiI

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SOlDAOmFUKMHfimS C TICMOIOCIA180

e calderarias pesadas como seus principais usuários. Na fabricação, pode-se usá-lona preparação de chanfros para soldagem e mesmo para confecção de peças comorodas dentadas, engates, ferramentas etc.

Devido à mobilidade do equipamento, o processo oxi-corte é de grande utilidadeem operações de salvamento, efetuadas pela policia e pelo corpo de bombeiros.como, por exemplo, retirada de vítimas de acidentes automobilísticos e ferroviáriosde destroços de veículos.

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ijl1

i!6. Exercícios e Práticas de Laboratório€ !!lia) Desenhe esquematicamente uma chama neutra e indique as variações da temperatura

ao longo do seu eixo.

b) Por que uma chama redutora não deve ser usada na soldagem de um aço baixocarbono?

licc CAPÍTULO 12

(SOLDAGEM COM ELETRODOS REVESTIDOSc) Quais as diferenças entre maçaricos de soldagem e do corte?

d) Por que é difícil ou mesmo impossível o corte oxi-acetilênico do alumínio?

e) No laboratório ou oficina de soldagem, identifique o tipo do maçarico que está sendousado Faça a regulagem das pressões de trabalho.dos gases e ajuste as vazões paraobter os diversos tipos de chama, observando a 'sua aparência. Experimente fazercordões de solda sem e com adição do metal, sobre chapas e depois em juntassimples. Use retalhos de chapas do 1 a 3 mm de espessura.

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;IÍIIc 1. Fundamentos

A soldagem a arco com eletrodos revestidos (Shielded Metal Arc Welding— SMAW) éum processo que produz a coalescência entre metais pelo aquecimento destes com umarco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico revestido e a peça que está sendosoldada. O processo é mostrado esquematicamente na Figura 1.

I s:( ;I!Ç $ t:iilii'1Reyesflmento 1)i “’ÍlíAlma.,« Icases'

l Metal dsadição !!ii>Eletrodo

revestido€ Escória /§\L ■ÁC SoldaMotaJde

C !;! 'tiiPoçadefusfioI !iiif Figura 1

Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestidoIV

1183 ®CAPTTU10 12SOLDAHM COM ELETRODOS PiVESTDOSSOLDAGEM

RMOAMINTOS E TlOtOlOGJA182

Metais de baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho e zinco, em geral, não sãosoldáveis a arco e metais refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônio, molib-dênio e nióbio não são soldáveis com eletrodos revestidos. Diferentes combinações demetais dissimilares podem ser soldadas por esse processo. A Tabela I mostra as faixasde espessura de aço comumente soldadas com eletrodos revestidos. Para espessurasinferiores a 2 mm, o material é facilmente perfurado pelo calor do arco, em caso demanipulação indevida e para espessuras muito grandes, a baixa produtividade do processoé o principal fator limitante. Assim, a soldagem com eletrodos revestidos é usada maisfrequentemente para espessuras entre 3 e 40 mm, em aços.

O eletrodo revestido consiste de uma vareta metálica, chamada "alma", trefilada oufundida, que conduz a corrente elétrica e fornece metal de adição para enchimento dajunta. A alma é recoberta por uma mistura de diferentes materiais, numa camada queforma o "revestimento" do eletrodo. Este revestimento tem diversas funções na solda¬gem, principalmente:

• estabilizar o arco elétrico;

• ajustar a composição química do cordão, pela adição de elementos de liga e eli¬minação de impurezas;

• proteger a poça de fusão e o metal de solda contra contaminação pela atmosfera.através da geração de gases e de uma camada de escória; e

• conferir características operacionais, mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo e àsolda, como será visto mais adiante.

