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  INTRODUđấO ầ SOLDAGEM Terminologia, simbologia e processos

  Prof. Me. Carlos Eduardo Reis de Carvalho

  IFMG – Campus Ouro Branco Ouro Branco, Julho de 2017

  Sumário

  

01 Introdução à Soldagem. Formação de uma junta soldada. ................................................... 1

Objetivos ................................................................................................................................... 1

  1.1 Origem da soldagem........................................................................................................... 1

  1.2 Métodos de união dos materiais. ...................................................................................... 5

  1.3 Como é possível ser formada uma junta soldada?.......................................................... 15 Exercícios ................................................................................................................................ 19 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 20

  

02 Soldagem como processo de fabricação mecânica. ............................................................. 20

Objetivos ................................................................................................................................. 20

  2.1 O que é fabricação mecânica? ......................................................................................... 20

  2.2 Classificação da soldagem como processo de fabricação mecânica............................... 26 Exercícios ................................................................................................................................ 37 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 37

  

03 Importância da Soldagem na atividade industrial. .............................................................. 38

Objetivos ................................................................................................................................. 38

  3.1 Quais indústrias utilizam a soldagem em seus processos? ............................................. 38

  1.2 As aplicações da soldagem na indústria. ......................................................................... 39 Exercícios ................................................................................................................................ 43 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 43

  

04 Soldagem de Produção e Manutenção. ................................................................................ 44

Objetivos ................................................................................................................................. 44

  4.1 A soldagem na manufatura de diversos produtos. ......................................................... 44

  4.2 Sem a soldagem não há produção! .................................................................................. 49 Exercícios ................................................................................................................................ 54 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 55

  

05 Terminologia da Soldagem. Simbologia da Soldagem. ........................................................ 55

Objetivos ................................................................................................................................. 55

  5.1 Vamos dar nomes aos bois! Termos comuns em soldagem. .......................................... 55

  1.2 São tantos nomes que fica mais fácil desenhar! Símbolos usados em soldagem. ......... 68 Exercícios ................................................................................................................................ 81 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 82

  

06 Consumíveis de Soldagem. .................................................................................................... 83

  Objetivos ................................................................................................................................. 83

  6.1Quais materiais são consumidos para dar origem à uma junta soldada? ....................... 83

  6.2 Qual a função dos consumíveis? ...................................................................................... 83 Exercícios ................................................................................................................................ 92 Referências bibliográficas ...................................................................................................... 92

  

07 Classificação e armazenamento dos consumíveis de Soldagem. ......................................... 92

Objetivos ................................................................................................................................. 92

  7.1 Classificação dos consumíveis. ......................................................................................... 93

  7.2 Armazenamento dos consumíveis. ................................................................................ 100 Exercícios .............................................................................................................................. 104 Referências bibliográficas .................................................................................................... 104

  

08 Introdução aos Processos de Soldagem. Fontes de Calor. ................................................. 105

Objetivos ............................................................................................................................... 105

  8.1 Introdução aos processos de soldagem. ........................................................................ 105

  8.1.1 Processos de Soldagem por Fusão ........................................................................... 105

  8.1.2 Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação) ..................................... 106

  8.2 Fontes de energia ........................................................................................................... 106

  8.2.1 Fontes elétricas - arco elétrico ................................................................................. 106

  8.2.2 Fontes elétricas - resistência elétrica ....................................................................... 109

  8.2.3 Fontes químicas - chama direta ............................................................................... 109

  8.2.4 Fontes químicas - aluminotermia ............................................................................. 109

  8.2.5 Fontes óticas ............................................................................................................ 110

  8.2.6 Fontes mecânicas ..................................................................................................... 110

  8.3 Gases de proteção .......................................................................................................... 110

  8.3.1 Argônio e hélio ......................................................................................................... 112

  8.3.2 Adições de O 2 e CO 2 ao argônio ou hélio ................................................................. 112

  8.3.3 CO Puro ................................................................................................................... 113 2

  8.4 Revestimentos e fluxos .................................................................................................. 113 Exercícios .............................................................................................................................. 114 Referências bibliográficas .................................................................................................... 115

  

09 Processos de soldagem oxi-gás. .......................................................................................... 115

Objetivos ............................................................................................................................... 115

  9.1 Introdução. ..................................................................................................................... 115

  9.2 Aplicação ......................................................................................................................... 117

  9.3 Fundamentos do processo. ............................................................................................ 118

  9.3.1 Gases ........................................................................................................................ 120

  9.3.2 A chama oxiacetilênica ............................................................................................. 122

  9.4 Consumíveis. ................................................................................................................... 125

  9.5 Equipamentos ................................................................................................................. 126

  9.6 Métodos de operação na soldagem ............................................................................... 133

  9.7 Segurança na soldagem. ................................................................................................. 139 Exercícios .............................................................................................................................. 140 Referências bibliográficas .................................................................................................... 141

  

10 Processo de soldagem por aluminotermia. ........................................................................ 141

Objetivos ............................................................................................................................... 141

  10.1 Introdução. ................................................................................................................... 141

  10.2 Aplicação ....................................................................................................................... 142

  10.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 142

  10.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 144

  10.5 Equipamentos ............................................................................................................... 144

  10.6 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 144 Exercícios .............................................................................................................................. 145 Referências bibliográficas .................................................................................................... 145

  

11 Processos de soldagem eletrodos revestidos. .................................................................... 146

Objetivos ............................................................................................................................... 146

  11.1 Introdução. ................................................................................................................... 146

  11.2 Aplicação ....................................................................................................................... 148

  11.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 149

  11.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 151

  11.4.1 Eletrodos ................................................................................................................ 151

  11.4.2 Cuidados com os eletrodos revestidos .................................................................. 155

  11.5 Equipamentos ............................................................................................................... 155

  11.6 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 158

  11.7 Segurança na soldagem. ............................................................................................... 164 Exercícios .............................................................................................................................. 164 Referências bibliográficas .................................................................................................... 165

  

12 Processos de soldagem GTAW (TIG). .................................................................................. 165

Objetivos ............................................................................................................................... 165

  12.1 Introdução. ................................................................................................................... 165

  12.2 Aplicação ....................................................................................................................... 166

  12.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 167

  12.3.1 Parâmetros de soldagem ....................................................................................... 169

  12.3.2 Eletrodos ................................................................................................................ 170

  12.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 170

  12.4.1 Metal de adição ...................................................................................................... 171

  12.4.2 Gases de proteção .................................................................................................. 171

  12.5 Equipamentos ............................................................................................................... 172

  12.6 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 173 Exercícios .............................................................................................................................. 175 Referências bibliográficas .................................................................................................... 176

  

13 Processo de soldagem GMAW (MIG/MAG)........................................................................ 176

Objetivos ............................................................................................................................... 176

  13.1 Introdução. ................................................................................................................... 177

  13.2 Aplicação ....................................................................................................................... 178

  13.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 178

  13.3.1 Parâmetros de soldagem ....................................................................................... 183

  13.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 184

  13.4.1 Eletrodos ................................................................................................................ 184

  13.4.2 Gases de proteção .................................................................................................. 187

  13.5 Equipamentos ............................................................................................................... 189

  13.5.1 Tocha ...................................................................................................................... 189

  13.5.2 Transportadores de arame eletrodo ...................................................................... 190

  13.5.3 Grampos terra. ....................................................................................................... 191

  13.5.4 Cabos ...................................................................................................................... 192

  13.6 Fontes de soldagem ...................................................................................................... 192

  13.6.1 Características da corrente de soldagem ............................................................... 193

  13.7 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 198

  13.8 Variantes do processo .................................................................................................. 200

  13.8.1 MIG/MAG pulsado ................................................................................................. 200

  13.8.2 MIG sinérgico ......................................................................................................... 201 Exercícios .............................................................................................................................. 201 Referências bibliográficas .................................................................................................... 201

  

14 Processo de soldagem arame tubular (FCAW). .................................................................. 202

Objetivos ............................................................................................................................... 202

  14.1 Introdução. ................................................................................................................... 202

  14.2 Aplicação ....................................................................................................................... 204

  14.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 205

  14.3.1 Parâmetros de soldagem ....................................................................................... 206

  14.3.2 Modos de transferência ......................................................................................... 207

  14.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 208

  14.5 Equipamentos ............................................................................................................... 214

  14.5.1 Tocha ...................................................................................................................... 215

  14.5.2 Transportadores de arame eletrodo ...................................................................... 215

  14.6 Fontes de soldagem ...................................................................................................... 216 Exercícios .............................................................................................................................. 216 Referências bibliográficas .................................................................................................... 216

  

15 Processos de soldagem a arco submerso. .......................................................................... 216

Objetivos ............................................................................................................................... 216

  15.1 Introdução. ................................................................................................................... 217

  15.2 Aplicação ....................................................................................................................... 217

  15.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 219

  15.3.1 Parâmetros de soldagem ....................................................................................... 222

  15.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 227

  15.4.1 Eletrodos ................................................................................................................ 227

  15.4.2 Fluxos...................................................................................................................... 228

  15.5 Equipamentos ............................................................................................................... 229 Fontes de soldagem .......................................................................................................... 229

  15.6 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 230 Exercícios .............................................................................................................................. 232 Referências bibliográficas .................................................................................................... 233

  

16 Processos de soldagem plasma. .......................................................................................... 233

Objetivos ............................................................................................................................... 233

  16.1 Introdução. ................................................................................................................... 233

  16.2 Aplicação ....................................................................................................................... 234

  16.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 236

  16.3.1 Parâmetros de soldagem ....................................................................................... 238

  16.4 Consumíveis. ................................................................................................................. 244

  16.4.1 Eletrodos ................................................................................................................ 244

  16.4.2 Metal de adição ...................................................................................................... 245

  16.4.3 Gases de proteção .................................................................................................. 245

  16.5 Equipamentos ............................................................................................................... 246

  16.6 Métodos de operação na soldagem............................................................................. 249 Exercícios .............................................................................................................................. 251 Referências bibliográficas .................................................................................................... 252

  

17 Processo de soldagem de pinos. ......................................................................................... 252

Objetivos ............................................................................................................................... 252

  17.1 Introdução. ................................................................................................................... 252

  17.2 Aplicação ....................................................................................................................... 253

  17.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 253

  17.3.1 Descarga capacitiva ................................................................................................ 254

  17.4 Equipamentos ............................................................................................................... 255

  17.5 Cuidados necessários para um bom desempenho do sistema automático ............... 257 Exercícios .............................................................................................................................. 258 Referências bibliográficas .................................................................................................... 258

  

18 Processo de soldagem por eletro-escória. .......................................................................... 258

Objetivos ............................................................................................................................... 258

  18.1 Introdução. ................................................................................................................... 258

  18.2 Aplicação ....................................................................................................................... 260

  18.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 261

  18.4 Equipamentos ............................................................................................................... 267

  18.5 Consumíveis .................................................................................................................. 271

  18.6 Variáveis do processo ................................................................................................... 275

  18.7 Técnica operatória. ....................................................................................................... 280

  18.8 Parâmetros de soldagem. ............................................................................................ 284

  18.9 Processo Eletro gás. ...................................................................................................... 286

  Exercícios .............................................................................................................................. 292 Referências bibliográficas .................................................................................................... 293

  

19 Processo de soldagem por feixe de elétrons. ..................................................................... 293

Objetivos ............................................................................................................................... 293

  19.1 Introdução. ................................................................................................................... 293

  19.2 Aplicação ....................................................................................................................... 295

  19.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 295

  19.3.1 Técnicas de soldagem ............................................................................................ 296

  19.4 Equipamentos ............................................................................................................... 300

  19.5 Variáveis do processo ................................................................................................... 300

  19.6 Técnica operatória. ....................................................................................................... 308 Exercícios .............................................................................................................................. 309 Referências bibliográficas .................................................................................................... 309

  

20 Processo de soldagem à laser. ............................................................................................ 310

Objetivos ............................................................................................................................... 310

  20.1 Introdução. ................................................................................................................... 310

  20.2 Aplicação ....................................................................................................................... 311

  20.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 313

  20.3.1 Técnicas de soldagem ............................................................................................ 317

  20.4 Equipamentos ............................................................................................................... 319

  20.5 Variáveis do processo ................................................................................................... 321 Exercícios .............................................................................................................................. 323 Referências bibliográficas .................................................................................................... 323

  

21 Processos híbridos de soldagem. ........................................................................................ 323

Objetivos ............................................................................................................................... 323

  21.1 Introdução. ............................................................................................................... 323

  21.2 Aplicação ....................................................................................................................... 324

  21.3 Fundamentos do processo. .......................................................................................... 325

  21.4 Equipamentos ............................................................................................................... 325 Exercícios .............................................................................................................................. 329 Referências bibliográficas .................................................................................................... 329

  

22 Processos de soldagem a energia radiante. ....................................................................... 330

Objetivos ............................................................................................................................... 330

  22.1 Introdução. ................................................................................................................... 330

  22.2 Processo de Soldagem por feixe de Elétrons (Electron Beam Welding) ..................... 332

  22.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 333

  22.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 334

  22.2.3 Equipamentos. ....................................................................................................... 334

  22.2.4 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 335

  22.3 Brasagem. ..................................................................................................................... 336

  22.3.1 Aplicação. ............................................................................................................... 338

  22.3.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 338

  22.3.3 Processos de Brasagem .......................................................................................... 341

  22.3.4 Consumíveis ........................................................................................................... 345 Exercícios .............................................................................................................................. 347 Referências bibliográficas .................................................................................................... 347

  

23 Processos de soldagem no estado sólido. .......................................................................... 348

Objetivos ............................................................................................................................... 348

  23.1 Introdução. ................................................................................................................... 348

  23.2 Soldagem por Fricção ................................................................................................... 348

  23.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 350

  23.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 350

  23.2.3 Equipamentos. ....................................................................................................... 355

  23.2.4 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 355

  23.2.5 Friction Stir Welding (FSW) .................................................................................... 357

  23.2.6 Friction hydro pilar processing (FHPP) ................................................................... 361

  23.2.7 Costura por fricção ("Friction stitch welding") ....................................................... 363

  23.3 Soldagem a frio. ............................................................................................................ 364

  23.3.1 Aplicação. ............................................................................................................... 365

  23.3.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 365

  23.3.3 Equipamento .......................................................................................................... 367

  23.3.4 Técnica operatória.................................................................................................. 368 Exercícios .............................................................................................................................. 369 Referências bibliográficas .................................................................................................... 369

  

24 Processos de soldagem no estado sólido. .......................................................................... 369

Objetivos ............................................................................................................................... 370

  24.1 Introdução. ................................................................................................................... 370

  

25 Processos de soldagem no estado sólido. .......................................................................... 373

Objetivos ............................................................................................................................... 373

  26.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 381

  26.2 Soldagem por Explosão ................................................................................................ 380

  26.1 Introdução. ................................................................................................................... 380

  

26 Processos de soldagem no estado sólido. .......................................................................... 379

Objetivos ............................................................................................................................... 379

  25.2.5 Limitações. ............................................................................................................. 379 Exercícios .............................................................................................................................. 379 Referências bibliográficas .................................................................................................... 379

  25.2.4 Equipamentos. ....................................................................................................... 377

  25.2.3 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 376

  25.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 375

  25.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 374

  25.2 Soldagem por Difusão .................................................................................................. 374

  25.1 Introdução. ................................................................................................................... 374

  24.5.4 Técnica operatória.................................................................................................. 373 Exercícios .............................................................................................................................. 373 Referências bibliográficas .................................................................................................... 373

  24.2 Soldagem por Forjamento ............................................................................................ 370

  24.5.3 Equipamentos. ....................................................................................................... 372

  24.5.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 372

  24.5.1 Aplicação. ............................................................................................................... 371

  24.5 Soldagem por laminação. ............................................................................................. 371

  24.3.2 Equipamento. ......................................................................................................... 371

  24.3.1 Aplicação. ............................................................................................................... 371

  24.4 Soldagem por pressão a quente. ................................................................................. 371

  24.3 Soldagem por forjamento a frio. .................................................................................. 371

  24.2.3 Equipamentos. ....................................................................................................... 370

  24.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 370

  24.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 370

  26.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 382

  26.2.3 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 383

  26.2.4 Tipos de montagem ................................................................................................ 384

  26.2.5 Técnica operatória. ................................................................................................ 385

  26.2.6 Equipamentos. ....................................................................................................... 388

  26.2.7 Vantagens. .............................................................................................................. 388

  26.2.8 Limitações. ............................................................................................................. 389

  26.2.9 Segurança. .............................................................................................................. 389 Exercícios .............................................................................................................................. 389 Referências bibliográficas .................................................................................................... 389

  

27 Processos de soldagem no estado sólido. .......................................................................... 390

Objetivos ............................................................................................................................... 390

  27.1 Introdução. ................................................................................................................... 390

  27.2 Soldagem por Ultrassom .............................................................................................. 390

  27.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 391

  27.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 392

  27.2.3 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 396

  27.2.5 Técnica operatória. ................................................................................................ 396

  27.2.6 Equipamentos. ....................................................................................................... 397

  27.2.7 Vantagens. .............................................................................................................. 397 Exercícios .............................................................................................................................. 399 Referências bibliográficas .................................................................................................... 399

  

28 Processos de soldagem por pressão. .................................................................................. 400

Objetivos ............................................................................................................................... 400

  28.1 Introdução. ................................................................................................................... 400

  28.2 Soldagem por Resistência ............................................................................................ 400

  28.2.1 Aplicação. ............................................................................................................... 402

  28.2.2 Fundamentos do processo. .................................................................................... 402

  28.2.3 Processos de soldagem por resistência.................................................................. 408

  28.2.4 Parâmetros de soldagem. ...................................................................................... 416

  28.2.5 Técnica operatória. ................................................................................................ 419

  28.2.6 Equipamentos. ....................................................................................................... 422

  28.3 Soldagem por Centelhamento ..................................................................................... 425

  28.4 Soldagem por Alta Frequência ..................................................................................... 426

  

Exercícios .............................................................................................................................. 427

Referências bibliográficas .................................................................................................... 428

01 Introdução à Soldagem. Formação de uma junta soldada.

  Objetivos Mostrar a evolução da soldagem como processo de fabricação e de manutenção.

  Caracterizar a soldagem como um dos métodos de união dos materiais. Mostrar como é feita a união de materiais metálicos através da soldagem.

1.1 Origem da soldagem.

  Solda e soldagem são termos muito utilizados na indústria e não devem ser confundidos entre si. Seus significados vêm sendo ajustadas com o passar dos tempos, para se adequarem a inovações tecnológicas tanto de processos quanto de materiais para

  A soldagem é um processo de união que produz a coalescência (união) dos materiais pelo aquecimento dos mesmos até a temperatura de soldagem, com ou sem a aplicação de pressão, ou somente pela aplicação de pressão, e com ou sem o uso de metal de adição.

  A solda, em contrapartida, é a coalescência (união) localizada de metais ou não metais produzida, ou pelo aquecimento dos materiais até a temperatura de soldagem, com ou sem a aplicação de pressão, ou somente pela aplicação de pressão, com ou sem o uso de metal de adição.

  A palavra "soldagem" refere-se à "ação de unir peças': enquanto a palavra "solda" refere-se ao "resultado ou ao produto da operação". Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cerca de 100 anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas desde épocas remotas.

  É possível associarmos o desenvolvimento da soldagem a alguns períodos da história da humanidade. Parte do desenvolvimento que levaria aos métodos de soldagem empregados atualmente teve origem em tempos remotos. É bem possível que a origem dos metais tenha coincidido com a do fogo, tido como descoberto por volta do ano 8000 a.c. Há 5 mil anos, na cidade de Ur, Caldeia, uniam-se peças de ouro, considerado o primeiro metal obtido e utilizado, por meio de uma técnica atualmente conhecida como solda brasagem.

  Há 3 mil anos, o homem inventou o processo de forjar a quente, concentrando o calor na zona da peça onde se queria unir outra peça, martelando em seguida. O advento do ferro, por volta de 2000 a.c., foi um passo importante para a

  Metalurgia, pois substituiu o cobre e o bronze na confecção de diversos artefatos. O ferro era produzido por redução direta e conformado por martelamento na forma de blocos com um peso de poucos quilogramas. Quando peças maiores eram necessárias, os blocos eram soldados por forjamento, isto é, o material era aquecido ao rubro, colocava-se areia entre as peças para escorificar impurezas e martelava-se até a soldagem.

  Feito dessa forma há um pilar de cerca de sete metros de altura e mais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Delhi (Índia). Uma das mais antigas notícias que se tem sobre a soldagem remonta ao forjamento da espada de Damasco (1300 a.c.) e ao uso de uma espécie de maçarico soprado pela boca, usando álcool ou óleo como combustível. Essa técnica, usada pelos egípcios para fundir e soldar bronze, foi transmitida aos gregos e aos romanos.

  A soldagem foi usada, na antiguidade e na idade média, para a fabricação de armas e outros instrumentos cortantes. Desde sua descoberta, a soldagem tem sido de grande importância para todos os segmentos industriais. Seu desenvolvimento foi baseado nas necessidades de cada época. Descobertas, novos processos, novas técnicas surgiam para atender demandas específicas. Esta importância começou a diminuir, nos séculos XII e XIII, com o desenvolvimento de tecnologia para a obtenção, no estado líquido, de grandes quantidades de ferro fundido com a utilização da energia gerada em rodas d'água e, nos séculos XIV e XV, com o desenvolvimento do alto forno. Com isto, a fundição tornou-se um processo importante de fabricação, enquanto a soldagem por forjamento foi substituída por outros processos de união, particularmente a rebitagem e parafusagem, mais adequados para união das peças produzidas. Mas esse tipo de processo de montagem e fixação era limitado no quesito resistência dos elementos de fixação, pelo fato de cada um deles não suportar o efeito da força de cisalhamento, pois com as vibrações que esses componentes sofriam a relação da cinta de fixação acabava sendo grande e com muitos elementos.

  Sua montagem também era complexa, e necessitava de um número muito grande de profissionais para a sua execução. Durante muitos séculos, a soldagem manteve-se inalterada até que o surto de desenvolvimento provocado pela Revolução Industrial, no século XIX, fez surgir novos processos, que foram sendo aperfeiçoados.

  Com a execução comercial da soldagem nos anos aproximadamente 1800, e sendo a soldagem um processo de fabricação que une dois ou mais materiais por processo de fusão do metal de base, a resistência da montagem ficava distribuída por toda a cinta de fixação, e o metal adicionado se diluía no metal de base. Assim houve um ganho produtivo, em que os espaçamentos entre as colunas de uma estrutura podem ser aumentados mais que o dobro, conseguindo-se vãos maiores com o número de colunas menor.

  A soldagem permaneceu como um processo secundário de fabricação até o século

  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 da acetileno por Edmund Davy e do desenvolvimento de fontes produtoras de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de soldagem por fusão. Ao mesmo tempo, o início da fabricação e utilização de aço 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 Nikolas Bernados e Stanislav Olszewsky em 1885, foi baseada em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada (figura 1.1).

  

Figura 1.1- Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carvão de acordo com a patente de Bernados.

  A partir daqui podemos resumir o que aconteceu nos anos seguintes do desenvolvimento da soldagem: 1889 N.G. Slavianoff e C. Coffin substituem o eletrodo de grafite por arame metálico; 1901 Fouché e Picard desenvolvem o primeiro maçarico industrial para soldagem oxiacetilênica; 1903 Goldschmidt descobre a solda aluminotérmica; 1907 O. Kjellberg deposita a patente do primeiro eletrodo revestido; 1919 C. J. Halsag introduz a corrente alternada nos processos de soldagem; 1926 H.M. Hobart e P.K. Denver utilizam gás inerte como proteção do arco elétrico; 1930 Primeiras normas para eletrodo revestido nos EUA;

  1935 Desenvolvimento dos processos de soldagem TIG e Arco Submerso; 1948 H.F. Kennedy desenvolve o processo de soldagem MIG; 1950 França e Alemanha desenvolvem o processo de soldagem por feixe de elétrons; 1953 Surgimento do processo MAG; 1957 Desenvolvimento do processo de soldagem com arame tubular e proteção gasosa; 1958 Desenvolvimento do processo de soldagem por eletro-escória , na Rússia;

  1960 Desenvolvimento de processo de soldagem a laser, nos EUA; 1970 Aplicados os primeiros robôs nos processos de soldagem.

  A Fig. 1.2 mostra a evolução dos processos de soldagem ao longo do tempo.

Figura 1.2 - Evolução dos processos de soldagem ao longo do tempo.

  O processo de soldagem vem ao longo do tempo consolidando seu espaço e sua importância no processo produtivo da indústria mundial. Por ser um processo que contém muitas variáveis, seu estudo é muito complexo e tem uma grande gama de procedimentos e materiais que ainda não foram catalogados com dados precisos, ou até mesmo com informações quaisquer.

1.2 Métodos de união dos materiais.

  Os métodos de união de metais podem ser divididos em duas categorias principais aqueles baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas (interatômicas ou intermoleculares). No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite, mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. Esses elementos de união podem ser roscadas (parafusos, porcas, pinos e insertos), ou sem rosca (rebites, pinos, anéis de pressão, pregos). São extremamente úteis em montagens que exigem fixação reversível (exceto rebites).

  No segundo caso, a união é conseguida pela aproximação dos átomos e moléculas das partes a serem unidas, ou destas e um material intermediário, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem. A junção é permanente e a composição local é alterada e misturada como um todo.

Figura 1.3 Representação de elementos de união para métodos baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas.

  Métodos baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas.

  

Os elementos utilizados para efetuar a união com forças macroscópicas são representados pelos rebites e

pelas porcas.

  Rebitagem:

  Os rebites são utilizados quando se tem o objetivo de criar uma junta mecânica permanente. Possui taxa de produtividade elevada, é simples e confiável, além de ter baixo custo. O rebite consiste de um pino com cabeça e sem rosca que pode unir duas ou mais partes sendo necessária após sua inserção a formação de uma segunda cabeça, por recalque.

  A figura a seguir mostra alguns tipos de rebite:

Figura 1.4 Representação da rebitagem.

  Aplicações:

  • Em estruturas metálicas;
  • Em serviços de funilaria;
  • Em utensílios de cozinha; Considerações:
  • A flexão e a tração nos rebites é desprezível;

  • A fricção entre as peças não contribuem para a transferência de força;
  • As tensões residuais podem ser desprezadas;
  • A tensão de cisalhamento é uniforme e igualmente dividida entre os rebites Defeitos de rebitagem
  • Furos fora do eixo, formando degraus;
  • Chapas mal encostadas;
  • Diâmetro do furo muito maior em relação ao diâmetro do rebite;
  • Aquecimento excessivo do rebite;
  • Rebitagem descentralizada;
  • Mal uso das ferramentas para fazer a cabeça;
  • O comprimento do corpo do rebite é pequeno em relação à espessura da chapa;

  Parafusagem: Parafusos Parafusos são utilizados como elementos de união entre partes metálicas ou não.

  são elementos de fixação que têm por característica a presença de roscas externas. Existem vários tipos de parafusos, como os autoatarraxantes, que possuem geometrias que permtiem que formem ou cortem furos correspondentes ao furo.

  Há também, as porcas, que são elementos de fixação com rosca interna correspondente ao dos parafusos de mesmo diâmetro, passo e forma do filete.

Figura 1.5 Montagens apresentando: (a) parafuso e porca, (b) parafuso. Adaptado.Figura 1.6 Representação de um parafuso.

  

Existem vários tipos de parafuso, sendo em maior quantidade aqueles sem porca.

Figura 1.7 Alguns tipos de parafusos conforme o tipo de cabeça. Adaptado.Figura 1.8 (a) Montagem de um anel de ajuste de um anel em um eixo utilizando um parafuso de ajuste; (b) alguns tipos de geometrias de parafusos de ajuste (cabeça e ponta). Adaptado.Figura 1.9 Parafusos autoatarraxantes: (a) por conformação e (b) por corte. Adaptado. Vantagens:

  • Rapidez nas ligações de campo;
  • Economia em relação ao consumo de energia;
  • Não necessidade de mão de obra extremamente qualificada para execução de montagem e melhor respostas às tensões de fadiga.

  Desvantagens:

  • Necessidade de verificação de área líquida e esmagamento das peças;
  • Necessidade de previsão antecipada para evitar a falta de parafusos no processo produtivo e em alguns casos,
  • Necessidade de pré-montagem da peça para a união perfeita no processo produtivo.

  Métodos baseados no aparecimento de forças mecânicas microscópicas. Brasagem:

  A brasagem é um processo de soldagem originado da solda forte. Solda forte, também conhecida por "brazing", é a soldagem em que o metal de adição apresenta temperatura acima de 450°C, mas inferior à temperatura de fusão do metal de base. A solda forte dá origem à brasagem e à soldabrasagem ou solda brasada. Existe outro método de soldagem, conhecido como solda branda ou fraca, em que o metal de adição tem o ponto de fusão abaixo de 450°C.

  Uma Definição:

  Brasagem é um processo térmico de união de materiais onde se utiliza uma fase líquida obtida, normalmente, pela fusão de um metal de adição, que preenche a folga entre os materiais base por efeito da capilaridade. O metal de adição deve fundir-se em temperaturas abaixo do início da fusão de qualquer dos materiais base envolvidos.

Figura 1.10 Ilustração dos processos de brasagem e solda-brasagem.

  Capilaridade

  A capilaridade ou ação capilar é a capacidade que um metal em estado líquido apresenta de preencher espaços existentes entre os grãos das peças a soldar. No processo de brasagem não é necessário trabalhar o perfil das peças, pois estas não se fundem. O que vai unir as peças é o metal de adição, este sim, fundido, que penetra pelos espaços existentes entre elas.

Figura 1.11 Efeito capilar ou capilaridade em diferentes folgas.

  Aplicações:

  • Na maioria dos casos, a solda forte é feita pelo processo de soldagem oxicombustível, com uma liga de cobre em forma de vareta e um fluxo adequado; no entanto, é possível utilizar os processos TIG ou arco plasma, sem a necessidade da utilização de fluxos e sem fundir o metal de base.
  • A brasagem é utilizada na união de metais dissimilares, de peças de pequena espessura, de metais tratados termicamente e em uniões de metal com cerâmica. Abrange um campo vasto que vai desde a indústria elétrica e eletrônica atéa indústria automobilística e de aviação.
  • A soldabrasagem é empregada na soldagem de tubos, varões, barras e componentes fundidos e forjados, quando se desejam resultados com pequenas deformações. É geralmente utilizada para unir ferro fundido e aços, mas pode também ser empregada para unir cobre, níquel e sua ligas. Outros metais podem ser unidos por soldabrasagem com um adequado metal de adição, além de metais dissimilares. A solda branda é utilizada principalmente nas indústrias elétrica e eletrônica, na • soldagem de circuitos impressos, de componentes e em ligações de terminais elétricos.
Figura 1.12 Brasagem de tubo de cobre e anel de aço.Figura 1.13 Exemplo real de uma junta brasada cobre-aço carbono. Vantagens A solda forte apresenta algumas vantagens, em relação aos processos de soldagem por fusão; requer menor calor, o que acarreta maior rapidez para realizar a união, embora produza pequenas distorções; o metal de adição apresenta baixa tensão residual e sua ductilidade permite usinagem; as soldas têm resistência adequada para muitas aplicações; o equipamento empregado é simples e de fácil utilização; metais frágeis, como ferro fundido cinzento, podem ser unidos sem alto pré-aquecimento.

  Desvantagens As desvantagens da solda forte são a resistência de solda, que é limitada à resistência do metal de adição; a temperatura de serviço, que é limitada ao ponto de fusão do metal de adição, como acontece com as ligas de cobre, limitadas à temperatura de serviço de 260°C; e a possibilidade de a solda forte provocar corrosão galvânica na junta.

  Colagem

  É um processo de união inter-metálica que consiste em unir partes metálicas ou não, através da adição de uma substância com grande poder adesivo. Pouco utilizado na união de elementos metálicos porem muito utilizado outros materiais: madeira, plástico, cerâmica, vidro, papel, tecidos entre outros. Consiste na deposição de uma certa quantidade de cola ou resina em uma ou ambas as superfícies de união. Estas devem estar previamente limpas. Após um determinado período há a cura da resina e com isso ocorre a união das partes.

  A colagem pode ser: Instantânea, Não instantânea.

  Algumas resinas podem necessitar de catalisador para que ocorra a cura. As principais resinas utilizadas industrialmente são:

  Epóxi, PVA, Fenólicas entre outras.

  Soldagem

  Os processos de soldagem são utilizados para fabricar produtos e estruturas metálicas, aviões e veículos espaciais, navios, locomotivas, veículos ferroviários e rodoviários, pontes, prédios, oleodutos, gasodutos, plataformas marítimas, reatores nucleares e periféricos, trocadores de calor, utilidades domésticas, componentes eletrônicos etc.

  Esse assunto será abordado novamente adiante.

1.3 Como é possível ser formada uma junta soldada?

  Os materiais normalmente utilizados em engenharia encontram-se nos estados sólido ou líquido, por esse motivo é importante conhecermos as ligações que ocorrem nos materiais: as ligações interatômicas ou ligações químicas.

  As ligações químicas são divididas em duas classes: as ligações primárias ou fortes e as ligações secundárias ou fracas. As ligações primárias são, normalmente, dez vezes mais fortes do que as ligações secundárias.

  Se dois átomos são aproximados a partir de uma distância infinita até ficar próximos o bastante para reagirem entre si, algum tipo de ligação será formado, dependendo das possibilidades que existem de interação entre eles. Quando esses dois átomos estão suficientemente distantes entre si a interação atômica entre eles é nula, mas quando eles começam a se aproximar a uma distância pequena o bastante, eles começam a interagir através da atração entre núcleo e elétrons. À medida que a distância diminui começa a ocorrer repulsão entre os núcleos dos átomos. Assim podemos dizer que há equilíbrio na ligação entre os dois átomos quando as forças de atração e de repulsão se equiparam.

Figura 1.14 Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles.

  As ligações químicas primárias se dividem em: iônicas, covalentes e metálicas. As ligações secundárias são agrupadas naquilo que se chama de Ligações de van der Waals.

  As ligações fortes se formam através do preenchimento dos níveis s e p externos. As ligações fracas seguem outros mecanismos para se formarem.

  O fato de os átomos se ordenarem de forma repetitiva nos sólidos cristalinos permite que pequenos grupos de átomos formem um padrão repetitivo básico que descreve o comportamento de toda a estrutura. Esse conceito é importante na descrição de estruturas cristalinas por subdividi-las em pequenas entidades que são representativas de toda a estrutura. Essas entidades são conhecidas por células unitárias.

  A célula unitária é unidade básica da estrutura cristalina, pois ela representa a simetria da estrutura, em que todas as posições dos átomos no cristal podem ser geradas por translações de comprimentos inteiros ao longo das arestas da célula unitária.

Figura 1.15 Modelos para as células unitárias cúbica simples (CS), cúbica de corpo centrado (CCC) e cúbica de face centrada (CFC), considerando apenas um átomo em cada ponto da rede.

  As ligações químicas estudadas anteriormente ajudam na compreensão das estruturas que se formam nos materiais no estado sólido. De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de

  átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0.

  Situação de energia mínima. Na superfície do sólido, não situação de equilíbrio. Uma solda pode ser formada a partir da aproximação de duas peças metálicas.

Figura 1.16 Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças.

  Na prática, isso não ocorre. Por quê? A explicação para isto está na existência de obstáculos que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordem de r . Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos:

  As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e sub-microscópica. Mesmo uma superfície com um acabamento cuidadoso apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atômicas. Isto impede uma aproximação efetiva das superfícies, o que ocorre apenas em alguns poucos pontos de contato, de modo que o número de ligações formadas é insuficiente para garantir qualquer resistência para a junta.

Figura 1.17 Representação esquemática da superfície metálica limpa.

  As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxidos, umidade, gordura, poeira, etc, o que impede um contato real entre as superfícies, prevenindo a formação da solda. Estas camadas se formam rapidamente e resultam exatamente da existência de ligações químicas incompletas na superfície.

  Dois métodos principais são utilizados para superar estes obstáculos, que originam os dois grandes grupos de processos de soldagem.

  O primeiro consiste em deformar as superfícies de contato permitindo a aproximação dos átomos a distâncias da ordem de r .

Figura 1.18 Soldagem por pressão ou deformação.

  O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região de união até a sua fusão e do metal de adição (quando este é utilizado), destruindo as superfícies de contato e produzindo a união pela solidificação do metal fundido.

Figura 1.19 (a) Representação esquemática da soldagem por fusão. (b) Macrografia de uma junta.

  Exercícios 1. Explique como as diferenças entre os vários métodos de união.

  2. Quais são as principais vantagens que os métodos de união por forças macroscópicas possuem.

  3. Compare a rebitagem com a brasagem.

  4. Explique o que é soldagem.

  5. Como podemos formar juntas soldadas?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio ; BRANDI, Sérgio Duarte ; MELLO, Fábio Décourt

  Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher, 1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

02 Soldagem como processo de fabricação mecânica.

  Objetivos Conhecer os principais processos de fabricação mecânica.

  Caracterizar a soldagem como um dos processos de fabricação mecânica.

2.1 O que é fabricação mecânica?

  As técnicas de fabricação dos metais são precedidas normalmente por processos de refino, formação de ligas e, com frequência, de tratamento térmico, que produzem ligas com as características desejadas. As classificações das técnicas de fabricação incluem vários métodos de conformação de metais, fundição, metalurgia do pó, soldagem e usinagem; com frequência, duas ou mais dessas técnicas devem ser usadas antes que uma peça esteja acabada. Os métodos escolhidos dependem de vários fatores: os mais importantes são as propriedades do metal, o tamanho e a forma da peça acabada, além, obviamente, do custo. A seguir um esquema ilustrando uma classificação dos processos na figura 2.1.

Figura 2.1 Esquema de classificação para as técnicas de fabricação de metais.

  As operações de conformação são aquelas em que a forma de uma peça metálica é alterada por deformação plástica; por exemplo, forjamento, laminação, extrusão e trefilação são técnicas de conformação usuais. Obviamente, a deformação deve ser induzida por uma força ou tensão externa, cuja magnitude deve exceder o limite de escoamento do material. A maioria dos materiais metálicos é especialmente adequada a esses procedimentos, sendo pelo menos moderadamente dúcteis e capazes de sofrer alguma deformação permanente sem trincar ou fraturar.

  O forjamento consiste no trabalho mecânico ou na deformação de uma única peça de um metal normalmente a quente; isso pode ser obtido pela aplicação de golpes sucessivos ou por compressões contínuas. As forjas são classificadas como de matriz fechada ou de matriz aberta.

  Chaves e ferramentas, além dos virabrequins dos motores e das barras de conexão dos pistões automotivos, são itens típicos conformados de acordo com essa técnica. A figura 2.2 mostra um esquema de produção de uma peça por forjamento.

Figura 2.2 Esquema de uma operação de forjamento.

  A laminação, que é o processo de deformação mais amplamente utilizado, consiste em se passar uma peça metálica entre dois rolos; uma redução na espessura resulta das tensões de compressão exercidas pelos rolos.

  Chapas, tiras e folhas, com elevada qualidade de acabamento superficial, formas circulares, assim como vigas ''l'' e trilhos de trem, são fabricadas usando rolos com ranhuras.

  As operações de laminação são muito importantes no beneficiamento dos metais e ligas destinados às aplicações industriais. Nestas operações, tarugos, placas ou vergalhões são conformados para obtenção de perfis, chapas ou fio-máquina.

  Em geral os equipamentos de laminação, chamados de laminadores, são projetados para proporcionar o aumento do comprimento a partir da redução de espessura. A figura 2.3 mostra o esquema simplificado de um laminador.

Figura 2.3 Esquema simpli f icado de um laminado r.

  Os produtos mais comuns oriundos da laminação são: Chapas grossas, especialmente de aço-carbono.

  Chapas médias e finas laminadas a quente sob a forma de bobinas, de aço-carbono, aços inoxidáveis, alumínio e cobre. Chapas finas laminadas a frio sob a forma de bobinas, de aço-carbono, aços inoxidáveis, alumínio e cobre. Perfis de aço e alumínio, vergalhões de aço-carbono. Barras de cobre. Fio-máquina e fios de cobre ou alumínio. Em uma extrusão, uma barra metálica é forçada através de um orifício em uma matriz pela ação de uma força de compressão aplicada sobre um êmbolo: a peça extrudada que emerge possui a forma desejada e uma área de seção transversal reduzida. Dentre os produtos de extrusão estão incluídas os tubos e as barras que possuem geometrias de seção transversal relativamente complexas; tubos sem costura também podem ser extrudados. A figura 2.4 ilustra o processo de extrusão.

Figura 2.4 Processo de extrusão.

  A trefilação ou trefilagem consiste em se puxar uma peça metálica através de uma matriz que possui um orifício cônico, mediante uma força de tração aplicada pelo lado de saída do material. Tem-se como resultado uma redução na área de seção transversal, com um aumento correspondente no comprimento da peça. A operação completa de trefilação pode consistir na passagem através de várias matrizes posicionadas em série. Barras, arames e materiais para tubos são fabricados geralmente dessa maneira. A figura 1.5 ilustra o processo de trefilagem para produção de arames de aço.

Figura 2.5 Esquema de um processo de trefilagem para produção de arame.

  A fundição é um processo de fabricação em que um metal totalmente fundido é derramado na cavidade de um molde que possui a forma desejada; com a solidificação o metal assume a forma do molde, mas sofre alguma contração.

  As técnicas de fundição são empregadas quando (1) a forma acabada é tão grande ou complicada que qualquer outro método seria impraticável, (2) uma liga específica possui uma ductilidade tão baixa que a conformação tanto por trabalho a quente quanto por trabalho a frio seria difícil e (3) em comparação a outros processos de fabricação, a fundição é o processo mais econômico. Além disso, a etapa final no refino, até mesmo de metais dúcteis, pode envolver um processo de fundição. Uma variedade de diferentes técnicas de fundição é comumente empregada, incluindo a fundição em molde de areia, com matriz, de revestimento ou precisão, com espuma perdida e a fundição contínua.

  A obtenção de peças por processo de fundição é uma das mais antigas formas de utilização dos materiais metálicos. Na fundição, é necessário prover canais para saída dos gases e canais com excedente de material para evitar o rechupe (cavidade devido à contração na solidificação) na fase final de solidificação.

Figura 2.5 Processo de fundição.

  Outra técnica de fabricação envolve a compactação de pós metálicos seguida por um tratamento térmico para produzir uma peça mais densa. O processo é chamado apropriadamente de metalurgia do pó, sendo designado frequentemente por P/M

  

(Powder Metallurgy). A metalurgia do pó torna possível a produção de uma peça

  virtualmente não porosa tendo propriedades praticamente equivalentes às do material original completamente denso.

  A metalurgia do pó é utilizada para produção de peças sem defeitos internos. Neste processo utiliza-se um pó do metal, que é comprimido em um molde e em seguida levado ao forno para sinterização.

  Como toda a operação se dá no estado sólido, ou seja, sem fusão não há a formação de vazios, poros ou outro qualquer defeito interno.

2.2 Classificação da soldagem como processo de fabricação mecânica.

  O termo soldagem abrange um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas metálicas. Em certo sentido, a soldagem pode ser considerada como uma técnica de fabricação. Na soldagem, duas ou mais peças metálicas são unidas para formar uma única peça, quando a fabricação da peça em uma única parte é cara ou inconveniente. Tanto metais similares quanto diferentes podem ser soldados. A ligação da união é metalúrgica (envolvendo alguma difusão), em vez de ser somente mecânica, como acontece com as peças que são rebitadas ou aparafusadas. Existe uma variedade de métodos de soldagem, incluindo a soldagem a arco e a maçarico, além da brasagem e da solda branca.

  Desta forma esta técnica é exaustivamente utilizada nas montagens industriais, na fabricação de vasos, tanques, dutos e tubulações em geral, etc. Na soldagem quanto melhor a qualidade da junta soldada mais as características e propriedades se aproximam do metal de base. Aliás, na soldagem é comum chamar o material das peças de metal de base e o material adicionado à junta de metal de adição. Esta melhor qualidade consegue-se com processos adequados de soldagem e com rigorosa inspeção da junta soldada por meio de ensaios não destrutivos.

  Durante a soldagem a arco e a maçarico, as peças a serem unidas e o material de enchimento (i.e.. o eletrodo de solda) são aquecidos até uma temperatura suficientemente elevada para fazer com que ambos se fundam: com a solidificação, o material de enchimento forma uma junção fundida entre as peças de trabalho. Dessa forma, existe uma região adjacente à solda que pode sofrer alterações microestruturais e nas suas propriedades: essa região é denominada zona termicamente afetada (algumas vezes abreviada por ZTA). Dentre as possíveis alterações nessa região incluem-se as seguintes:

  1. Se o material da peça de trabalho tiver sido previamente trabalhado a frio, essa zona termicamente afetada pode ter sofrido recristalização e crescimento dos grãos e, dessa forma, uma redução da resistência, dureza e tenacidade. A ZTA para essa situação está representada esquematicamente nas figuras 42 e 43.

  2. Com o resfriamento, pode haver a formação de tensões residuais nessa região, que enfraquecem a junção.

  3. No caso dos aços, o material nessa zona pode ter sido aquecido até temperaturas suficientemente elevadas para formar austenita. Com o resfriamento até a temperatura ambiente, os produtos microestruturais que se formam dependem da taxa de resfriamento e da composição da liga. Nos aços-carbono comuns, normalmente estarão presentes a perlita e uma fase proeutetoide. Entretanto, nos aços-liga, um produto microestrutural pode ser a martensita, que é normalmente indesejável, por ser muito frágil.

  4. Alguns aços inoxidáveis podem ser "sensibilizados" durante a soldagem, o que os torna suscetíveis à corrosão intergranular.

  Essas alterações serão estudas com mais detalhes nas disciplinas Metalurgia da Soldagem I e II.

  Existem vários processos de soldagem:

  Solda a Maçarico ou Solda Oxiacetilênica

  É um processo de soldagem a gás no qual o calor necessário para soldagem é obtido através da chama produzida pela combustão, em geral, de acetileno pelo oxigênio. A combustão do acetileno ocorre em duas etapas: a de combustão primária, onde somente o oxigênio do cilindro participa da reação, e a de combustão secundária, cuja reação ocorre com a participação do ar atmosférico.

  As chamas possuem duas partes, sendo elas chamadas de dardo e penacho. As características da chama dependem da relação entre o combustível (acetileno, hidrogênio, propano ou GLP) e o carburante (oxigênio). Estabelece-se a regulagem da chama pela razão, entre os volumes do carburante e do combustível na zona de combustão primária. Em geral se define três tipos de chama, sendo elas chamadas de redutora, neutra e oxidante. A temperatura da chama é função da distância, média a partir da extremidade do dardo.

  As principais aplicações deste processo são:

  • Na soldagem de peças finas, tubos de pequeno diâmetro.
  • Em manutenção e reparo.

  As vantagens deste processo podem ser assim enumeradas:

  • Baixo custo.

  Permite o fácil controle da operação. • • Não necessita de energia elétrica.

  • Emprega equipamento portátil.

  As principais limitações são:

  • Exige uma boa habilidade do soldador.
  • Tem baixa taxa de deposição.
  • Apresenta riscos de acidente com os cilindros de gases.
  • Conduz a um superaquecimento.

  Soldagem com Eletrodo Revestido

  Consiste em um arco elétrico que é formado com o contato do eletrodo (revestido) na peça a ser soldada. O eletrodo é consumido à medida que vai se formando o cordão de solda, cuja proteção contra contaminações do ar atmosférico é feita por atmosfera gasosa e escória, proveniente da fusão do seu revestimento.

  O material do eletrodo é chamado de metal de adição e por esta razão os eletrodos são denominados de consumíveis. O eletrodo é constituído pela alma metálica coberta com o revestimento que tem como funções:

  • Estabilizar o arco elétrico.
  • Gerar gases de proteção da poça de fusão.
  • Produzir escória que evita contaminação pelo ar atmosférico da poça de fusão e do cordão de solda.
  • >Adicionar elementos de liga na poça de fus&atild
  • Facilitar a soldagem fora de posição.

  As principais aplicações deste processo são:

  • Soldagem de produção, manutenção e em montagens no ca
  • Soldagem de aços-carbono e ligado.
  • >Soldagem de ferro fund
  • Soldagem de alumínio, níquel e suas ligas.

  As vantagens deste processo podem ser assim enumeradas:

  • Baixo custo do equipamento.
  • Versatilidade.
  • Soldagem em locais de difícil acesso.
  • Disponibilidade de consumíveis no mercado.

  As principais limitações são:

  • Baixa produtividade devido à taxa de deposição.
  • Necessidade de remoção de escória.
  • >Dependente da habilidade do solda
  • Produção de fumos e respingos.
  • >Qualidade do cordão inferior aos processos TIG, Plasma e
  • Posição de soldagem restrita.
  • Não automatizável, ou apenas semi-automatizável.

  Soldagem pelo Processo TIG (Tungsten Inert Gas)

  O processo de soldagem TIG é definido como o processo de soldagem a arco elétrico estabelecido entre um eletrodo não consumível à base de tungstênio e a peça a ser soldada. A poça de fusão é protegida por um fluxo de gás inerte.

  Os gases de proteção utilizados são: o argônio que é o gás de proteção mais empregado, o hélio, a misturas de argônio/hélio ou ainda a mistura de argônio/hidrogênio para situações específicas.

  As aplicações mais comuns do processo TIG são:

  • Soldagem em tubos inoxidáveis.
  • Soldagem de Al, Mg e Ti particularmente peças leves ou de precisão.
  • Passe de raiz em tubulações de aço carbono e outros materiais.
  • Este processo tem como vantagens:
  • Soldas de excelente qualidade.
  • >Acabamento do cordão de so
  • Menor aquecimento da peça soldada.
  • Reduz a possibilidade de sensitização. Ausência de respingos.
  • Pode ser automatizado .

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Dificuldade de utilização em presença de corrente de ar.
  • Inadequado para soldagem de chapas de mais de 6 mm de espessura.
  • Produtividade baixa devido à taxa de deposição.
  • Custo do equipamento.
  • Processo depende da habilidade do soldador, quando não automatizado.

  Soldagem pelo Processo MIG (Metal Inert Gas)

  No processo de soldagem MIG, o arco elétrico é aberto entre um arame alimentado continuamente e o metal de base. A região fundida é protegida por um gás inerte ou mistura de gases (argônio, CO 2, Hélio ou Oxigênio).

  Tal como no processo TIG, o gás inerte protege a região do arco contra a contaminação atmosférica durante a soldagem. Na soldagem MIG do alumínio, normalmente, são utilizados os gases argônio, hélio ou uma mistura de argônio/hélio. As aplicações mais comuns do processo MIG são: • Soldagem de aços-carbonos, baixa e alta liga.

  • Soldagem de materiais não ferrosos, com espessura ≥ 1 mm.
  • Soldagem de tubos, chapas, etc.
  • Soldagem em posições diferentes da horizontal.

  Este processo tem como vantagens: • Facilidade de operação apesar da dificuldade de regulagem.

  • Alta produtividade.
  • Processo automatizável.
  • Cordão de solda com bom acabamento.
  • Não forma escória e gera pouca quantidade de fumos.
  • Soldas de excelente qualidade.

  As limitações mais importantes deste processo são: • Regulagem do processo bastante complexa.

  • Não deve ser utilizado em presença de corrente de ar.
  • Posição de soldagem limitada.

  • Probabilidade elevada de gerar porosidade no cordão de solda.
  • Produção de respingos.
  • Manutenção mais trabalhosa.

  Soldagem por Resistência e Soldagem por Eletroescória

  A soldagem por resistência elétrica utiliza o aquecimento por efeito Joule para realizar a fusão da face comum entre as duas peças. O efeito Joule ocorre pela geração de calor através da passagem de corrente elétrica em uma resistência. No caso da soldagem de chapas, a maior resistência está localizada exatamente na superfície interna das chapas. Com aplicação da pressão pelos eletrodos de cobre e a posterior passagem de corrente, ocorre a fusão desta face comum.

  As aplicações mais comuns do processo de soldagem por resistência são:

  • Soldagem de metais le
  • Soldagem de aços, aços galvanizados e ligas inoxidáveis.
  • >Soldagem de zinco, cobre, prata, níquel e bro
  • Ligas inoxidáveis.
  • Ligas de alumínio e magnésio.

  Este processo tem como vantagens:

  • Soldagem de chapas muito finas.
  • >Facilidade de operaç&atild
  • Velocidade do processo elevada.
  • Facilidade para manutenção.
  • Não depende da habilidade do soldador.

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Não aceita peças com formatos muito complexos e pesadas.
  • Custo elevado do equipamento e da manutenção.
  • Demanda de energia elétrica durante a soldagem.

  A soldagem por eletroescória utiliza o aquecimento por resistência da escória líquida para realizar a fusão do arame de soldagem. A corrente pode ser contínua ou alternada. Neste processo não existe arco e o arame é alimentado mecanicamente na poça de fusão, e a proteção contra oxidação é obtida pela própria escória.

  As aplicações mais comuns do processo de soldagem por eletroescória são:

  • Soldagem de aços-carbono, baixa e alta ligas com espessura maior que 50 mm.
  • >Soldagem de peças de grande espess
  • Soldagem de eixos.

  Este processo tem como vantagens:

  • Ser automática/mecanizada.
  • Aplicável com facilidade em juntas na vertical.

  As limitações mais importantes deste processo são: • Não aceita peças com formatos muito complexos.

  • Custo elevado do equipamento e da manutenç&atild
  • Demanda de energia elétrica durante a soldagem.

  Soldagem com Arame Tubular

  Processo Soldagem por fusão cuja fonte de calor é um arco elétrico e o arame é alimentado de forma contínua semelhante ao processo MIG. Utiliza arame tubular com fluxo na parte interna. O processo é formador de escória. Este processo possui basicamente duas variantes:

  • Arame tubular com proteção gasosa.
  • Arame tubular auto protegido.

  As aplicações mais comuns do processo de soldagem com arame tubular são: • Soldagem de aços-carbono e ligados.

  • Soldagem em fabricação, manutenção e em monta
  • Soldagem de partes de veículos.

  Este processo tem como vantagens:

  • Elevada produtividade e eficiên
  • Soldagem em todas as posições.
  • >Custo relativamente ba
  • Produz soldas de boa qualidade e aparência.

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Equipamento relativamente caro.
  • Pode gerar elevada quantidade de fumos.
  • Necessita limpeza após soldagem.

  Soldagem por Arco Submerso

  A soldagem por arco submerso (Submerged Arc Welding) é um processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo e a peça. O arco é protegido por uma camada de material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo, na forma de arame, é alimentado continuamente. O fluxo na região próxima ao arco é fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada sólida de escória sobre o cordão. Este material pode também ajudar a estabilizar o arco e a desempenhar uma função purificadora sobre o metal fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo.

  As aplicações mais comuns do processo de soldagem por arco submerso são: • Soldagem de aços-carbono e ligados.

  • Soldagem de níquel e suas ligas.
  • Soldagem de membros estruturais e tubos de grande diâmetro.
  • Soldagem em fabricação de peças pesadas de aço.
  • Recobrimento, manutenção e reparo.

  Este processo tem como vantagens:

  • Aplicações a altas velocidades de soldagem e taxas de deposição.
  • Produz soldas uniformes e de bom acabamento superficial.
  • Ausência de respingos e fumos.
  • Dispensa proteção contra radiação devido ao arco não visível.
  • Facilmente mecanizado.
  • Elevada produtividade.

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Soldagem limitada às posições plana e filete horizontal.
  • Aporte térmico elevado pode prejudicar propriedades da junta em alguns casos.
  • Necessário retirar a escória entre passes.

  Soldagem Plasma

  O processo de soldagem plasma assemelha-se muito ao processo TIG, pelo fato de se utilizar eletrodos não consumíveis e gases inertes. As diferenças são o tipo de tocha, tensão do arco elétrico, além dos recursos necessários à fonte de energia. É importante notar que os dois processos possuem regiões com as mesmas temperaturas máximas, porém, com a constrição do arco, obtém-se uma substancial modificação da concentração de calor na superfície da peça tornando-a mais favorável ao processo de soldagem.

  As aplicações mais comuns do processo de soldagem por plasma são:

  • Todos os metais importantes em engenharia, exceto zinco e o berilo, e suas ligas, com espessura de até 1,5 mm.
  • Na confecção de passes de raiz.
  • Soldas de excelente qualidade.
  • Acabamento do cordão de solda.
  • Menor aquecimento da peça soldada.
  • >Baixa sensibilização à corrosão intergranu
  • Ausência de respingos.
  • Pode ser automatizado.

  Este processo tem como vantagens:

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Dificuldade de utilização em presença de corrente de ar.
  • Inadequado para soldagem de chapas de mais de 6 mm.
  • Produtividade baixa devido à taxa de deposição.
  • >Custo do equipame
  • Processo depende da habilidade do soldador, quando não automatizado.

  Soldagem Eletrônica e Soldagem a Laser

  As técnicas de soldagem eletrônica e a laser são processos modernos de soldagem que se caracterizam por união de materiais por fusão localizada; sendo no primeiro caso por um feixe eletrônico e no segundo por um raio laser de alta intensidade.

  Nestes processos, em geral, não há necessidade de material de adição e transferência de material, é aplicável à soldagem de todos os metais exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização excessiva, a partir de 25 mm de espessura.

  As aplicações mais comuns destes processos são:

  • Indústria nuclear e aeroespac
  • Indústria automobilística e produtos eletrônicos.
  • Processos produtivos que exijam soldas de alta qualidade e produzidas sob taxas de soldagem elevadas.

  Este processo tem como vantagens:

  • Soldas de excelente qualid
  • Acabamento do cordão de solda.
  • Menor aquecimento da peça soldada.
  • Baixa sensibilização à corrosão intergranular.
  • Ausência de respingos.
  • Pode ser automatizado.

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Necessidade de especialização para ajuste do processo.
  • Custo do equipamento.

  Soldagem Exotérmica

  A soldagem exotérmica é um processo de soldagem onde a fusão do metal é obtida por uma reação de oxidação com elevada liberação de calor. É também denominada de aluminotérmica, visto que, na maioria dos casos, o agente redutor utilizado é o alumínio em pó de granulometria bem fina.