Oí! n!hlin

Tabela I-Faixas típicas de espessuras para utilização da soldagem com eletrodos revestidos.Material: aço

1

ITécnica de soldagem Faixa de espessuras (mm)

Um passe, sem preparação

Um passe, com preparação

Vários passes

Rlete- passe único

1,0 a 3.2

3.2 a 6.4A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principalcaracterística deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas sol¬dáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metaldepositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário.comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acessoou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras caracteristicas importantes.

Quando comparada com outros processos, particularmente com a soldagem comeletrodo consumível e proteção gasosa e com soldagem a arco submerso (ver Capítulos15 e 16), a soldagem com eletrodos revestidos apresenta como principal limitação umabaixa produtividade, tanto em termos detaxa de deposição (entre 1,0 e 2,55kg/h para eletro¬dos de aço carbono, por exemplo), como em termos do fator de ocupação do soldador(porcentagem total do tempo de soldagem com o arco de soldagem em operação), emgeral inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento especificopara o soldador, que é demorado e oneroso, particularmente para certas aplicações,necessidade de cuidados especiais com os eletrodos. principalmente com os do tipobásico, e o grande volume de gases e fumos gerados no processo, que podem ser pre¬judiciais à saúde, particularmente em ambientes fechados.

A soldagem com eletrodos revestidos foi o principal processo de soldagem usadoindustrialmente até os anos 60. A partir dal sua importância relativa vem decrescendo,particularmente nos países mais'desenvolvidos. No Brasil isto também ocorre, emborade forma mais lenta.

acima de 3,2

1.5 a 7

!

2. Equipamentosi

IOs equipamentos de um posto de soldagem manual com eletrodos revestidos com¬preendem, em geral, fonte de energia, cabos, porta-eletrodos, ferramentas (picadeira,escova de aço etc.) e materiais de segurança (máscara, óculos, avental etc.), como mos¬trado na Figura 2.

íIif I

:Porta-eletrodo 1

(VFonte V >í:i íioOo _;í >s '£ 3:i\Ui

A soldagem com eletrodos revestidos é usada na fabricação e montagem de diferen¬tes equipamentos e estruturas, tanto em oficina como no campo, sendo particularmenteinteressante neste último caso. O processo é usado basicamente como uma operaçãomanual, sendo muitas vezes chamado simplesmente de soldagem manual. Somente

variação "mecanizada" do processo, a soldagem por gravidade, tem sido utilizada

íil''íf’ )

)ii: iCabos

sfjumana indústria de forma mais intensa, principalmente em estaleiros. Cabo terra 1Í

A soldagem manual pode ser usada em grande número de materiais, como aços car¬bono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, alumínio, cobre,

níquel e ligas destes, por exemplo.|i;iFigura 2

Equipamento para soldagem com eletrodos revestidos 1i

% CAPÍTUL0 12SOLDAGEM COM ElETRODOS REVESTIOOS

I185SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA184

I garras devem estar sempre bem limpas e em boas condições, para evitar problemas desuperaquecimento. Um porta-eletrodos é projetado para trabalhar com varetas dentrode uma determinada faixa de diâmetros, sendo especificado pela corrente máxima quepode conduzir. Como o peso do porta-eletrodos aumenta com o valor da corrente máximapermissível, deve-se procurar trabalhar sempre com o menor porta-eletrodos compatívelcom uma dada aplicação, a fim de reduzir a fadiga do soldador.

Os cabos têm a função de conduzir a corrente elétrica da fonte ao porta-eletrodos(cabo de soldagem) e da peça à fonte (cabo de retorno ou cabo terra). Estes podem ser decobre ou de alumínio, devem apresentar elevada flexibilidade, para facilitar o manuseio, eserem recobertos por uma camada de material isolante, resistente à abrasão e à sujeira.Três fatores devem ser considerados na escolha de cabos para uma dada aplicação:

• a corrente de soldagem

O comprimento do arco na soldagem com eletrodos revestidos é controlado manu¬almente pelo soldador, sofrendo, portanto, variações durante a execução do cordão desolda. Por esta razão, fontes de energia com características do tipo "corrente constante"são usadas (Capítulo 5).

A tensão em vazio, isto é, a tensão existente nos bornes de saída da máquina quandonão há fornecimento de corrente, é da ordem de 50 a 100 Volts. Valores mais elevadosde tensão em vazio facilitam a abertura do arco ou a sua reignição, no caso de soldagemcom corrente alternada, mas representam um risco maior para o soldador, em termosde choque elétrico, como visto no Capítulo 3. Após a abertura do arco, a tensão cai parao valor de trabalho, entre cerca de 17 e 36 Volts, e a corrente de soldagem se aproximado valor selecionado.

O baixo fator de ocupação do soldador, característico da soldagem manual com ele¬trodos revestidos, deve ser considerado na compra de um equipamento de soldagem.Assim, se se espera trabalhar correntes inferiores a 300 A, por exemplo, é desnecessárioadquirir uma fonte com um ciclo de trabalho de 100% para esta corrente, pois este equi¬pamento estaria superdimensionado e teria um custo elevado.

Quando existem diversos postos de soldagem com eletrodos revestidos em umadeterminada área, pode se tornar interessante a instalação de uma fonte de energiacentralizada, capaz de atender simultaneamente a todos os postos, como ilustrado naFigura 3. Neste tipo de instalação utiliza-se uma ou mais fontes de energia do tipo ten¬são constante ligadas em paralelo, à(s) qual(is) estão ligados, também em paralelo, osdiversos pontos de soldagem, através de barramentos. Em cada posto deve existir umreator variável (no caso de corrente alternada) ou um reostato para ajuste de corrente desoldagem. Este tipo de instalação é economicamente viável quando o número de postosé elevado e o fator de ocupação é baixo.

j i;ií!:!!• o ciclo de trabalho da máquinaI

• o comprimento total dos cabos do circuito.

A Tabela II mostra alguns exemplos de cabos recomendados para diferentes situações. T í! í

Tabela II- Diâmetros recomendados de cabos de cobre para soldagem ;

;a Corrente deSoldagem

Ciclo deTrabalho

(%)

Diâmetro do cabo (mm) em função doComprimento total (m)

(A) í0-15 15-30 30-46 46-61 61 -76

h|100 20 4 5 6 6.5 7,5

180 20-30 5 5 6 6.5 7,5

I200 60 6.5 6.5 6.5 7.5 8

200 50 6 6 6,5 7,5 8Posto 1

250 30 6 6.56 7.5 8For 300 60 8 8 8 9 10$ mSMI J 400 60 9 9 9 10 12Posto 2

500 60 9 9 9J 10 12

600 60 9 9 9 12 2x10

Posto 3Unha Linha A utilização de cabos de bitolas inadequadas, isto é, cabos muito finos para uma dadaaplicação, cabos danificados ou a utilização de conexões deficientes ou sujas, podemcausar superaquecimento, perdas de energia elétrica, variações na qualidade da solda eaté mesmo a ruptura de cabos e conexões.

Existem algumas variações do processo de soldagem com eletrodos revestidos, sendoa mais comum a soldagem por gravidade. Ésta variação permite a execução de soldas detopo ou filete de uma forma mecanizada, através da utilização de um suporte especial,no qual o porta-eletrodos desliza lateralmente e para baixo, à medida que o eletrodo vaisendo consumido, mostrado na Figura 4.

I íjj♦Posto n<it

Figura 3Diagrama esquemático de uma instalação centralizada para postos de soldagem com eletrodosrevestidos

O porta-eletrodos tem a função de prender o eletrodo e energizá-lo: Seu cabo deve serbem isolado para se minimizar o risco de choque elétrico para o soldador, enquanto suas

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1$I liISOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA

CAPÍTULO 12 ,SOLDAGEM COM ELFTRODOS REVESTIDOS j186 187

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Um eletrodo ideal seria aquele que cumprisse plenamente todas estas funções, a umcusto de produção satisfatório, e ainda que não apresentasse problemas de conservaçãoe manuseio. Obviamente, tal eletrodo não existe, e os eletrodos comerciais procuramatender mais completamente a um conjunto de exigências, em detrimento de outras, demodo a torná-los adequados a determinadas aplicações, a um custo razoável.