  As aplicações mais comuns deste processo são :

  • Soldagem de e lementos robusto s como trilhos ferro v i á rio s.
  • Soldagem de lig aç ão de cabos elétricos e m substituição ao s conectore s.
  • s obre a ç o para contat o elétrico ou aterramento.

  Soldagem de cabos Este processo tem como vantagen s :

  • Faci l idade de execução em qu a l quer local .
  • Não consome energia externa .

  As limitações mais importante s de s te proces s o são: • Acabamento rústico.

  • Qualidade da junta soldada não controlada.

  Soldagem por Brasagem

  Brasagem é um processo térmico para a junção e o revestimento de materiais metálicos com a ajuda de um metal de adição fundido (meio de brasagem), na maioria dos casos, mediante o emprego de meio fluxante e/ou gás de proteção da brasagem.

  Ao contrário da soldagem por fusão, o material de adição ou de brasagem é diferente e tem ponto de fusão mais baixo do que o material de base que está sendo soldado.

  A temperatura de fusão do material de base não é atingida e praticamente não há alteração na microestrutura do mesmo. As fases do processo de brasagem são: • Aquecimento da área de junção, do meio de brasagem e do meio fluxante.

  • Ativação do meio fluxante/gás de proteção: afastamento da camada passivad
  • Fusão do meio de brasagem.
  • >Molhamento dos pares que estão sendo brasa
  • Processo de difusão com a formação de solução sólida ou compostos intermediários.

  As aplicações mais comuns deste processo são: • Soldas nas áreas elétrica e eletrônicas.

  • Solda de cabos para continuidade elétrica sem afetar a microestrutura do metal de b
  • Este processo tem como vantagens:
  • >Facilidade de execução em qualquer local com baixa ener
  • Não afeta a microestrutura do metal de base.

  As limitações mais importantes deste processo são:

  • Pouca resistência mecânica.
  • Qualidade da solda não controlada.

  • Exige prática do soldador.

  Processos de Soldagem sem Fusão

  Além dos processos de soldagem por fusão, abordados anteriormente, existem alguns outros cuja união se dá por caldeamento; nestes casos, em geral, a combinação de temperatura abaixo dos pontos de fusão dos materiais e pressão de um material contra o outro promove a união dos mesmos.

  Dentre estes processos destacam -se: A soldagem por explosão onde a pressão exercida pelas ondas de choque resultantes da detonação de explosivos criteriosamente distribuídos na peça a soldar promove a união dos materiais.

  O processo de soldagem à pressão onde a pressão exercida por uma parte contra a outra associada à temperatura é responsável pela união. ‘Estes processos são muito usados para unir materiais muito diferentes e difíceis de serem soldados pelos processos tradicionais de fusão. Um exemplo importante de aplicação é a confecção de clades, como, por exemplo, os de aço-carbono-aço inoxidável e o de aço- carbono-monel.

  Exercícios 1. Defina processos de fabricação.

  2. Quais são os principais processos de fabricação. 3. É comum usarmos apenas um processo de fabricação na obtenção de um produto manufaturado? Explique.

  4. A soldagem pode ser considerada como um processo de fabricação? Explique.

  5. Faça uma comparação entre os diversos tipos de soldagem.

  Referências bibliográficas (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE,

  Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) NUNES, Laerce de Paula; KREISCHER. Anderson Teixeira. Introdução à metalurgia e aos materiais metálicos. Rio de Janeiro: Interciência, 2010.

03 Importância da Soldagem na atividade industrial.

  Objetivos Conhecer os principais mercados para a soldagem.

  Conhecer as principais aplicações dos processos de soldagem.

3.1 Quais indústrias utilizam a soldagem em seus processos?

  Os processos de soldagem são amplamente empregados no setor industrial, quer seja na fabricação de produtos e equipamentos, quanto na manutenção das máquinas utilizadas em seus processos.

  A soldagem tem um vasto campo de aplicação, usada na fabricação de uma simples cadeira às naves espaciais, muito utilizada nas indústrias naval, automobilística, nuclear, energética, aeroespacial, eletrônica, petroquímica, construção civil, plataformas marítimas etc. Tem como características importantes: ser um meio barato de união de materiais, é aplicável para união de todos os metais comerciais, propicia flexibilidade de projeto e redução de custo de fabricação e é facilmente utilizada para recuperação e manutenção de produtos.

  As indústrias, nos mais diversos setores, utilizam a soldagem em algum momento de seus processos produtivos, tornando assim, impossível imaginar algo que tenha sido produzido sem que em algum momento a soldagem tivesse tido alguma forma de participação, no processo produtivo, como forma de produção de algum equipamento usado na fabricação, no veículo utilizado para o transporte das matérias primas e dos produtos prontos, ou na manutenção dos processos.

  A escolha do processo de soldagem depende de vários fatores: a aplicação; o projeto da solda; os materiais envolvidos; e a forma dos componentes que serão soldados, sua espessura e seu tamanho.

1.2 As aplicações da soldagem na indústria.

  Vamos imaginar se é possível produzir uma panela metálica sem algum processo de soldagem. Seria possível afixarmos os cabos e puxadores? Mais ainda, para produzirmos uma panela de pedra, as ferramentas utilizadas ou são soldadas ou foram produzidas por equipamentos que foram soldadas?

Figura 3.1 Panela de aço inoxidável.

  Agora vamos imaginar a fabricações de um avião sem a utilização de processos de soldagem, seria viável?

Figura 3.2 Representação de um avião. Automóveis possuem inúmeras peças que são produzidas por soldagem, alguns veículos chegam a ter mais de quatro mil regiões soldadas pelos mais diversos processos de soldagem.

  (a) (b)

Figura 3.3 (a) Representação de um ônibus. (b) Soldagem por resistência mecanizada da carroceria de um automóvel.

  Um tubo, mesmo que fabricado pelo processo sem costura, provavelmente será soldado a outro tubo ou outra estrutura.

  (a) (b)

Figura 3.4 (a) Tubos com costura. (b) soldagem de um tubo.

  Bicicletas também podem ser soldadas, dependendo do material usadao em sua fabricação.

Figura 3.5 Bicicleta metálica.

  Calçados são soldados? Na concepção que estamos estudando, não, pois normalmente não possuem partes metálicas, suas partes plásticas podem sim, mas por outros processos apropriados para esses tipos de material. Mas os equipamentos utilizados em sua confecção são soldados ou foram produzidos por máquinas que foram soldadas, além disso a manutenção desses equipamentos pode lançar mão de algum processo de soldagem. Isso serve para inúmeros produtos que usamos no dia a dia.

Figura 3.6 Produção de calçados.

  A indústria naval também se utiliza da soldagem.

Figura 3.7 Navio transatlântico.

  É possível soldar até debaixo d’água.

Figura 3.8 Soldagem subaquática.

  A construção civil utiliza a soldagem em estruturas metálicas tanto para moradia quanto para instalações industriais, como a petroquímica.

Figura 3.9 Construção civil.Figura 3.10 Industria petroquímica.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações da soldagem? 2. É possível vivermos, nos dias de hoje, sem a soldagem?

  3. Existem critérios para a definição de quais processos podem ser utilizados na fabricação de um produto?

  4. Explique a importância da soldagem para a indústria.

  5. Explique como a soldagem pode estar presente em nosso dia a dia.

  Referências bibliográficas

  (1) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

  Barra, Sérgio R

  (2)

  https://sigaa.ufrn.br/sigaa/verProducao?idProducao=1691701&key ... Acessado em 04/01/2016 às 18 h e 45 min.

04 Soldagem de Produção e Manutenção.

  Objetivos Conhecer as possibilidades de uso dos diversos processos de soldagem.

  Aprender que a soldagem pode ser usada tanto na fabricação quanto na manutenção em processos industriais.

4.1 A soldagem na manufatura de diversos produtos.

  Como foi explicado nas aulas anteriores, a soldagem possui diversas aplicações na fabricação dos mais diversos produtos. Dessa forma é necessário conhecer as aplicações que os diversos processos possuem para que seja possível encontrarmos quais processos são os mais adequados para a produção de um determinado produto.

  Como sabemos, os principais processos de soldagem se didem em processo por fusão e processos por deformação ou por pressão.

  Processos de Soldagem por Fusão

  Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em sub-grupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir 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 tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para Processo Fontes de Calor Outras características Aplicações minimizar estas reações. Tipo de Corrente e Agente protetor ou polaridade de corte

Soldagem por eletro- Contínua ou alimentado liga, espessura ≥ 50 escória alternada mecanicamente na poça mm. Soldagem de resistência da escória Escória Aquecimento por líquida Automática/Mecanizada. Soldagem de aços Junta na vertical. Arame carbono, baixa e alta de fusão. Não existe peças de grande arco. espessura, eixos, etc. Soldagem ao arco submerso Arco elétrico Contínua ou alternada. Eletrodo + Escória e gases gerados Automática/Mecanizada ou semi-automática. O arco arde sob uma camada de fluxo granular. Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, espessura ≥ 10 mm. Posição plana ou horizontal de peças estruturais, tanques, vasos de pressão, etc.

  Soldagem com eletrodos revestidos Arco elétrico Contínua ou alternada. Eletrodo + ou - Escória e gases gerados Manual. Vareta metálica recoberta por camada de fluxo. Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro, metais preciosos, reativos e de baixo ponto de fusão. Usado na soldagem em geral.

  Soldagem com arame tubular Arco elétrico Contínua. Eletrodo + Escória e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO 2 . O fluxo está contido dentro de um arame tubular de pequeno diâmetro. Automático ou semi-automático. Soldagem de aços carbono com espessura ≥ 1 mm. Soldagem de chapas.

  Soldagem MIG/MAG Arco elétrico Contínua. Eletrodo + Argônio ou Hélio, Argônio + O 2 , Argônio + CO 2 , CO 2 . Automática/Mecanizada ou semi-automática. O arame é sólido. Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, não ferrosos, com espessura ≥ 1 mm. Soldagem de tubos, chapas, etc. Qualquer posição.

  Soldagem a plasma Arco elétrico Contínua. Eletrodo - Argônio, Hélio ou Argônio + Hidrogênio. Manual ou automática. O arame é adicionado separadamente. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arco é constrito por um bocal. Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espessura de até 1,5 mm. Passe de raiz.

  Soldagem TIG Arco elétrico Contínua ou alternada. Eletrodo - Argônio, Hélio ou misturas destes. Manual ou automática. O arame é adicionado separadamente. Eletrodo não consumível de tungstênio. Soldagem de todos os metais, exceto Zn, Be e suas ligas, espessuras entre 1 e 6 mm. Soldagem de não ferrosos e aços inox. Passe de raiz de soldas em tubulações.

  Soldagem por feixe eletrônico Feixe eletrônico Contínua. Alta tensão. Peça + Vácuo Soldagem automática. Não há tranferência de metal. Feixe de elétrons focado em um pequeno ponto. Soldagem de todos os metais, exceto nos casos de evolução de de gases ou vaporização excessiva, a aprtir de 25 mm de espessura. Indústria nuclear e aerospacial.

  Soldagem a laser Feixe de luz Argônio ou Hélio Como acima Como acima. Corte de materiais não metálicos. Soldagem a gás Chama oxiacetilênica Gás (CO, H 2 , CO 2 , H 2 O) Manual. Arame adicionado separdamente. Soldagem manual de aço carbono, Cu, Al, Zn, Pb e bronze. Soldagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro.

  Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação)

  Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por ultra-som, por fricção, por forjamento, por resistência elétrica, por difusão, por explosão, entre outros. Diversos destes processos, como por exemplo, os processos de soldagem por resistência, apresentam características intermediárias entre os processos de soldagem por fusão e por deformação. Para fins de classificação, estes processos serão incluídos neste grupo.

  

Soldagem por Resistência por Ponto (SRP), por Costura (SRC) e por Projeção

(SRPR)

  SRP, SRC e SRPR são processos de soldagens por resistência nos quais a união dos metais é produzida em superfícies sobrepostas pelo calor gerado pela resistência da peça à passagem de corrente elétrica. Forças são geralmente aplicadas antes, durante e depois da aplicação da corrente com o objetivo de manter o contato entre as superfícies sobrepostas e, em alguns casos, para criar uma força suficiente para provocar um processo de "forjamento", ou seja, deformação plástica a quente do metal durante o período pós- aquecimento.

  Os processos descritos acima são usados na forma semi-automática (na qual o operador posiciona as peças entre os eletrodos do cabeçote de soldagem, que pode ser estacionário ou portátil, aperta o gatilho que inicia a sequência de soldagem e, depois, libera a peça do cabeçote de soldagem) ou automática (na qual todas as operações são controladas pelo equipamento). Na soldagem por pontos em particular, observa-se o uso crescente de robôs industriais para a sua automação.

  Soldagem por Centelhamento

  A soldagem por centelhamento (Flash Welding, FW) é muitas vezes classificado como um processo por resistência pois apresenta diversas características e aplicações similares à soldagem de topo por resistência.

  O processo é muito usado na fabricação de tubulações e de rodas de carros e caminhões e na união de trilhos. Por outro lado, o processo é mais complexo e o seu equipamento tende a ser mais caro e complicado.

  Soldagem por Alta Frequência

  Na soldagem por alta frequência (High Frequency Induction Welding, HFIW), são utilizadas bobinas por onde passa uma corrente de alta frequência que causa o aparecimento de correntes induzidas na região da junta das peças que estão sendo soldadas. O processo pode ser usado para diferentes metais e ligas, incluindo aços carbono e de baixa liga, aços inoxidáveis e ligas de alumínio, cobre, titânio e níquel.

  Soldagem por Fricção

  A soldagem de fricção (Friction Welding, FW) é um processo que utiliza energia mecânica, em geral associada com a rotação de uma peça, para a geração de calor na região da junta a ser soldada. Após o aquecimento adequado da junta, a peças são pressionadas para a formação da junta. O processo é, em geral, usado para a soldagem de peças de simetria cilíndrica (tubos e barras), que podem ser de metais dissimilares. O processo pode também ser aplicado, através da rotação e pressão de uma barra contra a superfície de uma peça, para a deposição de revestimentos especiais sobre essa peça ou a soldagem de um pino no interior desta. Na década de 90 foi desenvolvido um processo de soldagem por fricção ("Stir Friction Welding”) que utiliza a passagem de uma ferramenta em rotação entre as faces da junta para realizar a união das peças. Este processo tem sido aplicado principalmente na soldagem de ligas de alumínio.

  Soldagem por Difusão

  A soldagem por difusão (Diffusion Welding, DFW) é um processo de união no estado sólido que produz a solda pela aplicação de pressão a elevada temperatura sem a deformação.

  A soldagem por difusão é um processo especializado de soldagem de aplicação restrita quando deseja-se: (a) evitar problemas metalúrgicos associados com a soldagem por fusão, (b) fabricar componentes de dimensões e forma próximas das desejadas no produto final (“net shape”), e (c) produzir peças espessas com propriedades uniformes ao longo da espessura. O processo só é economicamente viável quando materiais especiais e de elevado custo são utilizados ou quando existe uma grande exigência quanto às dimensões da peça soldada, tendo suas aplicações sido, até o presente, limitadas, em geral, às indústrias eletrônica e aero-espacial.

  Soldagem por Explosão

  A soldagem por explosão (Explosive Welding, EXW) é um processo que utiliza a energia de detonação de um explosivo para promover a união de peças metálicas. Uma das peças é lançada ao encontro da outra pela explosão e, durante a colisão, desenvolve- se uma intensa deformação plástica superficial capaz de remover as contaminações superficiais e promover a união das peças. A fabricação de chapas com revestimentos protetores contra a corrosão em vasos de pressão e em trocadores de calor e de peças de transição entre estruturas de alumínio e aço são alguns exemplos de aplicações deste processo.

  Soldagem por Laminação

  Este é um processo de união usado para a produção de chapas bi-metálicas através da laminação conjunta (co-laminação) de chapas de metais diferentes, em geral, à temperatura ambiente ou a temperaturas próximas desta. Este processo pode ser usado, por exemplo, para a fabricação de chapas de alumínio e aço para a produção de bronzinas.

  Soldagem a Frio

  A soldagem a frio (Cold Welding, CW) é realizada pela aplicação de uma forte deformação localizada, à temperatura ambiente, das peças a serem unidas. Este processo é aplicável para metais de elevada dutilidade, como o alumínio e cobre, tendo, como aplicação típica, a união de condutores de eletricidade.

  Soldagem por Ultra-Som

  A soldagem por ultra-som (Ultrasonic Welding, USW) produz a união das peças pela aplicação localizada de energia vibracional de alta frequência (ultra-som), enquanto as peças são mantidas sob pressão. A união ocorre por aquecimento e deformação plástica localizada das superfícies em contato. O processo é usualmente aplicado para a soldagem de juntas sobrepostas de metais dúteis, similares ou não, de pequena espessura e para a união de plásticos, por exemplo, na indústria eletrônica e na fabricação de embalagens.

4.2 Sem a soldagem não há produção!

  A afirmação do título acima pode parecer estranho, levando em conta que o assunto é a soldagem de manutenção, mas sem ela, não há como produzir! A soldagem de manutenção é um meio ainda muito utilizado para prolongar a vida

  útil das peças de máquinas e equipamentos. Ela promove economia para as indústrias, pois reduz as paradas de máquinas e diminui a necessidade de se manter grandes estoques de reposição.

  Comparando a soldagem de manutenção com a soldagem de fabricação.

  A soldagem de produção é realizada dentro de condições favoráveis, isto é, as especificações são determinadas, os equipamentos apropriados encontram-se disponíveis, a composição química do metal de base é conhecida, bem como os parâmetros em que se deve trabalhar.

  Para a soldagem de manutenção existem restrições e limitações que são agravadas pela rapidez com que deve ser efetuada a recuperação do componente. Para minimizar as dificuldades encontradas na soldagem de manutenção é feito um o seguinte roteiro:

  Análise de falha; Planejamento da execução;

  Procedimentos

  De um modo geral os procedimentos para a execução de uma soldagem de manutenção devem conter, no mínimo, os seguintes passos: Fratura/trinca Desgaste/corrosão

  Tipos e causas prováveis das falhas: Falhas por fratura; Falhas por desgaste;

  a) Desgastes mecânicos

  • Abrasão
  • Impacto

  b) Erosão

  c) Cavitação Corrosão A recuperação de falhas por soldagem inclui o conhecimento dos materiais a serem recuperados e o conhecimento dos materiais e equipamentos de soldagem, bem como o domínio das técnicas de soldagem.

  Elemento mecânico de ferro fundido com trinca

  Localização da fratura/trinca A localização da fratura/trinca deve ser feita de modo preciso para identificar claramente onde ela começa e onde termina.

  Furação das extremidades da trinca. As tensões atuantes nas extremidades pontiagudas da trinca devem ser aliviadas.

  O alívio dessas tensões é obtido por meio de dois furos feitos com uma broca de diâmetro entre 7 mm e 10 mm. Esses furos impedem que a trinca se propague.

  Esquematicamente:

Figura 4.1 Furação em extremidades de trincas.

  Goivagem ou chanfragem do local da soldagem

  Inicialmente deve-se pensar na realização da goivagem - com eletrodo de corte - com formato arredondado para favorecer a distribuição das tensões. Além disso, a preparação com eletrodo de corte proporciona uma solda sem poros, isenta de escórias, areia, óleo ou gordura. Essas impurezas sofrem combustão durante a goivagem e se gaseificam.

  Quando a ligação da solda no ferro fundido apresentar dificuldades de estabilização em coesão e aderência, recomenda-se o uso da técnica de revestimento do chanfro (amanteigamento), conforme mostra a figura a seguir:

Figura 4.2 Amanteigamento. a) Com eletrodos especiais à base de ferro;

  b) Revestimento do chanfro com metal de adição à base de bronze-alumínio;

  Martelamento da solda

  As tensões de contração do cordão de solda são aliviadas por meio de martelamento. Nesse caso, o cordão sofre um escoamento fazendo com que a peça não apresente deformações indesejáveis. As figuras exemplificam o que foi dito.

Figura 4.3 Martelamento.

  

Soldagem a frio de uma alavanca de ferro fundido quebrada sem restrição de

contração

  A alavanca pode ser recuperada, por soldagem, por meio da seguinte sequência de operações:

Figura 4.4 Recuperação de uma alavanca.

  Preparação do local da soldagem

  Preaquecimento Soldagem

  Reconstrução de ponta de dentes de escavadeira

  Os dentes de escavadeiras são componentes que trabalham em condições normalmente severas que envolvem impacto e abrasão. O desgaste e a recuperação dos dentes podem ser visualizados abaixo.

Figura 4.5 Recuperação de ponta de dentes de escavadeira. Para reconstruir a ponta dos dentes de uma escavadeira, deve-se proceder do seguinte modo: a) Preparar as superfícies a serem soldadas eliminando todos os resíduos que possam prejudicar a soldagem.

  b) Pontas sobressalentes devem ser soldadas nas pontas já desgastadas com eletrodos que garantam a máxima tenacidade. Um eletrodo recomendado é o tipo AWS E307 - 15.

  c) Manter a temperatura das pontas abaixo de 200°C durante a soldagem, para evitar a perda de dureza.

  d) Após a soldagem dos dentes, aplicar líquido penetrante para se certificar de que não apareceu nenhuma trinca superficial.

  e) Para dentes que trabalham primariamente em solos com granulação fina, o revestimento dos dentes deve ser efetuado com metal duro, isto é, com eletrodo do tipo AWS E 10 - 60z. Esse eletrodo proporciona um metal de solda muito duro, rico em carbonetos de cromo, resistentes à abrasão. Trincas superficiais poderão surgir, mas sem influência na resistência ao desgaste.

  Para dentes que trabalham com materiais rochosos, o eletrodo a ser utilizado é o tipo AWS E 6 - 55 r, que proporciona um metal de solda, ligado ao cromo, bastante tenaz e resistente ao desgaste e com dureza compreendida entre 60 e 65 HRC.

  Exercícios

  1. Quais as vantagens de utilizarmos a soldagem na fabricação de produtos manufaturados?

  2. Dê exemplos de cinco processos de soldagem por fusão, indicando suas aplicações.

  3. Compare a soldagem de fabricação com a soldagem de manutenção.

  4. Dê exemplos de três processos de soldagem por deformação, indicando suas aplicações.

  5. Compare a soldagem por resistência elétrica com a soldagem por fricção.

  Referências bibliográficas

  (1) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

  (2) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE,

  Soldagem:

  Alexandre Queiroz. fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática). (3) www.essel.com.br/cursos/material/01/Manutencao/07manu.pdf acessado em 20/08/2015 às 15 h e 53 min. (4) www.essel.com.br/cursos/material/01/Manutencao/08manu.pdf acessado em 20/08/2015 às 15 h e 53 min.

05 Terminologia da Soldagem. Simbologia da Soldagem.

  Objetivos Conhecer os termos comuns à soldagem.

  Conhecer e saber interpretar os símbolos usados em soldagem.

5.1 Vamos dar nomes aos bois! Termos comuns em soldagem.

  A soldagem apresenta aplicações muito variadas que abrangem deste a construção de itens simples, de baixa sofisticação, muitas vezes usados em aplicações de pouca responsabilidade, até estruturas e componentes sofisticados que, caso falhem, podem colocar em risco a vida humana, causar danos ao ambiente e gerar enormes prejuízos.

  Muitos são os termos com um significado particular quando aplicados à soldagem. Deve ficar claro, contudo, que existem variações destes nas diferentes regiões do Brasil e, possivelmente, entre empresas vizinhas.

  Soldagem (Welding) é o processo de união de materiais. Solda (weld) é o resultado deste processo de soldagem. Junta (joint): Região entre duas ou mais peças que serão unidas.

  Tipos de Junta: Os tipos usuais de junta são: de topo (butt), de

  ângulo (tee), de canto (corner), sobreposta (lap) e de aresta (edge).

Figura 5.1 Tipos de junta.

  Metal Base (base metal): Material da peça que passa pelo processo de soldagem. Quando possível procura-se escolher, para uma dada aplicação, o metal base mais “fácil de soldar”. Metal de Adição (filler metal): Material adicionado, no estado líquido, durante a soldagem por fusão (ou a brasagem).

Figura 5.2 Representação esquemática mostrando a solda, metal de adição, poça de fusão. Metal base e a penetração.

  Eficiência de junta (em inglês, loint Efficiency) quando a junta executada obtiver os dados de cargas aplicada iguais ou maiores que o do metal base.

  Poça de Fusão (weld pool): Região em fusão, a cada instante, durante uma soldagem por fusão. Em alguns processos de soldagem que não usam a fusão, pode-se considerar a existência de uma região de processamento de características similares à poça de fusão.

  Penetração (penetration): Distância da superfície original do metal base ao ponto em que termina a fusão, medida perpendicularmente à mesma.

  Soldas em juntas de topo e ângulo podem ser de penetração total (penetração em toda a espessura de um dos componentes da junta) ou parcial. Soldas de penetração total apresentam um melhor comportamento mecânico, contudo, tendem a ser de execução mais difícil. Assim, quando o melhor desempenho destas não for necessário, o usual é se trabalhar com soldas de penetração parcial.

Figura 5.3 Tipos de penetração.

  Chanfro (groove): Corte efetuado na junta para possibilitar/facilitar a obtenção de uma solda com a penetração desejada. É usado quando a espessura dos componentes da junta impede a obtenção da penetração desejada sem o chanfro. O uso de um chanfro diferente do tipo I (ver abaixo) implica na necessidade de se usar metal de adição. A escolha do tipo de chanfro e suas dimensões dependem de muitos fatores como a material base, sua espessura, o tipo de junta, o processo de soldagem, a possibilidade de se acessar os dois lados da junta, a posição de soldagem (ver definição abaixo) e as características desejadas para a junta.

Figura 5.4 Tipos de chanfro.Figura 5.5 Tipos de juntas e exemplos de chanfros.

  Elementos de um Chanfro: Encosto ou nariz (S) (nose, groove face): Parte não chanfrada de um componente da junta.

  Abertura, folga ou fresta (f) (root opening): Menor distância entre as peças a soldar. Ângulo de abertura da junta (α) (groove angle) e ângulo de chanfro (β) (bevel angle).

  Os elementos de um chanfro são escolhidos de forma a permitir um fácil acesso até o fundo da junta, mas, idealmente, com a menor necessidade possível de metal de adição.

Figura 5.6 Representação gráfica dos elementos de um chanfro.

  Raiz (root): Região mais profunda do cordão de solda. Em uma junta chanfrada, corresponde à região do cordão junto da fresta e do encosto. Tende a ser a região em que a soldagem é mais difícil e, desta forma, mais propensa à formação de descontinuidades em uma solda.

  Face (face): Superfície oposta à raiz da solda. Passe (pass): Depósito de material obtido pela progressão sucessiva de uma só poça de fusão. Uma solda pode ser feita em um único ou em vários passes (ver figura abaixo). Camada (layer): Conjunto de passes localizados em uma mesma altura no chanfro. Reforço (reinforcement): Altura máxima alcançada pelo excesso de material de adição, medida a partir da superfície do material de base.

  Margem (toe): Linha de encontro entre a face da solda e a superfície do metal de base.

Figura 5.7 Execução de uma solda de vários passes.Figura 5.8 Tipos de passes.

  Para a adição do metal na poça de fusão ou para a abertura de um arco elétrico, temos alguns tipos de eletrodos: O eletrodo de carvão (em inglês, Carbon Electrode) é para a utilização de corte ou reparos e também pode ser usado para soldagem, porém com menor frequência.

  Fabricado em grafite, pode ser recoberto por cobre ou outro material condutor. Quando o termo utilizado é eletrodo nu (em inglês, Bare Electrode), tem sua construção material com composição química parecida com metal de base ou não, sem revestimento ou pintura, além daquele inerente à sua fabricação. Mas quando é chamado de eletrodo revestido (em inglês, Covered Electrode), tem uma cobertura de revestimento, que pode ser básico, neutro ou ácido, com características de proteção, material de liga, entre outros, que produz uma escória protetora do cordão de solda e gera uma atmosfera suficiente para proteger o metal de adição. O eletrodo tubular (em inglês, Flux or Metal Cored Electrode) é um eletrodo diferente dos demais: tem sua fabricação a partir da trefilação de uma fina chapa para se transformar em tubo, porém com um fluxo interno, muito parecido com o do eletrodo revestido e com as mesmas aplicações, mas a vantagem em relação a esse processo é que, por ser fabricado em bobinas, ele passa a ser adicionado de forma contínua na soldagem. O eletrodo de tungstênio (em inglês, Tungsten Electrode) é um eletrodo fabricado de tungstênio puro ou ligado com tório ou zircônia, para a soldagem ou corte de materiais metálicos ferrosos ou não ferrosos. Posições de Soldagem (welding positions):

  Plana (flat): A soldagem é feita no lado superior de uma junta e a face da solda é aproximadamente horizontal. Horizontal (horizontal): O eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face é inclinada. Sobre cabeça (overhead): A soldagem é feita do lado inferior de uma solda de eixo aproximadamente horizontal. Vertical (vertical): O eixo da solda é aproximadamente vertical. A soldagem pode ser “para cima” (vertical-up) ou “para baixo” (vertical-down). Dentre as diferentes posições de soldagem, usualmente a posição plana é a que possibilita uma maior facilidade de execução e uma maior produtividade. Para as outras posições, a força da gravidade tende a dificultar o controle da poça de fusão e a transferência do metal de adição para a poça.

Figura 5.9 Posições de soldagem.

  Modos de Operação: Diferentes processos de soldagem podem ser usados de diferentes formas que dependem de maior ou menor grau da atuação do ser humano:

  Manual (manual): Soldagem na qual toda a operação (iniciação do processo, criação e controle da poça de fusão, deslocamento da poça ao longo da junto, posicionamento da tocha de soldagem, alimentação de metal de adição e término da operação) é realizada e controlada manualmente pelo soldador (welder).

  Semi-automático (semi-automatic): Soldagem com controle automático da alimentação de metal de adição, mas com controle manual pelo soldador do posicionamento da tocha e de seu acionamento. A operação semi-automática tende a ser de mais fácil execução que a manual (isto é, exige uma menor habilidade por parte do soldador). De qualquer forma, ambas as formas dependem fortemente da habilidade do soldado, tendendo a apresentar uma maior variabilidade que as outras formas de operação. Isto não significa que soldas de excelente qualidade não possam ser obtidas com estas duas primeiras formas de operação. Mecanizado (machine): Soldagem com controle automático da alimentação de metal de adição, controle do deslocamento do cabeçote de soldagem pelo equipamento, mas com o posicionamento, acionamento do equipamento e supervisão da operação sob responsabilidade do operador de soldagem (welding

  operator).

  Automático (automatic): Soldagem com controle automático de praticamente todas as operações necessárias para a sua execução. Em alguns casos, a definição de um processo como mecanizado ou automático não é fácil, em outros, o nível de controle da operação, o uso de sensores, a possibilidade de programar o processo indicam claramente um processo de soldagem automático. Os sistemas automáticos de soldagem podem ser divididos em duas classes: (a) Sistemas dedicados, projetados para executar uma operação específica de soldagem, basicamente com nenhuma flexibilidade para mudanças nos processos e (b) sistemas com robôs, programáveis e apresentando uma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo.

  Regiões de uma junta soldada (soldagem por fusão): Pode-se considerar que uma junta soldada é formada por três regiões. Metal base (já definido anteriormente). Zona termicamente afetada (ZTA): Região do metal base aquecida durante a soldagem a temperaturas capazes de causarem mudanças na microestrutura e propriedades do material. Tende a ser a região mais crítica de uma junta soldada. Zona Fundida (ZF): Região que, em algum momento durante a soldagem, esteve no estado líquido.

Figura 5.10 Regiões de uma junta soldada.

  Para a verificação de uma solda é necessária a utilização de um gabarito de solda (em inglês, Weld Gauge), para poder garantir o dimensionamento da solda e a qualidade do produto.

Figura 5.11 Gabarito de solda.

  A terminologia utilizada na soldagem em ângulo é conhecida de três maneiras: a primeira, garganta teórica de solda (em inglês, Theoretical Fillet Weld Throat), que significa dimensão de uma solda da hipotenusa imaginária do triângulo retângulo que se forma no cordão até o vértice perpendicular à hipotenusa, em sua seção transversal.

  A segunda, garganta real de solda (em inglês, Real Fillet Weld Throat), é a distância do reforço do cordão de solda, côncavo ou convexo até a ponta da fusão do cordão contrário à face.

  A terceira, garganta efetiva de solda (em inglês, Effective Fillet Weld Throat), é a dimensão entre a raiz da solda até a hipotenusa imaginária do triângulo retângulo, como mostrado na Figura 5.12.

Figura 5.12 Soldagem em ângulo.

  Quando a junta é em ângulo, o cordão de solda precisa também, além da penetração, atender, por norma, as diluições que o completam, a chamada perna de solda (em inglês, Fillet Weld Leg), que é a distância da raiz da junta à margem da solda. Ver Figura 5.13.

Figura 5.13 Perna da solda.

  Os tipos de gases utilizados na soldagem também necessitam de uma especificação, para facilitar a comunicação entre profissionais: gás de proteção (em inglês, Shielding Gas) é utilizado para a proteção da poça de fusão e em alguns casos reage com o material.

  O gás inerte (em inglês, Inert Gas) tem essa nomenclatura porque no momento da soldagem o gás não reage com a poça de fusão. Isso significa que o gás não acrescenta nenhum tipo de elemento no cordão de solda. Mas o gás ativo (em inglês, Active Gas), diferentemente do gás inerte, no momento da soldagem reage com a poça de fusão, adicionando elementos no cordão de solda.

  Goivagem (em inglês, Gouging) é uma operação de preparação de peça, onde o

  operador poderá executar o bisel ou chanfro, pela remoção térmica do material. Também utilizada para reparos nos cordões de solda.

  O modo de preparação da execução da solda pode ter duas maneiras, que influenciam na quantidade maior ou menor de calor que vai se concentrar. A polaridade

  

direta (em inglês, Straight Polarity) é uma ligação conhecida por esse nome porque o

  material fica ligado na polaridade positiva e o eletrodo na polaridade negativa. Isso só acontece na corrente contínua DC. Os elétrons migram em direção ao metal de base e concentra-se maior calor na peça.

  Já a polaridade inversa (em inglês, Reverse Polarity) tem montagem contrária à polaridade direta, e assim o eletrodo na soldagem concentra maior quantidade de calor, pois os elétrons migram em maior quantidade para o eletrodo.

  Alguns materiais têm uma concentração de carbono muito grande em suas microestruturas, e assim se faz necessário o pré-aquecimento (em inglês, Preheating), que só é aplicado quando o material a ser soldado ultrapassa a temperatura de ~ 250°C, que é calculada com base no carbono equivalente.

  Normalmente, quanto se aplica o pré-aquecímento automaticamente em 90% dos casos se aplica o pós-aquecimento (em inglês, Postheating), que, aplicado após a soldagem, tem a função de manter o calor por mais tempo e ao resfriar auxilia para que o resfriamento do material seja gradativamente reduzido, reduzindo nesses materiais as tensões internas.

  As soldas podem ser definidas conforme sua execução ou resultado final. Assim temos três situações. A solda autógena (em inglês, Autogenous Weld) é uma solda cuja execução não utiliza o metal de adição, somente a energia calorífica do arco elétrico ou de indução. A solda homogênea (em inglês, Homogeneous Weld) tem a composição química do cordão muito parecida com a do metal base. Já quando o cordão de solda tem uma composição química diferente da do metal de base, ele é identificado como solda heterogênea (em inglês, Heterogeneous Weld).

  Os cordões de solda têm sentido de execução, e quando sua execução é feita no sentido oposto a sua execução ele é identificado como solda a ré (em inglês, Baek Step

  Sequenee Weld).

  No momento da soldagem, o cuidado com sua execução é muito importante, porque se no momento da sua execução estiverem próximos algum material magnético, ímãs ou qualquer coisa que possa gerar um campo magnético, o arco ficará diferenciado para essa direção, e no momento da soldagem a deposição do material será defeituosa. Essa situação é conhecida como sopro magnético (em inglês, Are Blow).

  Uma informação muito importante que diferencia os processos de soldagem e a sua capacidade produtiva é a taxa de deposição (em inglês, Deposition Rate), que é calculada pela quantidade de metal depositado em relação ao tempo. Isso significa que no mesmo tempo de soldagem um processo tem capacidade de depositar maior quantidade de material do que outro.

  Na soldagem de vários passes, o que acontece na soldagem de peça com grandes espessuras, a temperatura entre um passe e outro é conhecida como temperatura

  

interpasse (em inglês, Interpass Temperature), e, dependendo do material, esse momento de aquecimento e resfriamento gera nos cordões anteriores um refinamento de grão, deixando-os assim mais dúcteis.

  A tensão do arco (em inglês, Are Voltage) é a tensão que o arco tem no momento da soldagem que é responsável pela energia de calor na região da poça de fusão. As tensões que podem ser encontradas no material podem ser identificadas como tensão residual (em inglês, Residual Stress), que é a tensão remanescente numa estrutura como resultado de um tratamento térmico ou trabalho mecânico, ou até mesmo ambos, encontrado no material. A tensão térmica (em inglês, Thermal Stress) é a tensão no material, resultado de uma distribuição não uniforme de temperatura, e na soldagem isso acontece normalmente.

  O tratamento térmico (em inglês, Heat Treatment) é qualquer aquecimento no componente após a soldagem destinado a aliviar as tensões residuais ou modificar propriedades mecânicas ou características metalúrgicas da junta soldada.

  Para dimensionar um cordão de solda, é necessário uma micrografia para executar a medição. A Figura 1.13 mostra as nomenclaturas e identifica os locais de medições. Cada uma das siglas é identificada no desenho e na legenda.

  Largura

  (L) (em inglês, Width) identifica a distância das extremidades laterais de um cordão de solda. Altura do reforço (RF) (em inglês, Heights of Reinforcernent), a quantidade de material depositado que excede a face superior do metal de solda.

  Diluição

  (DL) (em inglês, Dilution), chamada de zona fundida ou de penetração, é a quantidade de material depositado diluído no metal de base.

Figura 5.14 - Região para dimensionamento do cordão de solda.

1.2 São tantos nomes que fica mais fácil desenhar! Símbolos usados em soldagem.

  Símbolos padronizados são usados para indicar a localização, detalhes do chanfro e outras informações de operações de soldagem em desenhos de engenharia. Existem sistemas de símbolos de soldagem desenvolvidos em normas de diferentes países.

  No Brasil, o sistema mais usado é o da American Welding Society, através de sua norma AWS A2.4, Symbols for Welding and Nondestructive Testing. Contudo, símbolos baseados em normas de outros países são, também, usados.

  Como estes símbolos são similares aos da AWS, mas apresentam diferenças em detalhes, isto pode levar à interpretação errada de desenhos. Um símbolo completo de soldagem consiste dos seguintes elementos:

  Linha de referência (sempre horizontal), Seta, Símbolo básico da solda, Dimensões e outros dados,

  Símbolos suplementares, Símbolos de acabamento, Cauda, e Especificação de procedimento, processo ou outra referência.

Figura 5.15 Símbolo de soldagem e alguns de seus componentes e símbolos suplementares.

  O símbolo básico da solda indica o tipo de solda e chanfro que serão usados. O elemento básico de um símbolo da soldagem é a linha de referência. A figura abaixo mostra os símbolos básicos mais comuns:

Figura 5.16 Símbolos mais comuns em soldagem.

  A posição do símbolo básico na linha de referência indica se a solda será depositada no mesmo lado ou no lado oposto do local indicado no desenho pela seta. A seta indica a junta na qual a solda será feita, e na cauda são colocados os dados relativos ao processo, procedimento ou outra referência quanto à forma de execução da soldagem. Quando existe a possibilidade de se chanfrar uma peça ou outra, uma seta quebrada (formada por duas linhas) indica qual peça deve ser necessariamente chanfrada:

Figura 5.17 Símbolos Básicos.

  O símbolo da junta com uma face convexa é o desenho de um quarto de circunferência ao lado de uma linha vertical, colocados acima, abaixo ou em ambos os lados da linha de referência. Indica que a face de um ou dos dois membros da junta é arredondada.

  Se as duas faces forem convexas, o símbolo será de dois desenhos de um quarto de circunferência colocados acima, abaixo ou em ambos os lados da linha de referência. A seguir, mais exemplos de símbolos: Figura 5.18 Tipos básicos de soldas e seus símbolos.

  Exemplo do uso de símbolos compostos:

Figura 5.19 Exemplo de símbolos.

  Exemplo de um símbolo para uma solda em chanfro de ½ V com dimensões:

Figura 5.20 Exemplo de símbolos.

  O símbolo do cobre-junta é representado por um retângulo colocado acima ou abaixo da linha de referência, de acordo com a direção indicada pela seta, e pode conter o símbolo químico ou a classificação do material utilizado. Esse símbolo indica que um material deve ser colocado na raiz da junta para servir de suporte para o metal fundido.

Figura 5.21 Cobre-junta.

  O símbolo com espaçador é um retângulo que indica a colocação de um material igual ao metal de base, que fará parte da fusão. O símbolo é colocado no meio da linha de referência e pode conter a indicação do material utilizado.

Figura 5.22 Espaçador.

  O símbolo de solda de um lado com projeção no lado oposto é representado por um semicírculo cheio e indica um excesso de solda exigido no lado oposto do cordão. O símbolo é colocado acima ou abaixo da linha de referência, conforme a exigência do desenho do projeto.

Figura 5.23 Solda com projeção.

  O símbolo de perfil de solda nivelado é representado por um traço horizontal colocado no símbolo de chanfro e diz respeito ao acabamento exigido para a solda. Quando o perfil nivelado é requerido, o cordão de soldagem deve ficar no nível da peça.

Figura 5.24 Solda nivelada.

  Outros exemplos:

Figura 5.25 Exemplos.

  Vários números, que correspondem às dimensões ou outros dados da solda, são colocados em posições específicas em relação ao símbolo básico. O tamanho da solda e/ou sua garganta efetiva são colocados à esquerda do símbolo. Em soldas em chanfro, se estes números não são colocados, subentende-se que a penetração deve 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 símbolo podem ser colocados o comprimento da solda e a distância entre os centros dos cordões, no caso de soldas intermitentes.

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

  C - rebarbamento (chipping) G - esmerilhamento (grinding) H - martelamento (hammering) M - usinagem (machining) R - laminação (rolling)

Figura 5.26 Símbolos suplementares.Figura 5.27 Exemplos de uso de símbolos suplementares.

  As dimensões da solda são representadas por algarismos colocados ao lado do símbolo ou dentro dele e indicam a altura da perna da solda, a profundidade ou ângulo do chanfro a ser feito, a abertura da raiz, a penetração de solda ou garganta efetiva, o comprimento e o espaçamento do cordão de soldagem.

  A medida da perna é colocada à esquerda do símbolo. Quando se tratar de solda executada nos dois lados, cotam-se os dois símbolos e as duas medidas, sejam elas iguais ou diferentes.

Figura 5.28 Medidas das pernas.

  No caso de solda de pernas desiguais, as cotas devem indicar primeiro a altura da perna e, depois, o comprimento dela.

Figura 5.28 Medidas das pernas desiguais.

  A medida do ângulo é colocada dentro do símbolo do chanfro. A medida da profundidade do chanfro a ser feito é colocada do lado esquerdo do símbolo.

Figura 5.29 Medidas de ângulos.

  Abertura de raiz é a distância, na raiz da junta, entre as duas peças a serem soldadas. A medida é colocada dentro do símbolo que representa a junta. Quando houver mais de uma indicação de medida, a ordem é: abertura de raiz e ângulo de chanfro.

Figura 5.30 Abertura da raiz.

  A medida de penetração ou garganta efetiva é colocada à esquerda do símbolo de solda, entre parênteses.

Figura 5.31 Medida da penetração e da garganta efetiva.

  As dimensões de comprimento e espaçamento, nesta ordem, são indicadas no lado direito do símbolo, separadas por um traço. O comprimento é conhecido pela letra L, da palavra inglesa length, e o espaçamento é identificado pela letra P, de pitch. Estas letras podem aparecer na descrição do projeto, com as indicações das respectivas dimensões.

Figura 5.32 Dimensões de comprimento e espaçamento.

  O espaçamento de uma solda descontínua também é indicado à direita do símbolo. No caso de solda descontínua coincidente, o símbolo é colocado acima e abaixo da linha de referência. A dimensão do espaçamento de uma solda descontínua intercalada também é indicada à direita do símbolo, seguida pela dimensão do comprimento. Se o comprimento da solda é total ou contínuo, não é necessário cotar, porém, se a solda é descontínua, as cotas são obrigatórias.

Figura 5.33 Espaçamento de solda descontínua.

  Símbolos de ensaios não destrutivos (END)

  Os símbolos utilizados para representar os ensaios não destrutivos são semelhantes aos de soldagem. Existem os símbolos básicos, como linha de referência, de seta, cauda, no caso de haver um procedimento ou especificação, e os suplementares, como os algarismos indicativos da quantidade de ensaios, as siglas representativas de cada tipo de ensaio, o local onde o ensaio deve ser feito e o comprimento da seção a ser examinada.

  Os diversos tipos de ensaios não destrutivos são designados por letras ou siglas e aparecem na parte inferior do conjunto de símbolos. As notações empregadas seguem as normas AWS e Petrobras.

Tabela 5.1 Notações para ensaios não destrutivos.

  AWS Petrobras Radiografia RT RAD Ultrassom UT US Partículas magnéticas MT PM Líquido penetrante PT LP

Teste de estanqueidade LT ES LT ES

Inspeção visual/dimensional

VT EV

  Testes por pontos TP A figura indica diversos tipos de símbolos de ensaios não destrutivos (Petrobras).

  Quando não houver obrigatoriedade de executar o ensaio de um determinado lado, os símbolos serão colocados na interrupção da linha de referência.

Figura 5.34 Símbolos de ensaios não destrutivos.

  Os símbolos de ensaios não destrutivos são combinados com os símbolos de soldagem.

Figura 5.35 Símbolos de ensaios não destrutivos combinados com símbolos de soldagem.

  Exercícios 1. Explique a importância de se conhecer os termos usuais em soldagem.

  2. O que é junta, metal base e metal de adição?

  3. Quais são os tipos de juntas? 4. Qual é a importância de se conhecer os símbolos usados em soldagem.

  5. Desenhe o símbolo ou a solda desejada, conforme o caso.

  Solda desejada Símbolo Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos,

equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p.

(3) Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). Soldagem. São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. 720 p. il.

06 Consumíveis de Soldagem.

  Objetivos

  Conhecer os diversos tipos de materiais que são utilizados para permitir a união de materiais através dos diversos processos de soldagem. Saber identificar os consumíveis necessários para a execução de uma solda.

  6.1Quais materiais são consumidos para dar origem à uma junta soldada?

  Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem têm alguma utilização industrial e a soldagem é o mais importante método para a união permanente de metais. Esta importância é ainda mais evidenciada pela presença de processos de soldagem e afins nas mais diferentes atividades industriais e pela influência que a necessidade de uma boa

  soldabilidade tem no desenvolvimento de novos tipos de aços e outras ligas metálicas.

  Os consumíveis são definidos pela Terminologia de Soldagem como todos os materiais empregados na deposição ou proteção da solda. Exemplos de consumíveis são os eletrodos revestidos, as varetas, os arames sólidos e tubulares, os fluxos, os gases e os anéis consumíveis.

  O termo consumíveis é aplicado aos produtos que são consumidos durante a execução de uma soldagem. Por exemplo, na soldagem manual com eletrodos revestidos é o eletrodo empregado, e na soldagem por arco submerso são o arame e o fluxo. Na soldagem com gás de proteção inclui o gás de proteção — argônio, hélio, dióxido de carbono ou misturas de gases — bem como o arame. Também se incluem bocais, peças de reserva e a energia elétrica empregada na soldagem. Entretanto, usualmente o termo fica restrito aos itens controladores ou influentes nas propriedades mecânicas e na qualidade metalúrgica da junta soldada.

  6.2 Qual a função dos consumíveis?

  Uma função primária dos consumíveis, em processos por fusão com arco elétrico, é proteger o metal fundido e aquecido no arco e na poça de fusão da atmosfera, cujo perigo provém do nitrogênio e do oxigênio que reagem com o metal fundido. Óxidos prejudicam o fluxo e a fusão do metal e influenciam na formação de inclusões; eles também consomem certos elementos de liga. O nitrogênio forma nitretos, que podem ser uma causa de fragilidade, bem como de porosidade. Na soldagem com gás de proteção empregando um gás inerte como o argônio tanto o oxigênio como o nitrogênio são excluídos passivamente (sem reações). Alguns óxidos estão, no entanto, sempre presentes e por isso é necessário removê-los com agentes desoxidantes tais como silício, alumínio ou titânio em aços ou silício, zinco ou fósforo em ligas de cobre. O óxido de alumínio não pode ser reduzido quimicamente, de tal modo que o gás de proteção usado na soldagem com alumínio deve ser o mais eficaz possível. A proteção com o dióxido de carbono, frequentemente utilizada na soldagem de aços, exclui o nitrogênio às custas da formação de óxidos, de modo que são normalmente adicionadas quantidades bem maiores de desoxidantes que o necessário. A proteção contra a atmosfera originada por fluxos geradores de escória é mais eficaz graças à camada protetora de fluxo fundido e aos gases formados a partir de componentes no fluxo que são decompostos pelo calor.

  O modo como o desoxidante é usado depende do processo de soldagem. Como exemplos, na soldagem com gás de proteção é um elemento metálico no arame ou no fluxo, porém nos eletrodos revestidos os desoxidantes localizam-se no revestimento.

  Frequentemente elementos de liga presentes no metal de base atuam como desoxidantes como, por exemplo, em ligas de cobre com pequenos teores de zinco ou silício. Mesmo em metais ferrosos, onde não é usual contar com elementos de liga para atender a uma função de desoxidante, ocorrem reações complexas entre esses elementos de liga e os consumíveis ou com a atmosfera acima do metal fundido. Elementos como carbono, silício, manganês, titânio, alumínio e cromo são prontamente oxidados, perdendo-se uma parcela de seus teores iniciais durante a soldagem se o metal de adição e o fluxo não fornecerem uma compensação.

  Os consumíveis possuem um efeito poderoso no modo como o metal é transferido do eletrodo para a poça de fusão. Na soldagem manual com eletrodo revestido, a presença de uma grande quantidade de rutilo (óxido de titânio – TiO

  2 ) no revestimento promove

  uma transferência suave de pequenas gotas de metal fundido, mas com um alto teor de carbonato de cálcio (CaCO

  3 ) a transferência ocorre em grandes glóbulos que fazem curto- circuito com a poça de fusão. Quando se utilizam gases de proteção como argônio ou hélio na soldagem de aços é necessário adicionar pequenas quantidades de oxigênio (O

  2 )

  2

  ou de dióxido de carbono (CO ) para resultar em uma transferência suave e sem respingos de pequenas gotas de metal fundido. Tais adições são prejudiciais quando se soldam ligas de alumínio, mas com esses metais a suavidade de transferência de metal e o perfil do cordão de solda podem ser modificados empregando-se misturas de argônio e hélio.

  Num processo de soldagem que faz uso de um fluxo, um resíduo do fluxo será formado, denominado escória, que permanece sobre a superfície da poça de fusão. A viscosidade, a tensão superficial, o ponto de fusão e outras características dessa escória influenciam na forma final da superfície do cordão de solda, sua molhabilidade com o metal de base (o modo como o metal de solda se mistura com o metal de base) e a facilidade com que a soldagem pode ser executada em outras posições diferentes da plana. Também é importante que, quando as soldas forem realizadas em chanfros profundos, que a escória seja facilmente removível para permitir que os cordões de solda posteriores sejam depositados sem causar problemas.

  As considerações de transferência de metal, facilidade de soldagem, controle da composição do cordão de solda, propriedades da solda e, naturalmente, custos, são importantes na seleção de consumíveis.

  Na seleção dos consumíveis, primeiramente deve-se ter o conhecimento do processo de soldagem a ser utilizado, pois cada processo de soldagem define os consumíveis que serão empregados. Os fatores que devem ser analisados na seleção dos consumíveis são:

  O metal base; A geometria e o tipo de junta; A espessura da peça; A posição de soldagem; O tipo de fonte de energia; A produtividade; Os custos de soldagem; A habilidade do soldador. Os consumíveis utilizados estão relacionados com o processo de soldagem empregado.

  • - Processo de Soldagem a Gás

  A soldagem a gás é realizada pela queima de um gás combustível com ar ou oxigênio, de forma a produzir uma chama concentrada de alta temperatura. O objetivo da chama produzida é fundir o metal-base localizadamente e a vareta de metal que irá servir de enchimento. Os consumíveis são:

  Gases Combustíveis: Acetileno, Propano; Gases Comburentes: Oxigênio, Ar atmosférico; Varetas; Fluxos – que são os fundentes que facilitam a remoção dos óxidos superficiais e melhoram a fluidez da poça de fusão.

  • - Processo de Soldagem a Arco Elétrico

  Os consumíveis e os esquemas de alguns processos de soldagem a arco elétrico são mostrados nas figuras a seguir:

Figura 6.1 Eletrodo revestido – consumível: eletrodo revestido.Figura 6.2 TIG – consumíveis: metal de adição e gás de proteção.Figura 6.3 MIG/MAG – consumíveis: gás de proteção e arame (eletrodo).Figura 6.4 Arame tubular – consumível: arame tubular com ou sem utilização de gás de proteção.Figura 6.5 Arco submerso – consumíveis: arame (eletrodo) e fluxo.

  Os gases de proteção utilizados nos processos de soldagem a arco elétrico podem ser Inertes ou Reativos. Os gases de proteção inertes são os considerados que não reagem com o metal líquido da poça de fusão. Os gases inertes mais utilizados na soldagem são Argônio e

  Hélio.

  Os gases de proteção reativos são os considerados que reagem com o metal líquido da poça de fusão, podendo alterar as propriedades metalúrgicas e mecânicas do metal de solda. Estes gases podem ser ativos ou redutores.

  Os gases ativos utilizados na soldagem são o CO

  2 - Dióxido de Carbono e

  Oxigênio. O gás redutor que pode ser utilizado na soldagem é o Hidrogênio - H 2 .

  As propriedades dos gases de proteção afetam o desempenho de todos os processos de soldagem a arco elétrico. O potencial de ionização é uma das principais propriedades dos gases de proteção influenciando a abertura e estabilidade do arco elétrico.

  A condutividade térmica é também uma característica importante, determinando a tensão e a energia do arco elétrico. Por exemplo, o gás CO

  2 apresenta maior

  condutividade térmica do que o Hélio a alta temperatura por causa do efeito de dissociação e recombinação das moléculas.

  Muitos fatores podem influenciar a seleção do gás ou mistura de gás a ser utilizado no processo de soldagem a arco elétrico, como: Tipo e espessura do metal base; Características do arco elétrico; Modo de transferência do metal de adição; Velocidade de soldagem; Profundidade e largura de fusão; Custo de soldagem; Propriedades mecânicas; Abertura da raiz; Limpeza do metal base; Ação de limpeza do arco; Pureza do gás; Configuração de junta; Posição de soldagem; Geração de Fumos e respingos.

  Os eletrodos consumiveis apresentam composições as mais diversas - aço, cobre, latão, bronze, alumínio etc., dependendo do seu objetivo e da composição química dos metais a soldar. Podem ser nus ou revestidos. Os nus, como regra, são usados em processos de soldagem automática. Os eletrodos revestidos podem, por sua vez, apresentar apenas um tênue revestimento (de décimos de milímetros) ou revestimento mais espesso (1 a 3 mm). No primeiro caso, o objetivo do revestimento é principalmente aumentar a estabilidade do arco. Os segundos, além de melhorar a estabilidade dos arcos, produzem uma camada protetora de gases e escória em volta do arco e das gotas de metal fundido, de modo a prevenir oxidação e contaminação por nitrogênio. Retardam igualmente o resfriamento da bacia de metal líquido.

  Os eletrodos revestidos são compostos de duas partes, alma e revestimento. A alma do eletrodo revestido para aço carbono, para aço de baixa liga e também para aço inoxidável do tipo sintético é a mesma. O aço empregado como alma do eletrodo revestido é do tipo efervescente para permitir a soldagem na posição vertical e sobre cabeça. O revestimento do eletrodo está na forma de uma massa homogênea que contêm elementos estabilizadores, desoxidantes, formadores de escória e elementos de liga.

  As principais funções do revestimento do eletrodo na soldagem são: Estabilização do arco elétrico através de elementos ionizantes (CC+/CC- ou CA);

  Proteção da poça de fusão; Formação de escória, agentes que promovem a remoção das impurezas da superfície do metal base e metal de solda; Desoxidação principalmente com Mn - manganês e Si - silício, reduzindo a tendência para a porosidade; Isolação térmica formada pela escória, protegendo o resfriamento do metal de solda da atmosfera; Adição de elementos de liga que aumentam a resistência do metal de solda; Aumento da deposição de metal de solda, quando é incorporado pó de ferro no revestimento.

  O esquema de fabricação dos eletrodos revestidos é: Mistura dos componentes do revestimento; Aglomeração com silicato de sódio ou potássio; A mistura homogênea em forma de um bloco vai para a prensa de extrusão; A mistura e a alma são prensadas juntas; Faz a secagem em forno do eletrodo.