Como consequência, existe no mercado um grande número de tipos de eletrodosque apresentam diferentes características operacionais, aplicáveis a diferentes materiaise que produzem soldas com diferentes características. Para racionalizar o mercado, oseletrodos revestidos são classificados de acordo com sistemas propostos por diferentessociedades (AWS, DIN, AFNOR. ABNT, ISO etc.) As classificações mais usadas no Brasilsão as propostas pela AWS. listadas na Tabela III.

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Tabela III- Especificações AWS para classificação de eletrodos revestidos

Especificação Tipo de eletrodoFigura 4Suporte para soldagem por gravidade AWS A 5.1 Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços ao carbono

Eletrodos revestidos para soldagem a arco do alumínio e suas ligas

Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços inoxidáveis

Eletrodos revestidos para soldagem a arco de aços de baixa liga

Eletrodos revestidos para soldagem a arco de cobre e suas ligas

Eletrodos revestidos para soldagem a arco de níquel e suas ligas

Eletrodos revestidos para revestimento por soldagem a arco

Eletrodos e varetas para soldagem do ferro fundido

AWS A 5.3

AWS A 5.4 ?AWS A 5.5

!3. Consumíveis AWS A 5.6)

AWS A 5.11 SUm eletrodo revestido é constituído por uma vareta metálica, a alma, com diâmetroentre 1,5 e 8 mm e comprimento entre 23 e 45 cm, recoberta por uma camada de fluxo,

o revestimento. Eletrodos para soldagem por gravidade têm comprimento entre 55 e 70A composição do revestimento determina as características operacionais dos ele¬

trodos e pode influenciar a composição química e as propriedades mecânicas da soldaefetuada. Além das funções já citadas, o revestimento serve ainda para:

• realizar ou possibilitar reações de refino metalúrgico, tais como desoxidação, dessulfuração etc;

• formar uma camada de escória protetora:

• facilitar a remoção de escória e controlar suas propriedades físicas e químicas;

• facilitar a soldagem nas diversas posições:

• dissolver óxidos e contaminações na superfície da junta;

• reduzir o nível de respingos e fumos;

• diminuir a velocidade de resfriamento da solda;

• possibilitar o uso de diferentes tipos de corrente e polaridade;

• aumentar a taxa de deposição (quantidade de metal depositado por unidade de tempo).

entre outras.

AWS A 5.13

AWS A 5.15

,?cm. Para um maior domínio dos sistemas de classificação, recomenda-se uma consultadireta às normas. Como as especificações AWS para eletrodos de aço são as mais usa¬das, estas serão mais detalhadas à frente. Muitas das observações que serão feitas paraestes eletrodos se aplicam também a outros tipos.

Os materiais mais comumente presentes no revestimento de eletrodos de aço são:

• celulose e dextrina: substâncias orgânicas cuja queima no arco gera uma atmosfera redu¬tora, constituída principalmente por CO e H2, que protege o arco;

• carbonatos(em particular o CaC03): controlam a basicidade da escória e fornecem atmosferaprotetora com sua decomposição;

• dióxido de titânio (rutilo): reduz a viscosidade da escória e o seu intervalo de solidificação,além de estabilizar o arco;

• ferro-manganês e ferro-silício: promovem a desoxidação da poça de fusão e ajustamcomposição;

• pó de ferro: aumenta a taxa de deposição e o rendimento do eletrodo. além de estabilizaro arco;

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RJKOAMZMTDS E TECffQLQGIA III€ metal líquido. A quantidade de escória produzida é pequena, o arco é muito violento, cau¬sando grande volume de respingos e alta penetração, quando comparados a outros tiposde revestimentos. O aspecto do cordão não é bom, apresentando escamas irregulares.As características mecânicas da solda são consideradas boas, exceto a possibilidade defragilização pelo hidrogénio. São eletrodos particularmente recomendados para soldagemfora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulaçõese na execução de passe de raiz em geral. Devido à sua elevada penetração e grande perdapor respingos, não é adequado para o enchimento de chanfros.