  De acordo com a composição química do revestimento do eletrodo, estes podem ser ácidos, celulósicos, rutílicos ou básicos. revestimento ácido: seus principais constituintes são o óxido de ferro e sílica

  (SiO

  2

  ). Os eletrodos ácidos podem ter pó de ferro na sua fórmula para aumentar o seu rendimento. Estes eletrodos apresentam fácil soldabilidade e boas propriedades mecânicas do metal de solda. revestimento celulósico: seus principais constituintes são matérias orgânicas, a celulose. Apresenta uma formação de escória fina que permite realizar a soldagem em todas as posições, inclusive na vertical descendente. Estes eletrodos são de alta penetração e sempre são indicados para a soldagem de passe de raiz. Estes eletrodos têm boa soldabilidade e são indicados para a soldagem de tubulação. revestimento rutílico: o principal constituinte deste revestimento é rutilo, mineral que apresenta grande quantidade de dióxido de titânio (TiO

  2 ). Estes

  eletrodos apresentam fácil soldabilidade em qualquer posição de soldagem, o arco elétrico é muito estável mesmo em corrente alternada. A escória é de fácil remoção e as soldas têm bom acabamento. revestimento básico: os principais elementos deste revestimento constituem de cálcio (CaCO

  3 e CaF 2 ), que são elementos refratários. Podem ainda conter pó de

  ferro para aumentar o seu rendimento. Este revestimento caracteriza-se por apresentar excelentes propriedades mecânicas, incluindo tenacidade à baixa

  2

  temperatura. Apresentam também baixo teor de hidrogênio (H ) do metal de solda. Este revestimento é higroscópico, ou seja, têm facilidade em absorver umidade e prejudicar as suas características operacionais, por isso é necessário cuidado com o seu armazenamento. Exigem que os soldadores sejam devidamente treinados e qualificados para utilizarem eletrodos com este tipo de revestimento. Os fluxos para a soldagem arco submerso são um produto granulado, adequado para suportar elevada intensidade de corrente usada neste processo. O Fluxo apresenta as seguintes funções:

  Estabilizar o arco elétrico; Formar uma escória que protege a poça de fusão líquida contra ação da atmosfera; Atuar como desoxidante, limpando o metal de solda líquido; Proporcionar isolação térmica, concentrando o calor na poça de fusão; Adicionar elementos de liga no metal de solda; Ter características físico-químicas que controlam o acabamento e a geometria do cordão de solda.

  Estas funções são similares a apresentadas pelo revestimento do eletrodo revestido. Os fluxos quanto ao método de fabricação podem ser aglomerados ou fundidos.

  Soldagem por resistência

  O processo é levado a efeito pela passagem de corrente através de dois elementos a serem unidos, pressionados um contra o outro por meio de eletrodos.

  Os eletrodos são feitos de ligas de cobre que possuam alta condutibilidade elétrica e resistência mecânica suficiente para suportar as pressões aplicadas; Os eletrodos podem ser tubulares para permitir que, no seu interior, corra água de resfriamento.

  Exercícios

  1. Qual a função dos consumíveis de soldagem?

  2. Quais são os tipos de gases usados em soldagem e o que os diferenciam? 3. Explique a utilização dos vários tipos de eletrodos.

  4. Quais critérios devem ser considerados na escolha dos consumíveis a serem utilizados na soldagem.

  5. Qual a finalidade dos revestimentos no processo de soldagem por eletrodos revestidos.

  Referências bibliográficas (1) http://www.unochapeco.edu.br/saa/correio/2015/06/1434334462300046/soldage m_geral.pdf acessado em 05/01/2016 às 22 h e 16 min

  (2) CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica: processos de fabricação e

  tratamento: volume II. 2. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, c1986. xv, 315 p.

  (3) http://www.esab.com.br/br/pt/education/apostilas/upload/apostilametalurgiasold agem.pdf acessado em 15/01/2016 às 1h e 37 min

  (4) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE,

  Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

07 Classificação e armazenamento dos consumíveis de Soldagem.

  Objetivos

  Conhecer a classificação dos consumíveis de soldagem, dentro das várias normas que a regem. Saber a maneira correta de armazenamento dos consumíveis, evitando assim, desperdício, queda na qualidade da solda e acidentes com os envolvidos no processo.

7.1 Classificação dos consumíveis.

  Quando tratamos de soldagem, existem várias normas técnicas que descrevem várias situações, como a forma de soldar, os consumíveis que devem ser usados, os procedimentos de segurança, etc.

  Existem várias normas que são conhecidas pelo nome da entidade que as criou e um número para diferenciá-las umas das outras. AWS (Estados Unidos) DIN (Alemanha) JIS (Japão), BS (Grã-Bretanha) UNI (Itália) NP (Portugal) UNE (Espanha) são exemplos de normas de associações que normatizam o trabalho em soldagem, no Brasil essa responsabilidade é da ABNT que na forma das NBR, trata da soldagem em nosso país, porém como é muito comum a presença de empresas estrangeiras em nosso país normalmente as normas da AWS são as mais utilizadas no dia a dia.

  Precisamos fazer uma consideração: Especificação X Classificação

  Especificação: Determina de maneira exata as características de um consumível e dá garantias sobre suas propriedades. Classificação: Apresenta uma maneira lógica de designar um consumível. A Norma AWS procura abranger a maioria dos consumíveis de soldagem, incluindo os metais de adição e recentemente elaborada uma especificação própria para os gases de proteção.

  As especificações AWS agrupam os metais de adição pelo seu tipo ou composição química do metal depositado ou processo de soldagem. As especificações AWS, em geral, exigem que os consumíveis atendam a requisitos específicos como:

  Propriedades Mecânicas do metal depositado; Composição Química do metal depositado; Sanidade do metal depositado.

  As especificações AWS além de classificar os consumíveis determinam que os consumíveis atendam a requisitos de: Fabricação;

  Critérios de Aceitação; Sistemas de unidades, Sistema Internacional ou Sistema Inglês;

  Ensaios para cada tipo de consumível, como: Propriedades mecânicas do metal depositado; Composição Química do metal depositado; Sanidade do metal depositado – exame radiográfico.

  Embalagem; Identificação; Certificação; Garantias e Validade.

  A classificação AWS refere-se a um consumível e a respeito do mesmo. Esta classificação permite com uma simples identificação fornecer informações sobre as suas propriedades mecânicas, a sua composição química, o seu tipo de revestimento e as suas características operacionais como o tipo de corrente de soldagem a ser empregado.

  Podemos concluir que a especificação AWS determina a maneira exata, as características de um consumível, inclusive a maneira de classificá-lo e dá garantias sobre as suas propriedades enquanto que a classificação AWS apresenta uma maneira lógica de designar um consumível.

  Os seguintes prefixos são utilizados nas classificações AWS:

  E

  • – (ELECTRODE) refere-se a Eletrodo para soldagem a arco elétrico;

  R – (ROD) refere-se à vareta para soldagem a oxi-gás; ER – Refere-se a eletrodo nu (arame) ou vareta na soldagem a arco elétrico; F

  • – (FLUX) refere-se ao Fluxo para soldagem a arco submerso;

  Q – Refere-se à Fita para soldagem a arco elétrico; C – (COMPOSITE) refere-se a eletrodo composto para a soldagem a arco elétrico; T

  • – (TUBULAR) refere-se ao eletrodo tubular para a soldagem com processo arame tubular (FCAW).

  O consumível tubular pode ser com núcleo fluxado (flux cored) ou com núcleo metálico (metal cored). O eletrodo tubular com núcleo fluxado é empregado no processo de soldagem arame tubular (FCAW). Este núcleo tem as funções similares ao revestimento do eletrodo revestido ou do fluxo para soldagem arco submerso.

  O eletrodo tubular com núcleo metálico pode ser empregado nos processos GMAW (MIG/MAG), GTAW (TIG), PAW (Plasma) e SAW (Arco Submerso). Este núcleo tem no mínimo 85% de pó metálico e tem as funções de deposição e adição de liga. São classificados como eletrodos compostos.

  Soldagem com eletrodos revestidos

  No Brasil, normas da AWS são amplamente utilizadas para a especificação de consumíveis de soldagem. Eletrodos para a soldagem de aços de baixo carbono são, em geral, especificados com base nas propriedades mecânicas do metal depositado, no tipo de revestimento e em suas características operacionais. A especificação da AWS para estes aços é feita através de um conjunto de letras e dígitos (figura 1.1). Por exemplo, de acordo com a norma AWS A5.1, uma classificação do tipo E6010 indica um eletrodo capaz de depositar material com um limite de resistência de 60.000psi (420 MPa) e que possui um revestimento celulósico, com ligante a base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições com corrente contínua e o eletrodo no polo positivo.

  Composição: Alma metálica + revestimento; Alma: Aço de baixo de carbono, efervescente; Revestimento: Contém elementos para estabilização do arco, desoxidantes, formadores de escória e elementos de liga.

  Os eletrodos são classificados com base nas propriedades mecânicas e na composição química do metal depositado, no tipo de revestimento, posição de soldagem e tipo de corrente. A classificação da AWS (American Welding Society) utiliza uma série de números e letras que fornecem várias informações a respeito do eletrodo, conforme procedimento abaixo.

  Para os eletrodos de aço carbono e aços de baixa liga, a classificação utiliza 4 ou 5 algarismos precedidos da letra E, sendo que E significa eletrodo. Os primeiros dois (ou três) algarismos se referem à tração mínima exigida e é dado em mil libras por polegada quadrada (ksi). O terceiro (ou quarto) algarismo se refere à posição de soldagem, e o próximo algarismo, que é o último para os eletrodos de aço carbono indica o tipo de revestimento, corrente e polaridade.

Figura 7.1 Esquema de classificação de eletrodos de aços carbono de acordo com a AWS.Figura 7.2 Variação dos esquema de classificação da AWS mostrado na Figura 7.1.

  Para os aços de baixa liga, a classificação AWS coloca após o último algarismo um hífen, seguido de um conjunto de letras e números, indicando classes de composição química, relativas aos diversos tipos de ligas.

Tabela 7.1 Classificação dos eletrodos.

  Soldagem MIG/MAG

  A principal especificação para os arames-eletrodos é a AWS A 5.18 que prescreve os requerimentos para a classificação de eletrodos sólidos ou compostos (arame tubular com núcleo metálico – metal cored) e varetas para os processos MIG/ MAG (GMAW), TIG (GTAW) e PLASMA (PAW) na soldagem de aço carbono. A classificação dos arames para soldagem de aços pelas especificações AWS A 5.18 e A 5.28, que engloba os arames sólidos e os arames com enchimento metálico, tem o formato abaixo.

Figura 7.3 Classificação dos eletrodos conforme AWS A 5.18.

  Soldagem oxi-gás

  Varetas para soldagem Oxi-gás – Classificação A5.2

Figura 7.4 Classificação das varetas conforme AWS A 5.2.

  1 – A letra R designa vareta para soldagem a gás

  2 – Dígitos (2 ou 3) indicam o limite de resistência do metal da solda, em Ksi (1 ksi = 1000 psi)

  Arco submerso

  Eletrodos e fluxo para arco submerso – Especificação A5.17

Figura 7.5 Classificação dos eletrodos e fluxos conforme AWS A 5.117.

  1 – A letra F designa um fluxo 2 - O dígito indica o limite de resistência do metal depositado (6 ou 7) 3 – Indica a condição de tratamento térmico (A ou P) 4 – Temperatura de teste de impacto (Z,0,2,4,5,6,8) 5 – Letra E indica eletrodo e EC indica eletrodo composto 6 – Teor de manganês (L, M ou H) 7 – Composição química do eletrodo 8 – A letra K indica eletrodo fabricado com aço acalmado ao sílício

  Arame tubular

  Eletrodos Arame tubular – Especificação A5.20

Figura 7.6 Classificação dos eletrodos conforme AWS A 5.20.

  1 – A letra E designa um eletrodo

  2 - Este dígito indica o limite de resistência metal depositado (6 ou 7) 3 – Indica posição de soldagem (0 ou 1) 4 – Indica um arame tubular com núcleo fluxado 5 – Indica a utilização e característica de desempenho (tabela)

7.2 Armazenamento dos consumíveis. Soldagem a gás

  Cuidados no manuseio dos cilindros de gases Oxigênio 1. O oxigênio não pode entrar em contato com graxa, óleo ou matéria gordurosa.

  2. O cilindro não deve sofrer impactos violentos.

  3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção.

  4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã.

  5. Não use o cilindro deitado.

  6. Não utilizar o oxigênio para aeração, limpeza de máquinas, roupa, pele, etc.

  7. Utilizar mangueira verde ou preta para distribuição e conexões com rosca à direita. Acetileno 1. Não transportar o cilindro deitado (aguardar de 36 a 48 hs para estabilização).

  2. A pressão máxima da rede não pode ultrapassar 1,5 bar.

  3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção.

  4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã.

  5. Não use o cilindro deitado.

  6. Não utilizar canalização de Cobre (formação de Acetileto de Cobre, explosivo).

  7. Consumo máximo de Acetileno: 1000 litros/hora.

  8. Não usar até a pressão zero.

  9. Utilizar mangueira vermelha para distribuição e conexões com rosca à esquerda.

  Eletrodos revestidos

  O transporte e armazenamento deve ser feito nas embalagens originais, sobre estrados de madeira, para evitar danos e choques às embalagens. Quando armazenados em cartuchos plásticos, devemos armazenar na posição horizontal. Se os eletrodos estiverem embalados em latas, devemos armazenar na posição vertical. A ponta de pega

  • – voltada para baixo (preservar a ponta de arco) em até sete camadas.

  O sistema de armazenagem deve: Garantir rotatividade (eletrodos mais antigos utilizados primeiro) Controlar temperatura e umidade Temperatura 5ºC acima da ambiente – não inferior a 20ºC Umidade atmosférica relativa máxima de 50% Manuseio, Armazenagem Secagem e Manutenção da secagem.

  Embalagens não são estanques Eletrodos, arames, varetas, fluxos – armazenar em estufas Ordem de retirada: evitar utilização de consumíveis recém chegados Eletrodos armazenados em prateleiras:

  Estufa secagem: altura máxima da camada = 50 mm Estufa manutenção da secagem: altura máxima da camada = 150 mm Eletrodos afastados 50 mm das paredes da estufa

  Fluxos Estufa com bandeja: altura máxima da camada = 50 mm Estufa sem bandeja: dispor de dispositivo misturador

  Temperaturas Conforme recomendações do fabricante

  Secagem de eletrodos baixo hidrogênio (E7018) - 350ºC ± 50 ºC por 1 hora Manutenção da secagem - Não inferior a 150º Estufa portátil - 80 a 150 ºC

  Estufa de armazenamento Pode ser um compartimento fechado do almoxarifado

  Conter aquecedores elétricos e ventiladores Manter temperatura 5ºC acima da ambiente – mínimo 20ºC Manter umidade relativa do ar máximo de 50%

  Estufa de secagem Deve dispor de:

  Aquecimento controlado por meio de resistência elétrica Sistema de renovação de ar – (respiro) Controles de temperatura – termostato e termômetro Prateleiras furadas ou em forma de grade Temperatura de até 400 ºC

  Estufa de secagem Figura 7.7 Estufa de secagem.

  Estufa de manutenção da secagem Manutenção da secagem de eletrodos revestidos e fluxos de baixo hidrogênio Deve dispor de:

  Aquecimento controlado por meio de resistência elétrica Sistema de renovação de ar – (respiro) Controles de temperatura – termostato e termômetro Prateleiras furadas ou em forma de grade Temperatura de até 200 ºC

  Estufa de manutenção da secagem Figura 7.8 Estufa de manutenção de secagem.

  Estufa portátil Deve dispor de:

  Sistema de aquecimento por resistência elétrica Manter temperatura de 80 a 150ºC

Figura 7.9 Estufa portátil.

  Exercícios

  1. Faça uma comparação entre especificação e classificação para os consumíveis de soldagem.

  2. Quais especificações um metal de adição deve atender para ser considerado apto para uso?

  3. Quais são os consumíveis utilizados no processo e soldagem com eletrodos revestidos?

  4. Quais são os consumíveis utilizados no processo e soldagem a oxigas ou acetilênico?

  5. Quais cuidados devem ser tomados no manuseio e manutenção dos consumíveis de soldagem?

  Referências bibliográficas

  (1) Apostila

  http://www.unochapeco.edu.br/saa/correio/2015/06/1434334462300046/soldage m_geral.pdf acessado em 05/01/2016 às 22 h e 16 min

  (2) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (3) Apostila http://www.cpscetec.com.br/cpscetec/arquivos/apostila_soldagem.pdf acessado em 15/01/2016 às 22 h.

  (4) Notas de aula ftp://ftp.cefetes.br/.../Soldagem/Tecnologia%20da%20soldagem/.../Consu...

  Acessado em 15/01/2016 às 22 h e 5 min.

08 Introdução aos Processos de Soldagem. Fontes de Calor.

  Objetivos

  Introduzir conceitos que demonstram a divisão da soldagem em classes que levam em consideração a forma principal como ocorre a união e as fontes de energia utilizadas.

8.1 Introdução aos processos de soldagem.

  A soldagem é um conjunto de processos de manufatura pelos quais duas partes metálicas são unidas permanentemente pela "coalescência" da interface de contato, que é induzida pela combinação de temperatura, pressão e condições metalúrgicas.

  A escolha do processo de soldagem depende de vários fatores: a aplicação; o projeto da solda; os materiais envolvidos; e a forma dos componentes que serão soldados, sua espessura e seu tamanho.

  Os processos de soldagem podem ser divididos em dois grandes grupos: Processos de Soldagem por Fusão; Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação).

  8.1.1 Processos de Soldagem por Fusão Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em subgrupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir 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 tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações.

  8.1.2 Processos de Soldagem por Pressão (ou por Deformação) Este grupo inclui os processos de soldagem por ultra-som, por fricção, por forjamento, por resistência elétrica, por difusão, por explosão, entre outros. Diversos destes processos, como por exemplo, os processos de soldagem por resistência, apresentam características intermediárias entre os processos de soldagem por fusão e por deformação. Para fins de classificação, estes processos serão incluídos neste grupo.

8.2 Fontes de energia

  Todos os processos de soldagem exigem alguma forma de energia. As fontes de energia na soldagem podem ser divididas em quatro categorias quanto à forma de energia: elétricas, químicas, óticas e mecânicas.

  8.2.1 Fontes elétricas - arco elétrico O arco elétrico é usado em vários processos importantes de soldagem como fonte de calor, fornecendo uma grande quantidade de calor concentrado e controlado.

  O arco elétrico é resultado da descarga elétrica entre um eletrodo e a peça a ser soldada, sendo um o anodo, ou terminal positivo do arco, e o outro o cátodo, ou terminal negativo do arco. A região central entre estes eletrodos é o plasma, região de gases ionizados. A voltagem típica é em torno de 25 V e corrente de 300 A. Os elétrons emitidos na região catódica passam pela coluna do arco na forma de íons e elétrons livres e alcançam o anodo para o qual transferem a sua energia cinética em forma de calor. Através de colisões mútuas entre os íons e elétrons livres, o interior do arco pode atingir altas temperaturas, cerca de 6.000 °C a 30.000 °C, dependendo do processo. A intensidade

  6

  8

  2

  de calor é da ordem de 10 a 10 W/m . A Figura 8.1 apresenta uma ilustração esquemática de um arco elétrico e as denominações das diversas regiões que o compõem.

Figura 8.1 Ilustração esquemática de um arco elétrico.

  A corrente pode ser contínua ou alternada e a abertura do arco elétrico pode ser feita pelo contato entre a peça e o eletrodo (curto circuito) ou ainda pelo uso de um dispositivo que imponha uma corrente alternada de alta frequência (100 a 500 kHz) suficiente para ionizar os gases entre as duas partes.

  No caso de corrente alternada (CA), a polaridade não é fixa entre a peça e o eletrodo, mudando segundo a frequência de variação da corrente. Entretanto para o caso de corrente contínua (CC), a polaridade pode ser do tipo polaridade direta (CC-), em que o eletrodo é o catodo (-) e a peça o anodo (+) ou do tipo polaridade reversa (CC+), em que o eletrodo é o anodo (+) e a peça o cátodo (-). A polaridade tem grande importância, pois a transferência de energia térmica pelo bombardeio dos elétrons sobre o anodo é maior do que aquela provocada pelo bombardeio dos íons sobre o catodo, devido principalmente à maior energia cinética e fluxo dos elétrons. Como consequência, temos que a temperatura do anodo é maior do que o do catodo. Assim, como ilustra a Figura 8.2, dependendo do tipo de corrente e da polaridade, temos um maior aquecimento na peça ou do eletrodo. Um maior aquecimento na peça provocará uma maior fusão desta, enquanto o eletrodo aquecerá e/ou fundirá menos e vice-versa.

  A corrente, tensão, eletrodo e o tipo de gás de proteção determinam o modo de transferência e taxa com que o metal fundido do eletrodo se projeta para a peça que, por sua vez, tem influência na estabilidade do arco, perda por salpicos, composição química, defeitos, posição de soldagem e taxa de deposição. Os modos de transferência podem ser: do tipo globular, ocorrendo com uma corrente baixa em relação ao diâmetro do eletrodo, transfere o metal como glóbulos com diâmetro maior do que o do eletrodo com taxa de cerca de 10 a 20 glóbulos por segundo; por spray, ocorrendo com correntes muito altas, transfere o metal como gotículas finas com taxa de cerca de 250 gotículas por segundo; por curto-circuito, transfere o metal com a fusão globular do eletrodo cuja gota vai aumentando de tamanho até tocar a poça de fusão, produzindo um curto-circuito que estrangula a gota e lança-a em direção axial, devido a efeitos eletromagnéticos, com taxa de cerca de 50 a 200 gotas por segundo; por arco pulsante, em que um arco de corrente baixa é mantido, porém com pulsos regulares de alta corrente são injetados sobre ele, o que resulta numa transferência por jatos de gotículas durante esses pulsos. A Figura 8.3 mostra esquematicamente esses modos de transferência.

Figura 8.2 Influência do tipo de corrente e da polaridade do arco elétrico no aquecimento da peça e do eletrodo.Figura 8.3 Modos de transferência metálica em um arco elétrico.

  8.2.2 Fontes elétricas - resistência elétrica Processos de soldagem por resistência utilizam uma combinação de força e calor para produzir uma solda. Neste caso, o calor é gerado por efeito Joule, pela resistência à passagem de corrente elétrica de um material colocado na interface das partes a serem unidas (escória no processo de soldagem por eletroescória), ou mesmo que a própria

  6

  9

  2 interface das partes unidas oferece. A intensidade de calor varia de 10 a 10 W/m .

  8.2.3 Fontes químicas - chama direta O calor é gerado pela queima de um gás combustível, utilizando gases como acetileno, propileno, hidrogênio, propano e gás natural combinados com oxigênio. A razão gás/oxigênio é muito importante, pois determina se a chama é redutora, neutra ou oxidante, assim como determina a temperatura da chama, que tipicamente é na faixa de

  6

  8

  2 2.500 °C a 5.100 ºC. A intensidade de calor é da ordem de 10 a 10 W/m .

  8.2.4 Fontes químicas - aluminotermia O calor é gerado pela reação altamente exotérmica da oxidação do alumínio, como

  4

  2

  

3

  por exemplo, 3FeO + 8Al → 9Fe + 4Al O , em que o calor liberado é da ordem de 719 kcal/mol, atingindo temperatura da ordem de 5.088 ºC.

  8.2.5 Fontes óticas São exemplos desse tipo de fonte o laser, que é resultado da conversão de um feixe

  2

  de luz intenso, concentrado e colimado, em calor utilizando CO ou Nd:YAG, e feixe de elétrons, em que o calor é gerado pela colisão de um feixe de elétrons sobre a peça. A

  10

  2 intensidade nesses casos é muito alta, podendo ultrapassar 10 W/m .

  8.2.6 Fontes mecânicas Existem três tipos de soldagens que utilizam fontes mecânicas de energia, mas nem em todas elas ocorre fusão das partes a serem soldadas. Na soldagem por fricção, o calor é gerado pelo atrito mecânico entre as superfícies a serem unidas, ocorrendo, assim, uma difusão e deformação plástica entre elas, soldando-as. Na soldagem por ultrassom, uma energia vibratória de alta frequência (15 a 75 kHz) é induzida na zona de soldagem por um transdutor. Essa tensão de cisalhamento oscilatório resulta em uma histerese elástica, escorregamento localizado e deformação plástica nas superfícies de contato que, após a quebra da camada de óxido, permite a difusão atômica entre as superfícies, soldando-as. Na soldagem por explosão, a detonação de um explosivo é utilizada para acelerar um componente à alta velocidade contra um componente estacionário. Ocorre uma colisão progressiva e controlada entre as superfícies dos dois componentes (chapas, por exemplo) soldando-as.

8.3 Gases de proteção

  Gases são utilizados para proteger de forma eficiente a região do arco elétrico e do metal fundido (poça de fusão) contra contaminação do ar atmosférico, particularmente N

  2 , O 2 e vapor d'água. Os gases mais utilizados são o argônio (Ar - inerte), hélio (He -

2 - oxidante), oxigênio (O

2 - oxidante), nitrogênio (N

  2

  • inerte), dióxido de carbono (CO

  2

  não reativo) e hidrogênio (H - redutor). Oxigênio, hidrogênio e nitrogênio, com raras exceções, são utilizados somente na condição de misturados com um ou mais dos gases inertes.

  As características importantes do gás de proteção são o potencial de ionização, condutividade térmica, potencial de dissociação e recombinação, reatividade, densidade, tensão superficial e pureza. Sendo a voltagem a principal variável para ionização e sustentação do arco elétrico, ela varia dependendo do gás de proteção utilizado. A condutividade térmica afeta a temperatura no arco, afetando, portanto, o perfil da penetração da poça de fusão na peça. Quando são usados gases moleculares, como o dióxido de carbono, hidrogênio e nitrogênio, estes se dissociam quando aquecidos tornando-se parcialmente ionizados; quando entram em contato com a peça relativamente fria, os átomos se recombinam, liberando energia adicional sob a forma de calor. Essa energia adicional não ocorre no caso de gases como o argônio, que é monoatômico. Os gases de proteção podem reagir com os elementos metálicos presentes na poça de fusão ou não. Os gases oxidantes reagem com elementos da poça de fusão, formando óxidos enquanto os redutores reagem com os óxidos, reduzindo-os. A densidade de um gás de proteção afeta a eficiência da proteção e a vazão necessária do gás, uma vez que os gases mais pesados que o ar, quando soprados sobre a poça de fusão proporcionam proteção mais efetiva que os gases mais leves, que não ficam confinados às regiões da poça de fusão. A tensão superficial entre a poça de fusão e a atmosfera circunvizinha depende do tipo de gás de proteção; se a tensão for alta, levará à formação de um cordão de solda convexo, irregular e com risco do aparecimento de defeito do tipo "mordedura"; se for baixa levará à formação de um cordão côncavo. Quanto à pureza do gás a ser empregada, ela afeta todas as características apresentadas, sendo, portanto, uma especificação importante; a pureza mínima e umidade máxima dos gases para aplicação na soldagem são características especificadas e controladas. O gás ou mistura de gases a ser utilizado depende do material a ser soldado, do tipo de transferência metálica desejada, do tipo e diâmetro do eletrodo e da posição da soldagem. Por exemplo, para uma mesma corrente, dependendo do gás, a tensão do arco elétrico pode ser maior, o que resultará na maior produção de energia, interessante para o caso de soldagem de peças grossas ou de ligas com alta condutividade térmica que tendem a resfriar mais rápido. O gás protetor influi no tipo de transferência, na profundidade de penetração, e no formato do cordão como ilustra a Figura 4. O gás de proteção tem também efeito nas propriedades mecânicas da junta, uma vez que tem influência na microestrutura formada pela alteração da taxa de resfriamento da região da solda. A seguir estão apresentadas informações sobre alguns dos principais gases utilizados na soldagem.

  8.3.1 Argônio e hélio São utilizados frequentemente para a soldagem de metais não ferrosos. Em ligas ferrosas, quando puros, causam instabilidade e salpicos. O hélio apresenta maior condutividade térmica do que o argônio, o que resulta em maior penetração da soldagem. Para correntes iguais, o hélio apresentará maior potência de arco. Daí a preferência de seu uso em soldagens de materiais de elevada espessura, especialmente aqueles de elevada condutividade térmica, tais como alumínio e cobre.

  Para ligas ferrosas, em chapas finas ou em soldagens fora de posição, a preferência é pelo argônio. O hélio, sendo cerca de 10 vezes mais leve do que o argônio, levará a um maior consumo para garantir a mesma proteção à soldagem. A transferência por spray é mais bem-estabelecida com argônio do que com hélio. O custo do hélio é muito maior do que o do argônio.

Figura 8.4 Influência do tipo de gás no modo de transferência metálica, na profundidade de penetração e no formato do cordão.

  8.3.2 Adições de O 2 e CO 2 ao argônio ou hélio Adições de O

  2 e CO 2 ao argônio ou hélio melhoram a transferência metálica, estabilizam

  o arco e minimizam os salpicos nos aços. Em alguns casos, pode provocar porosidade e perdas de elementos de liga, como por exemplo, de cromo, vanádio, titânio, manganês e silício, devido ao seu poder oxidante. Para evitar esse problema, utilizam-se metais de adição como desoxidantes. Em soldagens de aços inoxidáveis com teor de carbono menor

  2

  que 0,07%, pode ocorrer aumento do teor de carbono no metal depositado quando CO está presente no gás de proteção, podendo com isso acarretar problemas futuros de corrosão por sensitização.

  8.3.3 CO 2 Puro A utilização de CO

  2 puro como gás de proteção apresenta, inicialmente, uma vantagem muito grande em comparação à utilização de gases inertes, que é o menor custo do gás.

  Por isso sua utilização na soldagem de aços carbono tem aumentado. A utilização desse gás possibilita que a transferência metálica ocorra tanto em modo globular quanto em curto circuito, enquanto a transferência tipo spray é instável e com muitos salpicos. Outra

  2

  característica desse gás é ser oxidante, pois, na elevada temperatura do arco, o CO se decompõe em monóxido de carbono (CO) e em oxigênio (O

  2 ). O O 2 livre oxida o ferro

  do metal de base originando FeO e esse reage com o carbono da poça de fusão liberando monóxido de carbono (gás), que pode vir a provocar porosidades no cordão de solda. Em temperaturas mais baixas, parte desse CO se decompõe em carbono e em oxigênio. De acordo com a quantidade original de carbono na poça de fusão, o efeito final poderá ser de aumentar ou diminuir o conteúdo definitivo de carbono no cordão solidificado. Para evitar isso, os arames recomendados para a soldagem sob proteção de CO

  2 possuem em

  sua composição quantidades altas de desoxidantes, principalmente manganês e silício,

  2

  pois estes apresentam maior afinidade química pelo O do que o carbono. O silicato de manganês, assim formado, se deposita sobre os cordões como uma capa fina e descontínua de escória facilmente destacável. O manganês cumpre também a função de dessulfurante, formando MnS. O silício e o manganês remanescentes são transferidos para o metal de solda sob a forma de elementos de liga. Certas composições de arames conhecidos corno "triplo-desoxidados'' apresentam, além do manganês e silício corno desoxidantes, um terceiro elemento para essa função, podendo ser o alumínio, titânio ou zircônio.

8.4 Revestimentos e fluxos

  Em alguns processos de soldagem, são usados revestimento no eletrodo metálico ou ainda fluxo, que é colocado no local a ser soldado. Ambos entram em combustão com o calor gerado pelo arco elétrico. Revestimento e fluxos são misturas complexas à base de rutilo, carbonato de cálcio, celulose, fluoretos etc., além de produtos ativos do tipo pó de ferro, elementos de liga e de ligantes, tal corno silicato de potássio ou de sódio. No caso de revestimento, argila é adicionada para aglomerar e fixar o revestimento em torno do arame metálico.

  Esses revestimentos e fluxos têm várias funções: função ionizante, pois, através da ionização de seus componentes de silicatos de Na e K, facilitam a passagem de corrente, dando origem a um arco estável; função protetora, pois, através da combustão, fornece gases protetores às gotas do metal fundido contra a ação do hidrogênio (proveniente do vapor de água) e oxigênio da atmosfera; função escorificante, pois realiza limpeza do metal fundido no metal de solda devido aos componentes escorificantes; função térmica, pois, através da formação de uma camada de escória sobre o metal de solda que, além de minimizar a oxidação pela atmosfera, reduz a taxa de resfriamento e com isso desfavorece a formação de estruturas frágeis; função ligante, pois introduz elementos de liga na parte fundida, melhorando as propriedades mecânicas da junta soldada. Particularmente no revestimento do eletrodo metálico, a função adicional é a de isolante elétrico pois sendo um mau condutor elétrico, isola a alma (metal que vai fundir), evitando a abertura de arcos laterais e orienta o calor para o local de interesse. A desvantagem do uso de revestimento ou fluxos é a necessidade de retirada da camada da escória formada sobre o metal de solda após a soldagem.

  Exercícios

  1. Quais são os fatores que devem ser levados em consideração na escolha de um processo de soldagem?

  2. Quais são as principais diferenças entre os processos de soldagem por fusão e os processos de soldagem por pressão?

  3. Descreva como é formado o arco elétrico.

  4. Explique as principais diferenças entre as fontes de energia em soldagem.

  5. Explique os efeitos dos diferentes tipos de gases e suas combinações no resultado final da soldagem.

  6. Qual é a finalidade dos revestimentos e dos fluxos?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

09 Processos de soldagem oxi-gás.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem oxi-gás em suas distintas formas de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

9.1 Introdução.

  A soldagem a gás oxi-combustível (Oxy-Fuel Gas Welding - OFW), oxi-gás ou simplesmente soldagem a gás é um processo no qual a coalescência ou união dos metais é obtida pelo aquecimento destes até a fusão com uma chama de um gás combustível e oxigênio. Isso produz uma chama concentrada de alta temperatura que funde o metal de base e o metal de adição, se ele for usado. O metal de adição, se usado, também é fundido durante a operação.

  No processo de soldagem por oxicombustível, as peças a serem soldadas são de finas espessuras e sem muitas responsabilidades estruturais. É mais utilizada para soldas de vedação em sistemas de refrigeração, soldagem de recuperação de componentes automobilísticos vedados, entre outros.

  A soldagem pelo processo oxicombustível oferece várias vantagens: o equipamento é barato e versátil; é ótima para chapas finas, pois solda mais rapidamente que o eletrodo revestido; é realizada com pequenos ciclos térmicos - o que é bom para aços endurecíveis; proporciona menor fadiga ao operador, tanto no controle manual como no visual; pode ser automatizado com preparação dos bordos; não usa energia elétrica, e solda em todas as posições.

Figura 9.1 Processo de soldagem a oxicombustível.

  Além destes, o processo da soldagem oxigás apresenta as seguintes vantagens:

  • baixo custo;
  • emprega equipamento portátil;
  • por utilizar de reações químicas entre gases para gerar energia, não necessita de energia elétrica; e • permite o fácil controle da operação.

  Entre as desvantagens podem ser apontadas as seguintes:

  • exige soldador hábil;
  • tem baixa taxa de deposição;
  • conduz a um superaquecimento; e • apresenta riscos de acidente com os cilindros de gases.

  Diferentes gases combustíveis podem ser utilizados, mas o mais comum para a soldagem dos aços e de outras ligas metálicas é o acetileno (C

  2 H 2 ). Durante a operação,

  a chama resultante da mistura gás-oxigênio na ponta do maçarico é usada para a fusão localizada do metal de base e a formação da poça de fusão. O soldador movimenta a tocha ao longo da junta para conseguir a sua fusão uniforme e progressiva, adicionando, se for o caso, metal de adição.

  Embora esse processo gere temperaturas elevadas, estas ainda são baixas se comparadas com as geradas pelo arco elétrico. Por causa disso, a velocidade de soldagem é baixa, e, apesar da simplicidade e baixo custo, o uso em processos industriais da soldagem a gás é muito restrito.

  Uma importante característica deste processo é o excelente controle que se pode exercer sobre a entrada de calor e a temperatura das peças que estão sendo soldadas, devido ao controle independente da fonte de calor e da alimentação do metal de adição.

Figura 9.2 Desenho esquemático de uma soldagem oxi-gás.

9.2 Aplicação

  Atualmente, outros processos de soldagem são apresentados como alternativa ao processo oxicombustível, e, se este perde em competitividade nas faixas de grandes espessuras, continua a ser, em alguns casos, o método mais adequado para soldar tubos e chapas de aço de espessuras finas, além de ser adequado para revestimento superficial, corte térmico e seus derivados, metalização e aquecimento localizado.

9.3 Fundamentos do processo.

  Em termos práticos, pode-se dizer que a atmosfera é composta de 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio. A diferença entre os pontos de ebulição nos diversos gases componentes da atmosfera possibilita obtenção e separação dos gases pela destilação fracionada do ar liquefeito.

  Quase todos os elementos combinam com o oxigênio, formando óxidos e liberando energia. As substâncias mais comuns e de maior poder calorífico são os hidrocarbonetos. Um hidrocarboneto é um composto químico em cuja composição aparecem somente os elementos carbono e hidrogênio. Salvo duas únicas exceções, que são o hidrogênio puro e o monóxido de carbono, os hidrocarbonetos são os combustíveis que compõem uma das partes necessárias para formar a chama. Combustíveis são os materiais que queimam na presença do ar ou do oxigênio. A outra parte utilizada na obtenção da chama é o comburente (oxigênio). Enquanto os gases combustíveis dão origem à chama, o comburente é o gás que promove a reação de combustão.

  A razão de se escolher o acetileno (C

  2 H 2 ) como o gás combustível advém do fato

  de ser o gás que, em combustão na presença de oxigênio, produz a chama considerada a de mais alta temperatura e de maior concentração de todos os gases combustíveis.

  A combustão do acetileno ocorre em duas etapas: a combustão primária, onde somente o oxigênio do cilindro participa da reação; a combustão secundária, cuja reação ocorre com a participação do ar atmosférico. As chamas possuem duas partes: dardo e penacho. No primeiro ocorre a combustão primária e no penacho, a combustão secundária. As características da chama dependem da relação entre o combustível (acetileno, hidrogênio, propano ou GLP) e o comburente (oxigênio). Define-se a regulagem da chama, ou relação de consumo, a razão entre os volumes do comburente e do combustível na zona de combustão primária:

  ( ê )

  a = regulagem da chama =

  í ( á )

  Com o conceito de regulagem da chama pode-se definir 3 tipos de chama: neutra, redutora (ou carburante) e oxidante, cujas características são mostradas na tabela 1.

Tabela 9.1 Tipos e características das chamas.

  Regulagem da Tipo da chama Característica Aplicação chama

  Soldagem de aços (ou Penacho longo. regulagem neutra levemente redutora). 1,0 < a < 1,1 Neutra Dardo branco, brilhante e

  Cobre e suas ligas (exceto latão). arredondado.

  Níquel e suas ligas. Penacho esverdeado. Véu branco circundando o dardo.

  Revestimento duro, ferro a < 1,0 Redutora fundido, alumínio e chumbo Dardo branco, brilhante e arredondado.

  Chama menos quente.

  Revestimento duro, ferro Penacho azulado ou fundido, alumínio e chumbo avermelhado, mais curto e (regulagem neutra levemente turbulento. oxidante). a > 1,1 Oxidante Dardo branco, brilhante,

  Latão pequeno e pontiagudo. Chama mais quente.

  Bronze Ruído característico.

Figura 9.3 Partes e formatos da chama.

  9.3.1 Gases O processo oxigás precisa de dois gases: oxigênio e um gás combustível.

  Oxigênio

  É o gás mais importante para os seres vivos, existindo em abundância no ar, cerca de 21%em volume ou 23% em massa. É inodoro, incolor, não tóxico e mais pesado que o ar (peso atômico: 31,9988 g/mol). O oxigênio por si só não é inflamável, porém, sustenta a combustão, reagindo violentamente com materiais combustíveis, podendo causar fogo ou explosões.

  O oxigênio pode ser obtido de duas formas: através de reações químicas pela eletrólise de água (método utilizado apenas em laboratórios em função de sua baixa eficiência); e através da destilação fracionada do ar atmosférico (aspiração, filtragem, compressão, resfriamento, expansão, interação e evaporação).

  Gases combustíveis

  Como a chama é gerada pela combustão de um gás, as propriedades físicas desse gás determinam as características da chama. Esta deve possuir, do ponto de vista do aquecimento localizado, uma elevada temperatura máxima de chama, além de uma repartição térmica no volume da chama, suficiente para suprir calor para a fusão.

  A temperatura máxima da chama, ou temperatura teórica da chama, é uma propriedade física do combustível, obtida a partir do calor de reação. A repartição térmica é determinada pelos calores de reação da combustão primária e da secundária. Uma das maneiras de quantificar a repartição térmica da chama, é dividir a soma dos calores das reações de combustão secundária pelo calor de reação da combustão primária.

  São vários os gases combustíveis que podem ser usados para ignição e manutenção da chama de aquecimento: acetileno, propano, GLP, gás de nafta, hidrogênio e gás natural. A natureza do gás combustível influenciará na temperatura da chama, consumo de oxigênio e custo do processo. Dentre estes, os mais utilizados são o acetileno e o GLP.

  2 2 Acetileno (C H )

  Entre os vários gases citados, o acetileno é o de maior interesse no uso industrial por possuir uma elevada temperatura de chama (3.100 ºC) e o maior percentual em peso de carbono. É um gás estável a temperatura e pressão ambientes, porém não se recomenda

  2

  seu uso sob pressões superiores a 1,5 Kg/cm , onde o gás pode entrar em colapso e explodir.

  A obtenção do acetileno para fins industriais se processa a partir do carbureto de cálcio, que é acondicionado em tambores ou latas fechadas de modo a não permitir a entrada de ar ou umidade. Nas fábricas modernas de produção de acetileno, o carbureto de cálcio é acondicionado em contêineres com capacidade de 1.800 a 2.000kg.

  O acetileno é obtido a partir da reação química do mineral carbureto de cálcio (CaC

  2 ) com a água pela seguinte reação química:

  2

  2

  2

  2

  2 CaC + 2H O = C H + Ca(OH)

  A produção do acetileno se faz em geradores em que o carbureto de cálcio e a água reagem, produzindo o gás úmido e impuro. A purificação é feita em torres de purificação com ácido sulfúrico e, em seguida, com soda cáustica. Há outros processos de purificação, tanto mais como menos eficazes, porém, este é considerado o de melhor relação custo-benefício para as tecnologias disponíveis atualmente.

  O carbureto de cálcio, por sua vez, é produzido dentro de um forno elétrico num processo contínuo pela reação do carvão coque com a cal viva a uma temperatura de 2.500 ºC.

  Comercialmente, o carbureto de cálcio pode ser vendido em diversas granulometrias sob forma sólida, podendo ser usado em geradores para obtenção de acetileno no local de uso.

  O acetileno é tão usado na soldagem a gás que muitas vezes o processo recebe o nome de soldagem oxiacetilênica.

  GLP

  O gás liquefeito de petróleo (GLP) é uma mistura de dois gases (propano: C

  3 H 8 e

  butano: CH

  3 CH

  2 CH

  2 CH 3 ), que são hidrocarbonetos saturados. O GLP é incolor e inodoro

  em concentrações abaixo de 2% no ar. É um gás 1,6 vezes mais pesado que o ar, sendo utilizado como combustível para queima em fornos industriais, aquecimento e corte de materiais ferrosos.

  O GLP é constituinte do óleo cru (cerca de 2%) e recuperado tal como outros subprodutos do petróleo em refinarias. O gás é estocado de forma condensada sob pressão em esferas.

  9.3.2 A chama oxiacetilênica A combustão do acetileno ocorre em duas etapas: a combustão primária, onde somente o oxigênio do cilindro participa da reação; a combustão secundária, cuja reação ocorre com a participação do ar atmosférico. Para volumes iguais de acetileno e oxigênio, as reações são as seguintes:

  2 H 2 + O 2 → 2 CO + H

  2

  combustão primária: C combustão secundária: 2CO + H

  2 + 3/2 (O 2 + 4N 2 ) -+ 2CO 2 + H

  2 O + 6N

  2

Figura 9.4 Representação das regiões de combustão

  Observando-se as duas equações, percebe-se que na primeira a combustão é parcial, gerando uma atmosfera redutora. A segunda equação completa a combustão, gerando uma atmosfera oxidante com menor temperatura, uma vez que o nitrogênio do ar entra na reação apenas para retirar calor e essa região da chama possui maior seção transversal. A figura 4 esquematiza o local das reações de combustão.

  A chama neutra é a mais usada, com ela é alcançada a temperatura máxima possível com o combustível, pois a eficiência da reação exotérmica é 100%. Em certos casos específicos, como, por exemplo, na soldagem de cobre e suas ligas, uma chama oxidante é a mais indicada porque se tem a formação de um filme fino protetor de escória produzido por óxidos sobre o metal fundido. Uma chama redutora atinge a menor temperatura pela combustão incompleta do combustível e é aplicada em solda-brasagem e solda-branda.

Tabela 9.2 Gases combustíveis mais comuns

  Temperatura

Gás combustível Fórmula da chama

neutra °C Acetileno C 2 H 2 3.087

  Propano C H 2.526 2 3 Propadieno (MPS) C 3 H 4 2.927 Propileno C 3 H 6 2.900

  Gás natural (metano) CH 4 2.538

Hidrogênio H 2.660

2 A temperatura máxima da chama é função de sua regulagem e a figura 5 mostra as temperaturas máximas para o acetileno.

  A temperatura da chama é função da distância, medida a partir da extremidade do dardo. Existe um ponto onde ela atinge o máximo e depois começa a decrescer. Da mesma maneira, a atmosfera do penacho muda sua composição química, tornando-se mais oxidante à medida que aumenta a distância a partir da extremidade do dardo.

Figura 9.5 Temperatura máxima para o acetileno em função da regulagem.

9.4 Consumíveis. Cilindro de acetileno

  O acetileno é uma substância explosiva quando no estado sólido o líquido. No estado gasoso ele é instável, isto é, pode decompor-se ou polimerizar-se. Neste último caso, o produto da polimerização é líquido ou gasoso, acarretando problemas como: entupimento de tubulações, diminuição da capacidade térmica da chama e dificuldades na recarga do cilindro.

  Para contornar as características do acetileno, ele é armazenado no cilindro com a

  2

  pressão máxima de 1,5 kg/cm e dissolvido em acetona. Um litro de acetona dissolve entre 312 e 350 litros de acetileno. Para que o armazenamento dessa mistura seja uniforme dentro do cilindro, é colocado em seu interior uma massa porosa constituída da mistura de carvão, amianto e cimento ou sílica e calcário.

  Os cilindros de acetileno são geralmente de aço-carbono. Após a fabricação, os

  2

  cilindros são ensaiados hidrostaticamente até uma pressão de 6 kg/cm . A cada 5 anos os ensaios são repetidos e inspecionadas as condições externas do cilindro e da massa porosa.

  Cilindro de oxigênio

  O oxigênio é armazenado em cilindros de aço-carbono ou de aço Cr-Mo, em

  2

  2

  pressões variando de 150 a 200 kg/cm , normalmente 185 kg/cm . Ao contrário do acetileno, os cilindros de oxigênio não podem ser soldados, sendo fabricados ou por forjamento ou estampados. São submetidos a ensaio hidrostático 1,5 vez maior que a pressão máxima de serviço, a 50 ºC. Os ensaios hidrostáticos são repetidos a cada 5 anos, submetidos também a uma inspeção nas roscas e em sinais de corrosão.

  Fluxos e metais de adição

  Além dos gases, mais dois tipos de materiais são, às vezes, necessários para a realização da soldagem a gás: os fluxos e os metais de adição. Juntamente com o gás, esses materiais são chamados de consumíveis.

  Um metal de adição pode ser usado na forma de arame, podendo ser nu ou revestido com fluxo. O objetivo do fluxo é a geração de uma atmosfera inerte que protege o metal fundido de oxidação, podendo também agir como escorificante, dissolvendo ou removendo óxidos ou outras substâncias do metal fundido.

  Para realizar soldagem de boa qualidade, é necessário que as peças metálicas tenham sua superfície livre da presença de óxidos. Como o oxigênio é parte integrante do processo de soldagem a gás e como a afinidade de certos metais com o oxigênio é instantânea, é quase impossível impedir a formação desses óxidos. Uma maneira de removê-los é por meio do uso dos fluxos.

  Os fluxos são materiais em forma de pó ou pasta que se fundem e têm a função de reagir quimicamente com óxidos metálicos que se formam no processo. Eles são usados na soldagem de aços inoxidáveis e de metais não ferrosos como o alumínio e o cobre e suas ligas.

  Os metais de adição são usados para preenchimento da junta e para melhorar as propriedades dos metais de base, quando necessário. Encontram-se no comércio sob a forma de varetas com comprimentos e diâmetros variados. São escolhidos em função da quantidade de metal mecânicos e/ou da composição química do metal de base.

9.5 Equipamentos

  O equipamento usado é bastante simples, tem baixo custo e também pode ser usado, com pequenas variações, em outras operações como dobramento e desempeno de peças metálicas, pré e pós-aquecimento em soldagem, em operações de brasagem, solda- brasagem e corte a gás.

  O equipamento básico para soldagem manual consiste de fontes de oxigênio e gás combustível, reguladores de vazão, mangueiras e do maçarico. O oxigênio é, em geral, fornecido em cilindros de gás comprimido (200atm). Em locais onde este gás é muito utilizado, ele pode ser fornecido a partir de instalações centralizadas. O acetileno é fornecido em geral dissolvido em acetona dentro de cilindros próprios. Geradores de acetileno, onde este é produzido pela reação de carbureto de cálcio e água também podem ser usados.

Figura 9.6 Ilustração do processo de soldagem por oxi-gás.

  Uma montagem do equipamento de soldagem oxi-gás é mostrada abaixo.

Figura 9.7 Montagem do equipamento de soldagem oxi-gás.

  Maçaricos

  O principal item desse equipamento básico é o maçarico, no qual os gases são misturados e do qual eles saem para produzir a chama. Ele é composto basicamente de:

  • corpo, no qual estão as entradas de gases e os reguladores da passagem dos gases;
  • misturador, no qual os gases são misturados;
  • lança, na qual a mistura de gases caminha em direção ao bico; • bico, que é o orifício calibrado por onde sai a mistura dos gases.

Figura 9.8 Representação esquemática de um maçarico.

  O maçarico é um instrumento para misturar e controlar a vazão da mistura na saída do bico. Com ele consegue-se obter a chama com regulagem e intensidade de combustão ideais para a operação de soldagem ou corte.

  Eles recebem o oxigênio e o gás combustível e fazem a mistura na proporção adequada à produção da chama desejada. A vazão de saída dos gases determina se a chama será forte, intermediária ou suave.

  Basicamente, existem dois tipos de maçaricos: O maçarico de baixa pressão, do tipo injetor, que fornece uma mistura de gás e oxigênio sem variação de proporção.

Figura 9.9 1. Entrada de oxigênio. 2. Entrada de gás. 3.lnjetor. 4. Mistura entre os gases. 5. Câmara de mistura. 6. Bico.

  O maçarico misturador é usado com cilindros de gás de média pressão. Nele, os gases passam por válvulas que permitem controlar a proporção da mistura e continuam através de tubos independentes até o ponto de encontro dos gases sem sofrer alterações significativas de volume e pressão.

Figura 9.10 1. Entrada de oxigênio. 2. Entrada de gás. 3.Ponto de encontro dos gases. 4. Misturador de gases. 5. Câmara de mistura. 6. Bico.

  O maçarico deve gerar uma chama estável e manter a dosagem dos gases da mistura constante durante todo o processo da soldagem ou corte. Em outras palavras, deve manter constante a regulagem da chama, tanto com variações na pressão do oxigênio como com o aquecimento excessivo.

  Os maçaricos devem ser projetados para resistir ao retrocesso da chama, caracterizado por um ruído bem característico e que pode danificar o maçarico ou até causar um acidente grave. O retrocesso pode ocorrer quando o bico é parcialmente obstruído, quando ocorre aquecimento excessivo ou quando a velocidade de saída da mistura é menor que a da propagação da chama. Se o ruído característico continuar, o retrocesso da chama é mais grave e pode se propagar pelas mangueiras até o cilindro.

  Bicos

  Os bicos são feitos de ligas com elevada condutibilidade térmica, como as ligas de cobre, para evitar um superaquecimento, gerando problemas como os que foram referidos no item anterior.

  A área do orifício do bico está linearmente relacionada com a espessura da chapa a ser soldada. Nota-se que, para uma dada área do orifício do bico, existe uma faixa de espessura que varia com as condições de soldagem. Existe um feixe de superposição das espessuras a serem soldadas, porém deve-se ter atenção devido às condições de soldagem, que podem ser ideais para um dado bico e não para outro, mantendo-se constante a espessura da chapa.

  O formato e o tamanho do dardo dependem, entre outros fatores, do diâmetro do orifício do bico, da relação entre os diâmetros de entrada e saída do bico etc. O bico deve fornecer então um escoamento laminar da mistura gasosa.

  Reguladores de pressão

  Os reguladores são equipamentos utilizados para descomprimir os gases armazenados em alta pressão nos cilindros. A função do regulador é baixar a pressão do gás ao valor desejado pelo usuário e mantê-la estabilizada, independentemente de flutuações de pressão no cilindro.

  Ele pode ser de dois tipos: de um ou dois estágios.

Figura 9.11 Regulador de pressão.Figura 9.12 Seção transversal de um regulador de pressão de um estágio (a) e de dois estágios (b).

  Válvulas de segurança

  As válvulas de segurança devem ser utilizadas em todos os equipamentos de soldagem e corte oxi-gás. São dispositivos importantes, pois podem minimizar, ou até evitar acidentes com aqueles tipos de equipamento.

  As válvulas de segurança são de dois tipos: válvula contra retrocesso de chama e válvula de contra fluxo. A válvula contra retrocesso de chama é conectada ao regulador de pressão do combustível, ou central de gases combustíveis. Essas válvulas devem evitar o contra fluxo dos gases, extinguir o retrocesso da chama e cortar o suprimento do gás combustível após o retrocesso. O funcionamento de uma válvula contra o retrocesso da chama pode ser acompanhado com a figura 13. O combustível entra na válvula, atravessa um diafragma perfurado e depois um bocal, entra em outra câmara através de outro bocal, atravessa outro diafragma perfurado, um disco de material poroso e é direcionado para a mangueira de combustível que alimenta o maçarico. No caso de retrocesso, o disco de material poroso evita a propagação da chama para o interior do maçarico junto com os dois diafragmas que mudam os raios de curvatura e interrompem, através de bocais, o fluxo do gás combustível.

  A válvula de contra fluxo evita a passagem do combustível do maçarico em direção ao cilindro. O funcionamento de uma dessas válvulas pode ser acompanhado através da figura 14. O combustível flui normalmente através de discos porosos de um metal dúctil, como mostra a figura 14a.

  Caso haja contra fluxo devido a uma mistura explosiva de acetileno e ar, por exemplo, esses discos absorvem as ondas de choque e bloqueiam o contra fluxo (figura 14b). Esse tipo de válvula não impede o retrocesso da chama, uma vez que a temperatura elevada danifica seus componentes internos.

Figura 9.13 Seção transversal de um tipo de válvula de segurança para retrocesso de chama.Figura 9.14 Seção transversal de um tipo de válvula de segurança para contra fluxo.

  As mangueiras têm a função de conduzir os gases. Elas devem ser flexíveis e capazes de resistir à alta pressão e a uma temperatura moderada. Para facilitar a identificação a mangueira para os gases combustíveis deve ser vermelha e ter rosca esquerda. A mangueira de oxigênio deve ser verde e ter rosca direita. Cada mangueira deve ser protegida por válvulas de segurança presentes no regulador de pressão e no maçarico.

9.6 Métodos de operação na soldagem

  Ângulo de soldagem O ângulo formado entre o maçarico e o metal-base é função da espessura da chapa, do ponto de fusão do metal-base e de sua condutividade térmica. A tabela 2 mostra a relação entre o ângulo formado pelo maçarico e o metal-base para chapas de aço-carbono.

Tabela 9.3 Ângulo do maçarico em função da espessura de chapas de aço-carbono.

  

Espessura da chapa Ângulo do

(mm) maçarico

Até 1,0 10°

1,1 - 3,0 20°

  

3,1 - 5,0 30°

5,1 - 7,0 40°

7,1 - 10,0 50°

10,1 - 12,0 60°

  No caso de utilização de chapas de cobre, os ângulos variam de 60 a 80°, enquanto que para o chumbo é de 10°. Durante as diversas etapas da soldagem oxi-gás, o ângulo do maçarico varia. No início, na fase de preaquecimento da chapa, o ângulo recomendado está entre 80° e 90°. Na soldagem propriamente dita, utiliza-se, no caso dos aços, os ângulos mostrados na tabela 2. No término da soldagem, o ângulo é de 10 a 20° para o preenchimento da cratera. Essa técnica é mostrada na figura 15.

Figura 9.15 Ângulo do maçarico para as diversas etapas da soldagem oxi-gás: no preaquecimento (a); durante a soldagem (b); no término da soldagem (c)

  Na soldagem oxicombustível é possível utilizar duas técnicas diferentes quanto ao sentido de avanço do maçarico: soldagem adiante ou à esquerda e soldagem atrás ou à direita.

  A soldagem adiante ou à esquerda (forehand) consiste em colocar a chama seguindo a vareta de solda em relação ao movimento segundo o qual se desenvolve a costura. Se o maçarico é segurado com a mão direita e a vareta com a mão esquerda, desenvolvendo-se o cordão de solda da direita para a esquerda, a vareta precede a chama e fica à esquerda, donde advém o nome de soldagem à esquerda. Na soldagem à esquerda, o ângulo entre o maçarico e a peça deve ficar em torno de 60°. O ângulo entre a vareta e a peça, por sua vez, deve ficar entre 45° e 60°.

Figura 9.16 Soldagem à esquerda.

  Essa técnica é usada para a soldagem de aços e de metais não ferrosos, porque o cordão de solda obtido é raso. É necessário geralmente que o soldador faça movimentos rotativos ou ziguezague de um lado para o outro da chapa para obter uma fusão perfeita.

  Este método é, atualmente, o mais utilizado, principalmente na soldagem de chapas de aço com uma espessura máxima de ¼ " (6,35mm), e na soldagem de chapas finas de até 2,5mm de metais não ferrosos. Tal método não é recomendado para a soldagem de aços de alta resistência.

  O bico do maçarico deve fazer um ângulo que varia de 45º a 50º em relação à chapa; a vareta de solda deve ser segura em um ângulo de 40°. O ângulo formado entre a vareta de solda e o bico do maçarico deverá ser de aproximadamente 90°.

Figura 9.17 Soldagem à esquerda.

  A soldagem atrás ou à direita (backhand) consiste em colocar a vareta de solda seguindo a chama, no movimento segundo o qual se desenvolve a costura. Se o maçarico está sendo segurado com a mão direita e a vareta com a mão esquerda, desenvolvendo-se o cordão de solda da esquerda para a direita, a vareta sucede a chama e fica à esquerda.

  Este método foi aperfeiçoado durante a Segunda Guerra Mundial a fim de poder competir com a soldagem elétrica de chapas com espessuras superiores a 12,7mm (1/2"), em vista das deficiências das soldagens à esquerda para chapas dessa espessura.

  A soldagem à direita acontece quando a chama é dirigida para a poça de fusão e o metal de adição é depositado atrás da chama. O ângulo entre o maçarico e a chapa deve ficar entre 45° e 60°, e o ângulo entre a vareta e a chapa é de aproximadamente 45°.

Figura 9.18 Soldagem à direita.

  Nessa técnica, o maçarico se desloca em linha reta, enquanto a vareta de solda avança em movimento de rotação no banho de fusão. Ela é empregada para a soldagem de materiais com espessura acima de 6 mm.

  A soldagem à direita apresenta uma série de vantagens:

  • maior facilidade de manuseio do maçarico e da vareta de solda;
  • maior velocidade de soldagem;
  • melhor visão da poça de fusão e, consequentemente, melhor controle durante a soldagem;
  • menores esforços de dilatação e contração; • possibilidade de soldagem de ampla faixa de espessuras de materiais. O ângulo entre o bico do maçarico e a chapa a ser soldada será de 40° a 50º; o

  ângulo entre a vareta e a chapa, de 30º a 40º, e, finalmente, o ângulo entre o bico do maçarico e a vareta de solda, de 100° a 110°.

Figura 9.19 Soldagem à direita.

  Uma soldagem realizada corretamente proporciona a fusão satisfatória em ambas as bordas da junta soldada e deve apresentar o aspecto apresentado na figura 20.

  Figura9. 20 Aspecto de uma fusão satisfatória.

  Por outro lado, a aplicação errada das técnicas de soldagem, a escolha incorreta do metal de adição e o tamanho inadequado da chama podem gerar defeitos na soldagem. A soldagem à esquerda é a mais indicada para chapas com a espessura de até 3 mm aproximadamente, enquanto que a soldagem à direita produz melhores resultados para espessuras maiores.

  A soldagem à direita tem maior velocidade que a soldagem à esquerda, porque nela é maior a energia de soldagem. A explicação é que na soldagem à direita a parte mais quente da chama está mais afastada do local a ser fundido.

  Em uma obra, quanto mais se aproxima a fase final, com mais frequência acontece que os conjuntos soldados tenham de ser montados em posições desfavoráveis.

  Assim, é importante observar algumas considerações sobre outras posições de soldagem que não a plana. Na posição vertical, as soldas deverão ser feitas, sempre que possível, de baixo para cima, ou seja, na posição ascendente. Tanto quanto possível, deve-se evitar a posição vertical descendente por ser uma técnica mais complicada, em função do escorrimento do material líquido. Durante a operação, o ângulo entre o bico do maçarico e a peça a ser soldada deve variar entre 25° e 90°, conforme a espessura da chapa. O ângulo entre a vareta de solda e a chapa deve ser de 30°.

  A principal vantagem da soldagem na posição vertical é a de se poder trabalhar sem chanfros, com materiais na faixa de 15 mm de espessura. Nesta faixa de espessura, podem ser empregados simultaneamente dois soldadores, um de cada lado da junta. Para evitar pressões desiguais, o fornecimento dos gases deve ser efetuado pela mesma fonte.

  A soldagem na posição horizontal é a menos utilizada na soldagem oxicombustível. Só é recomendável para espessuras menores que 5 mm. O método de operação é todo especial e requer sucessivas mudanças no ângulo de ataque do bico do maçarico, ora para a direita, ora para a esquerda.

  A solda na posição sobre cabeça é a mais difícil, requer maior habilidade do soldador e deve ser evitada sempre que possível, porém, muitas vezes, especialmente na construção naval, ela é obrigatória.

  A diferença principal entre a soldagem sobre cabeça e os outros tipos de soldagem reside no grande ângulo formado entre o maçarico e a peça a ser soldada, pois o maçarico é mantido quase na posição vertical. O ponto de fusão é inteiramente controlado pela chama do maçarico, que é posicionado quase em ângulo reto com a chapa, permitindo manter o ponto de fusão em posição correta.

  A dificuldade maior dessa posição de soldagem é manter um controle sobre a profundidade de penetração, uma vez que é preciso esperar que haja calor suficiente para obter uma boa penetração; no entanto, o material se torna muito fluido e difícil de controlar, com tendência a cair. Utilizando chama e vareta de solda corretas, e, principalmente, muita habilidade por parte do soldador, as dificuldades podem ser superadas.

  A primeira etapa na preparação das peças a soldar é a limpeza. As peças, ou pelo menos as partes a serem soldadas, devem estar limpas e livres de qualquer outro material que não seja sua própria superfície. Por outro material entende-se: tinta, verniz, óleo, graxa, gordura em geral ou outro material qualquer que possa contaminar a poça de fusão.

  Concluída essa etapa, passa-se para o próximo passo da preparação, que consiste em executar um chanfro, dar espaçamento e fixar as peças a serem soldadas. É importante destacar que este segundo passo vai depender muito da espessura da peça a ser soldada. Por exemplo, os chanfros somente são necessários a partir de uma certa espessura.

  Nas peças com espessura de 3 a 5 mm deve ser feito um preparo nas bordas a serem soldadas; esse preparo chama-se chanfro, o qual pode ser feito com esmerilhadeira, lima ou rebolo e deve ter por volta de 30°. A profundidade do chanfro não deve atingir mais do que 3/4 da espessura da chapa, pois se a ponta do chanfro for muito fina, esta será queimada com grande facilidade pela chama do maçarico e a soldagem não ficará perfeita.

  Nas chapas com espessura entre 5 e 15 mm fazem-se os chanfros da mesma maneira, porém, com ângulos maiores, na ordem de 60°, para ter acesso com o maçarico ao fundo da junta.

  Em espessuras superiores a 15 mm recomenda-se a utilização de chanfro duplo; a soldagem deve ser feita pelos dois lados. Quando possível, recomenda-se que esta soldagem seja feita com dois maçaricos de mesma capacidade e em trabalho em conjunto, um de cada lado, principalmente em espessuras acima de 20 mm.

  O preaquecimento das chapas é outra etapa de preparação. É necessário e algumas vezes indispensável, não só para facilitar o processo de fusão da soldagem e do material a soldar, mas também para compensar a contração e as possíveis deformações e trincas do cordão. As chapas finas são aquecidas com o próprio maçarico nos lados da junta a soldar. Já as chapas grossas ou peças de grandes dimensões exigem aquecimento localizado ou aquecimento em forno.

  As chapas finas com espessura de até 1 mm não precisam de material adicional para soldagem. Basta preparar as duas bordas a serem soldadas com uma pequena dobra de modo a parecer um pequeno flange de cerca de 1,5 mm em cada uma das chapas. Encostando-se os dois flanges e aproximando-se a chama, dá-se a fusão e a consequente soldagem.

  Para chapas com espessura de 1 a 3 mm, usa-se outro modo para preparação: aproximam-se as duas chapas a serem unidas, deixando um pequeno espaço com aproximadamente 1/4 da espessura da chapa. Este modo de soldagem pode causar deformações nas chapas muito finas.

  O ponteamento é utilizado na soldagem de chapas mais finas, antes de ser feito todo o cordão; as chapas devem ser ponteadas em espaços de 10 a 15 mm. Tal procedimento evitará que, ao se deformarem, as chapas se aproximem demasiadamente, prejudicando, assim, a sequência do serviço.

Figura 9.21 Preparação das juntas para soldagem conforme a espessura.

9.7 Segurança na soldagem. Cilindro de acetileno

  As seguintes recomendações devem ser observadas: • Evitar choques violentos, principalmente nos reguladores de pressão.

  • Não armazenar os cilindros em local próximo a uma fonte de calor.
  • Armazenar os cilindros preferencialmente na posição vertical e seguros por correntes.
  • O acetileno é mais leve que o ar e não se acumula em locais baixos.
  • Não esvaziar o cilindro completamente, evitando a entrada de ar ou a saída de vapor de acetona misturado com o acetileno.
  • Ter cuidado com vazamentos, uma vez que a mistura do acetileno com o ar pode ser explosivo.
  • Verificar sempre o estado das válvulas e reguladores de pressão, para evitar vazamentos.

  • Evitar o contato do acetileno com tubulações ou conexões de cobre e algumas de suas ligas, porque pode-se formar um composto explosivo do acetileno com o cobre.

  Cilindro de oxigênio

  • Não usar o oxigênio no lugar do ar comprimido para retirar resíduos de locais que estejam também sujos de óleo ou graxa, pois pode haver combustão espontânea dos óleos.
  • Não usar o oxigênio para limpar roupa que esteja suja de óleo ou graxa, pois há risco de combustão espontânea da roupa.
  • Não lubrificar nenhuma conexão ou parte do equipamento em contato com o cilindro de oxigênio.
  • Evitar choques violentos nos reguladores de pressão, uma vez que, devido à elevada pressão interna, o cilindro do oxigênio pode voar como um míssil.
  • Conservar o cilindro sempre com o capacete de proteção, quando não estiver em uso, durante a soldagem
  • Caso ocorra retrocesso da chama, fechar imediatamente as válvulas do maçarico e dos cilindros de gases.
  • Limpar o bico do maçarico, evitando entupimentos.
  • Ter cuidado com o risco de explosão ao soldar ou cortar recipientes metálicos que tenham tido contato com combustíveis.

  Exercícios

  1. Quais são as principais vantagens e desvantagens dos processos oxi-gás?

  2. Quais são as principais aplicações dos processos de soldagem oxi-gás? 3. Descreva as características dos três tipos de chama.

  4. Explique as finalidades dos gases usados em soldagem oxi-gás.

  5. Explique o funcionamento dos reguladores de pressão e das válvulas de segurança.

  6. Quais são as principais medidas de segurança a serem adotas na soldagem oxi-gás?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p. (6) Fundamentos de soldagem I / SENAI. Serviço Nacional de Aprendizagem

  Industrial. - São Paulo: SENAI-SP Editora. 2015. 152 p.: il (Área Metalmecânica - Metalurgia)

10 Processo de soldagem por aluminotermia.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem por aluminotermia e demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

10.1 Introdução.

  A soldagem aluminotérmica (Thermit Welding - TW) é um processo no qual a união de peças metálicas é obtida a partir do calor e do metal produzidos numa reação química entre um óxido metálico e o alumínio (figura 1) e surgiu no final do século XIX, quando o químico Hans Goldschmidt descobriu que a reação exotérmica entre o pó de alumínio e um óxido metálico pode ser iniciada por uma fonte externa de calor gerando altas temperaturas e grandes quantidades de calor. Desde então, este processo tem sido bastante utilizado em aplicações específicas, nas quais outros processos de soldagem existentes não apresentam flexibilidade e condições adequadas para realização da solda no campo. Uma das vantagens desse processo é que a reação pode ser autossustentada com ou sem pressão.

Figura 10.1 Soldagem por aluminotermia (esquemático).

  10.2 Aplicação

  As principais aplicações da soldagem aluminotérmica são a união de trilhos em ferrovias, soldagem de cabos e fios elétricos, soldagens de barras de reforço e para tratamento térmico de soldas em que somente o calor da reação é aproveitado. Atualmente ela vem sendo usada também na indústria naval e construção civil, na união de barras e em reparos.

  10.3 Fundamentos do processo.

  A soldagem aluminotérmica é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através do preenchimento da interface de junção com metal líquido superaquecido, cuja energia é originária de uma reação química entre óxido metálico e alumínio. A Tabela I mostra algumas reações normalmente usadas:

  

Tabela I - Reações químicas usuais na soldagem aluminotérmica

Óxido metálico + Alumínio → Metal + Óxido de AI + Calor (kJ)

3 4 2 3

  3 Fe O

  8 Al

  9 Fe

  4 Al O 3.350 2 3

  3 FeO 2 3

  2 Al

  3 Fe Al O 880 2 3 Fe O

  2 Al

  2 Fe Al O 850

  3 CuO

  2 Al

  3 Cu Al 2 O 3 1.210

  3 Cu 2 O

  2 Al

  6 Cu Al 2 O 3 1060

  A reação 3 Fe

  3 O 4 + 8Al → 9Fe + 4 Al

  2 O 3 + 3.350 kcal (3. 100 °C) é uma das mais

  utilizadas e a relação em peso é de três partes de óxido de ferro para uma parte de alumínio. A temperatura teórica de 3.100 °C é reduzida por perdas de calor no cadinho e por radiação e pelo auxílio de componentes não reagentes normalmente adicionados à mistura, para que se consiga temperatura de cerca de 2.480°C. Isto é importante, pois o alumínio vaporiza a 2.500°C. Por outro lado, a temperatura não pode ser muito baixa,

  2

  3

  pois a escória de alumínio (Al O ) se solidifica a 2.040°C. Aditivos também podem ser usados para aumentar a fluidez e baixar a temperatura de solidificação da escória. Caso necessário, é possível adicionar elementos de liga ao metal de adição, para melhoria das propriedades mecânicas.

  As vantagens da soldagem aluminotérmica são a flexibilidade para soldagem no campo, o tempo de execução que é pequeno, dispensa o uso de energia elétrica e o uso de equipamentos, complexos, as soldas podem ser feitas com as peças praticamente em qualquer posição, desde que a cavidade do cadinho tenha paredes suficientemente verticais para o metal escorrer rapidamente. As desvantagens são a necessidade de cuidados especiais quanto à segurança do operador e do local, a necessidade de moldes específicos para cada aplicação e necessidade de um pré-aquecimento.

  A figura 2 apresenta uma ilustração do processo, sendo aplicado para junção de vergalhões espessos na indústria civil ou para a junção de trilhos de trem.

Figura 10.2 Ilustração do processo de soldagem por aluminotermia.

  10.4 Consumíveis.

  Os consumíveis para o processo são o óxido metálico e o alumínio em pó, ambos com uma granulometria adequada. Em alguns casos utiliza-se ferro-ligas para se obter melhores propriedades mecânicas.

  10.5 Equipamentos

  O equipamento necessário para a realização deste processo constitui-se de um molde específico para determinada aplicação, que é feito de areia refratária e de um cadinho que é colocado acima do molde e onde ocorre a reação. O molde deve ter saídas para gases e permitir que o metal escorra sobre a área a ser trabalhada.

  10.6 Métodos de operação na soldagem Para se ter uma solda com qualidade são necessários alguns cuidados importantes.

  As peças devem estar limpas e alinhadas, sendo o alinhamento crítico neste processo. A separação entre as peças a serem soldadas é estimada empiricamente por

  /

  S =

  2 Sendo S é separação entre as peças, e A é área da seção transversal, em mm .

  A colocação do molde refratário com o formato das peças a unir é uma operação trabalhosa e normalmente usa-se pré-aquecimento por maçarico do molde e da peça para prevenir fissuração. A reação que ocorre no cadinho colocado acima do molde deve ser acompanhada, de modo que todo o metal fundido escorra para dentro do molde e a escória, que é mais leve, flutue acima do metal, ficando retida no cadinho. Após a solidificação, o molde deve ser retirado e faz-se a remoção de rebarbas manual ou mecanicamente, usando esmerilhadeira.

  Exercícios

  1. Como a soldagem aluminotérmica pode ser classificada?

  2. Quais são as principais aplicações dos processos de soldagem por aluminotermia?

  3. Quais reações químicas são importantes no processo de soldagem aluminotérmica?

  4. Quais precauções devem ser tomadas em relação ao alumínio durante a soldagem por aluminotermia?

  5. Qual a função dos consumíveis da soldagem aluminotérmica?

  6. Para a soldagem de trilhos de uma ferrovia, são utilizados perfis com seção

  2

  transversal A= 60 mm , qual deve ser a separação entre os perfis?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

11 Processos de soldagem eletrodos revestidos.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem eletrodos revestidos de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

11.1 Introdução.

  A soldagem a arco com eletrodos revestidos (Shielded Metal Arc Welding- SMAW) consiste na abertura e manutenção de um arco elétrico entre o eletrodo revestido e a peça a ser soldada, processo que produz a coalescência entre metais. A união é produzida pelo calor do arco criado entre um eletrodo revestido e a peça a soldar.

  O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida

  2

  2

  que é protegida na atmosfera (O e N ) pelos gases da combustão do revestimento do eletrodo. O metal depositado e as gotas ejetadas do metal fundido recebem uma proteção adicional por meio do banho de escória, a qual é formada pela queima de alguns componentes do revestimento

  .

Figura 11.1 Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestido.

  O processo de soldagem ao arco elétrico com eletrodo revestido tem grande versatilidade, sendo possível soldar um grande número de materiais que vão desde o aço ao carbono, ligados e inoxidáveis, passando pelos ferros fundidos, até os metais não ferrosos, como o alumínio, o cobre, o níquel e suas ligas.

  A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes.

  Quando comparada com outros processos, particularmente com a soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa e com soldagem a arco submerso), a soldagem com eletrodos revestidos apresenta como principal limitação uma baixa produtividade, tanto em termos de taxa de deposição (entre 1,0 e 2,55 kg/h para eletrodos 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), em geral inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento específico para o soldador, que é demorado e oneroso, particularmente para certas aplicações, necessidade de cuidados especiais com os eletrodos, principalmente com os do tipo básico, e o grande volume de gases e fumos gerados no processo, que podem ser prejudiciais à saúde, particularmente em ambientes fechados.

  O arco elétrico é formado pela ionização dos gases entre o eletrodo e a peça, e o bombardeio de elétrons no anodo e dos íons positivos no catodo desenvolvem temperaturas de até 3.500 "C.

  Para iniciar o arco, é necessário que o metal de adição (eletrodo) toque a peça (metal de base) para poder fechar o circuito, e, após os elétrons percorrerem o eletrodo em direção à peça, inicia-se um arco elétrico. Afastando-se o eletrodo da peça, o arco elétrico entra em contato com os gases gerados pela queima do revestimento do eletrodo, gerando o plasma, e por sua temperatura muito alta funde a alma do eletrodo; dessa forma, inicia-se a transferência metálica do cordão de solda.

  O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida que é protegida na atmosfera (O

  2 e N 2 ) pelos gases da combustão do revestimento do

  eletrodo. O metal depositado e as gotas ejetadas do metal fundido recebem uma proteção adicional por meio do banho de escória, a qual é formada pela queima de alguns componentes do revestimento.

  Seu emprego na fabricação, montagem e manutenção de equipamentos e estruturas é indicado tanto dentro da fábrica quanto em campo e em operações que exigem soldagem nas mais diversas posições, o que o torna o processo mais comum de soldagem ao arco em uso. Isso compensa as desvantagens de ser um processo manual, com baixa velocidade de produção, estreitamente dependente da habilidade do soldador. O processo exige cuidados especiais com os eletrodos e produz um grande volume de gases e fumos de soldagem.

  Assim como ocorre na maioria dos outros países, no Brasil, o processo de soldagem com eletrodos revestidos é muito utilizado. Apesar de não ser necessariamente o mais eficiente, é um dos mais baratos e simples, sendo empregado em grande variedade de aplicações. A soldagem com eletrodos revestidos foi o principal processo de soldagem usado industrialmente até os anos 60. A partir daí sua importância relativa vem decrescendo, particularmente nos países mais desenvolvidos. No Brasil isto também ocorre, embora de forma mais lenta.

11.2 Aplicação

  A soldagem com eletrodos revestidos é usada na fabricação e montagem de diferentes equipamentos e estruturas, tanto em oficina como no campo, sendo particularmente interessante neste último caso. O processo é usado basicamente como uma operação manual, sendo muitas vezes chamado simplesmente de soldagem manual. Somente uma variação "mecanizada" do processo, a soldagem por gravidade, tem sido utilizada na indústria de forma mais intensa, principalmente em estaleiros.

  A soldagem manual pode ser usada em grande número de materiais, como aços carbono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, alumínio, cobre, níquel e ligas destes, por exemplo.

  Metais de baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho e zinco, em geral não são soldáveis a arco e metais refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônio, molibdênio e nióbio não são soldáveis com eletrodos revestidos. Diferentes combinações de metais dissimilares podem ser soldadas por esse processo. A tabela I mostra as faixas de espessura de aço comumente soldadas com eletrodos revestidos. Para espessuras inferiores a 2 mm, o material é facilmente perfurado pelo calor do arco, em caso de manipulação indevida e para espessuras muito grandes, a baixa produtividade do processo é o principal fator limitante. Assim, a soldagem com eletrodos revestidos é usada mais frequentemente para espessuras entre 3 e 40 mm, em aços.

  

Tabela I - Faixas típicas de espessuras para utilização da soldagem com eletrodos revestidos.

  

Material: aço.

  Técnica de soldagem Faixa de espessuras (mm) Um passe, sem preparação 1,0 a 3,2 Um passe, com preparação 3,2 a 6,4 Vários passes Acima de 3,2 Filete - passe único 1,5 a 7

  Esse processo é largamente usado na manutenção de equipamentos e estruturas e pode ser usado em situações de emergência para outras operações como corte, furação etc., com o uso de técnicas especiais. A soldagem com eletrodos revestidos também tem sido intensamente usada na manutenção de estruturas submersas, em soldagem subaquática, em ambientes molhados ou secos. Isto se deve à grande versatilidade do processo em termos de ligas soldáveis e faixas de espessura aplicáveis, além da simplicidade e baixo custo relativo do processo em si e dos equipamentos necessários. Por outro lado, o nível de qualidade das soldas feitas com eletrodos revestidos depende fortemente do soldador, exigindo do profissional muita habilidade e concentração, que só são conseguidos com muito treino e execução de muitas soldas. Com isto, a formação de mão-de-obra qualificada é demorada e onerosa e, ainda assim, um bom soldador, trabalhando com equipamentos e consumíveis adequados não necessariamente produzirá soldas de qualidade, se não estiver totalmente concentrado e empenhado na tarefa que esteja executando no momento.

11.3 Fundamentos do processo.

  Todos os processos de soldagem por arco elétrico precisam de algum tipo de proteção para evitar contaminações da atmosfera, a menos que se solde em uma câmara de vácuo, o que é economicamente inviável. Na soldagem com eletrodo revestido, a queima do revestimento dos eletrodos é responsável pela proteção gasosa.

  Um eletrodo sem revestimento e sem outro tipo de proteção perde parte de seus elementos após a fusão e deposita um metal nitretado e oxidado, cujas propriedades mecânicas terão um valor relativamente inferior ao das chapas de aço de baixo teor de carbono. Estes dois elementos químicos, nitrogênio e oxigênio, são os que mais influenciam a deterioração das propriedades.

  Durante a fusão de um eletrodo sem revestimento, a maior parte do carbono e do manganês contidos no aço do eletrodo é queimada durante a operação de soldagem, o que naturalmente influencia as propriedades mecânicas do metal depositado, já que as propriedades de um aço dependem basicamente do seu teor de carbono e manganês. O carbono transforma-se em monóxido de carbono (CO) e em dióxido de carbono (CO

  2 ),

  3

  4

  enquanto o manganês transforma-se em óxido de manganês (Mn O ). O silício, extremamente ávido pelo oxigênio, queima-se igualmente, dando origem a uma escória de sílica (SiO 2 ).

  Numerosos ensaios permitem concluir que a fusão de um eletrodo sem revestimento e sem adição de qualquer outro tipo de proteção provoca uma forte oxidação do carbono, do manganês e do silício. Os teores de enxofre (S) e de fósforo (P) variam pouco. É importante salientar que os fenômenos de oxidação dependem basicamente das condições operatórias e do comprimento do arco. Um arco longo com tensão elevada provocará maiores reações de oxidação do que um arco curto.

  O eletrodo revestido consiste de uma vareta metálica, chamada "alma", trefilada ou fundida, que conduz a corrente elétrica e fornece metal de adição para enchimento da junta. A alma é recoberta por uma mistura de diferentes materiais, numa camada que forma o "revestimento" do eletrodo. Este revestimento tem diversas funções na soldagem, principalmente:

  • estabilizar o arco elétrico; : contém silicatos de Na e K que ionizam a atmosfera do arco, o que facilita a passagem de corrente, dando origem a um arco estável.
  • ajustar a composição química do cordão, pela adição de elementos de liga e eliminação de impurezas;
  • proteger a poça de fusão e o metal de solda contra contaminação pela atmosfera (ação do hidrogênio, proveniente do vapor de água e oxigênio), através da geração de gases e de uma camada de escória através da combustão;

  • conferir características operacionais, mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo e à solda, contribuindo com a introdução de elementos de liga para melhorar as propriedades mecânicas da junta soldada.
  • Isolante elétrico: sendo um mau condutor elétrico, isola a alma (metal que vai fundir), evitando a abertura de arcos laterais e orientando o calor para o local de interesse.
  • Contém componentes escorificantes que limpam o metal fundido no metal de solda.
  • Forma uma camada de escória sobre o metal de solda, impedindo a oxidação pela atmosfera e reduz a taxa de resfriamento inibindo a formação de estruturas frágeis.

  A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes.

11.4 Consumíveis.

  11.4.1 Eletrodos O eletrodo é formado por um núcleo metálico ("alma"), com 250 a 500mm de comprimento, revestido por uma camada de minerais (argila, fluoretos, carbonatos, etc) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas, etc), com um diâmetro total típico entre 2 e 8mm. A alma do eletrodo conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem da atmosfera a região sendo soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas.

Figura 11.2 Constituição de um eletrodo revestido.

  Eletrodos para a soldagem de aços de baixo carbono são, em geral, especificados com base nas propriedades mecânicas do metal depositado, no tipo de revestimento e em suas características operacionais.

  A especificação da AWS para estes aços é feita através de um conjunto de letras e dígitos. Por exemplo, de acordo com a norma AWS A5.1, uma classificação do tipo E6010 indica um eletrodo capaz de depositar material com um limite de resistência de 60.000psi (420MPa) e que possui um revestimento celulósico, com ligante a base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições com corrente contínua e o eletrodo no polo positivo.

Figura 11.3 um exemplo de designação AWS para eletrodos. Para os aços carbono, os eletrodos podem ser separados em diferentes tipos em função das características de seu revestimento, destacando-se:

  • Eletrodos Celulósicos (EXX10 e EXXX1): Possuem elevada quantidade de material orgânico (celulose) no revestimento, cuja decomposição pelo arco gera gases que protegem o metal líquido. A quantidade de escória produzida é pequena, o arco é muito violento, causando grande volume de respingos e alta penetração em comparação com outros tipos de eletrodo. O cordão tende a apresentar escamas irregulares. A solda apresenta propriedades mecânicas adequadas para várias aplicações, contudo, não devem ser usados na soldagem de aços de teor elevado de carbono, de aços ligados e na soldagem de peças de maior espessura devido a possibilidade de fragilização pelo hidrogênio proveniente do revestimento. São particularmente adequados para soldagem fora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulações e na execução de passes de raiz em geral. Devido à sua grande penetração e perda por respingos não são adequados para o enchimento de chanfros.
  • Eletrodos Rutílicos (EXXX2, EXXX3 e EXXX4): Contém quantidades

  

2

  significativas de rutilo (TiO ) no revestimento e produz uma escória abundante, densa e de fácil destacabilidade. São eletrodos de fácil uso, que podem ser usados em qualquer posição exceto quando têm uma elevada quantidade de pó de ferro no revestimento (para aumentar a produtividade). Podem operar tanto em CA como em CC e produzem um cordão com bom aspecto visual e de penetração baixa ou média. Sua resistência à formação de trincas na solidificação da poça de fusão é relativamente pequena o que pode ser um problema na soldagem de peça contaminadas com óleo. São eletrodos de grande versatilidade e de uso geral.

  • Eletrodos Básicos (EXXX5, EXXX6 e EXXX8): Possuem quantidades

  apreciáveis de carbonatos (de cálcio e de outros elementos) e de fluorita,

  2

  formam uma escória básica que, juntamente com o CO gerado da decomposição dos carbonatos, protege o metal líquido. Esta escória exerce uma ação metalúrgica benéfica sobre a solda, dessulfurando-a e reduzindo o risco de formação de trincas de solidificação. Não possui substâncias orgânicas em sua formulação e, se manuseado corretamente, produz soldas com baixo teor de hidrogênio, minimizando os riscos de fragilização e fissuração por este elemento. A penetração é média e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente quanto à tenacidade. É indicado para aplicações de grande responsabilidade, na soldagem de juntas de grande espessura ou de grande rigidez e na soldagem de aços de maior teor de carbono, de aços de maior resistência mecânica e de aços de composição química desconhecida. Este tipo de eletrodo é altamente hidroscópico, requerendo cuidados especiais na sua armazenagem.

  • Eletrodos Oxidantes (EXX20 e EXX27): Possuem revestimento

  constituído principalmente de óxidos de ferro e manganês que produz escória oxidante, abundante e de fácil destacamento. O metal depositado possui baixos teores de carbono e manganês e grande quantidade de inclusões. Este tipo de eletrodo é pouco utilizado atualmente, embora exista em certo interesse na sua utilização como eletrodo para a soldagem subaquática. As especificações de identificação da AWS são numeradas de acordo com o material que se pretende classificar. Entre estas especificações, as mais comuns são as utilizadas para aço-carbono (AWS A 5.1), para aços de baixa liga (AWS A 5.5) e para aços inoxidáveis (AWS A 5.4). O quadro a seguir auxilia a encontrar a norma AWS que especifica o eletrodo adequado à soldagem de determinados materiais.

  

Tabela II Especificação AWS

Especificação AWS para eletrodos revestidos REF.AWS Eletrodos para: A 5.1

  Aços-carbono A 5.3 Alumínio e suas ligas A 5.4 Aços inoxidáveis A 5.5 Aços de baixa liga A 5.6 Cobre e suas ligas

  A 5.11 Níquel e suas ligas A 5.13

Revestimento (alma sólida)

A 5.15 Ferros fundidos A 5.21 Revestimento (alma tubular com

carbonetos de tungstênio)

Figura 11.4 Embalagem de eletrodos.

  11.4.2 Cuidados com os eletrodos revestidos Cuidados especiais devem ser tomados com manuseio e armazenamento dos eletrodos, pois estes podem ser facilmente danificados. Em caso de choque, queda ou se o eletrodo for dobrado, parte de seu revestimento pode ser quebrada, deixando exposta sua alma. Nesse caso, ele não deve ser usado em trabalhos de responsabilidade.

  A absorção de umidade também pode comprometer o desempenho de alguns tipos de eletrodos. Por isso, eles são fornecidos em embalagens fechadas adequadamente. Uma vez aberta a embalagem, estes eletrodos devem ser guardados em estufas especiais para esse fim. Os eletrodos revestidos devem ser manuseados e guardados de acordo com as instruções dos fabricantes.

11.5 Equipamentos

  O seu equipamento usual consiste de fonte de energia (ou máquina de soldagem), porta-eletrodo e cabos, além de equipamentos de segurança para o soldador (máscara, luvas, avental, etc.) e para a limpeza do cordão e remoção de escória (picadeira e escova de aço). Para soldagem, a parte não revestida do eletrodo é fixada no porta-eletrodo e o arco é iniciado tocando-se rapidamente a ponta do eletrodo na peça (que estão conectados, por cabos, aos terminais da máquina de soldagem). O calor do arco funde a ponta do eletrodo e um pequeno volume do metal de base formando a poça de fusão. A soldagem é realizada manualmente, com o soldador controlando o comprimento do arco e a poça de fusão (pela manipulação do eletrodo) e deslocando o eletrodo ao longo da junta. Quando o eletrodo é quase todo consumido, o processo é interrompido para troca do eletrodo e remoção de escória da região onde a soldagem será continuada. A figura 5 ilustra o equipamento e o processo de soldagem e a tabela III apresenta as suas vantagens, limitações e aplicações principais.

Figura 11.5 Equipamento para soldagem SMAW.Figura 11.6 Equipamento de soldagem SMAW.Figura 11.7 - Modelos de transformadores.Figura 11.8 - Modelos de retificadores.

  Tabela III Vantagens, limitações e aplicações do processo.

  

Vantagens e limitações Aplicações

Soldagem de produção, Equipamento simples, portátil e barato. manutenção e em montagens no campo.

Não necessita fluxos ou gases externos. Soldagem de aços carbono e ligado.

Pouco sensível à presença de correntes de ar Soldagem de ferro fundido. (trabalho no campo).

Processo muito versátil em termos de Soldagem de alumínio, níquel e suas

materiais soldáveis. ligas.

  Facilidade para atingir áreas de acesso restrito. Aplicação difícil para materiais reativos. Produtividade relativamente baixa. Exige e limpeza após cada passe.

11.6 Métodos de operação na soldagem

  Na soldagem manual com eletrodos revestidos, as principais variáveis operatórias são: tipo e diâmetro do eletrodo; tipo, polaridade e valor da corrente de soldagem; tensão e comprimento do arco; velocidade de soldagem; técnica de manipulação do eletrodo e a sequência de deposição de soldagem.

  O diâmetro do eletrodo, seu tipo e espessura do revestimento determinam a faixa de corrente em que este pode ser utilizado. Assim, a seleção do diâmetro deve ser baseada, entre outros fatores, na espessura do metal a ser soldado, na posição de soldagem e no tipo da junta. A utilização de um eletrodo excessivamente grande para uma dada espessura pode levar a perfuração da peça durante a soldagem, uma vez que a corrente mínima para esse eletrodo é elevada.

  A soldagem fora de posição (posição diferente da posição plana) é feita preferencialmente com eletrodos de menor diâmetro do que o utilizado na posição plana, devido à maior dificuldade de se controlar a poça de fusão. Na soldagem em chanfro, as dimensões do chanfro também devem ser consideradas na escolha do diâmetro do eletrodo. Por exemplo, na execução do passe de raiz, o diâmetro do eletrodo deve permitir que este penetre até a raiz da junta, de modo a evitar a falta de penetração e outros problemas. Em princípio, por questões econômicas, deve-se usar o maior diâmetro de eletrodo possível para uma dada tarefa, desde que não existam limites para a energia de soldagem, por questões de ordem metalúrgica.

  A faixa de corrente utilizável para um dado eletrodo depende principalmente de seu diâmetro e do material da alma, do tipo e espessura do revestimento e da posição de soldagem. Para cada tipo de eletrodo, existe uma faixa de corrente de soldagem para cada diâmetro de alma. Correntes inferiores à corrente mínima podem instabilizar o arco e causar aquecimento e fusão insuficientes, e correntes superiores à máxima recomendada podem prejudicar o revestimento devido ao seu aquecimento excessivo por efeito Joule. Eletrodos com revestimentos espessos e isentos de substâncias orgânicas frequentemente suportam correntes mais elevadas, como mostra a Tabela VI. Em geral, as faixas de corrente utilizáveis para cada diâmetro de eletrodo são apresentadas na embalagem do produto.

  

Tabela VI- Faixas típicas de parâmetros elétricos de operação para diferentes eletrodos revestidos, em

função de seu diâmetro.

  Eletrodo AWS E 6010 AWS E 7018

Bitola Tensão Tensão

(mm) Corrente (A) (V) Corrente (A) (V)

2,0 50-70 50-90

  2,5 60-100 65-105 3,25 80-150 110-150 18-28 20-30 4 105-205 140-195

  5 155-300 185-270 6 195-350 225-355

  Para a soldagem na posição plana, trabalha-se, em geral, com correntes próximas do valor máximo possível para cada eletrodo. Para as posições vertical e sobrecabeça, é mais adequado trabalhar com correntes próximas ao limite inferior. O valor da corrente de soldagem deve ser escolhido de modo a se conseguir uma fusão e penetração adequadas, sem, contudo, tornar difícil o controle da poça de fusão.

  A corrente de soldagem é o principal parâmetro que controla o volume da poça de fusão e a penetração da solda no metal base, que tendem a aumentar com o aumento da corrente, assim como a largura do cordão. Correntes muito elevadas produzem poças de fusão de grandes dimensões e difícil controle, além de poderem causar a degradação do revestimento, respingos excessivos e perda de resistência mecânica e tenacidade da solda.

  O tipo de corrente e sua polaridade afetam a forma e as dimensões da poça de fusão, a estabilidade do arco e a transferência de metal de adição, como mostra a Figura

  9. De uma maneira geral, a polaridade inversa (CC+) produz maior penetração, e a polaridade direta (CC-) produz maior taxa de fusão do eletrodo. Com corrente alternada, estes valores são intermediários, e a ocorrência de sopro magnético é minimizada. Entretanto, deve-se lembrar que a escolha do tipo e valor de corrente não é totalmente livre e depende do tipo e diâmetro do eletrodo a ser usado na operação.

Figura 11.9 Influência do tipo de corrente e da polaridade na penetração: (a) CC+. (b) CC- e (c) CA.

  A tensão no arco pode variar entre cerca de 17 e 36 V na soldagem com eletrodos revestidos, dependendo do diâmetro do eletrodo, de seu revestimento, da corrente usada e do comprimento do arco (Tabela VI). A tensão de operação do arco tende a aumentar com o aumento do diâmetro do eletrodo, da corrente de soldagem e do comprimento do arco. Na soldagem manual, este último parâmetro é controlado diretamente pelo soldador, e depende da habilidade e experiência deste. A manutenção do comprimento do arco em uma faixa adequada é importante para a obtenção de uma solda aceitável. Um comprimento muito pequeno causa um arco intermitente, com interrupções frequentes e até mesmo sua extinção, quando o eletrodo "gruda" na peça. Cordões depositados com arcos mais curtos tendem a ser estreitos e com concavidade pronunciada (reforço excessivo). De outro lado, um comprimento grande causa um arco sem direção e concentração, mais respingos e proteção deficiente, que favorece a formação de porosidades. O comprimento correto do arco depende do diâmetro do eletrodo, do tipo de revestimento, do valor da corrente e da posição de soldagem. Como orientação, o comprimento do arco deve ficar entre 0,5 e 1,1 vezes o diâmetro da alma do eletrodo.

  A velocidade de soldagem deve ser escolhida de forma que o arco fique ligeiramente à frente da poça de fusão. O uso de velocidades muito altas resulta em cordões estreitos e baixa penetração, de aspecto ruim, com mordeduras e escória de difícil remoção. Velocidades muito baixas causam um cordão mais largo, com penetração e reforço excessivos.

  A correta manipulação do eletrodo é importante em todas as etapas da soldagem, quais sejam: abertura do arco, deposição propriamente dita e extinção do arco. Na abertura, o eletrodo é encostado rapidamente na superfície da peça, preferencialmente numa região a ser fundida e próxima ao início do cordão, e afastado a uma distância da ordem do comprimento de arco a ser usado, como mostra a Figura 10. A abertura do arco em uma região que não será fundida deixa marcas (marca de abertura de arco) na superfície da peça, que podem ser antiestéticas e mesmo causar a iniciação de trincas, por exemplo, em aços temperáveis.

Figura 11.10 Técnicas de abertura de arco (a e b) e procedimento para início de deposição (c) de um eletrodo.

  Durante a execução da solda, o soldador deve fazer três movimentos principais: movimento de mergulho, isto é, movimento de avanço do eletrodo em direção à poça de fusão, de modo a manter constante o comprimento do arco. Para isto, a velocidade de mergulho deve ser igual à velocidade de fusão do eletrodo, em média. Esta última aumenta com a corrente de soldagem e à medida que o comprimento do eletrodo diminui; movimento de translação, que é o deslocamento do eletrodo e do arco ao longo da junta, com uma velocidade uniforme (velocidade de soldagem);e movimento de tecimento, isto é, um deslocamento lateral do eletrodo em relação ao eixo da solda utilizado para obter um cordão mais largo, fazer flutuar a escória, garantir a fusão das paredes do chanfro e para controlar a poça de fusão, além de tornar mais suave o ciclo térmico de soldagem. Este movimento, entretanto, não deve ser muito amplo (em geral não deve exceder a três vezes o diâmetro do eletrodo), para não aumentar demais a energia de soldagem. O número de padrões de tecimento é extenso e alguns deles são mostrados na Figura 11.

Figura 11.11 Exemplos de padrões de tecimento.

  Além dos movimentos, é importante a manutenção de um correto posicionamento do eletrodo em relação à junta, que depende do tipo e espessura do revestimento do eletrodo, da geometria da junta e da posição de soldagem. O posicionamento correto deve: evitar que a escória flua à frente da poça da fusão, prevenindo seu aprisionamento e formação de inclusões; controlar a repartição do calor nas peças, particularmente na soldagem de componentes com diferentes espessuras; facilitar a observação da poça de fusão; e minimizar os efeitos do sopro magnético, quando necessário. O posicionamento e movimentação adequados do eletrodo em uma dada operação dependerão de suas características e também da habilidade do soldador. As Figuras 12 a 15 mostram alguns exemplos.

Figura 11.12 Posicionamento para soldagem na posição plana.

  

Figura 13 Posicionamento para soldagem na posição horizontal.

Figura 11.14 Posicionamento para soldagem nas posições vertical ascendente (a) e descendente (b).Figura 11.15 Posicionamento para soldagem de filete em peças de (a) mesma espessura e (b) espessuras diferentes.

11.7 Segurança na soldagem.

  O processo de soldagem eletrodo revestido é um dos processos mais comuns e que utiliza uma energia de soldagem considerável, em que os raios ultravioleta e infravermelho incidem no soldador. Por esse motivo, os equipamentos de segurança são imprescindíveis.

  Os equipamentos de proteção individual são projetados com a finalidade de proteger os profissionais de danos e lesões que possam ocorrer devido às condições inerentes ao trabalho em soldagem.

  Para a solda com eletrodo revestido o soldador necessitará de um avental de raspa, mangotes, perneiras, luvas, óculos de segurança, máscara de solda, filtro de soldagem número 10 a 13 de acordo com a corrente de soldagem.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem com eletrodos revestidos?

  2. Compare eletrodos com e sem revestimento.

  3. Explique a designação dada pela AWS para os eletrodos revestidos.

  4. Quais são os cuidados que devem ser tomados com os eletrodos?

  5. Quais são as variáveis operatórias do processo de soldagem com eletrodos revestidos?

  6. Quais são as principais medidas de segurança a serem adotas na soldagem com eletrodos revestidos?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p. (6) Fundamentos de soldagem I / SENAI. Serviço Nacional de Aprendizagem

  Industrial. - São Paulo: SENAI-SP Editora. 2015. 152 p.: il (Área Metalmecânica - Metalurgia)

12 Processos de soldagem GTAW (TIG).

  Objetivos

  Apresentar a soldagem com proteção gasosa e eletrodo de tungstênio de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

12.1 Introdução.

  A maioria dos processos de soldagem são bastante simples, baratos e versáteis, tanto do ponto de vista da variedade de tipos de metais a serem soldados, quanto do ponto de vista da espessura das chapas.

  Mas que fazer se os metais a serem unidos forem de difícil soldagem, se for preciso soldar peças de pequena espessura ou juntas complexas, ou se for necessário um controle muito rigoroso do calor cedido à peça?

  Como no caso da costura e união de topo de tubos de aço inoxidável, da soldagem de alumínio, magnésio e titânio, particularmente de peças leves ou de precisão como as usadas na indústria aeroespacial, por exemplo?

  TIG (ou GTAW) é o processo de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa que utiliza eletrodo de tungstênio, um gás inerte, para proteger a poça de fusão. O nome TIG é uma abreviação de Tungsten Inert Gas (tungstênio gás inerte). O tungstênio é o material de que é feito o eletrodo e o gás inerte refere-se ao gás que não reage com outros materiais, o processo de soldagem TIG diferencia-se dos outros por ter um arco elétrico (plasma) que é pequeno e concentrado.

  Como o eletrodo não é consumível e não se faz utilização de revestimento ou fluxo, o arco é bastante estável e preciso, o que favorece a realização de soldas em chapas finas e em pequenas regiões de forma precisa. Uma desvantagem é que a taxa de resfriamento do metal de solda é alta devido ao sopro do gás de proteção e à inexistência de escória.

12.2 Aplicação

  O processo TIG se aplica bem na maioria dos metais, especialmente titânio, zircônio, ligas de alumínio, magnésio, aços ligados, inoxidáveis, ligas de níquel e ligas especiais. Muito utilizado em espessuras menores que 10 mm e em todos os tipos de juntas e chapas. O processo TIG é muito usado para a soldagem de tubos, na indústria aeroespacial e nuclear devido à confiabilidade do processo.

  Este processo tem a vantagem de apresentar cordões de solda de alta qualidade, sem escória e sem respingos, e pode ser empregado em todas as posições e tipos de junta. Uma desvantagem no processo TIG é que o trabalho só pode ser realizado em local coberto ou protegido; se utilizada no campo, a soldagem TIG sofre a influência da circulação de ar no local e a proteção fornecida pelo gás inerte é prejudicada; outra desvantagem é que na soldagem de chapas grossas sua produtividade é baixa.

  A soldagem GTAW é mais utilizada para aços ligados, aços inoxidáveis e ligas não ferrosas. É um processo adequado a quase todos os metais, em especial titânio, zircônio, ligas de alumínio e magnésio, aços ligados, inoxidáveis, ligas de níquel e ligas especiais. Um uso comum, para aços estruturais, é a execução de passes de raiz na soldagem de tubulações, com os outros passes sendo realizados com outro processo (SMAW ou GMAW).

12.3 Fundamentos do processo.

  Para identificarmos o processo de soldagem a arco elétrico, necessitamos entender como o arco elétrico se forma nesse tipo de processo: a fonte geradora de energia fornece elétrons a um material metálico que ao se encontrarem com o metal de base com elétrons de polaridades diferentes se atraem e ionizam-se, gerando então o arco elétrico, para que a energia desse arco possa fundir o metal de adição com o metal de base.

  O arco de soldagem é formado quando uma corrente elétrica passa entre uma barra de metal (tungstênio), que é o eletrodo não consumível, e que pode corresponder ao polo negativo (cátodo), e o metal de base, que pode corresponder ao polo positivo (ânodo). No caso de corrente alternada (CA), o cátodo e o ânodo variam de acordo com a polaridade da corrente.

Figura 12.1 - Processo de soldagem a arco elétrico.

  A Soldagem a Arco Gás-Tungstênio (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW) ou, como é mais conhecida no Brasil, TIG (Tungsten Inert Gas) é um processo no qual a união é obtida pelo aquecimento dos materiais por um arco estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça. A proteção do eletrodo e da zona da solda é feita por um gás inerte, normalmente o argônio, ou mistura de gases inertes (Ar e He). Metal de adição pode ser utilizado ou não.

Figura 12.2 Soldagem GTAW: (a) Detalhe da região do arco, (b) montagem usual.

  A soldagem GTAW pode ser usada na forma manual ou mecanizada e é considerada como um dos processos de soldagem a arco que permite um melhor controle das condições operacionais. Permite a execução de soldas de alta qualidade e excelente acabamento, particularmente em juntas de pequena espessura (inferior a 10mm e mais comumente entre 0,2 e 3mm). Seções de maior espessura podem ser soldadas, mas, neste caso, considerações econômicas tendem a favorecer processos com eletrodo consumível.

  Uma característica importante deste processo é o excelente controle da energia transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento, semelhantemente ao que ocorre na soldagem oxiacetilênica. Isso torna o processo bastante adequado para a soldagem de peças de pequena espessura e, aliado à eficiente proteção contra a contaminação, permite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade, com ótimos resultados.

  Este processo tem a vantagem de apresentar cordões de solda de alta qualidade, sem escória e sem respingos, e pode ser empregado em todas as posições e tipos de junta. O fato de o eletrodo ser não consumível possibilita a soldagem sem a adição de metal de enchimento. Isso pode ser interessante na soldagem de chapas finas. Além disso, como não existem reações metal-gás e metal-escória, não há grande geração de fumos e vapores, o que permite ótima visibilidade para o soldador. A tabela I apresenta as vantagens, limitações e aplicações principais da soldagem GTAW.

  Tabela I Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GTAW.

  Vantagens e limitações Aplicações •Excelente controle da poça de fusão.

  • Permite soldagem sem o uso de metal de adição.
  • Permite mecanização e automação do processo.
  • Usado para soldar a maioria dos metais.
  • Soldagem de precisão ou de elevada qualidade.
  • Produz soldas de alta qualidade e excel
  • Soldagem de peças de pequena espessura e acabamento.

  tubulações de pequeno diâmetro.

  • Gera pouco ou nenhum respingo.
  • Execução do passe de raiz em tubulações.
  • Exige pouca ou nenhuma limpeza apó
  • Soldagem de ligas especiais, não soldagem.

  ferrosas e materiais exóticos.

  • Permite a soldagem em qualquer posição.
  • Produtividade relativamente baixa.
  • Custo de consumíveis e equipamento é relativamente elevado.

  As variáveis para a qualificação do procedimento de soldagem são: metal-base; metal de adição; preaquecimento; tipo de gás de proteção; tipo de junta; posições de soldagem; características elétricas e técnicas de soldagem. As quatro primeiras são consideradas essenciais.

  12.3.1 Parâmetros de soldagem Os parâmetros de soldagem são responsáveis pela qualidade do cordão de solda e, por isso, é importante conhecê-los bem para a escolha correta do procedimento de soldagem.

  Considerando esses parâmetros isoladamente sem alterar os demais, a influência dessas variáveis são:

  • Comprimento do arco: é a distância entre a ponta do eletrodo até o metal de base. O aumento dessa distância aumentará também a tensão do arco elétrico, tendo como resultado um cordão mais largo. Comprimento de arco muito curto ou muito longo favorecerá o aparecimento de defeitos como porosidade, mordeduras e falta de fusão.
  • Velocidade de soldagem: um aumento na velocidade de soldagem resultará num cordão mais estreito, com reforço menor e uma menor penetração.
  • Vazão do gás: excesso ou insuficiente fluxo de gás favorecerá o aparecimento de descontinuidades, como porosidade e instabilidade do arco elétrico.
  • Corrente de soldagem: a regulagem correta da corrente de soldagem dependerá do metal de base, do metal de adição quando houver, das espessuras envolvidas, do tipo de junta
etc. Aumentando a corrente de solda, aumenta-se a penetração e o aporte térmico da operação.

  12.3.2 Eletrodos O eletrodo utilizado no processo de soldagem TIG é o eletrodo de tungstênio, pois, apesar de teoricamente não ser consumível, ele tem um poder maior de emitir elétrons do que os materiais, além de ter um ponto de fusão alto. O teoricamente não consumível significa que ele não se dissolve para formar o metal de solda, e é utilizado somente como condutor e gerador do arco elétrico, mas, como a temperatura de trabalho é muito alta, ele acaba de deteriorando, e o soldador necessita então executar procedimentos de preparação se sua ponta para continuar a soldagem.

  A faixa de corrente do eletrodo é definida pela espessura do material a ser soldado, e assim o tamanho do eletrodo tem que ser escolhido, além da energia, polaridade e projeto da tocha que será utilizada.

  Eletrodos “torinados”, isto é, com adições de óxido de tório, podem conduzir uma maior corrente sem fundir parcialmente a sua ponta como ocorre com os de W puro e tendem a apresentar um menor desgaste do que estes. A extremidade desses eletrodos pode ser apontada com um esmeril, ocasionando um arco mais estável e rígido quando se trabalha com menores densidades de corrente. A extremidade de eletrodos de W puro tende a se fundir se tornando hemisférica, não sendo estes, em geral, apontados. Os eletrodos de tungstênio puro são usados principalmente na soldagem de alumínio com corrente alternada. A forma da ponta do eletrodo, assim como o seu diâmetro, influencia o formato do cordão de solda, sendo, portanto, uma variável do processo, particularmente importante na soldagem mecanizada ou automática.

12.4 Consumíveis.

  Os consumíveis utilizados na soldagem TIG são o metal de adição e os gases de proteção. O metal de adição para soldagem TIG é, geralmente, apresentado sob forma de vareta com cerca de 1 m de comprimento. No caso de soldagem mecanizada, utilizam-se bobinas de fio enrolado. Os diâmetros dos fios e das varetas obedecem a um padrão que varia entre 0,5mm e 5mm. Os materiais e ligas utilizados na confecção das varetas são variados e classificam-se segundo sua composição química e de acordo com as propriedades do metal depositado.

  12.4.1 Metal de adição Embora o processo TIG permita a soldagem sem metal de adição, esse tipo de trabalho é de uso limitado.

  É usado principalmente em materiais de espessura muito fina e ligas propensas a trincamento quando aquecidas. A função do metal de adição é justamente ajudar a diminuir as fissuras e participar na produção do cordão de solda.

  Para soldagem manual, o metal de adição é fornecido na forma de varetas. Para a soldagem mecanizada, o metal é fornecido na forma de um fio enrolado em bobinas. Os diâmetros dos fios e das varetas são padronizados e variam entre 0,5 mm e 5 mm. O diâmetro é escolhido em função da espessura das peças ou da quantidade de material a ser depositado e dos parâmetros de soldagem.

  A escolha do metal de adição para uma determinada aplicação é feita em função da composição química e das propriedades mecânicas desejadas para a solda. Em geral, o metal de adição tem composição semelhante à do metal de base.

  É importante lembrar que os catálogos dos fabricantes são fontes ideais de informações necessárias para ajudar na escolha dos gases de proteção, dos eletrodos e do metal de adição.

  12.4.2 Gases de proteção O gás inerte, além de proteger dos gases atmosféricos a região do arco compreendida pela poça de fusão, eletrodo de tungstênio e vareta de metal de adição, também transfere a corrente elétrica, quando ionizado. Para esse sistema, os gases usados são o hélio, o argônio ou uma mistura dos dois, sendo o argônio mais utilizado em função do custo.

  Na seleção do gás de proteção, deve-se levar em consideração o tipo de metal que se quer soldar, a posição de soldagem e a espessura das peças a unir. O grau de pureza do gás de proteção é essencial para a qualidade da solda e deve ficar em torno de 99,99%. É importante lembrar que essa pureza deve ser mantida até que o gás chegue efetivamente ao arco, a fim de evitar que vestígios de sujeira e umidade resultem em contaminação da solda.

12.5 Equipamentos

  O seu equipamento básico consiste de uma fonte de energia (CC e/ou CA), tocha com eletrodo de tungstênio, fonte de gás de proteção (Ar ou He) e um sistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta frequência). Este ignitor ioniza o meio gasoso, dispensando a necessidade de tocar o eletrodo na peça para a abertura do arco (o que pode causar a mútua contaminação do eletrodo e do metal base). O equipamento para GTAW é mais caro e complicado do que o usado na soldagem com eletrodos revestidos (SMAW).

  A fonte de energia é similar à utilizada em SMAW, mas, devido às características do processo GTAW, deve apresentar uma melhor precisão no ajuste da corrente e permitir a soldagem com menores níveis de corrente (até cerca de 5A). O processo é mais utilizado com corrente contínua e o eletrodo de W no polo negativo (CC-). Esta configuração garante uma fusão mais eficiente do metal base e um menor aquecimento do eletrodo. Contudo, na soldagem de ligas de alumínio e de magnésio, que são recobertos por uma camada de óxido de elevado ponto de fusão, é importante que o metal base esteja ligado ao polo negativo da máquina, pois, nesta polaridade, a emissão de elétrons da peça para o arco permite a quebra e remoção da camada de óxido. Para garantir este efeito sem aquecer excessivamente o eletrodo, é comum se trabalhar com CA na soldagem desses materiais. Neste caso, como o arco tende a se apagar a cada inversão de polaridade de corrente, o ignitor de alta frequência deve operar continuamente para manter o arco aceso.

  As variáveis para a qualificação do procedimento de soldagem, são: metal-base; metal de adição; preaquecimento; tipo de gás de proteção; tipo de junta; posições de soldagem; características elétricas e técnicas de soldagem. As quatro primeiras são consideradas essenciais.

Figura 12.3 - Fontes inversoras de energia.

  O processo de soldagem TIG, por sua importância e versatilidade, exige um conhecimento cujas noções básicas todo o profissional da área de metal mecânica deve ter.

  Equipamentos modernos de soldagem GTAW apresentam recursos como o uso de corrente contínua pulsada e de corrente alternada com onda retangular (não senoidal). Na primeira técnica, a cada pulso de corrente, a poça de fusão cresce para as suas dimensões esperadas e se contrai ao final do pulso. Este efeito permite um melhor controle da poça de fusão na soldagem de peças de pequena espessura ou fora da posição plana. A segunda técnica é usada na soldagem de ligas de Al ou de Mg e dispensa a necessidade de se manter o ignitor de alta frequência operando continuamente para manter o arco funcionando a cada inversão de polaridade. Os eletrodos são varetas de W sinterizado puro ou com adições de óxido de Th, Zr ou de outros metais. A faixa de corrente utilizável para um eletrodo depende de seu tipo e diâmetro e, também, do tipo e polaridade da corrente de soldagem.

12.6 Métodos de operação na soldagem

  Para iniciar arco, é necessário que o metal de adição (eletrodo) toque a peça (metal de base) para poder fechar o circuito, e após os elétrons percorrerem o eletrodo em direção à peça inicia-se um arco elétrico. Afastando-se o eletrodo da peça o arco elétrico que está dentro de uma câmara de argônio, ou uma mistura de gás inerte com certa carga de elétrons, facilita uma ionização e gera o plasma.

  Soldagem manual sem metal de adição - A abertura do arco deve ser feita com a tocha em ângulo de 600 da horizontal, na direção oposta à soldagem, com uma distância ao redor de 15 mm da ponta do eletrodo ao metal-base. Abaixa-se, então, a tocha até uma distância ao redor de 5 mm para abrir o arco com alta frequência; caso não haja este recurso, aproximar ainda mais o eletrodo, tendo o cuidado de não tocar o metal-base e, consequentemente, contamina-lo.

  A figura 12.4 mostra a técnica de abertura de arco.

Figura 12.4 - Abertura do arco no processo TIGFigura 12.5 - Técnica de soldagem sem adição no processo TlG

  Após a abertura do arco, aumenta-se o ângulo para 75-80°, formando-se então a poça de fusão; pode-se fazer movimentos circulares para ajudar na formação da poça de fusão. A figura 5 mostra a técnica de soldagem sem adição, com 100% de penetração.