Revestimentos de diferentes tipos podem conter adições de pó de ferro. Durante asoldagem, este é fundido e incorporado à poça de fusão, causando um melhor aprovei¬tamento da energia do arco e uma maior estabilização deste, pelo menos em adições deaté 50% em peso do revestimento. Além disso, o pó de ferro torna o revestimento maisresistente ao calor, permitindo a utilização de maiores correntes de soldagem para umdado diâmetro de eletrodo. Como resultado global, tem-se um aumento significativo nataxa de deposição de eletrodos com pó de ferro em seu revestimento. Por outro lado,quanto maior a adição de pó de ferro, maior será a poça de fusão e a dificuldade de seucontrole durante a soldagem, dificultando ou mesmo impossibilitando a soldagem forada posição plana.

O sistema de classificação de eletrodos de aço carbono e de baixa liga da AWS utilizaum conjunto de números e letras que fornecem várias informações a respeito dos ele¬trodos, como mostrado na Figura 5.

outras adições metálicas: controlam a composição do metal depositado;

argilas: formam escória e facilitam a fabricação do eletrodo por extrusâo;

fluoreto de cálcio: ajuda a controlar a basicidade da escória e diminui sua viscosidade;

silicatos: formam escória e os silicatos de potássio ou sódio agem como ligante do reves¬timento e estabilizante do arco; e

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• óxidos de ferro e manganês: formam escória, controlam a sua viscosidade e estabilizam oarco.

De acordo com sua formulação, os revestimentos dos eletrodos revestidos podemser separados em diferentes tipos, por exemplo:

• revestimento oxidante: constituído principalmente de óxido de ferro e manganês, produzescória oxidante, abundante e fácil de destacar. O eletrodo pode ser utilizado em CC ouCA, apresentando baixa penetração. O metal depositado possui baixo teor de carbono emanganês, epropriedades inadequadas para aplicações de responsabilidade, embora a apa¬rência do cordão seja muito boa. Este tipo de revestimento é pouco usado atualmente;

• revestimento ácido: constituído principalmente de óxido de ferro e manganês e sílica, produzescória ácida abundante e porosa, de fácil remoção. O eletrodo pode ser usado com CCou CA, a penetração é média e sua taxa de fusão é elevada, levando a uma poça de fusãovolumosa, o que limita a sua aplicação às posições plana e horizontal. As propriedades dasolda são consideradas boas para diversas aplicações, mas sua resistência à formação detrincas de solidificação é baixa. A aparência do cordão é muito boa;

• revestimento rutílico: contém quantidade significativa de rutilo (Ti02) e produz uma escóriaabundante, densa e de fácil destacabilidade. São eletrodos de fácil manipulação, podemser usados tanto em CC quanto em CA, em qualquer posição. Produzem um cordão debom aspecto, com média ou baixa penetração. A sua resistência à fissuração a quente érelativamente baixa. Eletrodos com este tipo de revestimento têm grande versatilidade esão de uso geral;

• revestimento básico: contém quantidade apreciável de carboijato de cálcio e fluorita, ca¬paz de gerar uma escória básica que, juntamente com o dióxido de carbono gerado peladecomposição do carbonato, protege a solda do contato com a atmosfera. Esta escóriaexerce uma ação metalúrgica benéfica sobre a solda, dessulfurando-a e reduzindo o risco deformação de trincas de solidificação. Não possui substâncias orgânicas em sua formulaçãoe, se armazenadoemanuseado corretamente, produz soldas com baixo teor dehidrogénio,o que diminui o risco de fissuração e de fragilização induzidas por este elemento. A penetraçãoé média, e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente quanto àtenacidade. Este tipo de revestimento é indicado para aplicações de alta responsabilidade.para soldagem de grandes espessuras e para estruturas de alta rigidez. É também o maisusado na soldagem de aços de composição química desconhecida oude pior soldabilidade.como os aços com alto teor de carbono e/ou enxofre. Revestimentos básicos são altamentehigroscópicos. e os eletrodos deste tipo requerem cuidados especiais de armazenagem esecagem:e

• revestimento celulósico: possui uma elevada quantidade de material orgânico (por exemplo,celulose), cuja decomposição no arco gera grande quantidade de gases que protegem o

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MliIndica requisitos de absorção deumidade

€ jHíTeor de hidrogénio difusivel (H), emml/100g de metal depositado€ i!ii!

C IIndica a ductflidade do metal depositado

Indica as posições de soldagem usáveisusáveis, o tipo de revestimento e o tipode corrente

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ííit;c Ml'Indica o limite de resistência mínimo do _metal depositado (em 1000 psl) Mi:MEletrodo para soldagem a arco

AWSEXXYY-1HZRc iíí(Figura 5Esquema explicativo do sistema de classificação de eletriodos revestidos adotado pelasespecificações AWS A 5.1 (aços carbono) e A 5.5 (aços baixa liga) :;i!C ill!:líNeste sistema, a identificação se inicia pela letra E. que indica que o consumível é um

eletrodo (e não uma vareta, que é indicada pela letra R). O conjunto seguinte, formado pordois ou três algarismos, indica o limite de resistência mfnimo à tração do metal depositado

;;r.li:,r.

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n:SOLOAOEMFUNOAAIBITDS ETKNOIOGM190 CAPflUlD 12 1Q1

SOUlAGai COM afTROOOS REVESTIDOS Isl HI‘JOpelo eletrodo. em ksi (1.000 psi). Esta resistência refere-se à obtida em corpos de provaextraídos de soldas depositadas em chanfros especiais (conforme exigido nas especifica¬ções), de modo a minimizar a diluição e, portanto, não considerem a influência do metalbase. Assim, por exemplo, dois eletrodos capazes de depositar, nas condições da norma,um material com resistência mecânica de 60.000 psi (410 MPa) e 100.000 psi (685 MPa),seriam classificados como E 60XX e E 100XX, respectivamente. O digito seguinte é umalgarismo, que indica a posição de soldagem em que o eletrodo pode ser utilizado, sendo1 para soldagem em todas as posições, 2 para soldagem na posição plana e horizontal e,4 para soldagem na posição plana, horizontal e vertical descendente. O próximo dígito,que é o último para eletrodos de aço carbono, indica o tipo de revestimento do eletrodoe, portanto, suas caracterlsticas operacionais. Seu significado é mostrado na Tabela IV.

depositado por este eletrodo, nas condições especificadas pela AWS, deve ter um limitede resistência ã tração mínimo de 60.000 psi (410 MPa).

Para aços de baixa liga, a classificação AWS apresenta, após o último dígito que indicatipo de revestimento, um hífen seguido de um conjunto de letras e números, que esta¬belece classes de composição química, cujo significado é mostrado na Tabela V. Outradiferença entre as classificações de eletrodos de aço carbono e de aço de baixa liga estánas classes de resistência mecânica do metal depositado, respectivamente 60/70 ksi ede 60 a 120 ksi. A seguir são mostrados alguns exemplos de classificação de eletrodosde baixa liga e é proposto como exercício a sua interpretação: E 7018-A1, E 8018-C1, E9015-B9, E 10016-d2, E 12018-M.