  Soldagem manual com metal de adição - Após a abertura do arco, idêntica à técnica anterior e feita uma poça de fusão com o diâmetro aproximado de duas vezes o diâmetro da adição, move-se a tocha no sentido contrário à soldagem, até o início da poça de fusão. Adiciona-se o metal de adição com um ângulo entre 10 e 20° da horizontal. O metal de adição deve estar envolvido pela proteção gasosa, porém não deve ficar embaixo do arco, nem tocar a poça de fusão ou o eletrodo de tungstênio. Afasta-se o metal de adição, mantendo-o, porém, sob a proteção gasosa, não devendo ficar embaixo do arco, nem tocar a poça de fusão ou o eletrodo de tungstênio.

  Afasta-se o metal de adição, mantendo-o, porém, sob a proteção gasosa. Move-se então a tocha para formar outra poça de fusão. A figura 6 mostra essas técnicas.

Figura 12.6 - Técnica para soldagem com adição no processo TIG. Em (a), o afastamento para o início da poça de fusão. Em (b) e (c), introdução do metal de adição para encher a poça de fusão. Em (d), a retirada

  

do metal de adição. Em (e), formação de outra poça de fusão.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem com TIG (GTAW)?

  2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem TIG (GTAW).

  3. Quais são os parâmetros de soldagem do Processo TIG (GTAW)?

  4. Quais são as funções do eletrodo de tungstênio?

  5. Quais são os consumíveis do processo TIG (GTAW)?

  6. Quais são as variáveis operatórias do processo de soldagem TIG (GTAW)?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p. (6) Fundamentos de soldagem I / SENAI. Serviço Nacional de Aprendizagem

  Industrial. - São Paulo: SENAI-SP Editora. 2015. 152 p.: il (Área Metalmecânica - Metalurgia)

13 Processo de soldagem GMAW (MIG/MAG).

  Objetivos

  Apresentar a soldagem com proteção gasosa e eletrodo consumível de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

13.1 Introdução.

  A Soldagem a Arco Gás-Metal (Gas Metal Arc Welding - GMAW) é um processo de soldagem a arco que produz a união dos metais pelo seu aquecimento com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo (e consumível) e a peça.

  A proteção do arco e poça de fusão é obtida por um gás ou mistura de gases. Se este gás é inerte (Ar/He), o processo é também chamado MIG (Metal Inert Gas). Por outro lado, se o gás for ativo (CO

  2 ou misturas Ar/O 2 /CO 2 ), o processo é chamado MAG (Metal

  Active Gas). Gases inertes puros são, em geral, usados na soldagem de metais e ligas não ferrosas, misturas de gases inertes com pequenas quantidades de gases ativos são usadas, em geral, com aços ligados, enquanto que misturas mais ricas em gases ativos ou CO

  2 puro são usados na soldagem de aços carbono.

Figura 13.1 Processo de soldagem a arco elétrico MIG/MAG.Figura 13.2 -Soldagem com mistura Ar 90% e CO 2 10%.

  13.2 Aplicação

  A soldagem MIG/MAG é usada na fabricação de componentes e estruturas, e de equipamentos de médio e grande porte, como pontes rolantes, vigas, escavadeiras, tratores. É também usada na indústria automobilística, na manutenção de equipamentos e peças metálicas, na recuperação de peças desgastadas e no revestimento de superfícies metálicas com materiais especiais.

  Os processos de soldagem MIG/MAG são muito versáteis em termos de aplicação, podendo ser usados em todas as posições nas mais variadas ligas metálicas e espessuras de material.

  Além disso, por ser semiautomático, esse processo de soldagem apresenta uma produtividade muito elevada, o que o torna uma alternativa bastante viável, quando comparado à soldagem com outros processos.

  13.3 Fundamentos do processo.

  O processo é normalmente operado de forma semiautomática, podendo ser, também, mecanizado ou automatizado. É o processo de soldagem a arco mais usado com robôs industriais. Como trabalha com um (ou mais) arame (s) contínuo (s), o que permite um alto fator de ocupação, com elevadas densidades de corrente no eletrodo (elevada taxa de deposição) e, assim, tende a apresentar uma elevada produtividade. Estes aspectos têm levado a uma utilização crescente deste processo (e da soldagem com arames tubulares) em países desenvolvidos, onde o decréscimo do número de soldadores e a necessidade de maior produtividade causaram a substituição da soldagem com eletrodos revestidos em várias aplicações.

Figura 13.3 Soldagem GMAW (esquemática).

  A qualidade do cordão de solda conseguido pelos processos MIG/MAG é influenciada por alguns parâmetros, como intensidade de corrente, tensão e comprimento do arco, velocidade de soldagem, stick-out, gases de proteção, diâmetro do eletrodo e posição da tocha, seus tipos e vazão. É preciso, portanto, conhecer estas variáveis para selecionar o procedimento adequado a cada demanda de soldagem.

  A figura a seguir mostra o perfil de cordões de solda feitos com diferentes gases.

Figura 13.4 Perfil de cordões de solda de acordo com o gás de proteção.

  Neste processo de soldagem, mais do que em qualquer outro, a forma como o metal de adição se transfere do eletrodo para a poça de fusão pode ser controlada e determina várias de suas características operacionais. A transferência de metal através do arco se dá, basicamente, por três mecanismos: aerossol (spray), globular e curto-circuito, dependendo de parâmetros operacionais, tais como o nível de corrente, sua polaridade, diâmetro e composição do eletrodo e a composição do gás de proteção. Uma quarta forma de transferência (pulsada) é possível com equipamentos especiais.

  Na transferência por spray, o metal se transfere como finas gotas sob a ação de forças eletromagnéticas do arco e independentemente da ação da gravidade. Esta forma de transferência ocorre na soldagem com misturas de proteção ricas em argônio e com valores elevados de corrente. Ela é muito estável e livre de respingos. Infelizmente, a necessidade de correntes elevadas torna difícil, ou impossível, a sua aplicação na soldagem fora da posição plana (a poça de fusão tende a ser muito grande e de difícil controle) ou de peças de pequena espessura (excesso de penetração).

Figura 13.5 Transferência por spray.

  Na transferência globular, o metal de adição se destaca do eletrodo basicamente por ação de seu peso (gravidade), sendo, portanto, similar a uma torneira gotejando. É típica da soldagem com proteção de CO

  2 para tensões mais elevadas e uma ampla faixa

  de correntes. Na soldagem com misturas ricas em Ar, a transferência globular ocorre com corrente baixa e tensão elevada. Com esta forma de transferência, um elevado nível de respingos e grande flutuação da corrente e tensão de soldagem são comuns e a operação está restrita à posição plana.

Figura 13.6 Transferência globular.

  Na transferência por curto circuito, o eletrodo toca a poça de fusão periodicamente (de 20 a 200 vezes por segundo), ocorrendo a transferência de metal de adição durante estes curtos por ação da tensão superficial e das forças eletromagnéticas. É a forma de transferência mais usada na soldagem de aços (particularmente com proteção de CO

  2 )

  fora da posição plana e de peças de pequena espessura (até 6 mm) devido às pequenas correntes de operação e à sua independência da ação da gravidade. Elevado nível de respingos e uma tendência à falta de fusão da junta (principalmente para juntas de grande espessura) são problemas típicos desta forma de operação.

Figura 13.7 Transferência por curto circuito.

  A transferência pulsada é conseguida com fontes especiais que impõem uma forma especial à corrente de soldagem, caracterizada por pulsos periódicos de alta corrente. Esta pulsação permite uma transferência spray com valores médios de corrente inferiores aos valores nos quais esta forma de transferência ocorre normalmente. Assim, obtém-se as vantagens desta transferência com baixos valores de corrente o que permite a sua aplicação na soldagem de juntas de pequena espessura e, também, fora da posição plana. As maiores limitações desta forma de operação são a sua maior complexidade de operação e a necessidade de equipamentos especiais (de maior custo e mais complexos).

  Tabela I Vantagens, limitações e aplicações principais do processo GMAW.

  Vantagens e limitações Aplicações

• Processo com eletrodo contínuo. • Soldagem de ligas ferrosas e não ferrosas.

  • Soldagem de carrocerias e estruturas de • Permite soldagem em qualquer posição. veículos.
  • Elevada taxa de deposição de metal. • Soldagem de tubulações, etc.
  • Elevada penetração.
  • Pode soldar diferentes ligas metálicas.
  • Exige pouca limpeza após soldagem.
  • Equipamento relativamente caro e complexo.
  • Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso restrito.
  • Proteção do arco é sensível a correntes de ar.
  • Pode gerar elevada quantidade de respingos.

  13.3.1 Parâmetros de soldagem O estabelecimento do procedimento de soldagem deve considerar variáveis como: tensão, corrente, velocidade, ângulo e deslocamento da tocha, tipo de vazão do gás, diâmetro e comprimento da extensão livre do eletrodo (stick out). Essas variáveis afetam a penetração e a geometria do cordão de solda. Assim, por exemplo, se todas as demais variáveis do processo forem mantidas constantes, um aumento na corrente de soldagem, com consequente aumento da velocidade de alimentação do eletrodo, causa aumento na penetração e aumento na taxa de deposição.

  Sob as mesmas condições, ou seja, variáveis mantidas constantes, um aumento da tensão produzirá um cordão de solda mais largo e mais chato. A baixa velocidade de soldagem resulta em um cordão de solda muito largo com muito depósito de material. Velocidades mais altas produzem cordões estreitos e com pouca penetração.

  O número de passes é em função da espessura do metal e do tipo da junta. A vazão do gás deve ser tal que proporcione boas condições de proteção. Em geral, quanto maior for a corrente de soldagem, maior será a poça de fusão e, portanto, maior a

  área a proteger, e maior a vazão necessária.

  O comprimento da extensão livre do eletrodo (stick out) é a distância entre o último ponto de contato elétrico e a ponta do eletrodo ainda não fundida. Ela é importante, porque, quanto maior for essa distância, maior será o aquecimento do eletrodo (por causa da resistência elétrica do material) e menor a corrente necessária para fundir o arame.

13.4 Consumíveis.

  Os principais consumíveis utilizados na soldagem MIG/MAG são o arame eletrodo, gás de proteção e, quase sempre, um líquido para proteção da tocha e regiões adjacentes à solda contra adesão de respingos.

  Os arames para soldagem são constituídos de metais ou ligas metálicas que possuem composição química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas.

  A composição química do arame ou eletrodo deve ser a mais similar possível à do metal de base, pois essa composição determina o metal fundido que, por sua vez, vai influenciar as características da junta soldada. Também o gás de proteção deve ser adequado à composição química do arame. Fatores como o estado e a limpeza do metal de base, as propriedades mecânicas desejadas, o tipo de trabalho, a posição de soldagem e o modo de transferência devem ser também considerados.

  Arames de má qualidade, em termos dessas propriedades citadas, podem produzir falhas de alimentação, instabilidade no arco e descontinuidades no cordão de solda. Os arames de aço para soldagem MIG/MAG e a arco submerso são tradicionalmente cobreados. A justificativa comumente dada para esse tipo de revestimento é que a camada de cobre protege o arame contra a corrosão e melhora o contato elétrico entre este e o bico de contato na tocha de soldagem. O cobreamento é uma forma de revestimento catódico, isto é, o elemento protetor deve ser mais nobre que o protegido, e sua atuação protetora se dá pela formação de uma camada contínua que o isola do meio corrosivo, devendo, entretanto, ter uma certa espessura mínima.

  13.4.1 Eletrodos O arame-eletrodo do processo MIG/MAG é alimentado continuamente. Para que isso aconteça, ele tem que ser fornecido em bobinas. De acordo com o tipo de equipamento de soldagem, o carretel será de vários tamanhos, podendo ser com 5 kg, 8 kg, até 18 kg, com o tempo de soldagem nesse último de m/min. Sua bitola também tem que ser dimensionada de acordo com a quantidade de material a ser depositado e a capacidade de energia que o equipamento pode suportar, conforme a espessura da peça a ser soldada. Essas dimensões são: 0,8 mm até 3,2 mm, sendo 0,8 a 1,6 mm arames sólidos e 2,4 a 3,2 mm arames tubulares.

  Os arames de soldagem têm a função de agir como o polo positivo do circuito de soldagem, além de serem ao mesmo tempo o metal de adição, em que a energia de soldagem gerada forma o arco elétrico. Como a temperatura deste é maior do que o ponto de fusão do arame, ele se funde e é depositado na poça de fusão.

  Os eletrodos para soldagem MIG/MAG são fabricados com metais ou ligas metálicas como aço inoxidável, aço com alto teor de cromo, aço-carbono, aços de baixa liga, alumínio, cobre, níquel, titânio e magnésio.

  Eles apresentam composição química, dureza, superfície e dimensões controladas e normalizadas. A norma é a da AWS (American Welding Society), e a classificação para aço-carbono é feita por meio de um conjunto de letras e algarismos: Tabela II Consumíveis Processos MIG/MAG (GMAW).

  Especificação AWS para MIG/MAG (GMAW) Ref. AWS Arames para:

  A.5.18 Aços ao carbono A.5.22 Aços inoxidáveis A.5.28 Aços de baixa liga

  

Classificação dos arames utilizados para aço-carbono (AWS A.5.18)

  

Classificação dos arames utilizados para aços inoxidáveis (AWS A.5.22)

  Deve-se reforçar ainda a importância dos cuidados necessários do armazenamento ao manuseio dos eletrodos. Eles devem ser armazenados em local limpo e seco para evitar a umidade. Para evitar a contaminação pelas partículas presentes no ambiente, a bobina deve retomar à embalagem original, quando não estiver em uso.

13.4.1.1 Seleção do diâmetro do eletrodo nu

  A taxa de fusão e a penetração são funções da densidade de corrente. Se dois eletrodos nus com diâmetros diferentes puderem ser utilizados nas mesmas condições de soldagem, o de menor diâmetro dará maior taxa de deposição e penetração. Eletrodos nus com diâmetro maior originam cordões mais longos que os de menor diâmetro. A espessura do metal-base também influi na escolha do diâmetro do eletrodo nu. Quanto mais espesso o metal base, maior o diâmetro do eletrodo nu.

  

Tabela III - Parâmetros de soldagem em junta topo-a-topo na posição plana para aço-carbono ou de baixa

liga.

  

Velocidade

de Velocidade do

  ø

  e (mm) r (mm) alimentação Corrente (A) Tensão (V) de soldagem eletrodo nu do eletrodo (cm/min) (mm)

nu (m/min)

0,8 0,8 6,6 110-130 19,0 63,0

  1,6 1,6 1,2 4,3 140-160 20,0 89,0 1,2 0,8 7,6 120-140 21,0 51,0 3,0 1,6 1,2 4,3 140-160 21,0 63,0

  Observações:

  2 1) O gás de proteção é CO puro, com vazão de 15 a 20 l/min.

  2) Transferência por curto-circuito. 3) Distância de 6 mm entre o tubo de contato e a peça. 4) Apenas um passe.

  13.4.2 Gases de proteção A proteção gasosa tem a função de proteger a poça de fusão, as gotas de metal fundido e o arame de todo tipo de contaminação por gases atmosféricos. Ela será escolhida de acordo com o material a ser soldado (metal de base) e com as condições da soldagem que será executada. Dessa forma, o gás alimentado externamente de forma contínua sobre o arco e a poça de fusão (metal líquido) podendo ser inerte, ativo ou uma mistura desses.

  Esse gás também funciona como meio ionizante, que conferirá ao arco elétrico uma melhor estabilidade na concentração de energia, controlando a transferência metálica. Para melhor entendimento, conceituaremos as siglas do processo MIG/MAG. Gases usados no processo: » argônio (Ar); » hélio (H); » dióxido de carbono (CO

  2 );

  » oxigênio (O

  2 ),

  A sigla M (metal) I (inerte) G (gás) informa que sua proteção é executada pela utilização de uma proteção gasosa de gás inerte, podendo ser usado o gás hélio, argônio ou a mistura dos dois.

  A sigla M (metal) A (ativo) G (gás) utiliza a mesma fonte de energia do processo MIG, porém sua proteção gasosa é feita com gases ativos, que reagem com a poça de

  2

  2

  fusão, como é o caso do dióxido de carbono CO puro ou a mistura argônio x CO . O metal de adição é diferente no processo, pois o eletrodo deve ser escolhido de acordo com o metal de base e a aplicação da solda. Além disso, cada tipo de gás poderá facilitar um tipo de transferência metálica, assim depositando metal fundido de maneira mais rápida e de melhor aplicação, e em várias posições. Quando a utilização do processo da informação se dá MAG C, diz que se trabalha com CO

  2 puro (100%).

  Com CO

  2 trabalha-se com arco elétrico mais curto e com Ar mais longo;

  2

  utilizando o CO , obtém-se um arco elétrico mais concentrado, que oferece uma boa penetração. Já o argônio proporciona um arco mais estável, aumenta a frequência de transferência das gotas, além de reduzir a frequência de curtos-circuitos entre as mesmas gotas e a poça de fusão.

  O tipo de gás influencia nas características do arco e na transferência do metal, na penetração, na largura e no formato do cordão de solda, na velocidade máxima da soldagem.

  Os gases inertes puros são usados principalmente na soldagem de metais não ferrosos, como o alumínio e o magnésio. Os gases ativos puros ou as misturas de gases ativos com inertes são usados principalmente na soldagem dos metais ferrosos. As misturas de gases ativos com gases inertes em diferentes proporções permitem a soldagem com melhor estabilidade de arco nos metais ferrosos.

  Os principais gases utilizados no processo MIG são o argônio, hélio ou a mistura destes. No processo MAG são utilizados os gases dióxido de carbono puro ou misturado com argônio, ou ainda, oxigênio misturado com argônio, ou ainda a mistura dos gases argônio, dióxido de carbono e oxigênio.

  As proporções são definidas conforme a aplicação.

  

Tabela IV Gases e misturas, comportamento químico e aplicações na Soldagem GMAW.

  Gás ou mistura Comportamento químico Aplicações

Argônio (Ar) Inerte Quase todos metais (exceto aço)

Hélio (He) Inerte Al, Mg, Cu e suas ligas

  

Ar + 20 a 50% He Inerte Idem He (melhor que 100% He)

Nitrogênio (N

2 ) Inerte Cobre e suas ligas

2 2 2 Ar + 20 a 60% N Inerte Idem N (melhor que 100% N ) Ar + 1 a 2% O 2 2 Ligeiramente oxidante Aços inox e algumas ligas de Cu

Ar + 3 a 5% O Oxidante (ativo) Aços carbono e alguns baixa liga

CO

2 Oxidante (ativo) Aços carbono e alguns baixa liga

2 Ar + 20 a 50% CO Oxidante (ativo) Diversos aços Ar + CO 2 + O 2 Oxidante (ativo) Diversos aços

13.5 Equipamentos

  O equipamento básico para a soldagem GMAW consiste de fonte de energia, tocha de soldagem, fonte de gás e alimentador de arame. A fonte de energia tem, em geral, uma saída de tensão constante, regulável entre 15 e 50V, que é usada em conjunto com um alimentador de arame de velocidade regulável entre cerca de 1 e 20 m/min. Este sistema ajusta automaticamente o comprimento do arco através de variações da corrente, sendo mais simples do que sistemas alternativos. Na soldagem GMAW, utiliza-se, em praticamente todas as aplicações, corrente contínua com o eletrodo ligado ao polo positivo (CC+). Recentemente, o processo tem sido utilizado com corrente alternada (CA) para a soldagem de juntas de pequena espessura de alumínio.

Figura 13.8 Equipamentos de soldagem GMAW (esquemático).

  13.5.1 Tocha A tocha possui um contato elétrico deslizante (bico de contato), que transmite a corrente elétrica ao arame, orifícios para passagem de gás de proteção, bocal para dirigir o fluxo de gás e interruptor para acionamento do processo.

Figura 13.9 Tocha (esquemático).

  A tocha para processo MIG/MAG é construída para ter uma geometria adequada para cada tipo de trabalho e acesso à junta a ser soldada. Por esse motivo, existem várias geometrias no mercado. Também é o suporte para o operador segurar para a execução da soldagem, além de energizar e direcionar o fluxo da proteção gasosa e o arame-eletrodo. Normalmente, eles contêm estrias perpendiculares e em ângulo, para facilitar o posicionamento do eletrodo no processo.

  13.5.2 Transportadores de arame eletrodo O alimentador de arame é composto basicamente de um motor, sistema de controle da velocidade do motor e rolos para impulsão do arame.

  Existem diversos tipos de transportadores. A figura 10 apresenta, esquematicamente, os componentes principais que efetuam o avanço do arame: 1) Chave seletora do modo de soldagem em contínuo, ponto ou intermitente. 2) Potenciômetro antistick: para ajustar o tempo em que a fonte ainda fornece corrente de solda quando a soldagem é interrompida. Esse recurso evita a colagem do arame na poça de fusão.

  3) Potenciômetro tempo: para ajustar o tempo de ponto ou solda intermitente. 4) Miolo freador: para instalação do carretel de arame. 5) Mecanismo de avanço de arame: para alimentar o arame por meio da pistola de solda.

  

Figura 13.10- Alimentador de arame simples de duas roldanas.

  O alimentador de arame tem a função de alimentar o arame-eletrodo no processo de soldagem, porém o sistema pode ser simples ou duplo, cada um com suas características. O sistema simples de roldanas tem duas funções: a primeira é transportador de arame, e a segunda é endireitar o arame para o fluxo do arame nos conduletes.

  Em todos os sistemas de transporte, é fundamental a existência de um bom motor em que se possa efetuar a variação do número de rotações, com a qual se regula a velocidade de avanço do arame, que é fornecida em metros/minuto.

  13.5.3 Grampos terra.

  O alicate de retorno (grampo terra) é um acessório utilizado para fazer o retorno da corrente para a fonte de soldagem fechando o circuito. Sem ele não se consegue executar a soldagem. Assim como o suporte porta-eletrodo, ambos precisam ter sua capacidade maior do que a carga elétrica máxima da fonte de soldagem, para suportar as altas temperaturas e resistir ao desgaste do processo.

  Na figura 13.11 podemos verificar alguns tipos de grampos.

Figura 13.11 - Garra-terra ou grampo-terra.

  13.5.4 Cabos Os cabos para soldagem no processo MIG/MAG são vendidos com medidas padrões. Em casos de distâncias grandes, eles devem ser encomendados, pois, diferentemente do processo eletrodo revestido, dentro dele são passadas duas mangueiras para refrigeração da tocha, uma para água fria e uma para água quente; além do condulete onde passa o arame eletrodo também passa um cabo de comunicação que aciona o sistema da tocha.

13.6 Fontes de soldagem

  As fontes de energia ou fontes de soldagem são consideradas a fonte de alimentação elétrica para a alimentação do arco voltaico utilizado no processo de soldagem. As duas condições básicas de uma fonte de soldagem são:

  Produzir saída de alta corrente e baixa tensão e com características específicas para o processo; Permitir o controle adequado dos valores de corrente e o de tensão para o controle do arco elétrico de acordo com a aplicação. As fontes de energia para soldagem precisam ter eficiências para utilizar a energia de alimentação de baixa corrente e alta tensão e modificar para alta corrente e baixa tensão. Dessa maneira, os tipos de fontes são identificados de acordo com a construção e aplicação desejadas.

  Transformador: fornece somente corrente alternada (CA) e não define a polaridade (+/-). Retificador: fornece somente corrente contínua (CC). Gerador: fornece somente corrente contínua (CC). (Utilizado na maioria das vezes em usinas de açúcar e álcool).

Figura 13.12 - Vista do equipamento de soldagem.

  13.6.1 Características da corrente de soldagem Conforme foi visto, a intensidade de soldagem influi no modo de transferência metálica. Além disso, a polaridade da corrente também tem grande influência no modo de transferência.

  Corrente contínua com polaridade reversa CCPR (+) - É o tipo de corrente geralmente utilizado com o processo MIG/MAG. No caso do gás de proteção ser argônio ou misturas ricas em argônio, pode-se ter os quatro modos de transferência metálica, dependendo do valor da corrente de soldagem e de ser ela pulsada ou não. No caso de CO

  2 ou misturas ricas em CO 2 , hélio e misturas ricas em hélio, obtém-se somente

  transferência globular (hélio, CO

  2 ) ou de curto-circuito (CO 2 ).

  Corrente contínua com polaridade direta CCPD (-) - Neste caso existe uma repulsão da gota gerada pelas forças dos jatos de plasma e de vapor metálico. Tanto com o argônio como com o CO

  2 , a gota é empurrada para cima e pode ser desviada da sua

  trajetória normal. A transferência torna-se bastante instável, dificultando a soldagem. A figura 13 mostra esse comportamento.

  Resumindo, a polaridade mais indicada para soldagem é a CCPR (+), enquanto que para soldagem de revestimento é a CCPD (-). A figura 14 mostra o efeito da polaridade no formato do cordão. Tensão de soldagem - A tensão do arco está associada ao seu comprimento: uma tensão baixa acarreta em pequeno comprimento do arco. De uma maneira geral, tensões do arco menores que 22 V favorecem a transferência por curto-circuito, dependendo da corrente utilizada. Acima desse valor, a transferência é globular ou por pulverização axial, conforme a corrente de soldagem esteja abaixo ou acima da corrente de transição.

  A potência do arco (V.I) é responsável pela largura do cordão. Assim, para uma corrente constante, aumentando-se a tensão, aumenta-se a largura do cordão e vice-versa. Conforme o valor da tensão, introduz-se defeitos de soldagem: valores elevados de tensão podem gerar porosidade, excesso de respingos e mordedura; se esse valor for baixo, pode proporcionar o aparecimento de porosidade e sobreposição.

  Fonte de energia - O tipo de fonte geralmente utilizada é de potencial constante, o que permite uma auto-regulagem para manter o comprimento do arco constante. Essa característica é importante, pois o eletrodo nu é alimentado continuamente e a fonte deve fornecer a energia necessária para fundir o eletrodo nu, alimentado pela pistola a uma dada velocidade.

  Essa energia tem dois componentes: a que está contida no arco, dada pelo produto

  2 V.I, e a energia de aquecimento do eletrodo nu, por efeito Joule, dada por RI , onde R é a resistência elétrica do eletrodo nu.

  São três os fatores que podem alterar o valor dessa energia: mudança da distância entre a pistola e o metal-base; mudança na velocidade de alimentação do eletrodo nu; e mudança da faixa de tensão de soldagem na fonte de energia.

  Mudança de distância entre a pistola e o metal-base - A figura 15 mostra as diversas fases da auto regulagem, quando se muda a distância pistola/metal-base. O gráfico (a) mostra que a tensão, a corrente de soldagem e a distância do arco são

  2

  adequadas; consequentemente, existe energia disponível (V s I s +R

  1 I s ) para fundir o

  eletrodo nu. Se a distância for aumentada (gráfico central), a energia disponível passará

  2

  2

  para V’I’+(R I') ; como a energia diminui, a velocidade de fusão do eletrodo nu também diminui. A distância do arco volta, então, ao valor inicial. O raciocínio é análogo para o caso (c), de diminuição da distância.

Figura 13.13 - Soldagem pelo processo MIG/MAG em CCPD (-).Figura 13.14 – Efeito da polaridade no formato e na diluição do cordão de solda feito pelo processo MIG/MAG.Figura 13.15 - Fases de auto-regulagem, quando se aumenta a distância pistola/metal-base(5)

  Mudança na velocidade de alimentação do eletrodo nu - Neste caso há diminuição na distância do arco e aumento no comprimento do eletrodo nu, aumentando então a energia para fundir o eletrodo nu, o que proporciona a volta da distância do arco original, l .

  Mudança de regulagem da tensão de soldagem na fonte de energia - Supondo que não haja variação da distância da pistola ao metal-base e da velocidade de alimentação do eletrodo nu, a mudança na faixa de tensão de soldagem na fonte de energia causa o comportamento mostrado na figura 16: ocorrem aumentos na tensão e corrente de soldagem, no comportamento do arco e na largura e penetração do cordão.

  Do que foi visto, conclui-se que tanto a distância do arco como a velocidade de alimentação do eletrodo nu influenciam a tensão e a corrente de soldagem, para uma dada regulagem de tensão na fonte de energia.

  Assim, uma variação momentânea da distância do arco acarreta a mudança da velocidade de alimentação do eletrodo nu, para que a distância do arco volte a se estabilizar. Existe uma relação direta entre a velocidade de alimentação do eletrodo nu e a corrente de soldagem. Um aumento na velocidade de alimentação causa o aumento da corrente de soldagem.

  Com esta alteração muda também a distância do arco. Esses aspectos são mostrados na figura 17.

Figura 13.16 – Mudança das variáveis de processo quando se altera a tensão de soldagem na fonte de energia.Figura 13.17 - Influência da velocidade de alimentação e do comprimento do arco na tensão e corrente de soldagem.Figura 13.18 - Efeito do tipo de gás de proteção no formato do cordão. Em (a) o gás é o argônio e em (b) é o CO

  2 . Observa-se a mudança no comprimento do arco.

13.7 Métodos de operação na soldagem

  Ângulos entre a pistola e peça a ser soldada - Conforme o tipo de transferência metálica, curto-circuito ou pulverização, varia a técnica de soldagem, assim como os ajustes nas pistolas.

  A transferência por curto-circuito possibilita a soldagem em diversas posições. A figura 19 mostra os ângulos entre a peça a ser soldada e a pistola para a soldagem na posição plana e vertical ascendente e descendente.

  No caso de junta em ângulo, além dos ângulos mostrados nessa figura, a pistola fica a 45º entre as duas chapas que formam a junta em ângulo, no caso de um único passe.

Figura 13.19 - Ângulo entre a pistola e a peça a ser soldada, com transferência por curto-circuito.

  A transferência por pulverização permite a soldagem somente na posição plana ou junta angular na horizontal. A figura 13.20 mostra o posicionamento correto da pistola em relação à peça a ser soldada.

  Distância tubo de contato/peça (stick out) - A distância tubo de contato/peça, para o caso da transferência por curto-circuito, é esquematizada na figura 13.21; no caso da pulverização, na figura 13.22.

  Técnica de soldagem - As técnicas de soldagem são basicamente duas: soldagem avante e a ré. Na soldagem avante, obtém-se uma penetração maior e um cordão mais baixo e mais largo. Na soldagem a ré, aumenta-se a penetração, o cordão torna-se mais convexo e mais estreito, o arco fica mais estável e há diminuição na quantidade de respingos. Observando-se as figuras 13.19 e 13.20 nota-se que na primeira a técnica a ré é a mais adequada, enquanto que na segunda é a técnica avante.

Figura 13.20 - Ângulo entre a pistola e a peça a ser soldada, com transferência por pulverização.Figura 13.21 - Distância tubo de contato/peça para o caso da transferência por curto-circuito.Figura 13.22 - Distância tubo de contato/peça para o caso da transferência por pulverização.

13.8 Variantes do processo

  13.8.1 MIG/MAG pulsado O objetivo da soldagem a arco pulsado é combinar os benefícios do arco por curto- circuito com os do arco spray, ou seja, produzir um arco estável e firme, com um modesto aporte de calor (heat imput) na peça de trabalho.

  Este objetivo pode ser atingido pulsando-se a corrente de soldagem, como mostra a figura 13.23.

Figura 13.23 Pulsos de soldagem.

  Onde: 1 - pico de corrente de pulso; 2 - corrente de transição; 3 - corrente média de soldagem;

  4 - corrente de base. Cada pulso de corrente libera uma gota de metal fundido. Como as gotas não provocam curto-circuito no arco, são produzidos poucos respingos e o arco fica estável.

  O nível base de corrente é mantido baixo para assegurar uma corrente baixa, o que resulta em um baixo aporte térmico na peça de trabalho, permitindo soldagem em todas as posições e para a soldagem de chapas finas.

  13.8.2 MIG sinérgico Esta variante do processo MIO foi originalmente desenvolvida para facilitar a soldagem com o MIG pulsado. Através de um único controle, todos os parâmetros do

  MIG pulsados estariam regulados. Atualmente existe uma tendência de utilizar esse tipo de controle em outros processos que não o MIG pulsado.

  O controle por um único botão pode ser feito de duas maneiras: - controle sinérgico: a alimentação do eletrodo nu controla a corrente média.

  • controle auto-regulado: a tensão controla a corrente média.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem com MIG/MAG (GMAW)? 2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem GMAW.

  3. Quais são os parâmetros de soldagem do Processo (GMAW)?

  4. Quais são as funções do eletrodo nu?

  5. Quais são os consumíveis do processo (GMAW)?

  6. Quais são as variáveis operatórias do processo de soldagem (GMAW)?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013.

  (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher, 1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p. (6) Fundamentos de soldagem I / SENAI. Serviço Nacional de Aprendizagem

  Industrial. - São Paulo: SENAI-SP Editora. 2015. 152 p.: il (Área Metalmecânica - Metalurgia)

14 Processo de soldagem arame tubular (FCAW).

  Objetivos

  Apresentar a soldagem com arame tubular de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

14.1 Introdução.

  A Soldagem a Arco com Eletrodo Tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) é um processo no qual a coalescência dos metais é obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubular contínuo e a peça. É um processo a arco elétrico que usa um arco entre um eletrodo contínuo consumível e a poça de fusão, como mostra a figura

  1. O processo de soldagem a arco elétrico com arame tubular utiliza um eletrodo metálico tubular, isto é, não sólido, com diversos formatos internos. O eletrodo contém um fluxo apropriado em seu interior para proteção do arco e do cordão.

  Pode ou não ser usada uma proteção gasosa; quando não há proteção gasosa, diz- se que o processo é auto protegido. Os benefícios do processo são alcançados pela combinação de três características: a alta produtividade de um arame de solda contínuo; os benefícios metalúrgicos que podem ser derivados do uso de fluxo; uma escória que dá suporte e forma ao metal depositado.

14.1 Ilustração do processo de soldagem com arame tubular.

  Essas características importantes do processo arame tubular são resultantes de: combinar as características dos processos eletrodos revestidos, arco submerso e MIG/MAG; apresentar a melhor taxa de deposição dentre os processos manuais; poder ser usado também de modo semiautomático e automático; contar com proteção gasosa

  2

  2

  com CO e mistura CO e argônio (75%); ser fácil de automatizar e ser facilmente adaptável em sistemas de manufatura flexível e robótica.

  O eletrodo tubular apresenta internamente um fluxo que desempenha funções similares ao revestimento do eletrodo em SMAW, isto é, estabilização do arco, ajuste de composição da solda, proteção, etc. O processo apresenta duas variações principais: soldagem auto protegida, em que o fluxo fornece toda a proteção necessária na região do arco, e soldagem com proteção gasosa, em que parte da proteção é fornecida por um gás, de forma semelhante ao processo GMAW. Em ambas as formas, ele é operado, na maioria das aplicações, na forma semiautomática, utilizando basicamente o mesmo equipamento do processo GMAW.

  A utilização do processo de soldagem com arame tubular tem aumentado em razão de ser mais produtivo do que a soldagem com eletrodos revestidos e também devido ao desenvolvimento de novos tipos de consumíveis. Sua aplicação é notada nas indústrias nuclear e naval, na construção de plataformas para exploração de petróleo e na fabricação de estruturas e peças de aço-carbono, aços de baixa liga e aços inoxidáveis.

  A soldagem com arame tubular apresenta uma camada de escória que deve ser removida antes que um novo cordão seja executado. O tipo de arame utilizado condiciona a consistência e a aderência da escória. Há escórias que se partem ao esfriar e se destacam facilmente do cordão, enquanto outras aderem tanto ao cordão que precisam ser quebradas por meios mecânicos.

14.2 Aplicação

  Esse processo é usado principalmente para soldagem de aços carbono e de baixa liga, aços inoxidáveis e ferros fundidos. Uma das desvantagens é que a sua aplicação é restrita às ligas ferrosas.

  Atualmente, o processo com arame tubular auto protegido possibilita a soldagem em todas as posições, em chapas ou tubos e em qualquer tipo de junta. As espessuras dos materiais a serem soldados por esse processo são as mesmas possíveis com outros arames, com a vantagem de que os auto protegidos admitem montagens irregulares porque utilizam um stick-out, ou extensão do eletrodo, maior que 20mm, embora este valor varie de arame para arame. A extensão maior permite que o aquecimento por efeito Joule seja maior, o que leva a uma redução do valor de tensão do arco elétrico e da intensidade de corrente. Tais fatos, por sua vez, acarretam redução da energia de soldagem.

  A soldagem com arame tubular apresenta as vantagens dos outros processos com proteção gasosa, como alta taxa de deposição, grande rendimento que resulta em boa produtividade e qualidade da solda e também as vantagens da soldagem com eletrodo revestido, como alta versatilidade, possibilidade de alterar a composição química do cordão e facilidade para operar no campo. Além disso, a soldagem com arame tubular apresenta melhor estabilização do arco, menor vazão de gás e cordão de melhor aspecto.

  A utilização da soldagem com arames tubulares tem aumentado muito nos últimos anos, devido às suas características e ao desenvolvimento de novos consumíveis. No Brasil, o interesse pelos arames tubulares também tem aumentado muito.

  Assim, além de ser uma alternativa à soldagem com eletrodos revestidos e arames sólidos em muitas situações, a soldagem com arames tubulares tem sido usada nas indústrias naval e nuclear, na construção de plataformas marítimas para exploração de petróleo e na fabricação de componentes e estruturas de aços carbono, de baixa liga e de aços inoxidáveis, com vantagens em relação à soldagem com arames sólidos e com eletrodos revestidos.

14.3 Fundamentos do processo.

  Existem duas variações básicas do processo arame tubular, uma em que toda a proteção necessária é gerada pelo próprio fluxo contido no eletrodo, chamada de arame auto protegido e outra em que a proteção é complementada por uma nuvem de gás, geralmente o CO

  2 .

  A soldagem com arames tubulares é normalmente um processo semiautomático e muito semelhante ao processo MIG/MAG, no que diz respeito a equipamentos e princípios de funcionamento. Por outro lado, o processo também tem suas semelhanças com a soldagem com eletrodos revestidos, do ponto de vista metalúrgico. Assim, a soldagem com arames tubulares é um processo que acumula as principais vantagens da soldagem MIG/MAG, como alto fator de trabalho do soldador, alta taxa de deposição e alto rendimento, que resultam em grande produtividade e as vantagens da soldagem com eletrodos revestidos como a alta versatilidade, possibilidade de ajustes de composição química do metal de solda e facilidade de operação em campo. Na verdade, o processo arame tubular apresenta características em termos de flexibilidade e produtividade superiores e às vezes bastante superiores às da soldagem com eletrodos revestidos e MIG/MAG.

Figura 14.2 Processo FCAW.

  

Vantagens, limitações e aplicações principais do processo FCAW.

Vantagens e limitações Aplicações •Elevada produtividade e eficiência. Soldagem de aços carbono e ligados.

  • Soldagem em todas as posições. • Soldagem em fabricação, manutenção e • Custo relativamente baixo. em montagem no campo.
  • Produz soldas de boa qualidade e aparência. • Soldagem de partes de veículos.
  • Equipamento relativamente caro. Soldagem de aços carbono e ligados.
  • Pode gerar elevada quantidade de fumos.
  • Necessita limpeza após soldagem. Elevada produtividade e eficiência.
  • Soldagem em todas as posições.
  • Custo relativamente baixo.

  14.3.1 Parâmetros de soldagem Os parâmetros a serem considerados na soldagem com arame tubular são: intensidade de corrente, tensão do arco elétrico, stick-out, velocidade de soldagem, taxa de deposição e vazão do gás auxiliar de proteção.

  A intensidade de corrente na soldagem com arame tubular é proporcional à velocidade de alimentação do arame consumível. Com a condição de que todos os parâmetros permaneçam constantes, a variação da intensidade de corrente influencia outros fatores de soldagem, assim, o aumento da intensidade implica aumento da taxa de deposição e o aumento da penetração e cordões de solda com má aparência; por outro lado, pouca intensidade de corrente pode causar excesso de salpicos, gotas de grande diâmetro, porosidades e excesso de nitretos no material depositado.

  A tensão do arco elétrico está relacionada ao comprimento do arco, de modo que tensões mais elevadas condicionam arcos com maior comprimento. A tensão do arco influencia fatores como aspecto do cordão, molhagem, que é a capacidade do material em se espalhar no metal de base, e porosidade. Um arco longo, produzido por tensões elevadas, causa excesso de salpicos e cordão de forma irregular; no caso de arame auto protegido, deve-se trabalhar com um arco menor, resultante de tensões mais baixas do que as utilizadas para os arames com proteção gasosa - tal providência evita a formação de nitretos no metal fundido, que causam problemas nas características mecânicas do cordão. Tensões muito elevadas também podem causar porosidades; por outro lado, as tensões muito baixas originam cordões convexos com pouca penetração. Então, deve-se trabalhar com as tensões adequadas, indicadas pelo fabricante.

  O stick-out é a distância entre a ponta do eletrodo e o início do arco elétrico. Quanto maior for o stick-out, maior será o calor desenvolvido por efeito Joule, o que vai influenciar a fusão do consumível e o aquecimento do fluxo interno do eletrodo. O stick- out é recomendado pelos fabricantes para cada tipo de consumível, pois o resultado da soldagem é influenciado diretamente por ele. Assim, um stick-out muito grande pode causar excesso de salpicos, cordões convexos e falta de penetração; já uma extensão muito pequena pode ocasionar porosidades, excesso de salpicos e oxidação da poça de fusão. Também a taxa de deposição pode ser alterada pelo stick-out, pois um aumento da extensão do eletrodo causa aumento da taxa de deposição.

  A velocidade de soldagem tem influência sobre o resultado do trabalho; velocidades muito grandes ou muito baixas, geralmente, provocam mordeduras e possível inclusão de escória. Para evitar problemas, deve-se trabalhar dentro de uma faixa de velocidades que permita boa penetração e que está relacionada ao tipo de consumível e à intensidade de corrente.

  A taxa de deposição é a quantidade de metal fundido por unidade de tempo. Isso depende de fatores como diâmetro do eletrodo, intensidade de corrente, tensão do arco, stick-out e tipo de material a ser depositado. Assim, quanto maiores forem esses parâmetros, maior será a taxa de deposição.

  A vazão do gás auxiliar de proteção condiciona o resultado final da soldagem, ou seja, uma vazão mínima ou em excesso pode causar porosidades e problemas de oxidação no metal fundido e na ponta do eletrodo. A vazão adequada depende da distância existente entre a tocha e a poça de fusão, da posição de soldagem, do tipo de gás e da circulação de ar no local de trabalho.

  14.3.2 Modos de transferência Os modos de transferência na soldagem com arame tubular e proteção gasosa são semelhantes aos observados na soldagem MIG/MAG convencional. Existem a transferência por spray, a transferência globular e a transferência por curto-circuito. Na transferência por spray obtêm-se as maiores taxas de deposição; no entanto, aconselha-se não aplicar esse modo em soldagem fora de posição ou em passes de raiz na posição plana devido à grande dimensão da poça de fusão originada por esse tipo de transferência.

14.4 Consumíveis.

  Os consumíveis utilizados na soldagem com arame tubular são o arame com fluxo e os gases. Os arames tubulares apresentam conformações internas que variam de acordo com o diâmetro. Algumas dessas dobras estão representadas a seguir.

  O sistema de classificação AWS para arames com fluxo interno tem o seguinte formato:

Figura 14.3 classificação dos arames com fluxo interno, conforme AWS.

  

Tabela I- Significado do 1º dígito após a letra T na classificação de arames tubulares para a soldagem de

aços.

  Outros tipos de arames tubulares são os chamados com pó metálico ("metal cored”) que são arames cujo enchimento contém principalmente pó de ferro e/ou ferro- ligas muito pouco fluxo a base de minerais. Arames tubulares para soldagem de aços carbono e baixa liga permitem uma transferência de metal bastante suave através de um arco de soldagem operando em atmosferas protetoras a base de misturas de argônio e gás carbônico, particularmente em correntes elevadas, em torno de 300 A e podem também ser usados com transferência por curto-circuito e/ou pulsada, com níveis de corrente média mais baixos. A quantidade de escória gerada por estes arames é mínima, quase inexistente. Os arames tubulares com enchimento de pó metálico são mais vantajosos na soldagem mecanizada em alta velocidade.

  Nos últimos anos, foram lançados no mercado internacional arames tubulares com enchimento de pó metálico para serem usados com proteção gasosa na soldagem de aços inoxidáveis e também para revestimentos contra desgaste.

  Os eletrodos tubulares podem ter diferentes seções transversais, como mostra a figura 3, baseada numa classificação do Instituto Internacional de Soldagem (International lnstitute of Welding -IIW). Arames de seção mais complexa são mais difíceis de serem fabricados e têm custo mais elevado, porém apresentam melhores características operacionais, particularmente os de maior diâmetro, devido à maior homogeneidade de aquecimento ao longo da seção transversal e maior regularidade na transferência metálica, como consequência da maior área metálica e distribuição da região de operação do arco ao longo da seção. De um modo geral, o material contido no interior dos arames tubulares fica entre 15% e 30% de seu peso, podendo atingir valores maiores, na faixa de 50%, para arames especiais com menor seção metálica do tubo. A figura 4 mostra a seção transversal de um arame tubular simples com fluxo.

Figura 14.4 Tipos de arames tubulares.

  A escolha do arame tubular para soldagem de aço-carbono e de aço de baixa liga segue as normas AWS, que consideram fatores como soldagem monopasse ou multipasse, uso ou não de gás protetor complementar, tipo de corrente, posições de soldagem e propriedades mecânicas desejadas para o cordão de solda.

Figura 14.5 – Seção transversal de um arame tubular. Observar o fluxo interno contendo diferentes materiais inclusive adições metálicas. MEV.

  No caso de soldagem com arame auto protegido, a própria fusão, a queima, a formação de escória e a vaporização dos elementos do fluxo são suficientes para proteger a poça de fusão e o arco elétrico, a exemplo do que se verifica na soldagem com eletrodos revestidos.

Figura 14.6 Soldagem FCAW.

  O fluxo contido dentro do arame é responsável pela proteção do arco e do cordão de solda; pode ser, também, complementado por um fluxo de gás fornecido por fonte externa. A capa externa do arame tubular é de aço de baixo teor de carbono e o fundente contém elementos formadores de escória, desoxidantes e estabilizadores do arco; então, o arco torna-se estável, há poucos respingos e a escória formada resulta em bom acabamento superficial.

  As funções do fluxo existente no arame são: formar escória, proteger o arco voltaico da contaminação do ar e criar uma atmosfera mais ionizável. Outras funções do fluxo, além da proteção da poça de fusão, são desoxidar e refinar o metal de solda e adicionar elementos de liga à solda. De maneira geral, pode-se dizer que a quantidade de fluxo existente dentro do arame varia entre 15%e 30% de seu peso.

Figura 14.7 Representação do fluxo.

  Na soldagem com arame tubular, o modo de transferência é influenciado pelos arames auto protegidos e pelos elementos que constituem os diversos tipos de fluxo contidos no arame. Os tipos de fluxo são os de composição metálica, de composição rutílica e de composição básica.

  O arame auto protegido geralmente condiciona uma transferência por curto- circuito em que é possível formarem-se gotas distorcidas de grande dimensão na ponta do eletrodo. Tal formação pode ser reduzida por meio de alterações na composição do fluxo; em alguns casos, observa-se uma transferência secundária.

Figura 14.8 Transferência metálica conforme tipos de fluxo.

  Os arames com fluxo de composição metálica são semelhantes aos arames sólidos; quando se usam correntes baixas, a transferência se dá por curto-circuito e, com correntes mais elevadas, acontece por spray. A transferência com correntes elevadas proporciona altas taxas de deposição e cordões com boa forma.

  No caso de arame com fluxo de composição rutílica, a transferência ocorre, geralmente, por spray. Uma parte do fluxo se funde e forma uma camada de escória na superfície da gota; outra parte se decompõe em gases de proteção; a parte restante é transferida para a poça de fusão, formando uma camada de escória protetora do cordão.

  A transferência proporcionada por arames básicos acontece por curto-circuito irregular, com corrente baixa; quando a corrente é mais elevada, o modo de transferência é globular, não axial. A parte do fluxo não fundida adquire a forma de um dedo projetado do arame em direção a arco.

  Existem duas maneiras de proteger a poça de fusão no processo com arame tubular: uma é utilizar um arame auto protegido, isto é, que contenha o tipo de fluxo adequado para proteger a poça de fusão contra a contaminação da atmosfera; a outra é utilizar arame tubular com uma proteção gasosa adicional. Em ambos os casos, o cordão de solda apresenta uma camada de escória que o cobre parcial ou totalmente.

  Quando a proteção da poça de fusão é feita por gás, a fusão, a queima e a vaporização dos elementos do fluxo protegem grande parte da poça, mas não sua totalidade; então, é necessário adicionar gás, como na soldagem MIG/MAG. Geralmente

  2

  o gás utilizado é CO , porém, arames especiais podem requerer misturas também especiais, que são determinadas pelo fabricante.

Figura 14.9 Representação esquemática da soldagem com arame tubular.

  Assim como os eletrodos revestidos, os arames tubulares contendo fluxo devem ser embalados de forma a garantir que eles não absorvam umidade durante os períodos de estocagem e transporte. Embalagens convencionais e especiais a vácuo têm sido usadas com esta finalidade.

  Os arames tubulares são fabricados, a altas velocidades, de muitos metros por segundo, a partir de fitas metálicas. Estas são deformadas por roletes, até assumirem a forma de um U, sendo a seguir preenchidas com o material que formará o "recheio" do arame, fluxo de soldagem e/ou pó metálico. Em seguida a tira é fechada também por roletes, formando um tubo que passa por fieiras de trefilação, que diminuem seu diâmetro sucessivamente até o valor final desejado, enquanto o seu comprimento aumenta. O arame tubular é então bobinado, embalado, identificado e está pronto para ser comercializado. A figura 14.10 ilustra o processo.

Figura 14.10 Fabricação de arames tubulares (esquemática)

14.5 Equipamentos

  O equipamento para o processo com arame tubular é um só, tanto para soldagem com arames auto protegidos quanto para soldagem com proteção gasosa suplementar. A diferença está em que no caso de soldagem com arames auto protegidos não é necessário haver canalização para o gás de proteção. O equipamento completo é composto de fonte de energia, alimentador de arame, tocha, cilindro de gás, cabos e tubos de ligação. A tocha de soldagem para o processo com arame tubular é semelhante àquela utilizada no processo MIG/MAG, nos casos em que se utiliza proteção gasosa.

  Quando se trata de arames auto protegidos, a tocha é mais simples. As tochas podem ser refrigeradas com ar ou água. Outras tochas não necessitam de refrigeração.

14.11 Equipamento para a soldagem com eletrodos revestidos.

  14.5.1 Tocha A tocha de soldagem para o processo com arame tubular é semelhante àquela utilizada no processo MIG/MAG, nos casos em que se utiliza proteção gasosa.

  Quando se trata de arames auto protegidos, a tocha é mais simples. As tochas podem ser refrigeradas com ar ou água. Outras tochas não necessitam de refrigeração.

Figura 14.12 Tocha do processo arame tubular.

  14.5.2 Transportadores de arame eletrodo O alimentador de arame é a ligação entre a fonte de potência e a deposição do metal fundido. Sua função é alimentar o eletrodo de maneira contínua, bem como manter o arco estável dentro da corrente e voltagem desejadas. Os alimentadores funcionam como fontes de potência de potencial ou voltagem constantes e, geralmente, apresentam também velocidade constante.

14.6 Fontes de soldagem

  A fonte de energia para o processo com arame tubular é semelhante àquela utilizada no processo MIG/MAG, isto é, um transformador-retificador com tensão constante em que é feito o controle da tensão do arco elétrico. Os arames do tipo rutílico exigem corrente contínua e polaridade inversa; já os básicos e de alma metálica utilizam polaridade direta.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem com arames tubulares? 2. Compare o processo de FCAW com os processos SMAW e GMAW.

  3. Quais são os parâmetros de soldagem do processo FCAW?

  4. Quais são as funções do fluxo presente no arame tubular?

  5. Explique a influência do fluxo no modo de transferência metálica no processo FCAW.

  6. Quais são os equipamentos do processo FCAW?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

15 Processos de soldagem a arco submerso.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem a arco submerso de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  15.1 Introdução.

  A Soldagem ao Arco Submerso (Submerged Arc Welding, SAW) é um processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo e a peça. O arco é protegido por uma camada de material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo, na forma de arame, é alimentado continuamente. O fluxo na região próxima ao arco é fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada sólida de escória sobre o cordão. Este material pode também ajudar a estabilizar o arco e desempenhar uma função purificadora sobre o metal fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo e a soldagem se desenvolve sem faíscas, luminosidades ou respingos, que caracterizam os demais processos de soldagem em que o arco é aberto.

  Além das funções de proteção e limpeza do arco e do metal depositado, o fluxo na forma granular funciona como um isolante térmico, garantindo excelente concentração de calor que caracteriza a alta penetração obtida por meio do processo.

  15.2 Aplicação A soldagem a arco submerso é usada em uma larga faixa de aplicações industriais.

  Soldas de alta qualidade, altas taxas de deposição, penetração profunda e adaptação à automação tornam o processo adequado para a fabricação em larga escala, encontrando grande aplicação em estaleiros, caldeirarias de médio e grande porte, mineradoras, siderúrgicas e fábricas de perfis e estruturas metálicas, principalmente nos trabalhos com aço-carbono, carbono-manganês, aços de baixa liga e aços inoxidáveis, sendo usado na fabricação de vasos de pressão, navios e barcos, vagões, tubos no revestimento ou recuperação de peças que necessitam de ligas com propriedades específicas como resistência ao desgaste abrasivo e tenacidade, entre outras. Pode ser também empregado no revestimento e recuperação de peças desgastadas, com a deposição de substâncias anticorrosivas ou antidesgaste.

  O processo se presta à soldagem de chapas de espessura reduzida (l,5mm) sob alta velocidade, e de chapas de grande espessura (até chapas com 300mm de espessura, porém não é aplicável para todos os metais e ligas), em que se verifica a alta produtividade alcançada pela possibilidade de uso de mais de um arame, de adição de pó metálico, da distância bico-peça elevada e outras variantes do processo. Ele é largamente usado em aços carbono, aços estruturais de baixa liga e aços inoxidáveis e ainda alguns aços estruturais de alta resistência, aços de alto carbono e ligas de níquel.

  A soldagem a arco submerso é utilizada também na manutenção e recuperação das peças metálicas e na recuperação de cilindros de laminação e de rolos de lingotamento contínuo, cones de altos-fornos, material rodante e outras superfícies desgastadas em geral.

  As composições de ligas que podem ser soldadas por SAW têm se expandido com a crescente disponibilidade de eletrodos e fluxos. Uma das vantagens do processo de soldagem por arco submerso está no rendimento, pois, praticamente, não há perdas de material por projeções ou respingos. É possível, também, o uso de correntes de soldagem elevadas, de até 4.000A, fato

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  que, aliado às altas densidades de corrente (60 a 100A/mm ), oferece ao processo alta taxa de deposição, muitas vezes não encontrada em outros processos de soldagem. Essas características tornam o processo de soldagem por arco submerso um processo econômico e rápido em soldagem de produção. Em média, gasta-se com este processo cerca de um terço do tempo necessário para fazer o mesmo trabalho com eletrodos revestidos.

  As soldas realizadas apresentam boa tenacidade e boa resistência ao impacto, além de excelente uniformidade e acabamento dos cordões de soldagem. Pelo perfeito ajustamento de fluxo, arame e parâmetros de soldagem, conseguem-se propriedades mecânicas iguais ou melhores do que as do metal de base.

  A maior limitação do processo de soldagem por arco submerso é o fato de permitir apenas a soldagem nas posições plana ou horizontal. Ainda assim, a soldagem na posição horizontal só é possível com a utilização de retentores de fluxo de soldagem; no caso de soldagem circunferencial, pode-se recorrer a sustentadores de fluxo.

Figura 15.1 Aplicação da soldagem a arco submerso.

15.3 Fundamentos do processo.

  Durante a soldagem, o calor produzido pelo arco elétrico funde o material de adição (arame), o metal de base e uma parte do fluxo, formando a poça de fusão; a corrente elétrica flui entre o eletrodo e a poça de fusão pelo fluxo granulado.

  A adição de metal é obtida do próprio eletrodo, que tem a forma de fio ou fita contínuos e é alimentado por um dispositivo mecânico, podendo ser suplementada por outros eletrodos ou materiais contidos no fluxo de soldagem.

  Uma vez aberto o arco, eletrodo e fluxo são alimentados continuamente para a região deste, enquanto a tocha é deslocada. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e parte da camada de fluxo e do metal de base, formando a poça de fusão.

  O metal fundido e solidificado forma o cordão de solda e a parte fundida do fluxo forma a escória, que sobrenada a poça de fusão e se solidifica à medida que o arco se afasta, resultando em uma camada protetora que evita a contaminação do cordão e reduz sua velocidade de resfriamento. A parte não fundida do fluxo pode ser reciclada em novas operações, desde que não se contamine durante a operação.

  Em adição à sua função protetora, a cobertura de fluxo pode fornecer elementos desoxidantes; em soldagem de aços-liga, pode conter elementos de adição que modificam a composição química do metal depositado.

  A zona de soldagem fica sempre protegida pelo fluxo eletrocondutor, parte fundido e parte não fundido. O eletrodo permanece a uma pequena distância acima da poça de fusão e o arco elétrico se desenvolve nesta posição. Com o deslocamento do eletrodo ao longo da junta, o fluxo fundido sobrenada e se separa do metal de solda líquido, na forma de escória.

  O metal de solda, que tem ponto de fusão mais elevado do que a escória, se solidifica; a escória permanece fundida por mais algum tempo e protege o metal de solda recém-solidificado, pois este, devido a sua alta temperatura, é ainda muito reativo com o oxigênio da atmosfera, que tem a facilidade de formar os óxidos responsáveis pela alteração das propriedades das juntas soldadas. Após o resfriamento, são removidos o fluxo não fundido, que pode ser reaproveitado, caso o procedimento técnico permitir, através de aspiração mecânica ou de métodos manuais, e a escória, relativamente espessa, de aspecto vítreo e compacto, e que em geral se destaca com facilidade.

  O processo de soldagem com arco submerso pode ser semi ou totalmente automático, e em ambos os casos o eletrodo é alimentado mecanicamente a partir de um rolo para a pistola ou cabeçote de soldagem, à medida que vai sendo fundido ou depositado. O fluxo é alimentado independentemente, caindo por gravidade imediatamente à frente do eletrodo ou de forma concêntrica em relação a ele. Assim, tanto o fluxo como o eletrodo podem ser alterados a qualquer momento. Esta é a diferença fundamental em relação à soldagem com eletrodos revestidos, onde o eletrodo metálico e o seu revestimento de fluxo não são separáveis. Outra diferença da soldagem ao arco submerso com os demais processos de soldagem diz respeito às amplas faixas de intensidades correntes, tensão e velocidades de avanço que podem ser usadas.

  Os materiais soldados por esse processo são praticamente todos os metais ferrosos e alguns não ferrosos, incluindo revestimentos protetores, ligas de níquel, cobre e outras. Metais com muito baixo ponto de fusão, ou altamente reativos, não são soldados por arco submerso.

Figura 15.2 Soldagem a arco submerso.

  

Tabela I Vantagens, limitações e aplicações principais do processo SAW.

Vantagens e limitações Aplicações

  • Altas velocidades de soldagem e taxas de • Soldagem de aços carbono e ligados.

  deposição.

  • Produz soldas uniformes e de bom • Soldagem de níquel e suas ligas.

  acabamento superficial.

  • Soldagem de membros estruturais e • Ausência de respingos e fumos.

  tubos de grande diâmetro.

  • Dispensa proteção contra radiação devido ao • Soldagem em fabricação de peças arco não visível. pesadas de aço.
  • Facilmente mecanizado. • Recobrimento, manutenção e reparo.
  • Elevada produtividade.
  • Soldagem limitada às posições plana e filete horizontal.
  • Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso restrito.
  • Aporte térmico elevado pode prejudicar propriedades da junta em alguns casos.
  • Necessário retirar a escória entre passes.
Figura 15.3 Esquema do processo de soldagem com arco submerso.

  Soldas feitas por arco submerso apresentam boa ductilidade e tenacidade ao impacto, além de uma boa uniformidade e acabamento na aparência dos cordões de solda. As propriedades mecânicas na solda são sempre compatíveis às do metal de base utilizado.

  15.3.1 Parâmetros de soldagem Os parâmetros a serem considerados na soldagem por arco submerso podem ser aqueles predeterminados ainda na fase de projeto, como tipo e espessura do metal de base e propriedades requeridas para o metal de solda, além dos parâmetros decididos na fase inicial da produção. Em alguns casos, são determinados em função da disponibilidade de equipamentos, como tipo do equipamento, projeto da junta, posicionamento da peça e do eletrodo, e os parâmetros primários, como corrente, tensão, velocidade de soldagem, polaridade, combinação eletrodo-fluxo, diâmetro do arame, distância bico-peça ou extensão livre do eletrodo e distribuição do fluxo.

  A corrente determina a taxa de deposição do eletrodo, a profundidade de penetração e a quantidade do metal de base fundido. Mantendo-se todas as outras condições constantes, uma elevação da corrente aumenta a penetração e a taxa de deposição. Em soldas de passe simples, a corrente deve ser escolhida para proporcionar a desejada penetração, sem que haja perfuração da junta; em soldas de passes múltiplos, ela deve proporcionar a desejada quantidade de enchimento. Se a corrente é muito alta para uma dada velocidade de soldagem, o excesso de penetração tende a furar ou vazar o metal de base. Altas correntes produzem um reforço de soldagem excessivo, cujas tensões de contração induzem maiores distorções. É importante que a corrente escolhida esteja dentro das faixas recomendadas para o diâmetro do eletrodo que será utilizado.

  Tabela II Faixa de corrente conforme o diâmetro.

  Diâmetro do arame Faixa de corrente pol. mm A 5/64 2,0 200-600 3/32 2,4 230-700

  

1/8 3,2 300-900

5/32 4,0 420-1.000

3/16 4,8 480-1.100

7/32 5,6 600-1.200

  

1/4 6,4 700-1.600

5/16 8,0 1.000-2.500

3/8 9,5 1.500-4.000

  Correntes muito elevadas produzem um cordão muito alto e estreito com possibilidade de mordeduras. Correntes muito baixas, por outro lado, produzem pouca penetração, risco de falta de fusão e arco instável.

  A tensão influencia o formato da seção transversal do cordão e sua aparência externa. Mantendo-se os demais parâmetros constantes, pode-se verificar visualmente o efeito da variação da tensão no cordão de soldagem. Também podemos notar um aumento do consumo de fluxo; um aumento da resistência à porosidade causada pela oxidação ou presença de óleos não removidos; aumento do teor de liga proveniente do fluxo, o que pode constituir vantagem para elevar o teor da liga do depósito quando, em revestimento duro, usam-se fluxos ligados; ele pode também reduzir a ductilidade e aumentar a sensitividade à trinca, especialmente em soldas de passes múltiplos.

Figura 15.4 Influência da tensão. Um aumento na tensão resultará em um cordão mais largo, mais baixo, e em maior consumo de fluxo. Além disso, o teor de elementos de liga provenientes dos fluxos também pode aumentar, possibilitando a vantagem de elevar o teor de liga do depósito quando se utilizam fluxos ligados ou, especialmente, no caso de revestimentos resistentes à abrasão. Por outro lado, esta prática pode diminuir a ductilidade do material e aumentar a sensibilidade a trincas, principalmente nos casos de soldagem multipasse.

  O aumento excessivo na tensão produzirá um cordão em forma de chapéu, que é suscetível a trincas, e pode, também, causar dificuldade na remoção da escória, aumentar a suscetibilidade a trincas e aumentar demasiadamente o teor de liga do metal depositado. É importante observar que esse mesmo formato do cordão pode ter outra causa, como baixa velocidade de soldagem.

  Outra consequência da aplicação de voltagem muito elevada é um cordão com uma concavidade, na qual podem surgir trincas e mordeduras.

Figura 15.5 – Trincas causada pela tensão elevada.

  A tensão com valor menor do que o recomendado permite penetração em chanfros profundos e melhor resistência ao sopro magnético; porém, neste caso, os cordões produzidos serão estreitos e altos, e a remoção de escória será ligeiramente mais difícil do que o normal.

  A velocidade de soldagem controla principalmente o tamanho do cordão e a penetração. Uma vez que a corrente está relacionada à velocidade de soldagem, é preciso ajustá-la para conseguir a penetração adequada sem que ocorra o transpasse da junta (vazamento). É uma variável interdependente da intensidade da corrente. Em soldas de um único passe, a corrente e velocidade devem ser escolhidas para se obter a penetração desejada; em soldas de passes múltiplos, para se obter o tamanho do cordão desejado.

  Velocidades de soldagem excessivamente altas aumentam a tendência a mordeduras, porosidades, trincas e cordões com formato não uniforme; já as velocidades de soldagem excessivamente baixas produzem cordões sujeitos a trincas e poças de fusão excessivamente largas, resultando em cordão áspero e com possíveis inclusões de escória.

  O equipamento para soldagem com arco submerso pode aceitar uma faixa limitada de diâmetros do eletrodo. Portanto, as necessidades de trabalho devem ser cuidadosamente avaliadas antes da aquisição do equipamento.

  Os eletrodos normalmente empregados em solda automática têm diâmetro entre 2,4 a 6,4 mm. O eletrodo com polaridade reversa (CC+) produz melhor penetração e um cordão mais bem feito; no entanto, se estiver conectado na polaridade direta (CC-), proporcionará maior taxa de deposição com diminuição da penetração.

  O eletrodo positivo é, normalmente, o mais utilizado; o negativo é aplicado em revestimentos ou aços de baixa soldabilidade em que é desejável reduzir a diluição. A corrente contínua de polaridade reversa CCPR(+) é recomendada para a maioria dos casos na soldagem com arco submerso, onde uma rápida sequência de deposição de passes ou penetração total são fatores importantes. Esse tipo de corrente também oferece melhor resistência à porosidade e melhor formato do cordão de solda.

  O uso de corrente contínua de polaridade direta CCPD(-) oferece uma taxa de deposição cerca de 30% superior à obtida com CCPR(+), mas produz menor penetração. Ela é usada nos seguintes casos:

  • na soldagem de filetes onde a chapa é limpa e livre de contaminações;
  • em aplicações como soldas de revestimento, onde uma taxa de deposição mais elevada é vantajosa; e
  • onde a baixa penetração é condição necessária para reduzir a diluição em aços de difícil soldabilidade, evitando-se trincas e poros idade.

  Ao se mudar de polaridade positiva para negativa, deve-se aumentar a tensão de cerca de 4 V sem alterar a corrente, para se obter uma forma de cordão similar.

  O uso de corrente alternada, proporciona penetração e taxa de deposição intermediária entre CCPR(+) e CCPD(-). Seu emprego é recomendado para duas aplicações específicas: para os eletrodos auxiliares na soldagem tandem; e em algumas aplicações onde ocorre sopro magnético ou apagamento do arco com CC, e para velocidade de soldagem muito baixa.

  De forma geral, mantendo-se todos os outros parâmetros constantes, a diminuição no diâmetro do eletrodo acarretará maior penetração, cordões mais altos e estreitos e maior taxa de deposição. Para um valor de corrente igual, a mudança para um diâmetro de arame maior permite melhor ligação de juntas mal ajustadas, a largura do cordão e diminui a densidade da corrente, a penetração e a taxa de deposição. Com um eletrodo mais grosso, aumenta-se a capacidade de suportar corrente, podendo-se usar maiores intensidades e obter-se taxas de deposição mais elevadas.

  Arames mais finos possibilitam melhor abertura e reignição do arco, principalmente quando se trabalha com corrente alternada. Quanto maior o stick-out, ou extensão livre de eletrodo, maior será a taxa de fusão

  e, consequentemente, a taxa de deposição. No desenvolvimento de um procedimento de soldagem, a prática recomenda um valor básico de oito vezes o diâmetro do eletrodo. A partir daí, modifica-se este comprimento de forma a otimizar os resultados.

  O aumento de extensão do eletrodo adiciona um elemento de resistência ao circuito elétrico de soldagem e provoca uma queda de tensão, acarretando uma mudança na forma do cordão; a penetração e a largura são diminuídas e a convexidade é aumentada. Assim, o aumento no stick-out deverá ser acompanhado de um reajuste na tensão, de forma a manter o cordão sem modificações indesejáveis.

  A taxa de deposição pode ser aumentada na faixa de 25%, quando se aumenta o stick-out, mantendo-se a mesma corrente de trabalho. A mudança para um grande stick-out tem um efeito aproximadamente similar ao da mudança de CC+ para CC-. O aumento na taxa de deposição é acompanhado por uma diminuição na penetração. Deve-se, então, observar, cuidadosamente, em função de cada tipo de obra, o efeito mais benéfico ou econômico. Normalmente, distância é mantida entre 20 a 35 mm.

  Se a camada de fluxo for muito alta, o arco fica muito confinado e os gases têm dificuldade para sair; o aspecto superficial do cordão é irregular. Por outro lado, se a camada for muito rasa, o arco não ficará completamente submerso no fluxo, podendo vir a causar centelhamento e respingos. A aparência do cordão também fica comprometida, assim como a integridade do interior da soldagem, uma vez que poderá ocorrer contaminação pelo ar atmosférico.

15.4 Consumíveis.

  Os consumíveis para soldagem por arco submerso são os fluxos e o arame- eletrodo combinados de modo a formar um par; a composição do fluxo pode afetar o teor de manganês da soldagem.

  15.4.1 Eletrodos Os arames de soldagem são parte importante do processo, pois, como no processo

  MIG/MAG, além de serem o metal de adição, têm a função de conduzir a energia para a geração do arco elétrico.

  Os arames utilizados no processo de soldagem a arco submerso são os mesmos utilizados no processo MIG/MAG, porém podem-se utilizar o arame sólido com bitolas de 1,0 a 6,5 mm ou arames tubulares com bitolas de 2,4 a 4,0 mm. Para o caso de aumentar a taxa de deposição, podem-se utilizar ainda fitas metálicas.

  Os arames-eletrodos, ou melhor, os arames que têm função de eletrodo, são classificados segundo o teor de manganês que contêm, que pode ser baixo, médio ou alto. Cada um desses grupos apresenta quantidades diferentes de carbono e de silício, as quais também podem ser altas ou baixas.

  Geralmente, os eletrodos com altos teores de manganês, carbono e silício originam cordões com maior resistência e dureza; o silício torna a poça de fusão mais fluida e melhora o formato dos cordões depositados sob altas velocidades de soldagem.

  Os arames-eletrodos são normalmente arames sólidos, fornecidos na forma de carretéis ou bobinas, com diferentes tamanhos, que variam conforme o tipo e a quantidade de soldas a realizar. Os arames são produzidos por trefilação e apresentam um revestimento especial de cobre, semelhante ao utilizado nos arames para o processo de soldagem MIG/MAG; eles têm a função de proteger contra a oxidação. Em alguns casos, os arames são fornecidos em formatos de fita ou de arames tubulares.

  As propriedades reais de um metal depositado por uma dada combinação arame- fluxo dependem do procedimento de soldagem específico utilizado em uma determinada aplicação. Por outro lado, existe um número relativamente alto de consumíveis produzidos pelos fabricantes, muitos deles desenvolvidos para situações especiais, que não foram enquadrados nas especificações usuais.

  A seleção final de uma combinação arame-fluxo é geralmente feita com base na soldagem de corpos de prova de qualificação, segundo a norma aplicada para o caso, e na avaliação ou medida das propriedades de interesse dessa soldagem.

  15.4.2 Fluxos O fluxo tem várias funções na soldagem por arco submerso; entre elas destacam- se: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de soldagem, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação da atmosfera, minimizar impurezas no metal de solda e produzir escória com determinadas propriedades físicas e químicas que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de soldagem, sua destacabilidade e a ocorrência de defeitos.

  O fluxo é composto de uma mistura de óxidos e outros minerais, podendo, ainda, conter ferroligas. Quanto às suas características químicas, podem ser classificados como ácidos, neutros ou básicos. Tal classificação se baseia na quantidade relativa de óxidos básicos e óxidos ácidos que o fluxo contém. De modo geral, o fluxo de maior basicidade tende a reduzir os teores de oxigênio, enxofre e fósforo no metal depositado, melhorando, assim, as propriedades mecânicas, em especial a resistência à fratura frágil.

  Os fluxos também são classificados quanto a sua influência sobre a composição química do metal depositado e podem ser ativos, neutros ou ligados. Os fluxos neutros são aqueles que praticamente não influenciam na composição química do metal depositado.

  Por outro lado, os fluxos ativos incorporam elementos de liga como o Mn e Si na solda e os ligados adicionam outros elementos, além do Si e Mn, no metal depositado. Contudo, a operação de soldagem com este tipo de fluxo deve ser cuidadosamente controlada, já que variações nos parâmetros de soldagem, particularmente na tensão, influenciam esta transferência de elementos de liga para a solda e, portanto, a sua composição química.

15.5 Equipamentos

  O equipamento necessário consiste normalmente de fonte de energia do tipo tensão constante, alimentador de arame e sistema de controle, tocha de soldagem, porta fluxo e sistema de deslocamento da tocha.

Figura 15.6 - Equipamento para a soldagem ao Arco Submerso.

  Fontes de soldagem Para a soldagem por arco submerso, a fonte de energia pode ser de corrente contínua ou alternada, corrente ou tensão constante e deve permitir trabalhos em altas amperagens com 100% de ciclo de trabalho.

  As faixas mais usuais de trabalho estão entre 400 e L500A, embora possa-se, excepcionalmente, trabalhar com correntes muito baixas (l50A) ou muito altas (4.000A). Os diferentes tipos de corrente fornecidos pelas fontes acarretam diferenças nos cordões de soldagem; assim, a corrente alternada (CA) permite melhor controle da forma do cordão, profundidade de diluição e velocidade de soldagem; esta forma da corrente é, também, a que possibilita a melhor abertura de arco.

  A corrente contínua com eletrodo positivo (CC+) permite melhor penetração e controle do cordão. A corrente contínua com eletrodo negativo (CC-) é a forma que apresenta a maior taxa de deposição; consequentemente, apresentará menor penetração do que CC+ ou CA. É a forma ideal para revestimentos e soldagem de chapas finas.

15.6 Métodos de operação na soldagem

  Além das variações já citadas, outras técnicas podem ser usadas para aumentar ainda mais a velocidade de soldagem ou de enchimento da junta. Adições de arames sólidos e tubulares frios têm sido usadas, sem deterioração das propriedades da solda. Esta técnica não tem uso generalizado na indústria. O equipamento requerido é o mesmo para aplicações de vários arames, mas um arame não é conectado à fonte de energia. Aumentos na taxa de deposição de até cerca de 70% são possíveis. No entanto, uma maior deposição para uma quantidade fixa de calor resulta numa penetração mais baixa. Adições de arame quente (aquecido) são muito mais eficientes que arames frios ou utilização de um arco adicional, porque a corrente introduzida é usada inteiramente para aquecer o metal de adição e não para fundir o metal de base ou o fluxo. A taxa de deposição pode ser aumentada de 50% a 100% sem prejuízo das propriedades do metal de solda. O processo requer equipamento adicional e atenção maior do operador.

  Adição de pó metálico ao fluxo pode aumentar as taxas de deposição em até 70%. A técnica fornece fusão suave, melhora a aparência do cordão e diminui a penetração e a diluição e pode ser usada também para modificar a composição química da solda.

  Os pós podem ser adicionados à frente da poça de fusão ou diretamente nela, tanto por gravidade como usando o campo magnético em volta do arame para o transporte. A adição de pó não requer energia adicional, não deteriora a resistência do metal de solda nem aumenta riscos de fissuração.

  De um modo geral, o uso de técnicas especiais para aumento na taxa de deposição deve ser acompanhado de outros cuidados especiais, como: projeto e preparação da junta, sequência de soldagem e fixação das peças adequadas.

  As principais variáveis operacionais na soldagem por arco submerso, em ordem aproximada de importância, são:

  • valor e tipo de corrente
  • tipo de fluxo e distribuição das partículas
  • tensão
  • velocidade de soldagem
  • diâmetro do eletrodo

  • extensão do eletrodo
  • tipo de eletrodo • largura e profundidade da camada de fluxo.

  A corrente é a variável mais importante, pois influi diretamente na taxa de fusão do eletrodo na taxa de deposição, na penetração, no reforço e na diluição. Correntes muito elevadas resultam em cordões com elevada razão penetração/largura, que favorece a fissuração a quente, reforço excessivo e formação de mordeduras. Já correntes muito baixas promovem penetração ou fusão incompletas. O tipo de corrente mais usado é a contínua com eletrodo positivo, que resulta em maior penetração. Corrente direta (eletrodo negativo) aumenta a taxa de fusão. Corrente alternada apresenta resultados intermediários e minimiza a ocorrência de sopro magnético, particularmente na soldagem com arames múltiplos.

  A tensão influi diretamente no comprimento do arco, na largura do cordão e no consumo de fluxo e inversamente na penetração e no reforço. Ela tem pouco efeito sobre a taxa de deposição. Como mostrado na Tabela 111, a tensão do arco pode ter forte influência na composição química e nas propriedades de soldas feitas com fluxo ativo. Tensão excessivamente alta aumenta a dificuldade para remoção de escória.

  A dimensão transversal do cordão de solda é inversamente proporcional à velocidade de soldagem, isto é, largura, penetração e reforço tendem a diminuir com o aumento da velocidade. Velocidade excessivamente alta promove a ocorrência de mordedura, porosidade e cordão irregular.

  O diâmetro do eletrodo afeta a geometria do cordão e a taxa de deposição, para uma corrente fixa. Para um valor fixo de corrente, a largura do cordão aumenta e a penetração e a taxa de deposição tendem a cair com o aumento do diâmetro. A estabilidade do arco e a facilidade de abertura deste também diminuem para eletrodos de maior diâmetro.

  Como ocorre em outros processos, para cada diâmetro de eletrodo existe uma faixa de valores de corrente recomendada. A extensão do eletrodo é o comprimento energizado do arame e tem o mesmo efeito já citado em outros processos de soldagem. De uma maneira geral, sugerem-se valores entre 20 e 40 mm.

  A largura e a altura da camada de fluxo, nem sempre lembradas e consideradas pelos operadores, influenciam na aparência da solda e no arco de soldagem. Se a camada de fluxo é muito espessa, a solda terá uma aparência pastosa e áspera. Os gases gerados durante a soldagem não podem escapar imediatamente, e a superfície da solda fica irregular.

  Se a camada de fluxo for muito estreita, o arco não ficará inteiramente submerso no fluxo ocorrendo clarões ("flashing") e respingos. A solda terá uma aparência ruim e poderá ficar porosa. A espessura ótima da camada de fluxo pode ser estabelecida na prática, em função das outras condições da soldagem, acrescentando lentamente o fluxo até o arco ficar completamente submerso e não mais se observam o clarão do arco.

  A inclinação da peça ou da tocha durante a soldagem pode afetar o formato do cordão de solda. A maioria das soldas é feita na posição plana. Entretanto, algumas vezes é necessário ou desejável soldar com a peça levemente inclinada para que a tocha avance em declive ou aclive. Por exemplo, em uma soldagem de alta velocidade de chapas de aço de 6 mm de espessura, consegue-se uma solda melhor quando a peça está inclinada de 15° a 18° em declive, com aumento da penetração em relação à soldagem plana. O ângulo de inclinação deve ser reduzido com o aumento da espessura para aumentar a penetração.

  Na soldagem puxando a poça tende a escoar e pré-aquecer o metal de base, particularmente na superfície. Isto produz uma zona de fusão de forma irregular. Quando o ângulo de inclinação cresce, forma-se uma depressão no meio da solda, a penetração decresce e a largura do cordão cresce.

  Soldagem empurrando afeta o contorno poça de fusão e a superfície da solda. A força da gravidade faz a poça ficar defasada para trás em relação ao eletrodo e as laterais da poça de fusão se deslocam e para o meio do cordão. Quando o ângulo de inclinação cresce, o reforço e a penetração crescem e a largura decresce. O ângulo limite para a soldagem em aclive com correntes até 800 A está por volta de 6°, ou uma inclinação de 10%. Se forem usadas correntes maiores.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem a arco submerso (SAW)?

  2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem a arco submerso (SAW).

  3. Quais são os parâmetros de soldagem do processo a arco submerso (SAW)?

  4. Quais são as funções do fluxo no processo a arco submerso, (SAW)?

  5. Quais são os consumíveis do processo a arco submerso (SAW)?

  6. Quais são as variáveis operatórias do processo de soldagem a arco submerso (SAW)?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p.

16 Processos de soldagem plasma.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem plasma de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

16.1 Introdução.

  A soldagem plasma é um processo a arco elétrico (Plasma Arc Welding, PAW), operando em condições especiais que atua como uma fonte extremamente estável de calor, que produz a fusão e união de metais pelo aquecimento gerado pelo plasma constrito de um arco entre um eletrodo de tungstênio não consumível e o metal (arco transferido) ou entre o eletrodo e o bocal de constrição (arco não transferido), que permite a soldagem da maioria dos metais com espessuras de 0,02 a 6mm.como ilustrado esquematicamente na figura 1. A proteção gasosa é geralmente obtida do gás aquecido e ionizado, injetado através da tocha. Pode ser usada uma proteção gasosa suplementar com gás inerte ou mistura de gases inertes.

  Comparado com os outros processos de soldagem a arco, a soldagem a plasma tem uma alta concentração de energia, atingindo temperaturas de até 33.000 ºC, melhor estabilidade do arco, menor distorção térmica, e alta velocidade de soldagem, da ordem 120 a 1.000 mm/min. Uma variedade de metais pode ser soldada com pequenas espessuras, menores que 6 mm.

Figura 16.1 - Ilustração dos processos de soldagem a arco plasma transferido e não transferido.

16.2 Aplicação

  A soldagem a plasma é aplicável à maioria dos metais e a muitos materiais não metálicos. Entretanto, seu custo relativamente elevado e a maior complexidade do processo (em comparação com GTAW) limitam o seu uso principalmente para aplicações críticas em indústrias de alta tecnologia (indústria aeronáutica e aeroespacial, por exemplo) para as quais a utilização do processo é justificável. Por outro lado, equipamentos de plasma desenvolvidos para o corte de materiais estão se tornando cada vez mais usados industrialmente.

  A soldagem a plasma pode ser feita em qualquer posição, com velocidade elevada e, em geral, com menor energia de soldagem e maior razão penetração/largura do cordão. Isso pode resultar em vantagens significativas na soldagem de materiais de má soldabilidade ou em aplicações em que se deseja uma alta produtividade ou maior precisão dimensional da peça soldada, como, por exemplo, fabricação de tubos com costura de parede fina de alumínio, titânio ou aço inoxidável e soldagem em passe único, sem metal de adição, até espessuras em torno de 12 mm.

  A alta estabilidade do arco permite o uso de intensidade de corrente muito baixa, na faixa de uns poucos Amperes. situação adequada para soldagem de peças de pequena espessura, inferior a um milímetro, difíceis ou mesmo impossíveis de serem soldadas por outro processo a arco.

  As vantagens do processo de soldagem por arco plasma, em relação ao processo TIG ou a outro processo de soldagem convencional são: maior concentração de energia e densidade de corrente, consequentemente, menores distorções, maiores velocidades de soldagem e maiores penetrações; maior estabilidade do arco em baixos níveis de corrente, o que permite a soldagem de finas espessuras, a partir de 0,05mm;o arco é mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constância da poça de fusão e menor sensibilidade a variações no comprimento do arco; menor probabilidade de contaminação do cordão por inclusões de tungstênio e de contaminação do eletrodo pelo material de adição.

  As desvantagens do processo de soldagem por arco plasma são: alto custo do equipamento (duas a cinco vezes mais que o do TIG); manutenção cara e mais frequente da tocha; maior consumo de gases; exigência de maior qualificação da mão de obra.

16.3 Fundamentos do processo.

  O plasma é um elemento importante na soldagem por arco plasma. Costuma-se pensar normalmente em três estados da matéria: o sólido, o líquido e o gasoso. O elemento mais conhecido, a água, tem três estados físicos: o gelo, a água e o vapor; a diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram. Quando se adiciona energia sob forma de calor ao gelo, este transforma-se em água, que sendo submetida a mais calor vaporizará. Se mais energia for adicionada, algumas de suas propriedades, como temperatura e características elétricas, serão modificadas substancialmente. Esse processo é chamado de ionização, ou seja, a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás.

  Quando isso acontece, o gás torna-se um plasma eletricamente condutor, isto é, os elétrons livres transmitem corrente elétrica.

Figura 16.2 Estados da matéria.

  Alguns dos princípios aplicados à condução da corrente através de um condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a seção de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência aumenta e torna-se necessário aumentar a tensão para obter o mesmo número de elétrons atravessando esta seção; em consequência, a temperatura do metal aumenta. O mesmo fato pode ser observado no plasma: quanto mais reduzida for a seção, tanto maior será a temperatura.

  Esse processo é baseado no processo GTAW, apresentando, como diferença fundamental, a utilização de um bocal extra (bocal constritor) que causa a concentração (constrição) do arco elétrico.

  Um pequeno fluxo de argônio passa através bocal constritor para formar a chama de plasma (figura 3). A proteção do plasma e da poça de fusão é feita por um gás

  (normalmente argônio ou hélio) fornecido pelo bocal externo. O arco de soldagem é iniciado com o auxílio de um arco piloto de baixa corrente mantido entre o eletrodo e o bocal. Quando a peça é parte do circuito elétrico de soldagem, o processo é denominado de plasma “transferido”; quando a peça não faz parte do circuito elétrico (o arco é mantido entre o eletrodo e o bocal) tem-se plasma “não transferido”. Este último permite pode ser aplicado em materiais não condutores de eletricidade. No processo PAW, metal de adição, quando utilizado, é fornecido de forma similar ao processo GTAW.

Figura 16.3 - Processo PAW operando no modo “keyhole”.

  Duas formas de operação são usadas na soldagem PAW, a operação convencional (“melt-in”) e a operação em “keyhole”. A operação convencional é normalmente usada na soldagem de juntas de pequena espessura (0,02 a 3mm) com correntes, em geral, inferiores a 100A. Para a soldagem das menores espessuras, com correntes de cerca de 1A, o processo é comumente denominado de soldagem “Microplasma”.

  A operação em keyhole é caracterizada pela formação de um furo que atravessa a poça de fusão. O metal líquido escoa em torno deste furo e solidifica na parte posterior da poça de fusão. Soldas obtidas com esta forma de operação têm penetração total na espessura da junta e apresentam uma elevada relação penetração/largura o que reduz problemas de distorção. Esta forma de operação permite soldar, em um único passe, juntas de até 10mm, ou mesmo mais.

Figura 16.4 Variações da soldagem a arco plasma: (a) arco transferido, (b) não transferido

  A soldagem a arco plasma pode ser feita manual ou mecanizadamente, com pequenas adaptações no equipamento. Tanto a soldagem mecanizada como a manual são bastante usadas. O processo pode ser empregado em qualquer posição de soldagem.

  O arco na soldagem plasma é bastante estável, de alta intensidade, e o cordão de solda é pouco afetado pela distância da tocha de soldagem à peça, conhecida como "stand- off", permitindo, na soldagem manual, maior liberdade de operação ao soldador.

  16.3.1 Parâmetros de soldagem Os parâmetros de soldagem por arco plasma considerados são: os tipos de corrente, comprimento e tensão do arco, vazão do plasma e stick-out.

  A corrente utilizada é a contínua, com polaridade direta; já na soldagem de alumínio, usa-se a polaridade inversa, que, embora cause uma certa instabilidade de arco, permite o efeito de limpeza do alumínio.

  A soldagem a arco plasma trabalha com correntes baixas e, devido a sua grande estabilidade, pode ser utilizada na soldagem de peças com espessura inferior a 1mm com correntes de 0,1 a 20A; este tipo de soldagem é chamado microplasma.

  Embora as correntes geralmente utilizadas sejam baixas, é possível, também, usar correntes elevadas, pois o processo admite a utilização de correntes de até 500A. De uma forma arbitrária, costuma-se determinar a marca de 100A como o limite de baixas correntes e, acima desse valor, ficam as chamadas altas correntes.

  O fato de o arco constritor ter uma forma cilíndrica faz que o comprimento sofra variações, permitindo a utilização de comprimento de arco mais elevado do que na soldagem TIG. A tensão do arco é menos sensível à variação do comprimento do arco e garante maior estabilidade dos parâmetros.

  O diâmetro do orifício constritor tem influência direta sobre a intensidade e a concentração do arco. As tochas para soldagem geralmente apresentam orifício maior que as tochas de corte. O orifício deve ser selecionado de acordo com a espessura das peças a soldar e é tanto maior quanto maior for a espessura das peças.

  O número de orifícios e a distribuição deles também influenciam a distribuição de calor e a geometria do cordão. A vazão do plasma é diretamente responsável pela penetração do cordão de solda, então, o ajuste criterioso da vazão é fundamental para um bom resultado, principalmente

  quando se usa a técnica keyhole.

  O stick-out não influencia muito a geometria do cordão, pois o arco plasma tende a ser cilíndrico, e não cônico; geralmente o stick-out é maior na soldagem por plasma, o que permite melhor visibilidade durante o trabalho. Embora o arco de plasma para baixa correntes seja de manejo mais fácil do que o arco TIG, devido à sua estabilidade, mesmo com variações da distância da tocha à peça a ser soldada, o comportamento do metal fundido é o mesmo para os dois processos de soldagem e a necessidade de fixação da junta são as mesmas. Por exemplo, as bordas das juntas devem estar em contato, ou suficientemente próximas, para assegurar que o metal fundido forme uma ponte entre as duas bordas. De uma maneira geral, a abertura entre as bordas (ou raízes) adjacentes não deve ser maior do que 10% da espessura do metal-base. Para casos onde a obtenção desta tolerância se torna difícil, é necessário a utilização de material de adição.

  A fixação adequada das juntas é necessária para assegurar seu alinhamento e rigidez antes e durante a soldagem. O aumento do calor proveniente da soldagem não deve causar empenamentos, caso contrário surgirão folgas e a ponte de metal fundido poderá não ter continuidade.

Figura 16.5 Tolerâncias para a fixação de chapas a serem soldadas, com espessura até 0,8 mm.

  

Observações: a) Para a proteção da raiz da junta, é necessário o uso de gás argônio ou hélio. b) Para

chapas com espessura inferior a 0,25 mm, é recomendável o emprego de juntas com as bordas dobradas.

  Barras de cobre refrigerado poderão ser utilizadas para fixar as bordas e auxiliar na dissipação de calor equalizando as taxas de fusão do metal nas soldagens de espessuras dissimilares. A melhor prática é equalizar as espessuras das juntas, usinando as bordas a serem soldadas.

  As tolerâncias dimensionais das bordas a serem soldadas são comparáveis às do processo TIG. Bordas até 6,4 mm, cortadas a frio (por guilhotina), podem ser satisfatoriamente aceitas para soldagem, porém as juntas usinadas devem ser preferidas. Folgas de até 0,5 mm são permissíveis para soldagem de chapas acima de 6,4 de espessura. Para chapas abaixo desta espessura, a folga entre as bordas deve ser proporcionalmente menor.

Figura 16.6 - Tipos de juntas usadas para as condições apresentadas na Tab. 1.

  A figura 16.6 apresenta dados práticos para o posicionamento e fixação de chapas finas com espessura menor que 1 mm, onde o requisito básico para a garantia de qualidade da junta soldada é o espaçamento constante, ou contato contínuo das bordas a serem soldadas.

  Na aplicação do processo por plasma, as principais considerações que devem ser feitas são: metais a serem soldados, geometria da junta e espessura do material.

  

Tabela I - Condições de soldagem pelo processo plasma; técnica convencional para material com

espessuras finas; adaptada de

Observações: - O gás do plasma é o argônio, com a vazão de 24 l/min.

  • Bocal com diâmetro de 0,8 mm,
  • Junta de topo com bordos retos (figura 5)

  (*) Vazão do gás de proteção: 10 I/min:

Figura 17.7 - Parâmetros de soldagem do aço AISI 304 pelo processo de plasma.

  Os requisitos de limpeza, alinhamento da junta, rigidez na fixação, como nos demais processos de soldagem, influenciam na qualidade da junta soldada. O preaquecimento e o tratamento térmico, a ser empregado após a soldagem são características das propriedades metalúrgicas dos metais de base a serem soldados e independem do processo de soldagem empregado.

  A tabela II orientam na determinação dos parâmetros de soldagem que devem ser seguidos para operação manual e automatizada. Para elas se aplicam os tipos de juntas mostrados na figura 6.

  

Tabela II - Soldagem Plasma-MIG - Parâmetros de soldagem chapa

ASTM 5052; 23 mm de espessura; adaptado de

Metal de adição: AWS ER 5356; diâmetro 1,6 mm.

  A figura 7 apresenta um ábaco para a seleção dos parâmetros de agem para chapas de aço inoxidável AISI 304 com espessura até 1,2 No exemplo indicado na figura, para a soldagem de uma chapa com 1 mm de espessura, os parâmetros recomendados seriam: I = 18 A; B = 5,5 mm; C = 3,7 mm.

Figura 16.8 - Comparação dos processos de soldagem MIG e Plasma-MIG.

  

1 - gás de proteção; 2 - metal de adição; 3 - peça; 4 - arco de plasma.

16.4 Consumíveis.

  Os consumíveis usados na soldagem plasma são os gases de plasma e de proteção e os metais de adição. Os eletrodos de tungstênio, apesar de ditos não consumíveis se desgastam durante o processo.

  Em soldagem por arco plasma pode-se utilizar o mesmo tipo de gás, tanto para a formação do plasma quanto para a proteção adicional da poça de fusão. A maioria das soldagens pelo processo com arco plasma não requer metal de adição devido à concentração de calor e à facilidade de fusão das partes; porém, em alguns casos, é possível adicionar metais, dependendo do tipo de soldagem desejada. O metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas.

  16.4.1 Eletrodos Os eletrodos de tungstênio usados na soldagem plasma são os mesmos usados na soldagem TIG, e podem ser de tungstênio puro ou ligados e são cobertos pela especificação AWS A 5.12. Eletrodos de tungstênio puro são geralmente usados em corrente alternada e têm baixa capacidade de condução. Eletrodos com adições de óxidos são usados em corrente contínua e/ou alternada e possuem maior capacidade de condução e durabilidade.

  São basicamente barras de tungstênio puros ou com adições de outros elementos de ligas.

  • Eletrodos de tungstênio puro - Têm baixa capacidade de corrente comparado com os demais; são normalmente utilizados para a soldagem com correntes baixas.
  • Eletrodos de tungstênio com tório - O teor de tória varia de 0,8 a 2,2 % e tem como objetivo aumentar a emissividade de elétrons do eletrodo e consequentemente alcançar altas correntes no arco de plasma, principalmente com corrente contínua e polaridade direta (eletrodo negativo).
  • Eletrodos de tungstênio com zircônio - O teor de zircônio varia de 0,15 a 1 0,40%; são normalmente utilizados para soldagem com corrente alternada ou com corrente contínua alta.

  Para cortes em alta velocidade tem-se utilizado um eletrodo de tungstênio com adição de óxido de lantânio, que tem vida mais longa do que os anteriores. O eletrodo deve ter uma ponta absolutamente simétrica e concêntrica ao eletrodo, com um ângulo que varia entre 40 e 60 graus.

  Os eletrodos são normalmente apontados, com o ângulo da ponta variando entre 20 e 60°. A ponta pode ser aguda ou tronco-cônica, com diâmetro da parte plana de aproximadamente 0,8mm. para eletrodos de diâmetro de 3,2 ou 4,0mm, e proporcionalmente menor para eletrodos de menor diâmetro.

  A ponta deve ser absolutamente simétrica e concêntrica com o eletrodo, podendo ser preparada com o auxílio de um dispositivo de precisão através de esmerilhamento ou por agentes químicos.

  16.4.2 Metal de adição A maioria das soldagens pelo processo com arco plasma não requer metal de adição devido à concentração de calor e à facilidade de fusão das partes; porém, em alguns casos, é possível adicionar metais, dependendo do tipo de soldagem desejada.

  O metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas. Os critérios de seleção são os mesmos do processo TIG. Os materiais são adicionados na forma de arame, contínuo para o caso de soldagem automatizada e em vareta para soldagem manual.

  Geralmente, utiliza-se metal de adição de composição química similar à do metal de base, e existe uma grande variedade de metais disponíveis.

  16.4.3 Gases de proteção O gás de plasma deve ser inerte em relação ao eletrodo de tungstênio e às partes da tocha de soldagem, para evitar sua contaminação e rápida deterioração.

  Os gases utilizados para proteção não precisam necessariamente ser inertes, desde que não afetem as propriedades da junta soldada. A escolha do gás a ser utilizado para o plasma depende do metal a ser soldado. Para altas correntes, o gás de proteção deve ser o mesmo do plasma, a fim de evitar variações na consistência dos gases.

  Normalmente são usados o argônio, o hélio, o nitrogênio e misturas destes. Em certos casos, o hidrogênio pode ser adicionado a esses gases para facilitar a abertura do arco. A adição de hidrogênio pode ser interrompida depois de iniciado o arco.

  O argônio é mais usado como gás de plasma, devido ao seu baixo potencial de ionização, que facilita a abertura do arco, particularmente, em equipamentos que utilizam o arco-piloto. Normalmente é usado na soldagem de aços carbono, aços de alta resistência e metais reativos, como o titânio e o zircônio.

  Entretanto, nem sempre o argônio puro produz os melhores resultados, que podem ser conseguidos com misturas argônio-hidrogênio ou argônio-hélio. A quantidade de hidrogênio numa mistura deve ser escolhida em função do metal de base a ser soldado.

  Misturas argônio-hélio resultam em maior potência gerada no arco, para uma mesma corrente de soldagem. A soldagem com hélio puro aumenta a potência do arco, permitindo operar com maiores velocidades. Entretanto, isso geralmente implica em maior desgaste das tochas e redução de sua vida útil.

  Na soldagem com alta corrente, geralmente se usa o mesmo gás para plasma e para proteção. Na soldagem com baixa corrente, o gás de proteção pode ser diferente. Sendo o CO2 muito usado para esta finalidade, devido ao seu baixo custo.

16.5 Equipamentos

  O equipamento básico usado consiste de uma fonte de energia, sistema para abertura do arco, uma tocha de soldagem plasma, fonte de gases e sistema de controle. Diversos dispositivos auxiliares podem ser usados na soldagem mecanizada.

  A fonte de energia usada é do tipo corrente constante, podendo ser contínua ou pulsada. As fontes para soldagem plasma convencional têm capacidade para fornecer correntes entre 100 e 500 A. normalmente. As fontes para soldagem microplasma geralmente fornecem corrente a partir de 0,1 A até correntes de algumas dezenas de Ampêres.

  Em qualquer dos casos, o ajuste de corrente geralmente pode ser feito com precisão relativamente alta. As tensões necessárias para manter a descarga elétrica num arco a plasma são mais elevadas que aquelas normalmente usadas nos processos convencionais. Assim, as fontes usadas na soldagem plasma devem ser específicas para este processo. Fontes convencionais ligadas em série podem ser usadas em situações especiais.

  A abertura de arco pode ser feita por um ignitor de alta frequência ou através de um arco-piloto. As tochas que trabalham com arco transferido normalmente fazem uso deste último sistema, que necessita de uma fonte de energia auxiliar, de baixa capacidade, para alimentar o arco-piloto.

  As tochas de soldagem plasma servem para suportar o eletrodo de tungstênio, fornecer de forma adequada o gás de plasma e o gás de proteção e fazer a constrição do arco, através do bocal constritor. Além disso, as tochas devem permitir o manuseio e utilização de maneira segura para o soldador ou operador de equipamentos mecanizados. A figura 9 apresenta uma tocha para soldagem plasma.

Figura 16.9 - Tocha para soldagem plasma

  As tochas plasma são geralmente refrigeradas a água. Muitas vezes, são necessários cuidados especiais, devendo-se usar água desmineralizada, filtrada etc. Tochas para soldagem manual têm menor capacidade, devido à necessidade de apresentarem menor peso, para facilitar a operação. Tochas para soldagem mecanizada normalmente são de alta capacidade.

  Algumas tochas possuem bocais constritores com apenas um orifício de saída, porém, tochas com orifícios múltiplos apresentam vantagens. Várias configurações de orifícios de constrição, como em linha, em círculos e outras formas geométricas têm sido avaliadas, porém a mais usada é aquela com um orifício central, ladeado por dois outros orifícios de menor diâmetro, em geral, com uma seção transversal igual a um quarto da seção do orifício central, em linha, como mostrado na figura 16.10.

Figura 16.10 Tipos de configuração de orifícios de constrição

  Neste tipo de tocha, a forma do arco plasma se torna alongada ou ovalada, e grandes velocidades de soldagem podem ser usadas quando o eixo maior da seção transversal do arco está paralelo à direção de soldagem, resultando em grande produtividade e soldas com zona termicamente afetada relativamente estreita.

  Algumas tochas permitem a troca do bocal constritor, podendo-se, assim, variar o diâmetro ou número de orifícios. Tochas para soldagem manual, em geral, apresentam apenas um orifício central.

  As fontes de gases devem incluir cilindros do gás de plasma e do gás de proteção, reguladores de pressão e de vazão e mangueiras. Geralmente, o controle da vazão do gás de plasma é feito com precisão relativamente alta, já que esta é uma importante variável do processo.

  O sistema de controle permite o ajuste das diversas variáveis operacionais, o acionamento adequado dos equipamentos usados e de dispositivos auxiliares, no caso de soldagem mecanizada. Este pode estar numa unidade de controle único ou disperso nos vários equipamentos que compõem uma estação de soldagem plasma.

  Os dispositivos auxiliares usados na soldagem mecanizada são similares aos usados na soldagem TIG, isto é, alimentadores de arame, sistemas de movimento, sistemas de oscilação do arco etc.

16.6 Métodos de operação na soldagem

  Os parâmetros de soldagem por arco plasma considerados são: os tipos de corrente, comprimento e tensão do arco, vazão do plasma e stick-out. A corrente utilizada é a contínua, com polaridade direta; já na soldagem de alumínio, usa-se a polaridade inversa, que, embora cause uma certa instabilidade de arco, permite o efeito de limpeza do alumínio.

  A soldagem a arco plasma trabalha com correntes baixas e, devido a sua grande estabilidade, pode ser utilizada na soldagem de peças com espessura inferior a 1 mm com correntes de 0,1 a 20A; este tipo de soldagem é chamado microplasma.

  Embora as correntes geralmente utilizadas sejam baixas, é possível, também, usar correntes elevadas, pois o processo admite a utilização de correntes de até 500 A. De uma forma arbitrária, costuma-se determinar a marca de 100ª como o limite de baixas correntes e, acima desse valor, ficam as chamadas altas correntes.

  O fato de o arco constritor ter uma forma cilíndrica faz que o comprimento sofra variações, permitindo a utilização de comprimento de arco mais elevado do que na soldagem TIG. A tensão do arco é menos sensível à variação do comprimento do arco e garante maior estabilidade dos parâmetros.

  O diâmetro do orifício constritor tem influência direta sobre a intensidade e a concentração do arco. As tochas para soldagem geralmente apresentam orifício maior que as tochas de corte. O orifício deve ser selecionado de acordo com a espessura das peças a soldar e é tanto maior quanto maior for a espessura das peças.

  O número de orifícios e a distribuição deles também influenciam a distribuição de calor e a geometria do cordão. A vazão do plasma é diretamente responsável pela penetração do cordão de solda, então, o ajuste criterioso da vazão é fundamental para um bom resultado, principalmente quando se usa a técnica keyhole, o stick-out não influencia muito a geometria do cordão, pois o arco plasma tende a ser cilíndrico, e não cônico; geralmente o stick-out é maior na soldagem por plasma, o que permite melhor visibilidade durante o trabalho.

  A soldagem a arco plasma pode ser feita utilizando-se duas técnicas: por fusão semelhante aos outros processos a arco, e "keyhole" ou furo, que também é utilizada em processos de alta intensidade, como a soldagem a LASER e por feixe eletrônico.

  A técnica da fusão é normalmente usada em soldagem manual e com fluxo de gás de plasma e corrente de soldagem mais baixos. Metal de adição na forma de vareta pode ser usado e normalmente é adicionado à poça de fusão. Esta técnica pode ser usada na soldagem com um ou mais passes.

  A técnica do "keyhole" é usada para uma certa faixa de espessura de metal de base, com combinações especiais de fluxo de gás de plasma, corrente e velocidade de soldagem, produzindo uma poça de fusão relativamente pequena e que penetra totalmente no metal de base. Neste caso, o jato de plasma produz um pequeno furo na região da junta, que é levado adiante com o movimento da tocha de soldagem. Durante o deslocamento, o metal fundido pelo arco é forçado a se deslocar em torno do jato de plasma, formando atrás deste a poça de fusão, que fecha o furo nesta região e se solidifica, formando a junta soldada.

  Não é usado metal de adição na maioria das vezes. Esta técnica permite a soldagem com penetração total, em passe único. A soldagem plasma que usa a técnica do "keyhole" opera no limite entre a soldagem e o corte, geralmente com intensidade de corrente, e fluxo de gás de plasma elevados, sendo que este é um parâmetro crítico do processo, devendo ser mantido dentro de estreitos limites. Devido a esta alta sensibilidade aos parâmetros operacionais, a técnica do "keyhole" só é usada em soldagem mecanizada.

  As principais variáveis da soldagem plasma são a corrente de soldagem, o diâmetro do orifício do bocal constritor, a vazão de gás de plasma e a velocidade de soldagem. A influência da corrente de soldagem na geometria do cordão de solda é semelhante à que acontece nos outros processos de soldagem a arco, sendo que o ajuste de corrente para uma dada operação deve levar em conta uma determinada vazão de gás de plasma.

  O tipo de corrente mais usado é contínuo com eletrodo negativo. Corrente contínua com eletrodo positivo pode ser usada em situações especiais, na soldagem de titânio e zircônio. Corrente alternada com estabilização por alta frequência pode ser usada na soldagem de alumínio. Corrente pulsada contínua ou alternada podem também ser usadas.

  O diâmetro do orifício do bocal constritor influi diretamente na concentração do arco e na intensidade deste. De modo geral, tochas para soldagem possuem maiores orifícios que tochas para corte. O diâmetro do orifício deve ser escolhido em função da espessura das peças a unir e aumenta com o crescimento destas. O número de orifícios e a distribuição destes também influencia a distribuição de calor e a geometria do cordão de solda.

  A penetração do cordão de solda depende diretamente da vazão de gás de plasma ou no orifício, aumentando sensivelmente para vazões mais elevadas. O ajuste correto e um controle preciso desta variável é fundamental para se obter bons resultados com a soldagem plasma, particularmente, quando se usa a técnica do "keyhole".

  O efeito da velocidade de soldagem é similar ao que ocorre nos outros processos de soldagem a arco. A tensão de soldagem não é regulada diretamente no equipamento e fica determinada pelos outros parâmetros operacionais, tendo influência apenas na escolha da fonte de soldagem. Na soldagem plasma a arco não transferido, a tensão de operação do arco é pouco influenciada pelo "stand-off ".

  Como o arco na soldagem plasma tende a ser cilíndrico e não cônico, como em outros processos, a distância da tocha à peça tem pouca influência na geometria do cordão, dentro de certos limites. De um modo geral, esta distância é maior na soldagem plasma, permitindo melhor visibilidade e facilitando a operação.

  A sequência de operação é semelhante à usada na soldagem TIG e pode sofrer ligeiras modificações, dependendo do tipo de equipamento usado, particularmente do tipo de iniciação do arco.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem plasma (PAW)? 2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem plasma (PAW).

  3. Quais são os parâmetros de soldagem do processo plasma (PAW)?

  4. Quais são as funções do eletrodo de tungstênio?

  5. Quais são os consumíveis do processo plasma (PAW)?

  6. Quais são as variáveis operatórias do processo de soldagem plasma (PAW)?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

17 Processo de soldagem de pinos .

  Objetivos

  Apresentar a soldagem de pinos de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

17.1 Introdução.

  A soldagem de pinos, conhecida em inglês pelo nome "Stud Welding" (SW), é um processo de soldagem a arco elétrico que une pinos ou peças semelhantes por meio de aquecimento e fusão do metal de base a partir da ponta do pino, seguido de imediata pressão, para melhor união e solidificação. Energia elétrica e força são transmitidas através de um porta-pinos colocado num dispositivo de elevação envolto por um anel de cerâmica (para pinos de maior diâmetro quando não se trata de descarga capacitiva), com as funções de proteger contra respingos e contaminação atmosférica, e de conter o metal líquido.

  Pinos metálicos, ou componentes similares podem ser soldados a uma peça metálica de diversas maneiras, incluindo por arco elétrico, resistência, fricção e percussão (descarga de capacitores).

  17.2 Aplicação

  Este processo é muito usado em construção metálica, com os pinos ajudando a prender conectores em geral, tubulações, caixas de interruptores, etc. à estrutura metálica. Podem ser também usados como pontos de ancoramento de outros materiais (madeira ou concreto, por exemplo) ao aço. Em maquinário, servem para a fixação de tampas.

  O processo de soldagem de pinos também é aplicado na colocação de pinos em tubos de trocadores de calor e fixação de ancoragem para isolamento na área de caldeiraria, fornos e chaminés; na fixação de buchas e ancoramento de concreto nos trabalhos com estruturas metálicas e concreto armado; substitui uniões roscadas complicadas e pequenas peças de fixação na construção elétrica; fixadores para mantas isolantes e fixadores de cabos na construção naval; na fixação de armações, revestimentos, parafusos e porcas na indústria automobilística, de autopeças; e na fixação de elementos como suportes para "chicote" de fiação do painel, cabos de embreagem e freio de mão.

  17.3 Fundamentos do processo.

  Na soldagem de pinos, este é unido a uma peça pelo seu aquecimento e da peça por um arco estabelecido entre ambos. Quando as superfícies a serem unidas estão adequadamente aquecidas, elas são colocadas em contato com uma leve pressão. Bocais cerâmicos são comumente usados entre o pino e a peça para concentrar o calor do arco e limitar a entrada de ar na região aquecida.

  O processo é muito rápido, apresentando tempo de operação inferior a um segundo, e simples, utilizando, em geral, pistolas semi-automáticas. O arco elétrico é obtido através da operação de toque e retração de pino. Depois de um determinado tempo, em que o pino é submerso na poça de fusão, o anel de cerâmica concentra o arco voltaico, protege contra a atmosfera e limita a poça de fusão. Durante a soldagem, o anel de cerâmica e o pino são colocados manualmente no equipamento apropriado, conhecido como tocha para stud, e o processo de soldagem é executado pelos comandos existentes.

  O tempo de duração é da ordem de milissegundos, relativamente curto se comparado com os processos a arco convencionais; devido ao fato de o ciclo de trabalho ser muito curto, a zona termicamente afetata (ZTA) é muito estreita. Solda-se em ciclos de 10 pinos/min; sistemas automáticos soldam até 20 pinos/min.

  A soldagem inicia com o gatilho da tocha de soldagem, que força o pino a encostar na peça, promovendo o curto-circuito; imediatamente ocorre o arco elétrico, fundindo parte do pino e a face do metal de base; em seguida, é aplicada uma pressão ao pino para promover a solidificação, e a tocha e o anel de cerâmica são retirados.

  O pino pode ser de aço ABNT 1030, de aço de baixa liga com CrMo, de aço inox com alta liga, de alumínio com 99,5% de pureza e de ligas de alumínio. No caso de pinos de alumínio, é necessário proteger a poça de fusão com gás argônio.

  Quando se soldam materiais não similares, usam-se pinos de aço inoxidável, como no caso de material refratário para válvulas siderúrgicas.

Figura 17.1 - Processo de soldagem de pinos: (a) Posicionamento da tocha, (b) abertura do arco e levantamento do pino, (c) término do período de arco, pino pressionado contra a peça, (d) soldagem

  

completada.

  17.3.1 Descarga capacitiva Pinos para este tipo de aplicação possuem um ressalto na extremidade para facilitar a ignição do arco, pois neste processo as dimensões da ponta do pino determinam a soldagem. O arco surge imediatamente, dentro de 0,5 até 4ms, por meio de uma descarga de condensadores, com corrente de até 8.000A. Esse tipo de pino é apropriado para pequenos esforços mecânicos, para chapas finas ou chapa com revestimento de material sintético de um lado.

  As superfícies que estão em contato com o pino devem estar isentas de óleo, umidade, sujeira e carepa. O pino não poderá ser soldado sobre superfícies pintadas e zincadas. As superfícies devem ser limpas por escovamento, lixamento e decapagem.

  Também existem pinos de dimensões maiores, com pontas de alumínio, com a função de desoxidar a poça de fusão e melhorar a qualidade da solda. Esses pinos são indicados principalmente para chapas com oxidação e sujeira, em que o esmerilhamento ou escovamento das áreas é de difícil acesso, como na soldagem de campo.

17.4 Equipamentos

  O equipamento para soldagem de pinos consiste de fontes de energia, sistemas de alimentação, tocha de soldagem e unidades de controle. A fonte de energia empregada é semelhante à usada no processo com eletrodo revestido, isto é, gerador ou retificador, com os pinos ligados ao polo positivo. Recomenda-se o uso de fontes com potência acima de 400A e tensões em vazio de, no mínimo, 70V caso haja a exigência de correntes mais elevadas, pode-se ligar as fontes em paralelo ou utilizar fontes desenvolvidas para goivagem a grafite, que normalmente são projetadas para correntes de até 1.600A. Pode-se utilizar também uma fonte com descarga capacitiva, derivada de um banco de capacitores de alta potência.

Figura 17.2 - Equipamento de soldagem de pinos com anéis cerâmicos de proteção (esquemático).

  O quadro a seguir mostra os parâmetros de soldagem com descarga capacitiva.

  O sistema automático de alimentação é indicado para alta produção e pode ser adaptado às tochas por meio de tubos flexíveis; a fonte de energia para deslocamento dos pinos do reservatório à tocha é o ar comprimido; nesse caso, os anéis de cerâmica de proteção não são usados, porque o diâmetro dos pinos e os tempos de soldagem são menores.

Figura 17.3 - Equipamento de soldagem de pinos sem anéis cerâmicos de proteção (esquemático).

  A tocha de soldagem tem por finalidade segurar e movimentar o pino; contém um gatilho com a função de liberar a corrente de soldagem e transmiti-la para a ponta do pino, que apresenta uma espécie de encaixe; esse encaixe pode ter diferentes geometrias e espessuras, compatíveis com o pino a fixar. A tocha também fornece pressão e alívio ao sistema, através de uma mola controlada por uma válvula solenoide.

  As unidades de controle, ligadas às fontes e à tocha de soldagem, são basicamente circuitos temporizadores para aplicação do tempo de soldagem e do tempo de pressão. Os controladores podem ser integrados às fontes de energia ou separados delas.

  Os pinos passam da guia de alimentação montada na cuba (recipiente onde estão os pinos) para uma mangueira transportadora com baixo coeficiente de atrito, que é responsável por conduzir o pino até o alojamento na pistola.

17.5 Cuidados necessários para um bom desempenho do sistema automático

  1) Fornecedores e fabricantes de pinos especializados, que garantam repetibilidade dimensional, composição química e bom acabamento. 2) Compatibilizar a especificação do pino com a configuração do equipamento. 3) Somente colocar na cuba pinos isentos de rebarbas e impurezas. Pinos que eventualmente tenham caído na cuba devem ser evitados. Para evitar que isso ocorra, manter a tampa da cuba fechada.

  4) Não colocar quantidade de pinos que exceda a capacidade e recomendação do fabricante do equipamento. S) Manter as guias de alimentação e o local de armazenagem dos pinos (posicionados internamente na cuba) isentos de impurezas e contaminação. 6) Sempre observar o estado geral da superfície da peça que receberá o pino: isenta de óleo, graxa, gordura, oxidação que possam interferir na qualidade da soldagem. 7) Evitar dobras na mangueira que possam causar restrições no transporte (deslocamento) dos pinos. 8) Não colocar a pistola de soldagem, assim como cabos e mangueiras, sobre peça cortante ou com temperatura elevada. 9) Realizar manutenção periódica do equipamento, como recomendado pelo fabricante, e observá-lo diariamente durante o processo de soldagem. 10) Todos os operadores e o pessoal da manutenção devem ser devidamente treinados. Qualquer intervenção para a alteração do programa de soldagem ou de alguma das variáveis do processo, bem como o ajuste da pistola, deve ser realizada por pessoa treinada e autorizada a fazê-lo. Sensibilidade (perpendicularidade), distância de avanço do cabeçote são alguns dos itens imprescindíveis para o ajuste da pistola.