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MTabela IV-Significadodo último dígito da classificação AWS de alguns tipos de eletrodos revestidosde aço carbono e aço baixa liga

Tateia V-Códigos de composição química de eletrodos de baixa Gga, segundo a norma AWS A 5.5

Código Significado 0Tipo decorrente (*)

Posição de soldagem outipo (#)

IUTipo de revestimentoEletrodo AI Eletrodos de aço carbono-molibdênio (0.40-0,65% Mo)

Eletrodos de aço cromo-molibdênio (0.40 a 10,5% Cr e 0,40 a 1.20 % Mo)

Eletrodos de aço ao níquel (0,80 a 7,25% Ni)

Eletrodos de aço níquel-molibdênio (0.80 a 1,10% Ni e 0,4 a 0,65% Mo)

Eletrodo de aço manganês-molibdênio (1.0 a 2,0% Mn e 0,25-0,65% Mo)

Eletrodos de aço baixa liga em geral com teor mínimo de pelo menos um dos seguinteselementos: 1% Mn, 0,8% Si, 0,5% Ni, 0,3% Cr, 0,20% Mo, 0,10% V ou 0,20% Cu

Eletrodos para aplicações militares

Eletrodos para soldagem de tubulações

Eletrodos resistentes à corrosão atmosférica

}í íi!B1 a B9*í*CC+R H. V. SCCelulósico, sódioE 6010

C1 aC5* ;|||CC+.CAR H. V SC

R H. V SC

R H, V, SC

RH.V.SC

Celulósico, potássio

Rutilico, sódio

Rutllico. potássio

Ácido/Rutilico. potássio

Ácido

E 6011NM iiiCC-, CAE 6012

Dl a D3 i hcCC+, CC-, CAE 6013G

CC+. CC-, CAE 6019 ;íIJMCC+. CC-, CAR Filete HE 6020

0;! biPCC+. CC-. CAR H, V, SCRutllico com pó de ferroE 7014 nwCC+RH.V.SCBásico, sódioE 7015

* O sufixo L adicionado após o número indica baixo teor de carbono, em geral inferior a 0,05%CC+.CAR H. V. SCBásico, potássioE 7016 (liCC+.CAR H, V. SCBásico, potássio, pó de ferroE 7018

Os eletrodos de aço inoxidável e outras ligas ferrosas com elevado teor de cromo sãoagrupados na especificação AWS A 5.4. Por esta especificação, os eletrodos são divididosem cinco grupos, quanto às caracterlsticas do revestimento:

• E XXX-15-eletrodos para operar com somenteem CC+,com revestimento básico e utilizávelem todas as posições;

• E XXX-16-eletrodos para operar com CC+ e CA,com revestimento rutilico (potássio), usávelem todas as posições;

• E XXX 17 - eletrodos para operar em CC+ e CA, com revestimento rutílico/sílica (potássio),apresentam melhores aspecto superficial e caracterlsticas operacionais que os do tipo 16,utilizável em todas as posições; »

• E XXX 25 - eletrodos sintéticos (alma de aço carbono) para operar somente em CC+, comrevestimento básico semelhante ao do tipo 15, contendo ferro-ligas e pós metálicos, reco¬mendados para as posições plana e horizontal: e

iSCC+. CC-, CAR Filete HRutllico. pó de ferro

Ácido, pó de ferro

E 7024 ICC+, CC-, CAR Filete HE 7027CC-, CAR H, V, SC, VdBásico, potássio, pó de ferroE 7048

í(#) p _ piana, H-Horizontal. V Vertical, SC — Sobrecabeça, Filete H — Filete horizontal

i:Vd — Vertical descendente )(*) CA — Corrente alternada

CC+ — Corrente continua eletrodo positivo (polaridade inversa)

CC__

Corrente continua eletrodo negativo (polaridade direta)

Assim, por exemplo, uma classificação do tipo E 6010 indica um eletrodo comrevestimento celulósico, com ligante à base de silicato de sódio, indicado para soldagem

todas as posições, devendo-se utilizar corrente contínua, eletrodo positivo. O metal

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