  11) Observar variação da rede elétrica.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem de pinos (SW)? 2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem de pinos (SW).

  3. Como pode ser classificada a soldagem de pinos com relação à sua fonte de calor?

  4. Quais são as funções do anel cerâmico? 5. Explique a descarga capacitiva.

  6. Quais são os cuidados a serem tomados no processo de soldagem de pinos?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013.

18 Processo de soldagem por eletro-escória.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem por eletro-escória de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

18.1 Introdução.

  A soldagem por eletroescória (Eletroslag Welding, ESW) é um processo de soldagem por fusão que utiliza a passagem de uma corrente elétrica através de uma escória condutora fundida, em que o calor é gerado pela resistência (efeito Joule) que um fluxo fundido (escória) oferece à passagem de corrente elétrica entre o eletrodo consumível e a peça, necessário à fusão localizada da junta e do metal de adição. Esta escória também protege a poça de fusão e o metal de adição da contaminação pelo ambiente. O processo é usado primariamente para a união de duas ou mais peças (em geral, de grande espessura) em um único passe com a soldagem sendo feita na posição vertical ascendente. O metal e a escória fundidos são mantidos em posição com o auxílio de sapatas, em geral de cobre e refrigeradas a água.

Figura 18.1 Ilustração do processo de soldagem por eletro escória. A soldagem por eletroescória foi desenvolvida pelos russos na década de 1950 e utiliza a energia calorífica fornecida por uma corrente elétrica que passa pela escória líquida, a qual funde o metal de adição e as superfícies a serem soldadas.

18.2 Aplicação

  Apesar de suas limitações quanto à posição de soldagem, este processo permite produzir união de peças estruturais, revestimento e recuperação. A principal aplicação da soldagem ESW é, provavelmente, a união de componentes estruturais como soldagem de flanges (onde eventuais diferenças de espessuras não apresentam problemas adicionais), de enrijecedores em colunas, união de chapas para obtenção de peças com largura superior àquelas normalmente produzidas por laminação e união de peças forjadas ou fundidas de grande porte etc.

  Nesse processo, a qualidade da solda é muito boa; é muito usado para soldar placas de 50 até 900 mm, realizado em um único passe com a possibilidade de se usarem múltiplos eletrodos. A corrente elétrica em cada eletrodo é cerca de 600 A com 40-50 V, com velocidade de soldagem de 12 a 36 mm/min.

  O processo é usado para solda de aços de estruturas pesadas, máquinas pesadas, navios e vasos de reatores nucleares. Equipamentos de grande porte como base de prensas de grande porte, fornos, vasos de pressão, carros-torpedo, anéis de turbina e cascos de navios têm sido soldados por eletro escória com excelentes resultados. A elevada taxa de deposição, economia de energia, menor tempo de execução em relação aos processos de soldagem a arco e o custo relativamente baixo do processo o tornam bastante atrativo para a fabricação de estruturas pesadas.

  Os materiais comumente soldados pelo processo são: aços carbono e baixa liga, os aços estruturais, aço inoxidável. e ligas à base de níquel e o alumínio. Refusão por eletro escória tem sido utilizada para desenvolver peças de transição para tubulações de vapor de parede espessa, onde tubos de aço baixa liga cromo-molibdênio devem ser unidos a tubos de aço inoxidável austenítico.

  O processo de soldagem por eletroescória é usado quando se necessita de grandes quantidades de material de solda depositado, como no caso da soldagem de seções transversais muitos espessas. O processo passa a ser viável economicamente em juntas de topo a partir de 19mm de espessura; para espessuras máximas praticamente não há limitações. Os cordões são executados em um passe apenas e na posição vertical ascendente ou aproximada.

  O processo de soldagem por eletroescória tem muitas aplicações, principalmente em virtude de altas taxas de deposição, tornando o processo economicamente viável. As áreas de maior aplicação são: construções metálicas - soldagem de topo em chapas grossas; construção naval - soldagem de seções do navio e laterais de tanques; construção de recipientes e vasos de pressão - costuras longitudinais; técnica nuclear - partes de componentes para usinas nucleares; construção de máquinas - carcaças para turbinas, cilindros, eixos, bases para máquinas; construção de vagões ferroviários - superfícies de rolamento, jogos de rodas.

  Entre as vantagens da utilização do processo por eletro escória, podemos citar a preparação do chanfro a baixo custo, por meio de oxicorte, pois não há tolerâncias críticas a serem consideradas; o processo lento de solidificação é favorável, do ponto de vista metalúrgico, para as reações químicas na poça de fusão; o metal depositado é bem desgaseificado e livre de poros, não mostra endurecimento e confere alta qualidade à junta soldada; em razão do resfriamento lento, as tensões próprias da solda são consideravelmente mais baixas do que as de soldas executadas por outros processos; solda sem distorções, o que evita trabalhos de ajustamento muito onerosos.

  Algumas desvantagens podem ser notadas quando se solda pelo processo por eletro escória: a granulação é grosseira, com baixa resistência ao impacto, sendo necessário tratamento térmico posterior; o custo dos dispositivos de soldagem é alto; a operação requer mão de obra especializada; o processo é eficiente apenas para soldar seções acima de 19mm; a soldagem só pode ser feita na posição vertical ascendente e não deve ser interrompida, pois cada interrupção, por mais breve que seja, leva ao resfriamento da camada de escória, com diluição insuficiente e consequentes descontinuidades.

18.3 Fundamentos do processo.

  No processo de soldagem eletro escória inicialmente é estabelecido um arco entre a ponta do eletrodo consumível contínuo e a região da peça a ser soldada. Em seguida, um fluxo é adicionado e fundido pelo calor gerado pelo arco. Depois que o fluxo é fundido, o arco é extinto e o calor para a solda (fusão (os) eletrodo (s) e da extremidade das peças a serem unidas) é gerado pela resistência elétrica do fluxo fundido (escória); daí a origem da denominação do processo "eletroescória".

  A junta, geralmente de forma retangular, é posicionada de modo que seu eixo fique aproximadamente na vertical e é formada pelas peças a unir e por um par de sapatas de contenção.

  À medida que o metal de adição se funde, a junta vai sendo preenchida, até ser completada, num único passe. O processo é mecanizado e, exceto no caso de soldagem circunferencial, não há movimentação das peças depois de iniciada a soldagem.

  A soldagem por eletroescória não exige a abertura de chanfros mas requer, por outro lado, cuidadosa preparação da junta, isto é, a colocação de prolongamentos de chanfro nas partes inferior e superior desta, de modo a formar cavidades adequadas para, respectivamente, início e fim do processo e a colocação e, às vezes, a movimentação das sapatas de contenção.

  A guia do eletrodo e as sapatas se deslocam continuamente para cima, de modo que a superfície do metal líquido seja mantida sempre na altura média das sapatas de refrigeração. O metal solidificado é coberto lateralmente com uma camada fina de escória, que deve ser substituída com a adição regular de fluxo, para que a profundidade da camada de escória seja mantida estável. Na maioria dos casos a profundidade mais favorável está entre 40 e 60mm.

  Não há perdas do material de adição, respingos, e o consumo de fluxo é relativamente baixo, quando comparado à soldagem a arco submerso. O processo apresenta alta taxa de deposição, economia de energia e tempo em relação aos processos de soldagem a arco, deposição em passe único, resultando em alta produtividade.

  Quase não há formação de descontinuidades de soldagem, como porosidades e inclusões de escória. A distorção angular é desprezível e a contração vertical é mínima.

  Geralmente, a penetração no metal de base é relativamente elevada. A mistura do metal de base e de adição fundidos é homogênea devido ao fluxo líquido causado por forças eletromagnéticas e de convecção.

  Devido à alta energia de soldagem geralmente usada (25 a 400 kJ/mm, contra 0,4 a 5,0 kJ/mm nos processos convencionais a arco). o metal depositado e a zona termicamente afetada tendem a apresentar baixa resistência ao impacto, o que pode exigir cuidadosa seleção do metal de base e de adição e/ou tratamentos térmicos pós-soldagem, que podem inviabilizar técnica ou economicamente o processo em algumas aplicações. Quando comparada com processos de soldagem a arco, a soldagem por eletroescória apresenta baixa taxa de resfriamento.

  Um balanço térmico de uma solda eletro escória típica indica que aproximadamente 60% do calor gerado é absorvido pela peça, cerca de 25% é gasto para fusão do eletrodo, e aproximadamente 10% do calor é utilizado para superaquecer o metal fundido. A quantidade de calor extraído pelas sapatas de contenção varia com a espessura das peças a soldar e as condições de soldagem. Na união de placas de aço com espessura de 90 mm, menos de 10% do calor gerado é transferido às sapatas. No caso de placas mais finas, entretanto, as sapatas refrigerantes têm uma participação mais significativa no balanço térmico. Diversos modelos matemáticos podem ser utilizados para estimar a distribuição tridimensional das temperaturas na escória, na poça de fusão e nas peças, para predizer as dimensões e o crescimento dos grãos na zona termicamente afetada (ZTA).

  Caso haja interrupção do processo ao longo da junta, há a necessidade de retrabalho de preparação e montagem da junta. A soldagem ESW, apesar de sua limitação quanto à posição de soldagem, permite produzir união de peças estruturais, revestimento e recuperação. Devido às suas características, tem grande aplicação na soldagem de chapas grossas e de peças forjadas ou fundidas de grande porte. Na união de chapas, existe uma espessura mínima e também um comprimento mínimo, abaixo dos quais o processo não é viável. A literatura recomenda a soldagem ESW para espessuras entre 30 e 300 mm.

  Existem duas variações básicas do processo: o método tradicional que utiliza um tubo guia não consumível e o segundo método no qual o tubo guia é consumido juntamente com o arame. No primeiro caso, o cabeçote move-se progressivamente durante o processo, mantendo uma distância constante à poça de fusão. Na soldagem ESW com guia consumível, o cabeçote permanece estacionário no alto da junta. Assim, o tubo guia, feito de um material compatível com o metal de adição, é progressivamente fundido com o arame a medida que a solda é depositada. Essa configuração é mais simples dispensando o uso de dispositivos para a movimentação do cabeçote. Para juntas de grande espessura, é comum a utilização, para ambos os processos, de sistemas de múltiplos arames pode ser usada e, no caso da soldagem ESW com guia não consumível, os eletrodos podem sofrer um movimento de oscilação ao longo da junta para garantir uma distribuição mais uniforme de temperaturas na junta. Taxas de deposição de até 13kg/h por eletrodo podem ser conseguidas com este processo.

  Tubos-guia não consumíveis são geralmente feitos em liga berílio-cobre devido ao fato deste material manter resistência considerável a temperaturas elevadas. Eles são envoltos com fita isolante para evitar curtos-circuitos e geralmente têm diâmetro menor que 12 mm.

  Geralmente o tubo-guia consumível é feito de aço compatível com o metal de base e é ligeiramente mais comprido que a junta. Comumente tem diâmetro externo de 12 a 16 mm e diâmetro interno de 3,2 a 4,8 mm. Diâmetros menores são necessários para soldar seções de espessura inferior a 19 mm. Para soldas longas é necessário isolar os tubos-guia e para isso todo o comprimento do tubo pode ser revestido com fluxo ou então usar anéis isolantes, espaçados de 300 a 450 mm, que podem ser mantidos em seus lugares por pequenos pontos de solda feitos no tubo. A cobertura de fluxo ou os anéis isolantes fundem e ajudam a abastecer o banho de escória à medida que o tubo é consumido.

  A soldagem ESW é usada na fabricação de peças pesadas, principalmente de aço estrutural. O processo é usado tipicamente em juntas de 13 a 500mm de espessura, competindo de forma favorável com processos de soldagem a arco quanto maior for a espessura da junta. Entretanto, como a velocidade de soldagem deste processo tende a ser muito baixa (cerca de 0,5mm/s), a solda e regiões do metal de base adjacentes são aquecidas a temperaturas muito elevadas por períodos de tempos relativamente longos e resfriadas lentamente. Assim, a solda e o metal de base adjacente tendem a apresentar uma estrutura de granulação grosseira e de tenacidade baixa, exigindo, para algumas aplicações, um tratamento térmico de normalização após a soldagem, para o refino da estrutura. Uma vez iniciado, o processo não deve ser interrompido até o término da soldagem, pois o reinício deste processo sobre uma solda interrompida é difícil e resulta, em geral, em grandes descontinuidades na solda.

Figura 18.2 Soldagem ESW: (a) Esquema geral do processo e (b) detalhe da região da poça de fusão.

  O princípio físico do processo do eletro escória baseia-se no resfriamento controlado da poça de fusão, conforme esquematizado na figura 3, que mostra a relação entre o formato da poça e a direção de resfriamento.

  A posição (a) representa o caso teórico em que não há troca de calor na superfície livre da poça; em (b) é suposta a existência de uma camada de escória isolante sobre a poça de fusão e o resfriamento se processa, portanto em direção ao metal-base, como sucede na soldagem com arco submerso; em (c) é mostrado o caso em que existe o resfriamento em duas direções predominantes e opostas, ocasião em que a poça se toma côncava. Esta situação, portanto, posicionada verticalmente, representa o processo de eletro escória.

  Deve-se ressaltar que a função principal da escória é transformar a energia elétrica em energia térmica; portanto, a condutibilidade elétrica e sua variação com a temperatura constitui a propriedade mais importante da escória. Em geral, a condutibilidade elétrica das escórias normalmente conhecidas aumenta abruptamente com a elevação da temperatura, mas, da mesma maneira diminui sensivelmente quando ela se esfria abaixo de um certo valor. Assim, a seleção das variáveis de soldagem deve ser efetuada de maneira a manter um balanço energético suficiente, a fim de conservar a temperatura de banho de escória a níveis adequados à perfeita execução da soldagem.

Figura 18.3 Variações no formato da poça de fusão em função da direção de resfriamento.

  Vantagens do processo:

  • O processo é altamente estável e praticamente independe do tipo de corrente empregado. Além disso, as perturbações devido a alterações transitórias das variáveis de soldagem são mínimas.
  • A faixa de densidade de corrente empregada no processo varia entre 0,2 a 300 A/mm2, podendo ser utilizados eletrodos em forma de arame com 1,6 mm de diâmetro, até barras com mais de 400 mm2 de seção transversal.
  • A velocidade de deposição é extremamente alta e a corrente de soldagem por eletrodo pode atingir valores de até 10.000 A.
  • O processo não exige rigorosa preparação de bordas.
  • A soldagem é bastante econômica, pois consome 15 a 20% menos energia elétrica que o processo por arco submerso, para uma mesma quantidade de metal depositado. Além disso, consome menos metal de adição - cerca de 5 a 10 % da quantidade de fluxo requerida para o processo convencional com arco elétrico. O consumo de fluxo corresponde a cerca de 5% do peso do eletrodo utilizado.
  • A proteção da poça de fusão é tão efetiva quanto a do processo por arco submerso.

  O equipamento básico para soldagem ESW consiste de uma fonte de energia elétrica, um cabeçote de soldagem, onde geralmente são colocados um alimentador de arame e um sistema de movimentação, sapatas de contenção, sistema de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o(s) eletrodos), dizendo- se então que a soldagem é balanceada.

  Ela pode ser melhorada se for combinada com uma corrente dirigida de um gás inerte apropriado.

  • Distorções angulares são mantidas a um mínimo, devido à configuração das juntas.
  • O processo geralmente não requer preaquecimento ou pós-aquecimento devido à sua relativa lentidão, bem como às altas temperaturas de banho de escória.
  • Após iniciado, o processo é totalmente automatizado. Desvantagens do processo
  • Devido às altas temperaturas alcançadas durante a soldagem, há o desenvolvimento de uma zona termicamente afetada com dimensões significativas.
  • O custo do equipamento é alto, comparado ao de outros processos convencionais de soldagens com arco elétrico.
  • Exige um controle mais acurado da estrutura metalúrgica resultante, devido à tendência de se produzir colunas dendríticas durante o resfriamento.

18.4 Equipamentos

Figura 18.4 Variações da soldagem ESW (esquemáticas)

  As fontes de potência são tipicamente do tipo transformador-retificador de tensão constante e capacidade nominal de 750 a 2.000 A e ciclo de trabalho de 100%. São similares às empregadas na soldagem a arco submerso e a tensão mínima em vazio deve ser 60 V Fontes de corrente alternada são utilizadas para algumas aplicações. Na soldagem com mais de um eletrodo utiliza-se em geral uma fonte de potência para cada um deles.

  A fonte de energia é do tipo transformador-retificador com voltagem constante, similar à fonte empregada no processo de soldagem por arco submerso. As tensões variam entre 30 e 55V, podendo chegar próximo de 60V. Quando se utiliza a corrente alternada com voltagem constante, é possível haver uma fonte independente para cada arame.

  O alimentador de arame é do tipo velocidade constante, similar ao usado em outros processos, como GMAW ou SAW e é usualmente montado sobre o cabeçote de soldagem. Em geral utiliza-se um alimentador independente para cada eletrodo a ser usado. A velocidade de alimentação do eletrodo fica usualmente na faixa de 15 a 150 mm/s.

  O alimentador de arame tem a função de fornecer o arame consumível de maneira constante e, para isso, a velocidade de alimentação é regulável durante o processo, de modo que o enchimento para a poça de fusão seja estável. O alimentador está fixado na cabeça ou na parte mais alta do equipamento; o arame encontra-se enrolado em uma bobina e é conduzido por meio de um sistema de roletes ligados a um motor.

  A principal característica do alimentador é a de funcionar de modo contínuo por mais de 50 horas e de suportar grandes pesos do arame. A velocidade de alimentação depende da taxa de depósito e do diâmetro do arame, variando entre 15 e 150mm/s, e deve ser contínua. O sistema de alimentação está ligado ao oscilador, que permite movimentar o eletrodo principalmente quando se soldam peças de espessura superior a 70mm, e não deve sofrer paradas, pois estas causam defeitos na soldagem.

  A guia do eletrodo consumível serve para conduzir o arame à poça de fusão, até uma distância aproximada de 70mm, além de permitir a condução da corrente elétrica. Está ligada a um tubo de cobre pelo qual passa a corrente elétrica que depois vai para o eletrodo.

  A guia deve apresentar resistência ao calor, pois está a uma distância pequena da poça de fusão; por esse motivo, é feita de materiais como ligas de cobre e berílio, e deve ser protegida com material isolante para evitar curtos-circuitos.

  Quando a guia é consumível, isto é, funde-se com o material, é necessário utilizar materiais compatíveis do ponto de vista metalúrgico. Os diâmetros das guias variam e devem ser compatíveis com a abertura do chanfro; os mais comuns são os de 16mm na parte externa e 3,2mm a 4,8mm na parte interna.

  Dispositivos de oscilação do eletrodo são necessários quando a espessura da junta é maior que 60 mm por eletrodo, aproximadamente. A oscilação do(s) tubo(s)-guia do eletrodo pode ser proporcionada por mecanismos com acionamento mecânico operado por motor, tal como parafuso direcionador ou cremalheira com pinhão. O sistema de oscilação deve permitir ajustes na velocidade e amplitude do deslocamento do tempo de parada nos extremos.

  As sapatas de contenção servem para conter o banho na cavidade de solda, acelerar a solidificação do metal fundido e moldar lateralmente o contorno da junta. São feitas normalmente de cobre e refrigeradas a água. No método convencional, as sapatas normalmente acompanham o movimento de deslocamento vertical do cabeçote de soldagem, durante a operação, enquanto que no método de guia consumível ficam presas às peças por fixadores externos. A estanqueidade do conjunto peças-sapatas pode ser melhorada com a aplicação de massa refratária, antes do início da soldagem.

  As sapatas servem como suporte da área de fusão, a fim de manter o metal fundido dentro da região de soldagem; são feitas de cobre, cerâmica ou grafite e fixadas às chapas por meio de grampos, com folga mínima. As sapatas dispõem de um sistema de refrigeração por meio de água; a alimentação da água pode ser feita em circuito aberto ou fechado. Quando não se usa refrigeração a água, a sapata deve ter uma resistência suficiente ao calor. Após a soldagem, é necessário remover o excesso de escória que se fixa nas sapatas.

  O sistema de controle permite ajustar as diversas variáveis de soldagem, como em outros processos, e pode formar um conjunto único ou estar disperso pelos vários equipamentos do sistema de soldagem.

  Os cabos servem para conduzir corrente elétrica e devem ter diâmetros compatíveis com as correntes e distâncias envolvidas. O sistema de controle tem os seguintes elementos: amperímetro, voltímetro, controle remoto para cada fonte, interruptor e controle remoto de voltagem; controlador de velocidade dos motores que acionam o alimentador; controlador do oscilador, que permite a movimentação para a frente e para trás, limitadores de percurso e controladores de tempo de parada nos extremos da oscilação; controle de velocidade de translação da cabeça, que pode ser normal ou automático.

Figura 18.5 Principais componentes do equipamento da soldagem por eletro escória.

18.5 Consumíveis

  Os consumíveis do processo eletro escória são os eletrodos, os fluxos e, no método de guia consumível, os tubos-guia. O material de adição deve ter uma composição química semelhante à do material de base; eventualmente, podem-se utilizar materiais de adição com características diferentes, mas é preferível que as composições químicas sejam compatíveis, pois, se for necessário um tratamento térmico, estará garantida a adequação entre este, o material de base e o material fundido.

  Os eletrodos podem ser arames sólidos ou tubulares. Na soldagem com eletrodos sólidos há necessidade de se adicionar fluxo manualmente, de modo a manter a camada de escória com características adequadas. Isto é feito mais facilmente com o uso de arames tubulares. Os eletrodos têm diâmetro normalmente entre 1,6 e 4 mm e estão disponíveis com várias composições químicas, permitindo a obtenção de propriedades mecânicas numa ampla faixa, são os mais utilizados e geralmente apresentam baixo teor de carbono, inferior ao teor do material de base; a resistência e a tenacidade requeridas podem ser obtidas com a adição de manganês, silício ou outros elementos de liga, de modo a diminuir problemas de fissuração.

  Os eletrodos devem ser embalados de forma que se consiga uma alimentação uniforme e ininterrupta e são fornecidos em bobinas com peso entre 27 e 340 kg, num tamanho adequado para completar toda a solda sem interrupção.

  A especificação AWS A 5.25 trata especificamente de consumíveis para soldagem ESW de aços carbono e aços ARBL (alta resistência e baixa liga). Consumíveis para a soldagem SAW, FCAW e até mesmo GMAW, tratados em outras especificações AWS, podem também ser utilizados. Geralmente são feitos testes de qualificação para se verificar a adequabilidade de um ou outro consumível para uma dada aplicação.

  O arame tubular permite maior compatibilidade no que se refere à composição química, uma vez que admite adição de ferroliga no núcleo como elemento de proteção; porém, uma desvantagem é o excesso de escória que pode se formar.

  O fluxo é um componente essencial no processo, uma vez que é utilizado como proteção dos arames sólidos no processo de formação da escória fundida que transforma a energia elétrica em calor ao fundir o metal de adição. O fluxo é higroscópico e, portanto, deve ser protegido da umidade por meio de secagem. Quanto à composição química, o fluxo é constituído de óxidos e de fluoretos de cálcio. Os óxidos mais comuns são os de silício, manganês, titânio, cálcio, alumínio e magnésio.

  A adição de fluxo é relativamente pequena, pois o consumo é baixo; o fluxo é adicionado apenas para compensar as perdas verificadas nas paredes das sapatas e na região de soldagem.

  Os fluxos para soldagem ESW são invariavelmente do tipo fundido em vez de aglomerados. A sua principal função é produzir a escória que servirá para gerar o calor de soldagem e proteger o material fundido contra oxidação. Podem ainda ter outras funções como refinar o metal de solda e adicionar elementos de liga e nesse caso o controle da adição de fluxo durante o processo é muito mais crítico. Em geral, a escória produzida por fluxos para soldagem por eletro-escória tem maior resistividade que a dos fluxos utilizados em processos de soldagem a arco. Às vezes um fluxo aglomerado de partida, com condutividade térmica elevada, é utilizado para iniciar o processo e formar a poça de fusão e em seguida um fluxo contínuo de resistividade elevada é adicionado.

  A composição química típica de um fluxo para soldagem ESW de aços baixo carbono é apresentada na tabela I.

  Tabela I Fluxo típico para soldagem ESW de aços baixo carbono.

  A escória formada pelo fluxo fundido deve conduzir corrente elétrica, gerar o calor necessário para a fusão, proteger a região da solda e às vezes adequar a composição química do metal depositado, sendo necessário que apresente as seguintes características:

  • resistência elétrica: a escória deve ser condutora, mas com resistência suficientemente elevada para gerar, por efeito Joule, o calor necessário para a fusão, assegurando a não abertura de arcos durante o processo. Uma escória de resistência
elevada (ou condutividade baixa) requererá menos corrente, resultando em uma poça de fusão mais fria, o que gerará uma menor penetração no metal de base. Ela também permitirá que o eletrodo penetre mais profundamente na poça. Por outro lado, uma escória de baixa resistência pode requerer mais corrente, aumentando a temperatura do banho até o processo se estabilizar com extensão mais curta do eletrodo. Entretanto, se a resistência for baixa demais, poderá ocorrer formação de arco entre o eletrodo e a superfície do banho de escória, especialmente com tensões mais elevadas. Esta condição é agravada no caso de escórias que apresentem condutividade fortemente crescente com a temperatura. Em termos de parâmetros operacionais do processo, menor resistividade da escória pode resultar em tensões mais baixas.

  • viscosidade: além de sua capacidade de gerar calor, a escória fundida também deve ter fluidez suficiente para provocar convecção rápida e boa circulação, necessárias para distribuir o calor através da junta. A fluidez da escória depende principalmente de suas características químicas e da temperatura de operação. Viscosidade elevada favorece a retenção de escória e formação de inclusões de escória no metal de solda e viscosidade muito baixa pode permitir vazamentos entre as peças e as sapatas de contenção.
  • densidade: deve ser menor que a do metal fundido, de modo a sobrenadar na poça de fusão, e dificultar a formação de inclusões de escória.
  • temperatura de fusão: o ponto de fusão da escória pode ser inferior ou superior ao do metal fundido. Por motivos econômicos, é desejável que seja inferior. O ponto de ebulição dos componentes deve ser superior à temperatura de operação, para evitar a perda de elementos e mudança das características da escória durante o processo.
  • estabilidade: o fluxo fundido deve ser estável numa ampla faixa de condições de operação.
  • destacabilidade: a escória deve ser facilmente destacável das laterais da junta.
  • comportamento químico: a escória deve ser razoavelmente inerte, minimizando as reações com o metal fundido, a não ser as desejáveis, como desoxidação etc.
  • compatibilidade metalúrgica: finalmente, a escória deverá ser metalurgicamente compatível com a liga sendo soldada. Para soldas de aço, os fluxos geralmente são uma

  2

  mistura de óxidos. Fluoreto de Cálcio (CaF ) é adicionado aos óxidos ou silicatos básicos para produzir resistividade e fluidez apropriadas. A viscosidade, o ponto de fusão e a resistividade diminuem com o aumento no teor de CaF2• Adições de Ti02 também reduzem a resistividade, enquanto que AlP

  3 a aumenta. TiO 2 também aumenta a

  viscosidade da escória. Aplicações especiais, tal como controle de inclusões ou dessulfuração podem necessitar de adição de compostos de terras raras. Em geral, a capacidade de desprendimento da escória após solidificação do metal de solda não constitui problema maior na soldagem ESW, mas a adição de grandes quantidades de Ti02 dificultará a remoção a escória enquanto que adições de fluoretos a melhoram.

  Os fluxos são normalmente constituídos de óxidos complexos de Si, Mn, Ti, Ca. Mg, Al e fluorita. Material refratário, à base de alumina, é necessário para manter o contato sapata/metal de base, geralmente na forma de massa moldável. A classificação e seleção de eletrodos para soldagem ESW é feita com base na composição química e propriedades mecânicas do metal depositado, como em outros processos.

18.6 Variáveis do processo

  As variáveis de soldagem devem ser selecionadas de modo a proporcionar uma operação estável, penetração adequada, fusão completa e ausência de fissuras. Para isso, algumas variáveis do processo devem ser consideradas.

  

Fator de forma - Este elemento, que dá ideia do formato da poça de fusão na soldagem

  por eletro escória, é definido como a razão entre a largura total da poça (abertura da raiz mais a profundidade da penetração em ambos lados do metal-base) e sua máxima profundidade (considerando somente o metal em fusão). Esse fator é importante à qualidade da junta soldada, pois influi diretamente na orientação da solidificação do metal de solda. Altos valores do fator de forma tendem a provocar uma solidificação tal que os grãos do metal solidificado se encontram no centro da junta, formando um ângulo agudo (figura 6 a); nesta configuração, a resistência ao fissuramento é bastante alta. Ao contrário, baixos valores do fator de forma tendem a provocar um encontro dos grãos em formato de ângulo obtuso (figura 6 b), configuração na qual a resistência ao fissuramento é significativamente mais baixa.

Figura 18.6 Junta resultante de um alto fator de forma (a) e de um baixo fator de forma (b).

  É importante ressaltar que, isoladamente, o fator de forma não controla a resistência ao fissuramento da junta soldada, pois outras variáveis como a composição do metal-base e o grau de restrição da junta, influem decisivamente naquele parâmetro.

  Corrente de soldagem - Esta variável, juntamente com a velocidade de

  alimentação do eletrodo, está intimamente relacionada, de modo que podem ser tratadas conjuntamente. O aumento da corrente implica em aumento na velocidade do eletrodo, provocando como consequência maior profundidade da poça de fusão.

  É importante observar os efeitos da corrente de soldagem no fator de forma. Experiências mostram que quando se solda com eletrodos de 3,2 mm e correntes abaixo de 400 A, o aumento na intensidade provoca um acréscimo na largura total da poça de fusão, mas o efeito global se traduz por uma ligeira redução no fator de forma. Entretanto, se a corrente de soldagem é superior a 400 A, com o mesmo diâmetro de eletrodo o aumento na corrente reduzirá a largura total da poça. Assim, um aumento da corrente de soldagem tenderá a provocar uma redução na resistência ao fissuramento da junta de solda. Como os eletrodos de 3,2 mm estão associados a correntes que podem atingir até 700 A, é muito importante controlar sua intensidade a fim de obter altos valores do fator de forma.

  Tensão de soldagem - É um fator que influi diretamente na penetração e na

  estabilização do processo; seu aumento provoca o aumento de penetração e da largura total da poça, daí resultando o acréscimo no fator de forma e consequentemente na resistência ao fissuramento da junta soldada.

  A penetração deve ser mais profunda no centro da poça para garantir a fusão completa dos bordos, junto às sapatas de resfriamento, obtendo-se assim uma soldagem homogênea e completa.

  A tensão deve ainda ser mantida dentro de limites adequados para uma operação estável, pois baixos valores provocam curtos-circuitos ou centelhamentos na poça de fusão. Por outro lado, uma tensão demasiadamente elevada provocará uma operação instável, devido à formação de respingos e centelhamento na parte superior do banho de escória. Para eletrodos de 3,2 mm de diâmetro, são recomendadas tensões da ordem de 40 e 55 V; para seções mais pesadas, valores mais altos.

  Extensão do eletrodo - Esta é a denominação dada à distância entre a superfície

  do banho de escória e o término do tubo-guia onde se processa o contato elétrico do eletrodo. Alguns autores referem-se a este parâmetro como "extensão do eletrodo seco", embora no método com tubo-guia consumível esta terminologia não se aplique.

  Mantidas constantes as demais variáveis de soldagem, um aumento na extensão do eletrodo causará um acréscimo na resistência elétrica do eletrodo, trazendo como consequência a diminuição da corrente de soldagem.

  Para compensar este efeito, aumenta -se o comprimento do eletrodo na sua parte imersa dentro do banho de escória. Com isto haverá ligeiro aumento do fator de forma e, portanto, melhoria na resistência ao fissuramento da junta soldada.

  Para diâmetro de 3,2 mm, a extensão do eletrodo situa-se entre 50 a 75 mm. Valores inferiores a 50 mm podem causar um superaquecimento do tubo-guia, o que não é conveniente; acima de 75 mm haverá aquecimento do próprio eletrodo, como explanado antes.

  Oscilação do eletrodo - Este movimento é necessário para garantir a deposição

  uniforme do metal de adição na poça de fusão. Em geral, utiliza -se um eletrodo estático para cada trecho de 75 mm de espessura do metal-base, mas recomenda-se que a oscilação seja efetuada desde que a espessura exceda a 50 mm. A velocidade de oscilação varia entre 8 a 40 mm/s, sendo tanto maior quanto mais espessas forem as chapas a ser soldadas. Nos fins-de-curso deve-se também prever uma pequena parada _ s eletrodos para garantir adequada deposição. Os intervalos de parada variam entre 2 a 7 segundos, de acordo com a velocidade de oscilação e a seção soldada. O aumento da velocidade de oscilação poderá provocar diminuição na penetração na chapa de base e por conseguinte na largura total da poça, abaixando o valor do fator deforma.

  Profundidade do banho de escória - É necessário ter adequada profundidade para

  que o eletrodo se funda no, interior do banho. Escórias pouco profundas causarão excessivos respingos e centelhamento na superfície do banho; profundidades exageradas poderão causar diminuição na largura total da poça e, portanto, no fator de forma. Além disso, banhos profundos não permitem adequada troca de calor dentro da própria escória, daí podendo resultar inclusão indesejáveis. A profundidade considerada ideal situa-se em torno de 40 mm para os processos convencionais; mas, tomando-se as devidas precauções elas podem atingir valores que variam entre 25 até 50 mm.

  Número de eletrodos

  • Como foi visto, é conveniente prover um eletrodo oscilante sempre que a espessura das peças a serem soldadas ultrapasse de 50 mm. Por outro lado, essa oscilação não pode e nem deve ser ilimitada, pois para grandes espessuras a fusão poderá não ser uniforme, por mais rápido que seja o movimento oscilatório. Em geral, é utilizado em eletrodo oscilante para espessura até 130 mm; dois até 230 mm; e três até 500 mm. Para valores maiores, deve-se utilizar mais um eletrodo oscilante para cada acréscimo de 150 mm na espessura do material-base. Esta recomendação se aplica tanto no caso de eletrodos convencionais, como para eletrodos com tubo guia consumível.

  Quando não se dispõe do mecanismo de oscilação, recomenda-se utilizar um eletrodo para cada múltiplo de 75 mm de espessura das peças serem soldadas. Velocidade de alimentação do eletrodo - Esta variável afeta as profundidades tanto do banho de escória corno da poça de fusão e ainda a largura total da solda. Como estas duas últimas grandezas estão relacionadas ao fator de forma, seu controle se torna muito importante, tendo em vista a qualidade da junta soldada.

  As figuras 7 e 8 mostram, respectivamente, o relacionamento profundidade do banho de escória e da largura total da junta em função da velocidade de alimentação do eletrodo, para alguns valores da relação espessura da poça/eletrodo.

Figura 18.7 Relação entre a profundidade do banho de escória e a velocidade de alimentação do eletrodo, para diferentes valores da relação espessura da poça/eletrodo.Figura 18.8 Relação entre a largura total da junta e a velocidade de alimentação do eletrodo para valores da relação espessura da poça/eletrodo.

  Abertura de raiz

  • Dependendo da espessura do metal-base, do número otal de eletrodos e da utilização ou não do mecanismo de oscilação, a bertura da raiz varia de 20 a 40 mm. Ela deve permitir o livre movimento do eletrodo e garantir a boa circulação da escória. O aumento na abertura da raiz não traz alterações na profundidade da poça de fusão, mas aumenta em largura total e consequentemente o fator de forma.

  A tabela II mostra a influência da cada uma das variáveis de soldagem discutidas sobre as características da junta soldada.

  

Tabela II Relação entre as variáveis de soldagem e as características da junta soldada no processo eletro

escória.

18.7 Técnica operatória.

  As principais etapas de realização de uma soldagem por eletro escória são a preparação da junta, abertura do arco e formação da camada de escória, enchimento da junta, finalização do processo e limpeza.

  A preparação da junta envolve diversas atividades que podem variar, dependendo do método de soldagem utilizado.

Figura 18.9 Tipos de junta comuns na soldagem por eletro escória

  Os chanfros usados são normalmente retos, preparados por corte térmico e limpeza de camadas de óxidos. As peças são posicionadas com o eixo de soldagem aproximadamente na vertical, com desvio máximo admissível em torno de 10°. A separação das peças na parte inferior da junta é normalmente de 3 a 6 mm menor que na parte superior, compensando a contração que ocorre durante a soldagem.

  Depois do posicionamento, são montados prolongadores auxiliares de material de composição similar à do metal de base ou de cobre refrigeradas à água, que formarão cavidades apropriadas para início e fim de processo, respectivamente nas extremidades inferior e superior da junta. Estes prolongadores e o material nelas contido são removidos após a soldagem. Também é feita a montagem das sapatas de contenção, que podem ser fixas ou móveis. Na parte inferior da cavidade formada pelos prolongadores e metal de base é montada uma chapa, chamada de chapa de partida, onde vai ser aberto o arco elétrico inicial.

Figura 18.10 Preparação esquemática de uma junta para soldagem ESW.

  Após esta preparação, é feito o posicionamento do (s) tubo (s) - guia. Na soldagem convencional o tubo-guia é mantido de 50 a 75 mm acima do fluxo fundido e vai se deslocando para cima, juntamente com as sapatas de contenção e o cabeçote de soldagem, durante a operação. A velocidade de deslocamento deve ser igual à velocidade de enchimento da junta. Simultaneamente, quando usado, é feito o deslocamento lateral do tubo-guia, isto é, o movimento de balanceamento.

  Na soldagem com guia consumível, o cabeçote de soldagem permanece estacionário acima da junta e o tubo-guia penetra todo o comprimento da junta, até ficar próximo da chapa de partida. Depois disso, é feita a abertura do arco, similarmente ao que é feito na soldagem SAW, sobre a chapa de partida, e é adicionado fluxo de soldagem, em geral manualmente, até que uma camada de escória com espessura suficiente seja formada.

  O arco é então naturalmente extinto, e a geração de calor passa a ser feita por efeito Joule, na camada de escória. Com a fusão do (s) eletrodo (s), a junta vai sendo preenchida, na posição plana. Novas adições manuais de fluxo devem ser feitas, de modo a manter mais ou menos constante a espessura da camada de escória, compensando as perdas por retenção que normalmente ocorrem entre o metal de base e as sapatas de contenção.

  Esta etapa prossegue até que toda a junta seja preenchida e o nível do metal de solda fique acima da superfície superior da junta, isto é, até que a deposição de metal passe a ser feita na cavidade formada pelos prolongadores superiores, a cavidade do fim de processo.

  A passagem de corrente elétrica e a alimentação de arame são interrompidas e, após a solidificação total da poça de fusão, é feita a remoção das sapatas de contenção, dos prolongadores auxiliares, do metal excedente e da escória retida, finalizando a soldagem.

  Na soldagem circunferencial, as sapatas de contenção se adaptam à curvatura das peças, que são giradas durante a operação. Uma limitação neste caso é que a operação deve ser completada por outro processo de soldagem.

  É necessário um espaçamento entre as peças ou abertura de raiz mínima para promover tamanho e circulação adequados do banho de escória e conter o tubo-guia e seus isolantes se for o caso. Aberturas excessivas aumentam o custo da soldagem, em função do tempo de soldagem e consumo de metal de adição, e podem favorecer falta de fusão lateral além de aumentar o fator de forma. Aberturas entre 20 e 40 mm são mais usadas.

  Diversos problemas operacionais podem ocorrer na soldagem por eletro escória, dependendo das condições de operação. A seguir são apresentados alguns deles e suas causas:

  • perda de escória entre a sapata e a peça pode ocorrer devido ao desalinhamento das peças ou irregularidades superficiais, resultando em redução do volume do banho de escória e alterações no processo, ou até mesmo a sua interrupção;
  • borbulhamento da escória pode ser consequência de um banho muito raso ou adição de fluxo úmido, causando respingos;
  • eventualmente podem ocorrer aberturas de arco, causadas por um banho de escória muito raso ou fusão do isolamento ou do tubo-guia, próximo ao banho;

  • a fusão das sapatas ocorre, às vezes, como consequência da interrupção do fluxo de água de refrigeração ou parâmetros inadequados, podendo levar à interrupção do processo; e
  • na soldagem com eletrodos múltiplos pode ainda ocorrer interação magnética entre os tubos-guia ou entre estes e as parede de cavidade.

18.8 Parâmetros de soldagem.

  As fontes de energia típicas para o processo são semelhantes àquelas utilizadas no processo por arco submerso, com ciclo de trabalho de 100%, tensões em vazio da ordem de 60V e tensões de trabalho de 30 a 55V. A soldagem por eletro escória pode ser realizada com corrente alternada ou contínua com eletrodo no polo positivo. Uma tensão de soldagem mais alta provoca maior penetração na face.

  Conforme aumenta a velocidade do arame, também aumentam a corrente, a profundidade da poça de fusão e a taxa de fusão; a velocidade mais alta condiciona a formação de melhor microestrutura.

  A tensão do arco influencia a estabilidade do processo e a penetração; o aumento da tensão tem como consequência um aumento da largura da poça e maior resistência à fissuração. Tensões baixas podem provocar curtos-circuitos; por outro lado, tensões muito elevadas podem promover projeção de partículas de material e arcos no topo da poça de fusão; assim, é aconselhável manter a tensão estável, entre 32 e 55V, embora possa chegar a valores mais altos, quando se tratar de grandes espessuras.

  A intensidade de soldagem está relacionada à velocidade de alimentação; quando a velocidade de alimentação aumenta, também aumenta a intensidade e, em consequência, a velocidade de deposição. O aumento de intensidade também acarreta um aumento da profundidade da poça.

  O stick-out, ou distância entre a guia e a poça de fusão, deve ser controlado conforme os parâmetros de soldagem. Assim, considerando uma dada tensão e velocidade de alimentação, quando se aumenta o stick-out, a resistência do eletrodo também é aumentada, fato que deve ser compensado. Os valores normais do comprimento livre do eletrodo estão entre 50 e 75mm. Valores inferiores sobreaquecem o tubo-guia, e valores maiores causam sobreaquecimento do eletrodo; se o eletrodo for muito aquecido, tenderá a fundir dentro da poça de escória, que também terá sua temperatura aumentada e poderá provocar instabilidades no processo.

  Quando se soldam peças de grande espessura, é recomendável fazer oscilar o arame por meios mecânicos, de maneira a garantir boas fusão junto aos bordos do chanfro. A oscilação deve variar entre 8 e 40mm/s e aumentar com a espessura.

  A altura da camada de escória deve ser mantida num patamar mínimo, a fim de garantir que o eletrodo possa fundir em contato com a poça de fusão. Em caso de pouca altura, o arco elétrico tende a apagar, produzindo projeções; por outro lado, se a altura é grande, a penetração diminui. O valor ideal para a altura da camada está entre 40 e 60mm.

  O processo de soldagem por eletro escória pode ser executado com um ou vários arames, os quais podem ter oscilação através de dispositivos acoplados ao sistema tracionador de arame.

  A quantidade de arames utilizados depende da espessura do material; quando a espessura aumenta, a penetração e a profundidade diminuem, o que exige o aumento do número de arames. Geralmente usa-se um arame com oscilação quando se solda material de até 130mm, dois arames com material de até 200mm; em média, considera-se um arame para cada 150mm de espessura. Quando não existe oscilação, considera-se um arame para cada 65mm de espessura.

  Tabela III Parâmetros de soldagem sem oscilação com um arame.

  A abertura do chanfro deve levar em consideração fatores como camada de escória suficiente, boa circulação e espaço para utilização eventual de guia consumível. Quanto maior for a abertura do chanfro, maior será o consumo de material de adição e menor a velocidade de execução da soldagem. A abertura adequada deve ser suficiente para que não ocorra curto-circuito entre guia de arame e as faces do chanfro; geralmente, essa abertura varia entre 20 e 40mm e depende da espessura do metal de base, dos eletrodos e da existência ou não de oscilação; aberturas de junta muito grandes não são econômicas.

  Algumas recomendações devem ser levadas em conta na preparação da junta:

  • as superfícies das peças devem ser isentas de sujeira e relativamente planas
  • permitir o encosto das sapatas e evitar perdas de escória; a junta pode ser

  preparada

  • por processo de corte térmico ou mecânico; os bordos do chanfro podem apresentar
  • um mínimo de óxidos, pois estes serão eliminados pelo processo metalúrgico;
  • >deve-se evitar umidade e garantir a estanqueidade das sapatas. As geometrias
  • comuns de juntas para o processo são as de topo, de canto, em T, em cruz e de filete.

  As chapas devem ser alinhadas e fixadas firmemente; as ligações elétricas exigem contatos adequados, que são colocados próximo ao eletrodo para diminuir as interferências magnéticas. A primeira parte do cordão de solda, entre 3 e 8cm, é feita sob escória não totalmente fundida, o que mostra uma penetração baixa demais; por essa razão, coloca-se abaixo do cordão uma peça de acesso, com mais de 100mm de dimensão.

  Para terminar o cordão, devem-se prever peças de saída, as quais não só têm o objetivo de manter a escória confinada, como também de deixar os últimos milímetros da solda fora do cordão, pois essa parte final, por causa da interrupção do processo, pode desenvolver uma estrutura metalográfica diferente.

18.9 Processo Eletro gás.

  Um processo similar à ESW é a Soldagem por Eletrogás (EGW), cuja estrutura do sistema de solda é similar em tamanho, isto é, usa sapatas de refrigeração para soldagem em um único passe de chapas com 12 a 75 mm de espessura de aços, e ligas de titânio e alumínio. Em relação à ESW esse processo se diferencia pelo fato do calor do processo ser gerado pelo arco elétrico estabelecido entre o eletrodo consumível contínuo, que pode também ser um arame tubular com fluxo, e a peça.

  2

  2 Os gases de proteção mais utilizados são o CO ou a mistura argônio + CO . São

  também usados gases inertes como o Ar e He para proteção atmosférica da solda e estabilidade do arco.

  O processo de soldagem por eletro gás (EGW) foi desenvolvido em 1961, a partir da soldagem por eletro escória (ESW), para a soldagem de peças mais finas na posição vertical em um único passe. Até o desenvolvimento desta técnica, estas peças eram soldadas com eletrodo revestido (SMAW) ou pelo processo de soldagem com arame sólido sob proteção gasosa (GMAW). Desde então, foi registrado um grande crescimento na utilização do processo de soldagem por eletro gás. Isto ocorreu porque além de ser economicamente vantajoso, este processo apresenta excelente qualidade e desempenho do metal de solda e elevadas taxas de deposição.

  A soldagem eletro gás é um processo de soldagem por fusão, que utiliza como fonte de calor um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo, sólido ou tubular, e um banho de metal fundido ou de escória. O material fundido fica contido numa cavidade com eixo na vertical, formada pelas peças e por sapatas de contenção, como no processo eletro escória. É opcional o uso de proteção gasosa do banho, dependendo do tipo de eletrodo usado. A figura 1 ilustra o processo de soldagem eletro gás.

  A diferença fundamental em relação ao processo por eletro escória é que o eletro gás consiste em uma adaptação da soldagem por arco elétrico com proteção gasosa, utilizando eletrodo nu; sólido ou tubular, em que a poça de fusão fica confinada no espaço compreendido entre as duas faces metálicas que estão sendo soldadas e as sapatas de resfriamento, como na eletro escória. Quando se utiliza o arame tubular com fluxo interno, o gás de proteção poderá ser dispensado. Como se percebe pela Fig. 6.10, o processo eletro gás se destina à soldagem vertical de peças relativamente pesadas, que pode ser executada em um só passe.

  A soldagem é bastante uniforme, não provoca muitos respingos e o processo é silencioso. A partida e o final da soldagem são bastante semelhantes ao processo anteriormente estudado, e os equipamentos utilizados também são basicamente os mesmos, sendo hoje comum a fabricação de equipamentos para soldagem por eletro escória e/ou eletro gás.

Figura 18.11 Soldagem eletro gás (esquemática)

  O arco elétrico é aberto inicialmente sobre uma chapa de partida, situada na parte inferior da junta. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e as superfícies do metal de base. Uma poça de metal líquido é formada sob o arco. O (s) eletrodo (s) são alimentados continuamente ao arco e as sapatas de contenção são deslocadas para cima, à medida que a junta vai sendo preenchida. A solidificação do metal depositado consolida a união. Na soldagem com eletrodos sólidos, a proteção é feita por uma nuvem de gás inerte ativo ou mistura, fornecida por uma fonte externa, geralmente através de orifícios adequados nas sapatas de contenção. Na soldagem com eletrodo tubular a proteção é dada pela fina camada de escória produzida a partir do fluxo de soldagem contido no eletrodo, que pode ser suplementada por uma nuvem de gás, quando se empregam arames tubulares recomendados para uso com proteção gasosa.

  O equipamento usado na soldagem eletro gás é similar ao da soldagem por eletro escória com guia não consumível, consistindo de uma fonte de energia elétrica, um cabeçote de soldagem, onde geralmente são colocados um alimentador de arame e um sistema de movimentação, sapatas de contenção, sistema de controle e cabos. Em alguns casos, pode-se usar ainda um dispositivo para oscilar o eletrodo. A diferença básica é a adaptação das sapatas para injeção de gás protetor e a fonte deste, quando aplicável.

  A fonte de energia usada é de corrente contínua, com saída do tipo tensão constante, geralmente um transformador-retificador ou motor-gerador. Na soldagem eletro gás, a fonte de energia é de corrente contínua e a polaridade normalmente utilizada é a reversa -CCPR (+). Em alguns casos, esta fonte é montada junto à cabeça de soldagem e se move verticalmente, à medida que a soldagem é executada.

  Fontes de 750 a 1000A a 100% de ciclo de trabalho, são utilizadas e podem ser do tipo de tensão constante ou corrente constante, dependendo das características da soldagem.

  Apesar da menor espessura soldada, para espessuras de 32 a 102 mm, pode ser utilizado o mecanismo de oscilação do eletrodo. Do mesmo modo que no processo por eletro escória, o controle do movimento de oscilação deve assegurar uma deposição uniforme de material de adição na poça fusão.

  A fonte de gás protetor é constituída de um cilindro do gás ou mistura e reguladores de pressão e/ou vazão, como nos processos GMAW ou FCAW. O eletrodo é alimentado continuamente através de uma guia não consumível. O movimento vertical da máquina de soldagem deve ser consistente com a taxa de deposição do metal de solda. Este movimento pode ser automático ou controlado pelo operador de soldagem devidamente treinado.

  O tubo-guia usado na soldagem eletro gás difere das tochas de soldagem GMAW ou FCAW basicamente em suas dimensões, já que o tubo-guia geralmente tem seu diâmetro limitado em torno de 1Omm, e pelo menos parte deste deve ficar situado na cavidade da junta. Pode-se optar pela injeção de gás de proteção por um bocal colocado na região do tubo-guia.

  Os consumíveis usados na soldagem EGW são os mesmos dos processos GMAW e FCAW, isto é, eletrodos e gases de proteção. Os eletrodos para soldagem de aços carbono e aços de alta resistência e baixa liga são classificados pela especificação AWS A 5.26, e são divididos em sólidos e tubulares.

  Fundamentalmente são usados 2 tipos de eletrodos: o eletrodo nu e o eletrodo tubular com fluxo interno.

  Processo utilizando eletrodo nu sólido

  • Neste caso, a poça de fusão e protegida da contaminação atmosférica somente pelo gás de proteção, sem a presença de escórias. Somente um eletrodo é alimentado através da guia, onde também se processa o contato elétrico. Para seções mais pesadas é possível a utilização de dois eletrodos. As espessuras soldadas variam entre 10 a 100 mm, sendo mais comuns as compreendidas entre 13 e 75 mm. Os diâmetros dos eletrodos variam entre 1,6 a 2,4 mm.

  Processo utilizando eletrodo tubular - Nesta variante há a formação de um

  banho de escória, resultante da fusão do fluxo no interior do eletrodo tubular. Conforme o material a ser soldado, é também utilizado o gás de proteção, alimentado através do canal apropriado. Os arames tubulares permitem o uso de correntes mais elevadas, possibilitando maiores velocidades de deposição na soldagem.

  Os arames sólidos são idênticos aos usados no processo GMAW, com diâmetro entre 1,6 e 4 mm. Os eletrodos tubulares também são encontrados nesta faixa de diâmetro e são classificados quanto à necessidade de uso de proteção gasosa, composição química e propriedades mecânicas do metal depositado.

  No processo EGW com eletrodos tubulares o fluxo interno cria uma camada fina de escória entre o metal de solda e as sapatas, melhorando o acabamento da solda. Os processos de soldagem EGW com eletrodos tubulares auto protegidos apresentam taxas de deposição mais elevadas que os eletrodos protegidos por gás.

  Os gases usados são geralmente o CO

  2 e misturas 80% argônio e 20% CO 2 tanto

  com arames tubulares quanto com arames sólidos. O processo EGW com eletrodos sólidos pode soldar peças cujas espessuras variam de 10 a 100 mm. Os diâmetros de eletrodos mais utilizados estão entre 1,6 e 3,2 mm.

  O gás de proteção mais empregado é o C02, cuja vazão varia entre 1 a 66 l/mino A mistura de 80% argônio com 20% C02 também é frequentemente empregada na soldagem com eletrodo nu sólido.

  As características operatórias da soldagem eletro gás são as mesmas da soldagem por eletro escória, com pequenas variações. A abertura de raiz fica, normalmente, em torno de 17 mm, não há necessidade de uso de prolongadores de topo e de base quando as peças têm espessura inferior a 25 mm e apenas uma das sapatas de contenção pode ser estacionária.

  A iniciação do arco é feita de modo convencional, como na soldagem GMAW, sendo depois executados ajustes convenientes, de modo a manter o processo estável e sob controle.

  As variáveis do processo eletro gás e sua influência no processo são similares às da soldagem por eletro escória, com pequenas diferenças. São igualmente semelhantes aos do processo por eletro escória, de modo que o fator de forma, a corrente, tensão etc. devem ser devidamente controlados. Deve-se lembrar, entretanto, que na soldagem com arco elétrico com proteção gasosa convencional, o arco atinge diretamente o metal base; mas, no presente processo ele se posiciona paralelamente às faces a serem unidas. Desta forma, um acréscimo na intensidade da corrente ou na velocidade de alimentação do eletrodo poderá diminuir a largura total da poça de fusão; um aumento na tensão de soldagem poderá aumentar a profundidade da mesma poça. Essas variações poderão afetar, em última análise, o fator de forma, daí resultando o necessário cuidado no controle das variáveis de soldagem.

  A tensão do arco varia normalmente entre 30 e 55 V. dependendo dos consumíveis usados, das dimensões do eletrodo e da espessura das peças a unir. As tensões de soldagem variam entre 30 e 55 V e a extensão do eletrodo é de aproximadamente 40 mm, chegando a valores da ordem de 60 a 75 mm no caso de eletrodo tubular com fluxo interno; esta extensão mais longa promove o aquecimento extra do eletrodo, devido ao aumento da resistência elétrica no circuito, e auxilia a deposição do eletrodo.

  A extensão elétrica do eletrodo ou "stickout" fica geralmente entre 60 e 75 mm para eletrodos auto protegidos e em torno de 40 mm para eletrodos com proteção gasosa. Normalmente usa-se oscilação do eletrodo quando a espessura a soldar é superior a 30 mm, com velocidade de oscilação de 7 a 8 mm/s. tempo de parada nas extremidades entre 1 e 3 s e distância mínima entre o tubo guia ou bico de contato e as sapatas de contenção de 10 mm.

  A oscilação do eletrodo só é recomendada para espessura superior a 30 mm. O mecanismo deve ser regulado de tal forma que o movimento seja revertido à distância de no mínimo 10 mm de cada sapata de resfriamento. A velocidade de oscilação é mantida entre 7 e 8 mm/s e os tempos de espera nas extremidades do curso variam entre 1 a 3 segundos.

  A abertura de raiz recomendada é de cerca de 17 mm, e utilizam-se orelhas para início e fim da soldagem para espessuras maiores que 25 mm. Para peças mais finas não é necessário a instalação das orelhas de fim de soldagem.

  O processo eletro gás é utilizado para a soldagem vertical em um único passe de estrutura de grande porte, cujas espessuras estejam compreendidas entre 10 e 100 mm. Estão aí incluídos: cascos de navios, pontes, tanques de armazenamento, vigas, sistemas oceânicos para exploração e exploração de petróleo etc. Como no processo por eletro escória, a soldagem eletro gás é principalmente utilizada em aço-carbono e aços de baixa liga, mas pode ser extensível aos aços inoxidáveis e outros materiais soldados pelo processo de arco elétrico com proteção gasosa.

  O processo pode ser aplicado a outros tipos de materiais soldáveis pelos processos GMAW e FCAW. Em grande parte dos casos, a soldagem é feita no campo. Quanto à geometria das juntas, elas são, guardadas as proporções, basicamente as mesmas empregadas na soldagem por eletro escória, mostradas na Figura 3, podem ser soldadas com o processo EGW. Neste processo podem ser utilizadas sapatas de retenção fixas, móveis ou uma fixa e a outra móvel dependendo da aplicação do processo.

  Quanto aos materiais, os seguintes tipos se encontram dentre os mais utilizados na soldagem eletro gás: Aço-carbono: AISI 1018 e 1020 Aço estrutural: ASTM-A36, A131, A441 e A573 Aço para vasos de pressão: ASTM A205, A515, A516 e A537 Aço naval: ASTM A131 e os aços classificados pelas sociedades classificadoras. Quanto aos consumíveis, a especificação AWS A5.26, cobre os eletrodos do tipo eletrodo nu sólido e eletrodo tubular, encontrados em diferentes bitolas e composições.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem eletro escória (ESW)?

  2. Explique como ocorre a formação do arco elétrico na soldagem eletro escória (ESW).

  3. Como pode ser classificada a soldagem eletro escória com relação à sua fonte de calor?

  4. Quais são os consumíveis do processo eletro escória (ESW)?

  5. O que é a soldagem eletro gás (EGW)?

  6. O que diferencia o processo ESW do processo EGW?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

19 Processo de soldagem por feixe de elétrons.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem por feixe de elétrons de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

19.1 Introdução.

  A soldagem com feixe de elétrons (Electron Beam Welding, EBW) é um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de elétrons de alta velocidade. O feixe de elétrons é emitido por um canhão eletrônico e focalizado, através de lentes eletromagnéticas, em uma região muito pequena da junta (diâmetro da ordem de 10-1 mm) o que permite uma elevada concentração de energia. Durante o bombardeamento, parte da energia cinética dos elétrons é convertida em calor, fundindo e vaporizando parte do material da junta e criando um furo (keyhole) através do material. Quando este furo é movido ao longo da junta, o material líquido flui em torno do mesmo e se solidifica na parte posterior da poça formando a solda. Esta forma de operação permite obter cordões de solda com uma elevada razão penetração/largura (de até 30:1) e com velocidades de até 200mm/s.

  Embora já se tenha conhecimento da teoria do bombardeamento eletrônico há anos, a utilização do processo precisou aguardar maior desenvolvimento da área de vácuo, pois este é necessário para evitar a dispersão do feixe, e, com isso, dar maior penetração à soldagem.

  O processo produz cordões de solda estreitos, com grande penetração e distribuição de calor bastante concentrada, que resulta em pequenas mudanças metalúrgicas e baixas tensões residuais e distorções na peça soldada, além de boa resistência mecânica. Ele permite soldar facilmente diferentes metais e ligas, numa ampla faixa de espessuras, dependendo do tipo de material, capacidade do equipamento, desenho da junta e procedimento de soldagem.

  Algumas das vantagens do processo são a menor energia de soldagem em relação aos processos convencionais para realizar trabalhos equivalentes, transferência localizada de energia para um volume restrito de material, alta velocidade de soldagem, controle preciso dos parâmetros de soldagem e da geometria do cordão e soldagem em locais de difícil acesso através da deflexão magnética do feixe.

  Uma desvantagem do processo feixe de elétrons é seu alto custo operacional, devido à necessidade de vácuo, conseguido com o uso de bombas. Além disso, exige-se também um operador bem qualificado e treinado para a realização da soldagem e o ajuste preciso do feixe e seu posicionamento em relação à peça de trabalho. Além disso há emissão de raios X, exigência de vácuo, limitação do tamanho da peça, o qual está vinculado ao tamanho da câmara de vácuo.

  A soldagem por feixe eletrônico pode ser feita em alto vácuo, médio vácuo, ou mesmo à pressão atmosférica, sendo que o tipo de equipamento deve ser escolhido em função do tamanho das peças a serem unidas, do número de peças e da precisão exigida entre outros fatores, incluindo os custos.

  19.2 Aplicação

  Esse processo é aplicado para união de materiais similares ou também dissimilares sendo aplicado em peças de pequenas espessuras, como fitas com algumas centenas de microns, assim como em placas com espessuras de até 150 mm. Usado onde se necessita alta precisão tal como caixa de câmbio e de transmissão na indústria automobilística, em tubos de parede fina, e em vários componentes das indústrias aeronáutica, nuclear, eletrônica e automotiva.

  Esse processo é ideal para soldagem de materiais dissimilares ou similares de metais refratários (W,Nb, Mo, Ta) e metais altamente reativos (Ti, Zr, Be, U), ligas resistentes ao calor, aços ao cromo, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e suas ligas.

  A maior ou menor facilidade para soldar um metal ou liga é função também das suas constantes físicas. O cobre, por exemplo, tem uma condutividade térmica elevada e tem limitações quanto a espessura máxima a ser soldada.

  19.3 Fundamentos do processo.

  Um feixe de elétrons pode ser obtido num dispositivo conhecido como "canhão eletrônico", que consiste de um filamento, geralmente de tungstênio, capaz de emitir elétrons quando aquecido, e de um ânodo tubular, em geral de cobre. Os elétrons emitidos pelo cátodo são acelerados em direção ao ânodo por um forte campo elétrico, passam por ele, são focados e atingem a peça a ser soldada com velocidades em torno de 0,3 a 0,7 vezes a velocidade da luz, numa área bem reduzida. Este conjunto é montado em uma câmara sob alto vácuo.

  O processo produz cordões de solda estreitos, com grande penetração e distribuição de calor bastante concentrada, que resulta em pequenas mudanças metalúrgicas e baixas tensões residuais e distorções na peça soldada, além de boa resistência mecânica. Ele permite soldar facilmente diferentes metais e ligas, numa ampla faixa de espessuras, dependendo do tipo de material, capacidade do equipamento, desenho da junta e procedimento de soldagem.

  As particularidades desse processo, que o torna especial, é a penetração profunda e o cordão de solda extremamente estreito, alcançando razão penetração/largura de 10 a

  30. A velocidade de soldagem é bastante alta, alcançando até 12 m1min, com alta eficiência energética, provocando distorção e contração mínimas na área da solda e com excelente qualidade.

Figura 19.1 Equipamento básico de soldagem EBW.

  19.3.1 Técnicas de soldagem É possível soldar por duas diferentes técnicas: por cordões penetrantes, também chamada keyhole, e por cordões não penetrantes, conhecida como soldagem por condução. A escolha é feita em função da resistência mecânica que se pretende dar à junta soldada, espessura e em função da densidade de energia empregada. Na técnica keyhole, a que necessita maior densidade de energia, uma série de forças atua no interior do capilar da soldagem.

Figura 19.2 Técnica de keyhole.

  Considerando um retângulo Z como elemento de volume, as forças presentes durante a soldagem, pela técnica keyhole apresentam: (1) pressão hidrostática da coluna de material fundido acima do elemento Z; (2) força de atrito do fluxo de vapor na superfície do elemento Z; (3) pressão de vapor do material líquido; (4) tensão superficial do material; (5) pressão de vapor da parte gasosa (plasma de material fundido); (6) força de impulsão do metal líquido abaixo de Z.

Figura 19.3 Fenômenos que ocorrem durante a técnica de keyhole.

  Na soldagem por condução utilizam-se menores densidades de energia e o calor se propaga a partir da superfície de impacto dos elétrons para o interior da peça.

Figura 19.4 Técnica por condução.

  O funcionamento do processo sob pressão atmosférica, embora possível, é pouco utilizado; usa-se somente em espessuras finas, pois não apresenta grandes vantagens econômicas se comparado a processos convencionais de soldagem, como, por exemplo, o TIG. Assim, a grande utilização é sempre em vácuo, que possibilita a obtenção de elevadas densidades de energia no ponto de impacto, essenciais para pequenas zonas afetadas pelo calor e zonas fundidas.

  A razão de operar em vácuo é que os elétrons, quando estão se movimentando do cátodo para o ânodo, sofrem atrito com as moléculas do ar atmosférico, e este atrito diminui sua energia, fazendo com que se dispersem. Nos casos de soldagem e corte, é muito importante que isso não ocorra porque a penetração seria perdida. Para quantificar

  • 4

  a influência do vácuo, observar que em 10 torr o número de moléculas poluentes é 1.000 vezes menor do que as encontradas no argônio ou no hélio extra puro 4.7 (99,997% de concentração).

  A relação existente entre o vácuo da câmara e a penetração depende da existência maior ou menor do vácuo. Com a diminuição do vácuo, a penetração da soldagem diminui.

Figura 19.5 Relação entre o vácuo e a penetração.

  A soldagem em vácuo admite três situações: alto, médio e baixo vácuo. A soldagem em alto vácuo, entre 10-3 e 1O-6torr, apresenta maior penetração e, em consequência, menor largura do cordão. Além disso, há maior pureza no depósito e as contrações e distorções são mínimas. Por outro lado, esta é a forma de menor produtividade, uma vez que, no caso de peças muito grandes, é necessário um tempo grande de espera para que o vácuo atinja o nível adequado à soldagem; além disso, é preciso considerar a limitação dimensional das peças em relação ao tamanho da câmara.

  • 3

  A soldagem em médio vácuo, entre 10 e 25 torr, apresenta problemas de limitação dimensional e baixa produtividade, semelhante ao que acontece com a soldagem em alto vácuo.

  A soldagem em baixo vácuo é pouco empregada porque a qualidade da soldagem não é satisfatória. No entanto, existem situações em que é utilizada, como, por exemplo, na indústria automobilística, em que o tempo dispendido na produção do vácuo é deixado de lado em função da alta produtividade requerida.

  As características de soldagem nas diferentes condições de vácuo podem ser visualizadas no quadro extraído da AWS.

  Tabela I Características de soldagem.

  A soldagem por feixe de elétrons sob pressão atmosférica emprega-se somente em espessuras finas de qualquer material. Não apresenta grandes vantagens econômicas quando comparada aos processos convencionais de soldagem, como o TIG.

  A distância canhão-peça deve ser a mínima possível, em razão do atrito do feixe com as moléculas de ar; a penetração diminui, enquanto a contaminação e a largura aumentam. Quando não há câmara de vácuo, existe maior produtividade e a não limitação dimensional das peças a soldar. A tensão maior para que o feixe eletrônico atravesse a atmosfera representa maior consumo energético.

  19.4 Equipamentos

  Um sistema para a soldagem por feixe de elétrons, como mostrado na Figura 1, consiste de um canhão eletrônico, uma fonte de energia e câmara de vácuo, todos protegidos contra vazamento de Raio X, bombas para produção de vácuo, lentes eletromagnéticas de focalização e sistemas para movimentação das peças durante a soldagem.

  Um sistema para a soldagem por feixe de elétrons consiste de um canhão eletrônico, uma fonte de energia e câmara de vácuo, todos protegidos contra vazamento de Raio X, bombas para produção de vácuo, lentes eletromagnéticas de focalização e sistemas para movimentação das peças durante a soldagem.

Figura 19.6 Equipamento de soldagem EBW (esquemático)

  19.5 Variáveis do processo Corrente do feixe

  À medida que se aumenta a corrente do feixe, aumenta-se a quantidade de energia por unidade de área, devido ao aumento no número de elétrons do feixe. Devido a esse fato, tem-se um aumento na penetração da solda, conforme ilustra esquematicamente a figura 7.

Figura 19.7 Efeito da corrente do feixe na penetração do cordão, mantidos os outros parâmetros constantes.

  No início e no fim da soldagem não se tem a aplicação ou o corte da corrente do feixe necessária para a soldagem. No início da soldagem existe um aclive da corrente, cuja função é aplicá-la do zero até o valor da soldagem em um dado tempo. A função desse aclive é diminuir o reforço do cordão no início da soldagem. O declive de corrente é utilizado no fim da soldagem, com o objetivo de não cortar repentinamente a corrente, mas sim reduzi-la do valor de soldagem até o zero em determinado tempo O objetivo do declive é eliminar a cavidade que se forma na poça de fusão, indicada na figura 8.

Figura 19.8 Esquema do processo de soldagem por feixe de elétrons. 1 - junta topo-a-topo; 2 – feixe de elétrons (ou laser); 3 – metal fundido; 4 - quantidade de energia do feixe que atravessa a peça; 5 - solda

  

com penetração total; 6 - direção de soldagem; 7 - cordão de solda; 8- cavidade gerada pela interação

entre o feixe e o metal de base.

  Tensão de aceleração

  O aumento na tensão de aceleração causa um aumento na velocidade dos elétrons do feixe. Consequentemente, eles transferem maior energia peça a ser soldada, aumentando a penetração da solda, conforme se observa na figura 19.9.

Figura 19.9 - Efeito da tensão de aceleração na penetração do cordão se solda. Aço inoxidável AIS1304; potência do feixe de 10 kW.

  O feixe de elétrons pode ser desviado da sua trajetória original, na presença de campos magnéticos ou eletromagnéticos externos. O feixe e tanto menos sensível quanto maior for a tensão de aceleração dos elétrons.

  Velocidade de soldagem

  O aumento na velocidade de soldagem causa uma distribuição da energia do feixe em um comprimento maior, gerando um cordão com penetração menor, conforme mostra a figura 19.10.

Figura 19.10 - Efeito da velocidade de soldagem na penetração do cordão. Aço inoxidável 304, potência do feixe, de 10 kW tensão de aceleração de 100kV.

  Deve-se lembrar que um aumento na velocidade de soldagem causa também um estreitamento na largura de cordão de solda, diminuindo os efeitos de distorção e tensão residual.

  Focalização do feixe O feixe é dito focado quanto menor for o diâmetro deste na superfície da peça.

  Para uma dada energia do feixe, quanto menor seu diâmetro mais concentrada é essa energia e maior a penetração do feixe, conforme pode ser visto na figura 11.

Figura 19.11 - Efeito do diâmetro do feixe na penetração do cordão.

  O feixe pode ser focado na superfície da peça, acima ou abaixo dela. Quando é focado acima da superfície ele é chamado de superfocado; quando abaixo, sub-focado. Essas variações do ponto focal do feixe podem mudar o formato do cordão. No caso do feixe superfocado o perfil do cordão modifica-se de tal maneira que pode aumentar a probabilidade da ocorrência de trinca de solidificação. Por outro lado, um feixe ligeiramente subfocado pode apresentar um cordão com faces bem mais paralelas do que um feixe focado na superfície. A figura 12 mostra esquematicamente esse fenômeno.

Figura 19.12 - Efeito da posição do ponto focal na geometria do cordão de solda.

  Vácuo da câmara

  Quanto menor for a pressão na câmara, menor a quantidade de átomos e moléculas presentes. Portanto, o choque entre os elétrons do feixe e essas partículas é menor e a penetração do cordão maior. Existe uma pressão limite abaixo da qual o efeito na penetração do cordão é nulo, conforme mostra a figura

  19.13. Figura 19.13 - Efeito da pressão da câmara na penetração do cordão. Aço inoxidável 304; 125 kV; 8 mA;

10 mm/s: distância de trabalho de 470 mm.

  A pressão da câmara está ligada ao nível de impurezas presentes. Conforme o tipo de material a ser soldado, a pressão da câmara pode influir de maneira decisiva na qualidade da junta soldada, como indica a tabela II.

  

Tabela II - Concentração do ar na câmara de soldagem em função da pressão.

  Deflexão dinâmica do feixe

  A deflexão dinâmica consiste na oscilação do feixe em torno do centro da poça de fusão, como mostra a figura 14.

Figura 19.14 – Esquema de como é definida a oscilação do feixe.

  A deflexão dinâmica está ligada com a qualidade do cordão de solda e com a quantidade de calor colocada na peça. Ela diminui a penetração e aumenta a largura do cordão. Com isso diminui a probabilidade de ocorrer porosidade, falta de fusão e trincas de solidificação. Por outro lado, podem ocorrer mordeduras no cordão devido à escolha incorreta dos parâmetros de oscilação do feixe.

  A figura 15 mostra a concentração de calor para três diferentes tipos de deflexão: o círculo, como referência em (a); uma parábola dupla em (b); e uma deflexão do tipo em X em (c). A deflexão (b) causa maior concentração do feixe nas bordas da deflexão do que outros dois tipos e a deflexão (c) é a que melhor distribui o aquecimento produzido pelo feixe.

Figura 19.15 - Três tipos de deflexão do feixe eletrônico.

  Distância de trabalho

  Esta variável de processo é definida como sendo a distância entre o centro da bobina de foco e a superfície da peça a ser soldada. Com o aumento da distância de trabalho, para uma dada regulagem do ponto focal, o feixe de elétrons diverge; consequentemente, a penetração diminui de maneira similar à mostrada na figura

  19.11.

  A tabela III resume o efeito dos parâmetros de soldagem na geometria do cordão.

  Tabela III - Efeito dos parâmetros de soldagem na geometria do cordão 19.6 Técnica operatória.

  Na soldagem com feixe de elétrons, as principais variáveis são a potência do feixe, que depende da corrente e do potencial acelerador no canhão de elétrons, da capacidade de focalização e da câmara na qual é realizada a operação. O poder de penetração, a precisão de focalização e a velocidade de soldagem diminuem com o aumento da pressão na câmara de soldagem.

  A figura 19.16 mostra a relação entre algumas variáveis usadas na soldagem por feixe eletrônico de diferentes ligas.

Figura 19.16 Relação entre a potência do feixe, velocidade de soldagem e espessura das peças, na soldagem por feixe eletrônico de alguns materiais.

  A incidência do feixe eletrônico de alta velocidade sobre a peça que está sendo soldada gera, além de calor, radiação eletromagnética na faixa dos raios X, que é extremamente danosa ao ser humano. Assim, um cuidado especial precisa ser tomado para evitar vazamento deste tipo de radiação da câmara de soldagem.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem por feixe de elétrons (EBW)? 2. Explique como ocorre a formação do feixe de elétrons na soldagem EBW.

  3. Como pode ser classificada a soldagem EBW com relação à sua fonte de calor?

  4. Quais são as vantagens e desvantagens da soldagem EBW?

  5. Quais são os principais parâmetros da soldagem EBW?

  6. Quais técnicas podem ser utilizadas na soldagem EBW?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

20 Processo de soldagem à laser .

  Objetivos

  Apresentar a soldagem à laser de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

20.1 Introdução.

  A palavra LASER é a sigla da descrição do processo Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que se traduz por amplificação da luz pela emissão

  

estimulada de radiação. Em uma rápida definição, pode-se dizer que o laser é um feixe

de radiação produzido por um dispositivo.

  A soldagem à laser é um processo de soldagem por fusão no qual a união entre os metais é conseguida através do calor gerado por um feixe de luz potente, mono cromática, colimada e coerente, que incide sobre a junta dos metais de base a serem unidos. Geralmente é usada proteção gasosa com gás inerte para prevenir a oxidação da poça de fusão, assim como pode ser usado material de enchimento.

  O processo de soldagem a Laser (LBW - Laser Beam Welding) é caracterizado então pela fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por feixe de luz concentrada, de alta intensidade, capaz de fundir e até mesmo vaporizar parcialmente o material da junta no ponto de incidência, causando um furo ("keyhole"), que penetra profundamente no metal de base. Esta é uma ferramenta poderosa que pode ser usada na fabricação de peças complexas, na união de diversos materiais, em juntas formadas por partes de espessuras e materiais iguais ou diferentes, em alta velocidade. Como a energia é fornecida de forma muito concentrada, os volumes de material afetados pelo calor da soldagem são reduzidos, bem como a energia total necessária para produzir a solda.

  Como fonte de laser pode ser usada a fonte sólida, YAG (rubi) que gera um feixe de laser pulsado (com milissegundos de duração) que pode ser usado na soldagem por

  2

  pontos em chapas finas. Também pode ser usada a fonte gasosa, CO , que gera um feixe de laser contínuo, indicado para soldagem de peças mais grossas como tubos com costura.

  Como o feixe de laser pode ser precisamente focado em regiões com diâmetros de 40 um, e sua densidade de energia é bastante alta, é possível realizar soldas profundas e muito estreitas, com razão de penetração-largura na faixa de 4 a 10. A velocidade de soldagem é alta, na faixa de 2,5 a 80 m/min em peças de até 25 mm de ligas de Cu, Ni, Fe, Al, Ti e Nb.

  Devido à qualidade da radiação laser, sua utilização em soldagem possibilita a obtenção de determinadas características impossíveis de serem obtidas por outros processos, como elevadíssimas velocidades de soldagem, ausência de contato entre fonte de calor e peça a soldar, baixa entrega térmica, pouca distorção e pequenas zonas afetadas pelo calor.

  Embora não tenha penetração tão grande quanto aquela atingida pelo SFE, tem a vantagem de não necessitar de vácuo, pois o laser não é influenciado pela presença de campos magnéticos. Entretanto, cuidados especiais devem ser tomados com materiais com alta refletividade e alta condutividade térmica como ligas de alumínio e de cobre que podem ter a soldabilidade afetada, assim como com a taxa de resfriamento, que é alta e, portanto, devem ser sempre observados os problemas de porosidade e fragilidade.

20.2 Aplicação

  A evolução dos equipamentos permitiu um aumento significativo no número de aplicações industriais do Laser. Ele tem sido usado na indústria metal-mecânica para operações de corte e furação de peças de geometrias complexas, numa proporção de 60% dos trabalhos, soldagem por exemplo, de baterias de lítio, equivalente a 25%; e gravação de peças metálicas (marcação de instrumentos de medição), particularmente em aplicações em que se necessita grande precisão dimensional em peças de baixa espessura 10%;tratamento térmico de componentes, como válvulas de motores de combustão e demais utilizações, equivalentes a 5%das aplicações. Em fábricas de automóveis tem-se usado Laser de CO

  2 com o auxílio de robôs para soldagem, o que permite posicionamento

  e movimentação muito precisos sobre a peça de trabalho, com alta relação custo- benefício, apesar do custo elevado dos equipamentos.

  Algumas vantagens do processo de soldagem a laser são: aporte de energia concentrado; minimização dos efeitos metalúrgicos sofridos pela zona afetada pelo calor (ZAC ou ZTA); muito menos distorções; soldagens em um único passe; não requer metal de adição, portanto está livre de eventuais contaminações; facilidade em soldar locais de difícil acesso, uma vez que não há contato com a peça; soldagem de peças muito finas; possibilidade de automatização do processo.

  A soldagem a laser possui um aporte de energia muito concentrado, produzindo uma solda estreita e profunda. A penetração é facilmente controlada pelo ajuste dos principais parâmetros, como potência e taxa de pulso. Fazendo isso, é possível executar uma solda interna ou externa nos painéis do automóvel, sem distorções ou descoloração da parte externa do painel. Em algumas aplicações, o uso do robô para laser de CO

  2 tem

  propiciado movimentação e posicionamento muito precisos sobre a peça de trabalho. Esta vantagem da soldagem com laser é que tem propiciado a popularização de sua utilização na indústria automobilística.

  O interesse de chapas metálicas na soldagem a laser tem aumentado consideravelmente, pois apresenta alto potencial de redução de custos. Algumas vantagens resultam da alta flexibilidade do processo, outras resultam de que neste processo não existe contato com a peça, enquanto outras advêm do resultado de soldas de qualidade com altas velocidades. Outros benefícios incluem o fato da inexistência de retrabalho. O processo de soldagem a laser também permite soldar de um só lado, o que propicia novas soluções em projetos.

  Outra vantagem é a eliminação de flange, necessário quando se solda por resistência. Essa eliminação pode causar redução de peso da ordem de 40kg na soldagem de partes de um automóvel. Uma solda a laser contínua também aumenta a integridade estrutural do material. A resistência da solda é usualmente maior que a resistência do metal de base.

  O processo de soldagem a laser apresenta algumas limitações, entre as quais podem-se citar a baixa eficiência, aproximadamente menor que 10%; a dificuldade para mudar o ponto focal; a baixa potência do equipamento, que limita a espessura; os problemas com refletividade em alguns materiais e as estreitas tolerâncias de ajuste das juntas.

  Enquanto as instalações de soldagem a laser continuam a aumentar em número, os problemas aumentam, também, na mesma proporção. Por exemplo, para guiar o raio laser, é preciso empregar sistemas robotizados e ópticas flutuante ou articuladas com sistemas de espelhos refletores em braços de robôs. Fibras ópticas não podem ser usadas, atualmente, por laser de alta potência de dióxido de carbono.

  As juntas para o raio laser devem ter tolerâncias muito estreitas. A focalização do raio deve ser perpendicular à superfície e a posição da distância focal deve ser exata e mantida durante todo o tempo; isso requer um sistema de sensores de alto desempenho e em alguns casos também um sistema de sensoriamento por contato.

  O alto nível de automação requer produção em larga escala, com mão de obra especializada. O alto custo do sistema, que, embora seja menor a cada ano, requer uma cuidadosa análise econômica para os benefícios das aplicações oferecidas.

  A tecnologia enfrenta problemas de expansão devido ao alto investimento inicial comparado ao dos processos convencionais; além disso, o sistema a laser é visto como complexo e de alto custo.

20.3 Fundamentos do processo.

  A matéria é uma associação de átomos, e, como estes estão unidos em função de sua energia, a matéria é uma das formas de energia. Do mesmo modo, a radiação eletromagnética é outra forma de energia, sendo que os comprimentos de onda entre 0,4 e 0,8mm ativam o sentido da visão, causando a sensação chamada luz, que varia do vermelho ao violeta; assim, visualmente identifica-se o comprimento de uma onda pela cor.

  Entre a matéria e a radiação eletromagnética pode ocorrer interação mútua, de forma que uma onda eletromagnética pode perturbar o campo, ou seja, a distribuição de cargas de um átomo. Esta interação, porém, é função da probabilidade de os elétrons do átomo estarem em um estado energético superior ao de seu estado mínimo, quando, então, o átomo é chamado de átomo excitado.

  Quando ocorre a interação energética, ocorre absorção de energia por parte do elétron do átomo, que, com o aumento energético, passará de seu estado básico fundamental para um estado de maior energia. Esse mecanismo é reversível; assim, quando o elétron regressar a seu estado básico fundamental, restituirá essa energia na forma de emissão de fóton.

Figura 20.1 Representação esquemática da emissão de um fóton.

  A estrutura de um átomo no modelo proposto por Bohr é idêntica à estrutura do sistema solar. O núcleo do átomo seria o Sol e os elétrons seriam os planetas que ocupam as diferentes órbitas em torno do núcleo, conforme seu nível energético e de acordo com a probabilidade conhecida como "coeficiente de Einstein" Os elétrons giram muito rapidamente, com velocidades da ordem de 106m/s, e, quando estão na temperatura de zero Kelvin, encontram-se em seu nível energético mais baixo. A grandeza média de sua

  • 10
  • 31

  órbita é de 10 m ou lÅ (1 angstrom), e sua massa em repouso é de 9,3 kg, que vem a ser 1.840 vezes menor que a massa de cada componente do núcleo (prótons e nêutrons).

  A absorção de radiação é uma característica intrínseca do átomo, ou seja, é uma propriedade que o define. Alguns sofisticados testes de análise química do material partem desse princípio.

  Quando uma certa energia é aplicada no átomo, seja por aquecimento, descarga elétrica, radiação luminosa, reação química ou outra forma qualquer, aumenta-se seu nível energético e, consequentemente, os elétrons passam a girar em órbitas mais externas. A este processo chama-se excitação, que é a base para o funcionamento do laser. O acréscimo energético causado pela excitação acabará sendo liberado de alguma forma, pois o elétron sempre tende a voltar a seu nível energético original. Essa liberação energética pode acontecer por meio de colisões com outros elétrons ou mesmo átomos, ou ainda pela emissão de fótons. Matematicamente, esta emissão fotônica traduz-se pela

  • 34

  expressão E = h.v, onde: E = energia do fóton; h = constante de Plank (6,6260693x10 J.s), v = frequência de radiação emitida correspondente à radiação energética.

  A emissão espontânea acontece quando os elétrons, após a liberação do fóton, voltam a níveis energéticos inferiores. O fóton tem uma probabilidade muito maior de ser absorvido por um elétron de baixo nível energético, o que caracteriza a emissão espontânea. O processo é muito semelhante ao decaimento de radioisótopos, porém, em um tempo muito menor (fração de segundo).

  Emissão estimulada é o nome dado à emissão fotônica criada sob determinadas condições. A emissão estimulada ocorre quando um átomo excitado recebe o impacto de um fóton, que pode ser proveniente de emissão espontânea, e que causará a emissão de outro. Percebe-se, pois, que um único fóton pode estimular a emissão de mais de um, caracterizando com isso um ganho real. Para que isso ocorra, porém, é necessário haver mais elétrons excitados do que não excitados.

  Em condições normais, a população ou percentual de elétrons é inversamente proporcional à quantidade de energia; assim, quanto menor é a energia, maior é o número de elétrons existente em determinado nível de energia.

Figura 20.2 Energia versus população de elétrons.

  A inversão de população existe quando o número de elétrons numa faixa de baixa energia é maior do que numa faixa de energia mais alta. A inversão de população é necessária para a ocorrência da emissão estimulada.

  Nessa condição, o fóton tem grande probabilidade de ser absorvido por elétrons do alto nível energético, que liberarão outros fótons. Entretanto, a radiação na forma de fótons é emitida de modo desorientado e policromático, ou seja, sem direções particularmente privilegiadas e sem que o feixe apresente um comprimento de onda definido.

Figura 20.3 Inversão de população.

  Para utilizar a radiação de forma otimizada, é necessário definir o comprimento de onda e a direção de propagação do feixe. Basicamente, este é todo o esquema de funcionamento de um laser, ou seja, um dispositivo com condições de produzir emissão estimulada de fótons e formas de direcionar e calibrar o feixe de fótons produzidos.

  Um átomo ou molécula de um material fluorescente pode passar para um nível maior de energia através de energia elétrica ou luminosa por exemplo. Se esse átomo colidir com um fóton externo com a mesma energia do fóton que seria emitido pelo átomo para voltar ao seu nível energético normal, poderá haver a emissão de um fóton. Se o fóton emitido tiver a mesma fase do fóton que promoveu sua emissão, essa condição é dita coerência espacial. Além da coerência, o laser tem a propriedade de ser uma radiação direcional. Tendo em vista essas propriedades do laser, se o fenômeno descrito ocorrer através de um efeito cascata, ter-se-á um feixe de alta energia de luz coerente e direcional. A figura 20.4 ilustra o fenômeno.

  Nessa figura os círculos brancos indicam que o átomo está em nível energético normal, e devido à excitação com energia elétrica (a) passam ara um nível energético maior (b); esses átomos emitem fótons (c) que estimulam outros átomos a emitir mais fótons (d), que incidem em um espelho côncavo (e), refletindo totalmente a radiação incidente; esses: tons continuam excitando outros átomos até atingir outro espelho (f), que é transparente somente para determinados comprimentos de onda; o restante da radiação retoma para continuar a ser amplificado (g). Os tipos de lasers mais empregados

  2

  para soldagem e corte são os gerados por uma mistura gasosa contendo CO e os gerados por YAG (yttrium aluminum gamet) no estado sólido.

Figura 20.4 - Princípio da geração do feixe de laser Figura 20.5 Ilustração do processo de soldagem por laser (LBW).

  20.3.1 Técnicas de soldagem As principais variáveis da soldagem a Laser são a energia do feixe, a distância focal, a velocidade de soldagem, a refletividade das peças e a duração do pulso, no caso de Laser pulsado.

  Normalmente, a soldagem é autógena, isto é, não é necessária a adição de material

  a, contudo esta pode ser usada na união de peças de grande espessura, para compensa: algum afundamento da poça de fusão.

  As operações com fontes de alta intensidade podem ser feitas utilizando-se duas técnicas: a da fusão convencional, como em outros processos de soldagem, e a técnica "kevhole" ou do furo. A técnica "kevhole" é a mais utilizada e somente é possível se a densidade de energia for suficientemente alta para fundir rapidamente toda a espessura junta. Para isso é necessário que o feixe esteja perpendicular à superfície das peças e que seja bem absorvido. Pode ocorrer alguma vaporização do material.

  As temperaturas dentro do furo podem alcançar valores extremamente altos, tornando a técnica "kevhole" muito eficiente, pois o calor é conduzido em forma radial para fora, formando uma região fundida que cerca o vapor. Quando o feixe de Laser se move ao longo da peça, o metal fundido preenche o espaço atrás do furo e se solidifica, formando a solda, como mostrado na figura 6. Esta técnica permite velocidades de soldagens muito altas e é necessário um controle muito preciso das variáveis operacionais para que a operação tenha sucesso.

Figura 20.6 Técnica do "Keyhole"

20.4 Equipamentos

  O equipamento laser é composto basicamente de três sistemas: fonte de alimentação, meio ativo e cavidade ressonante. A fonte de alimentação é a parte que fornece a energia primária para a excitação dos átomos e, principalmente, é responsável pelo processo de produção da inversão de população. Assim, a fonte de alimentação é, na verdade, uma fonte excitadora.

  Por meio ativo entende-se o material utilizado, seja gás, líquido, sólido ou semicondutor, para fazer a conversão de energia elétrica em energia radiante, uma vez que, devido à excitação e inversão de população, é possível provocar emissão estimulada nesses materiais.

  2 Uma importante característica do Laser de CO é a possibilidade de se alterar a densidade de energia na superfície do material, variando-se a potência e o foco do feixe.

  Lasers de CO

  2 de alta potência são utilizados para corte e soldagem. Neste tipo de

  equipamento é necessária a entrada contínua do gás no sistema, que usa uma alimentação de tensão contínua de algumas dezenas de kV.

  Os equipamentos Laser de Nd:YAG produzem um feixe contínuo, mas apresentam menor consumo de energia e são empregados em aplicações em que se exige menores temperaturas.

  Na fonte de Laser, também chamada de cavidade ressonante, ocorre o processo de amplificação da radiação. A cavidade ressonante, que pode ter vários formatos, é o local onde ocorre o processo de amplificação da radiação. Este processo é mantido devido à realimentação provocada pela própria construção da cavidade, que apresenta dois espelhos refletores e amplificadores do feixe. Um dos espelhos é totalmente refletor; o outro tem um pequeno orifício central que mede aproximadamente 1% da área; os dois espelhos são montados de frente um para o outro, e entre eles fica o meio ativo.

  É possível usar elementos como prismas, que são utilizados para comprimentos de ondas específicos, para uma determinada tarefa. Isto se faz necessário, pois o meio ativo pode produzir ondas em vários comprimentos. Um outro método é o posicionamento dos espelhos em ângulo, ou seja, dependendo de sua posição, é possível separar os comprimentos de ondas do feixe. Com estes dispositivos, os fótons produzidos saem da cavidade já direcionados para o trabalho.

  Uma característica fundamental da cavidade do Laser é o cuidado na sua construção, pois é necessário que o sistema seja livre de contaminações e que suas lentes sejam precisas para a aplicação desejada, a fim de aumentar sua eficiência, assim, a cavidade deve ter alta precisão óptica e mecânica, ausência total de contaminações de superfície e altíssimo grau de acabamento nos espelhos para que o ganho que ocorrer na amplificação seja maior do que as perdas por irradiação de calor nas paredes.

Figura 20.7 Representação esquemática de um feixe laser.

  Os fótons produzidos ressoam dentro da cavidade até se encontrarem em direção ao orifício. Quando isso ocorre, os fótons saem na forma de feixe laser. Esse mecanismo garante que o feixe seja extremamente direcionado.

  A cavidade ressonante tem uma importante função que é aumentar a eficiência do laser. Devido à pequena saída existente no espelho plano (1% da área), os fótons são obrigados a aumentar seu tempo de permanência dentro da cavidade; como esta é espelhada em seu interior, o aumento do tempo de permanência dos fótons gera outras emissões estimuladas, o que resultará em incremento.

  Em algumas aplicações do feixe laser, pode ser necessário regular a radiação, uma vez que o meio ativo emite radiação em diferentes comprimentos de onda. A regulagem do comprimento de onda pode ser feita de duas maneiras: uma, por meio de elementos dispersivos chamados prismas, que permitem a radiação monocromática, isto é, a passagem de apenas um determinado comprimento de onda; esse tipo de radiação é utilizado, por exemplo, nas impressoras a laser. O outro modo de filtrar um determinado comprimento de onda é por meio da regulagem dos espelhos. Nesse caso, os espelhos devem ser regulados de acordo com o comprimento desejado ainda durante a construção do equipamento. A diferença entre os dois tipos de regulagem é que o primeiro permite várias regulagens, enquanto no segundo o comprimento de onda escolhido será utilizado em definitivo.

  Um conjunto para soldagem Laser é mostrado na figura 8.

Figura 20.8 Sistema básico para soldagem a Laser (esquemático)

20.5 Variáveis do processo Velocidade de soldagem

  O efeito da velocidade de soldagem na penetração da solda é similar o da soldagem por feixe de elétrons, e a figura 9 mostra esse comportamento para um laser com elevada vazão de gás.

Figura 20.9 - Efeito da velocidade de soldagem na penetração da solda para diferentes valores de potência do feixe. Material: aço inoxidável 304; laser de CO

  2 com elevada vazão de gás.

  Potência do feixe

  O aumento na potência do feixe causa um aumento na potência específica, mantendo-se constante o diâmetro do feixe. Com isso tem-se um aumento na penetração do feixe, mantendo-se a velocidade de soldagem constante, como indica a figura 10.

Figura 20.10 - Efeito da potência do feixe na penetração da solda para diferentes velocidades de soldagem. Material: aço inoxidável 304; laser de C02 com elevada vazão de gás.

  Energia de soldagem

  Um aumento na energia de soldagem causa um aumento na penetração, conforme mostra a figura 20.11.

Figura 20.11 - Efeito da energia de soldagem na penetração da solda. Material: aço inoxidável 304; laser de CO

  2 com elevada vazão de gás.

  A combinação de mais de um processo de soldagem (em geral, um processo a arco e algum outro) permite a obtenção de um novo processo que pode apresentar vantagens

  Apresentar a utilização de combinações de processos de soldagem de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  Objetivos

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  Referências bibliográficas

  6. Quais técnicas podem ser utilizadas na soldagem LBW?

  5. Quais são os principais parâmetros da soldagem LBW?

  4. Quais são as vantagens e desvantagens da soldagem LBW?

  3. Como pode ser classificada a soldagem LBW com relação à sua fonte de calor?

  1. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem laser (LBW)? 2. Explique como ocorre a formação do laser na soldagem LBW.

  Exercícios

21 Processos híbridos de soldagem.

21.1 Introdução.

  sobre cada um dos processos iniciais. Os processos híbridos mais conhecidos são os que envolvem o uso conjunto da soldagem GMAW e a soldagem laser ou a plasma. O uso conjunto dos processos afeta o funcionamento de cada um (por exemplo, a interação do laser com o material gera um plasma que pode estabilizar o arco e a poça de fusão gerada pelo arco facilita a penetração do laser no material) e o formato final do cordão de solda.

  Dentro dos processos híbridos encontrados na literatura, destaca-se o processo Laser juntamente com um processo a arco, podendo ser: MIG, TIG ou PAW. Outro processo híbrido existente é a combinação entre Plasma e MIG. Este processo é mais simples em relação aos processos híbridos que utilizam Laser.

  Nos processos híbridos (figura 1), as fontes de calor atuam sobre a mesma poça de fusão ao contrário de uma outra opção muito comum, que seria a combinação de processos, na qual cada processo cria a sua própria poça de fusão e atua de forma separada.

Figura 21.1 Processo híbrido (Laser-GMAW).

21.2 Aplicação

  Pode ser aplicada nas indústrias automobilística, naval, de fabricação e de instalação de tubos.

  21.3 Fundamentos do processo.

  Existem várias combinações possíveis, por esse motivo os fundamentos podem sofrer algumas variações, como exemplo segue o processo plasma-MIG: No processo de soldagem MIG/MAG o arame-eletrodo, as gotas em transferência, o arco voltaico e a poça de fusão são protegidos da atmosfera por um gás, que envolve estes componentes e é constantemente alimentado à temperatura ambiente, figura 2.

Figura 21.2 – Desenho Esquemático do processo de soldagem MIG/MAG.

  Já o princípio fundamental do processo de soldagem Plasma-MIG se constitui no fato de que o arame-eletrodo, o arco voltaico e as gotas são envolvidos por uma corrente de gás termicamente ionizado, também denominado de plasma, figura 3.

  Os maiores benefícios do processo híbrido Plasma-MIG com relação ao processo MIG são menor distorção devido a pequena ZTA e um cordão de solda de boa aparência com menos respingos. O processo Plasma-MIG também reduz o tempo de soldagem de peças finas, podendo ser executada em apenas um passe, enquanto que a utilização de processos convencionais seriam necessários múltiplos passes.

  21.4 Equipamentos

  A pistola de soldagem utilizada para o processo Plasma-MIG deve ter a capacidade de gerar, simultaneamente, o arco voltaico entre o eletrodo permanente e a peça a ser soldada, denominado de “Arco Plasma”, e o arco voltaico entre o eletrodo consumível, na forma de arame, e a peça a ser soldada, denominado pela literatura de “Arco MIG”.

Figura 21.3 – Desenho esquemático do Processo de Soldagem Plasma-MIG.

  No conceito original das pistolas Plasma-MIG utiliza-se um eletrodo de tungstênio, o mesmo das soldagens Plasma e TIG, para a geração do arco plasma. Nesse projeto o eletrodo é localizado ao lado do bico de contato MIG, como ilustrado na figura 3. Em função do alto desgaste do eletrodo de tungstênio em atmosferas oxidantes, o gás de plasma utilizado neste tipo de pistola deve ser de natureza inerte. Normalmente utiliza-se argônio (Ar), hélio (He) ou uma mistura destes, sendo que a

  2

  utilização de misturas de Ar com H também é citada na literatura. O gás de proteção pode ser de natureza ativa, já que este fluxo não entra em contato com o eletrodo de tungstênio. Misturas de argônio com CO

  2 são tipicamente utilizadas como gás de proteção

  na soldagem de aços ao carbono. Na soldagem de não ferrosos, normalmente utiliza-se argônio puro e misturas com He.

  Um outro projeto da pistola de soldagem foi desenvolvido, no qual o eletrodo pontiagudo de tungstênio é substituído por um eletrodo em forma de anel. Este eletrodo anular é confeccionado em cobre, e pode ser equipado com um inserto de grafite, ou de tungstênio, figura 4.

Figura 21.4 – Pistola de soldagem Plasma-MIG equipada com eletrodo anular de cobre.

  As partes mais importantes da pistola de soldagem (bico de contato, eletrodo plasma e bocal constritor) devem ser constantemente arrefecidas com água. Como o cobre possui um alto coeficiente de condutividade térmica, o arrefecimento do eletrodo plasma garante a manutenção de sua temperatura em níveis baixos. Isto impede seu excessivo desgaste mesmo com a utilização de altas correntes em polaridade reversa – reconhecidamente melhor para a transferência metálica no processo MIG/MAG – e de gases ativos como CO2 e suas misturas com Ar. Além destas vantagens, esta pistola equipada com eletrodo anular é mais compacta e simétrica e apresenta maior praticidade na manutenção. Por estas razões, no presente trabalho, apenas pistolas com eletrodos anulares foram utilizadas.

  Vários arranjos de fontes de soldagem foram testados e até especialmente desenvolvidos para o processo Plasma-MIG, principalmente nas décadas de 60 e 70. Estes arranjos podem ser divididos em três grupos, como segue:

  a) Utilização de apenas uma fonte de energia A utilização de apenas uma fonte é vantajosa somente no sentido de economia de espaço e maior simplicidade no controle da energia. Para viabilizar a abertura e estabilidade dos dois arcos voltaicos, utilizando-se apenas uma fonte de energia, Liefkens et al (Liefkens, 1969), propõem a utilização de uma resistência elétrica entre os circuitos plasma e MIG, como mostra a figura 5. A falta de independência no controle da forma de onda da corrente nos dois arcos é a principal desvantagem deste arranjo.

Figura 21.5 – Processo Plasma-MIG com apenas uma fonte de energia.

  No trabalho de Kusch também são citados arranjos que utilizam um arame não energizado (Kusch, 2003). Neste caso, o arame é fundido somente pelo arco plasma, que pode ser transferido (aberto entre o eletrodo e a peça de trabalho), ou não transferido (aberto entre o eletrodo e o bocal constritor).

  Entretanto, este arranjo não deveria ser denominado de Híbrido, pois não existem dois arcos para caracterizá-lo como tal.

  b) Utilização de duas fontes de energia Neste caso, o arco plasma e o arco MIG são alimentados por duas fontes de energia independentes. É o arranjo mais utilizado na soldagem Plasma-MIG e será abordado com maiores detalhes ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

  Em função de trabalhar com um eletrodo permanente, a fonte Plasma deve apresentar característica estática de corrente constante. Já a fonte MIG pode ser de característica estática de corrente ou de tensão constante.

  A corrente pulsada pode ser utilizada tanto no arco MIG quanto no arco Plasma, e pode ser uma importante ferramenta na estabilização dos arcos e da transferência metálica, para determinados materiais de adição e tipos de junta.

  c) Utilização de três fontes de energia

  O arranjo que utiliza três fontes de energia foi experimentado basicamente com o objetivo de melhorar a potência, velocidade de soldagem ou taxa de fusão de material. A terceira fonte de soldagem pode ser utilizada, por exemplo, para alimentar um segundo arame-eletrodo, no caso da necessidade de maiores taxas de deposição, ou para alimentar um segundo eletrodo permanente, quando se deseja apenas aumentar a capacidade de fundir o metal de base.

  Exercícios

  1. Quais são as principais aplicações dos processos híbridos de soldagem? 2. Explique como ocorre a formação da poça de fusão nesses processos.

  3. Como podem ser classificados os processos híbridos de soldagem com relação à sua fonte de calor?

  4. Quais são as vantagens e desvantagens desses processos?

  5. Quais são os principais objetivos da utilização combinadas de processos?

  6. Quais são os principais equipamentos usados nos processos híbridos?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) OLIVEIRA, M. A. Desenvolvimentos no Processo Híbrido Plasma-MIG

  para Operações de Soldagem e Brasagem . 2006. 136 f. Tese (Doutorado em

  Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2006. (3) Silva, S. R. Desenvolvimento do processo de soldagem plasma-keyhole –

  mag em tandem. 2012 118f. Dissertação (Mestrado em Engenharia

  Mecânica) – Programa de Pós Graduação Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2012.

22 Processos de soldagem a energia radiante.

  Objetivos

  Apresentar a soldagem a energia radiante de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

22.1 Introdução.

  Para realizar a soldagem por fusão, a região a ser soldada deve ser aquecida acima da temperatura de fusão do material. A fonte de calor deve ter algumas características: a energia da fonte de calor deve ser concentrada; deve gerar uma potência específica para proporcionar a fusão do local a ser soldado; contrabalançar as perdas de calor para a região vizinha que está fria. Os processos de soldagem de alta intensidade (ou de energia radiante). Têm como característica fornecer uma grande quantidade de energia em tempos reduzidos e através de pequena área para as peças a serem soldadas. Os processos de soldagem têm sua própria distribuição de potência específica típica e a figura a seguir mostra sua distribuição para alguns processos de soldagem. Analisando essa figura, percebe-se que os processos de soldagem com fonte de calor com feixe focado têm uma potência específica elevada e são bastante concentrados, quando comparados com os outros processos.

Figura 22.1 Potência específica para alguns processos de soldagem.

  Baseando-se nesse fato, pode-se tirar as seguintes conclusões, válidas para esses processos:

  • Cordão de solda com elevada relação profundidade largura;
  • Soldagem em 1 passe, dependendo da espessura;
  • Baixa energia de soldagem;
  • Elevada velocidade de soldagem;
  • Estreita zona termicamente afetada e - Deformação mínima da peça. A tabela abaixo ilustra algumas dessas conclusões para a soldagem de aço- carbono com 12 mm de espessura.

  Tabela I Comparação entre alguns processos de soldagem (adaptado).

  Contração Energia de

Processo de soldagem transversal

soldagem

  (mm) (kJ/cm) Feixe de elétrons 2-5 0,067 - 0,070

Eletrodo revestido 30- 32 0,80- 0,90

  Arco submerso 56- 60 0,75-0,80 TIG 12 - 13 0,38- 0,42

  A partir da comparação da distribuição da potência específica das fontes de calor, tem-se as vantagens dos processos da soldagem. Essa análise mostra a vantagem dos processos de soldagem por feixe de elétrons e laser com relação aos outros processos de soldagem. Deve-se lembrar, entretanto, que cada processo de soldagem tem as suas vantagens e aplicações típicas.

  Existem basicamente dois processos de alta intensidade: a Laser (LBW - Laser Beam Welding), (já estudado em Processos de Soldagem II) e o por feixe de elétrons (EBW - Electrons Beam Welding). O processo Plasma, também estudado em Processos de Soldagem II, dependendo das condições de operação, pode ser considerado um processo de alta intensidade.

  Além dos processos de alta densidade, também são considerados processos de energia radiante: a soldagem ou brasagem com infravermelho (IB); a brasagem em forno (FB) e a brasagem por imersão (DB).

22.2 Processo de Soldagem por feixe de Elétrons (Electron Beam Welding)

  É um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de elétrons de alta velocidade. O feixe de elétrons é emitido por um canhão eletrônico e focalizado, através de lentes eletromagnéticas, em

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  uma região muito pequena da junta (diâmetro da ordem de 10 mm) proporcionando uma elevada concentração de energia. Durante o bombardeamento, parte da energia cinética dos elétrons é convertida em calor, fundindo e vaporizando parte do material da junta e criando um furo (keyhole) através do material. Quando este furo é movido ao longo da junta, o material líquido flui em torno dele e se solidifica na parte posterior da poça formando a solda. Esta forma de operação permite obter cordões de solda com uma elevada razão penetração/largura (de até 30:1) e com velocidades de até 200 mm/s.

  São produzidos cordões de solda estreitos, com grande penetração e distribuição de calor bastante concentrada, provocando pequenas mudanças metalúrgicas e baixas tensões residuais e distorções na peça soldada, resultando em boa resistência mecânica. Ele permite soldar facilmente diferentes metais e ligas, numa ampla faixa de espessuras, dependendo do tipo de material, capacidade do equipamento, desenho da junta e procedimento de soldagem.

  Algumas das vantagens do processo são: a menor energia de soldagem em relação aos processos convencionais para realizar trabalhos equivalentes, transferência localizada de energia para um volume restrito de material, alta velocidade de soldagem, controle preciso dos parâmetros de soldagem e da geometria do cordão e soldagem em locais de difícil acesso através da deflexão magnética do feixe. São desvantagens do processo feixe de elétrons:

  O alto custo operacional, devido à necessidade de vácuo, conseguido com o uso de bombas. O operador deve ser bem qualificado e treinado para a realização da soldagem e o ajuste preciso do feixe e seu posicionamento em relação à peça de trabalho. Esse processo de soldagem pode ser realizado em alto vácuo, médio vácuo, ou mesmo à pressão atmosférica, sendo que o tipo de equipamento deve ter como parâmetros o tamanho das peças a serem unidas, do número de peças e da precisão exigida entre outros fatores, incluindo os custos.

  22.2.1 Aplicação.

  Várias ligas metálicas podem ser soldadas com feixe de elétrons e ele tem sido usado na união de aços de alta liga, metais reativos, como o titânio e zircônio, metais refratários como o tungstênio e tântalo, aços inoxidáveis e muitas combinações de metais dissimilares como cobre e alumínio, aço e cobre ou cobre e aço inoxidável. As espessuras soldáveis vão desde fina uma folha de papel até aproximadamente 150 mm em cobre, 250 mm em aço e 450 mm em ligas leves. As soldas apresentam excelentes características mecânico-metalúrgicas.

Figura 22.2 Algumas possibilidades de juntas soldadas para o processo de soldagem por feixe de elétrons.

  22.2.2 Fundamentos do processo.

  O feixe de elétrons é obtido através de um dispositivo conhecido como "canhão eletrônico", ele consiste de um filamento, geralmente de tungstênio, capaz de emitir elétrons quando aquecido, e de um ânodo tubular, em geral de cobre. Os elétrons emitidos pelo cátodo são acelerados em direção ao ânodo por um forte campo elétrico, passam por ele, são focados e atingem a peça a ser soldada com velocidades em torno de 0,3 a 0,7 vezes a velocidade da luz, numa área bem reduzida. Este conjunto é montado em uma câmara sob alto vácuo.

  Esse processo produz cordões de solda estreitos, com grande penetração e distribuição de calor bastante concentrada, que resulta em pequenas mudanças metalúrgicas e baixas tensões residuais e distorções na peça soldada, além de boa resistência mecânica. Através de suas características, ele permite soldar facilmente diferentes metais e ligas, numa ampla faixa de espessuras, dependendo do tipo de material, capacidade do equipamento, desenho da junta e procedimento de soldagem.

  Esse processo é considerado especial por ter penetração profunda e cordão de solda muito estreito. A razão penetração/largura varia entre 10/1 e 30/1. A velocidade de soldagem é alta, chegando a 12 m/min, como possui poucas perdas energéticas, sua eficiência é elevada. Provoca pouca distorção e contração na área de solda, apresentando excelente qualidade.

  22.2.3 Equipamentos.

  O equipamento de soldagem por feixe de elétrons consiste de: canhão eletrônico; fonte de energia e câmara de vácuo; que são blindados contra vazamento de raio x; bombas de vácuo; lentes eletromagnéticas para focalização e sistema de movimentação de peças durante a soldagem.

Figura 22.3 Equipamento de soldagem por feixe de elétrons.

  22.2.4 Parâmetros de soldagem.

  Os parâmetros de soldagem de importância na soldagem por feixe de elétrons são: tensão de aceleração; corrente de focalização, corrente do feixe, velocidade de soldagem, vácuo do canhão e distância canhão peça.

  A tensão de aceleração se refere à atração dos elétrons, por sua vez determinada pela diferença de potencial existente entre cátodo e ânodo. Conforme aumenta essa tensão, aumenta também a velocidade dos elétrons. Isso acarreta maior energia cinética nos elétrons, o que resulta em maior penetração e maior temperatura. Assim, é possível soldar materiais com ponto de fusão elevado e obter ZTA’s menores nas soldagens. A tensão normalmente gira em torno de 30 e 180 kV.

  A corrente de focalização é responsável pela criação de um campo magnético que vai interferir com o feixe para que, numa dada distância, obtenha-se o menor diâmetro do feixe na menor área possível, de modo a conseguir a densidade máxima de energia.

  Ao ser gerado, o feixe é geralmente divergente, porém, ao passar e ser submetido à ação do campo magnético, tende a restringir-se, para logo em seguida divergir novamente.

  O ponto de restrição com o menor diâmetro d é o ponto de densidade de potência máxima. Assim, a regulagem da corrente de focalização consiste em fazer alterações na corrente das bobinas até que o ponto de menor diâmetro ocorra exatamente para a distância canhão-peça D, já estabelecida e medida na montagem da peça na câmara. É comum, também, medir-se o diâmetro do foco para controle deste parâmetro. Os diâmetros mais usuais encontram-se na faixa de 0,25 a 0,75mm.

  A corrente do feixe controla a quantidade de elétrons que atingem a peça, influenciando diretamente a forma do cordão obtido. Além disso, como é o produto V x I que determina a potência do feixe, torna-se difícil explicar a importância isolada da corrente, sem citá-la no contexto global dos parâmetros. Em geral as correntes usadas são da ordem de 50 a 1.000 mA.

  A velocidade de soldagem influencia a geometria do cordão, principalmente a profundidade de penetração. Mantida a potência do feixe, um aumento na velocidade diminuirá sensivelmente a penetração. Embora a tensão também seja um fator de influência, a penetração é mais facilmente ajustada pela velocidade. Embora não influencie diretamente a soldagem, o canhão deve sempre trabalhar a partir de nível

  • 4

  mínimo de vácuo de 10 bar, para que os elétrons possam ser mais facilmente liberados e transportados.

  A distância canhão-peça influencia diretamente a tensão e a corrente de focalização. A influência sobre a tensão deve-se ao fato de que, se a distância é maior, a chance de o feixe dispersar-se também aumenta. Deve-se, então, aumentar a tensão sob risco de não se obter a penetração desejada. A influência sobre a corrente de focalização se explica porque se a distância canhão-peça aumentar, a distância entre as bobinas e o ponto focal também aumentará e será necessária uma corrente diferente nas bobinas para obter a focalização adequada.

22.3 Brasagem.

  O termo brasagem engloba um grupo de processos de união que utiliza um metal de adição de ponto de fusão inferior ao do metal de base. Como consequência, o processo é realizado a uma temperatura na qual as peças sendo unidas não sofrem nenhuma fusão. Nestes processos, a penetração e espalhamento do metal de adição na junta são conseguidos por efeito de capilaridade. A depender do ponto de vista, a brasagem pode ser considerada como um processo relacionado a soldagem, ou ser considerado um processo de soldagem em que há apenas a fusão do metal de adição.

  São três as variações dos processos de brasagem: a “brasagem forte” que é a brasagem propriamente dita (Brazing, B) e que utiliza metais de adição com temperatura de adição acima de 450 ºC; a brasagem fraca (Soldering, S), em que os metais de adição possuem ponto de fusão abaixo de 450 ºC; e, por fim, a solda brasagem, que utiliza metais de adição similares ao da brasagem, mas seu projeto de junta é similar ao usado em na soldagem por fusão convencional.

  Para que a brasagem tenha boa qualidade é necessário que o metal de adição molhe e se espalhe adequadamente na superfície da junta. A remoção de todas as contaminações presentes na superfície das juntas é essencial para que a brasagem seja efetuada. Essa remoção é feita com a utilização de fluxos ou de atmosfera adequada.

  Para que o brasagem seja bem-sucedida é necessário que o metal de adição apresente boa molhabilidade, que é a propriedade de um liquido se espalhar completamente sobre uma superfície sólida, os fluxos, que podem ser sais, ácidos, material orgânico, etc., se fundem em temperaturas inferiores à do metal de adição, dissolvendo as camadas de óxidos, graxas e outras contaminações. As atmosferas de proteção são inertes ou ativas, estas normalmente redutoras, podendo inclusive, a brasagem, ser feita a vácuo.

  O processo de brasagem geralmente é feito na sequência a seguir: preparação da junta (posicionamento das peças e, quando necessário, colocação do metal de adição e fluxo); aquecimento da região da junta até a temperatura em que a brasagem será realizada; alimentação do metal de adição e do fluxo, caso já não tenha sido feita na etapa de posicionamento da junta; espalhamento do metal de adição pela junta, momento em que o fenômeno da capilaridade é fundamental; e por fim, o resfriamento do conjunto brasado.

  A brasagem forte pode ser subdividida conforme o método de aquecimento que é utilizado, podendo ser: brasagem com tocha (Torch Brasing, TB), brasagem em forno (Furnace Brasing, FB), brasagem por indução (Induction Brasing, IB), brasagem por imersão (Dip Brasing, DB), em que as peças são imersas em banhos de sais ou do metal de adição fundidos para efetuar a sua brasagem, e a brasagem por infravermelho (Infrared Brasing, IB). A brasagem fraca normalmente é realizada através do aquecimento de uma ponta metálica aquecida por resistência elétrica e que é conhecida por “ferro de solda”.

  22.3.1 Aplicação.

  Amplamente utilizada na indústria, a brasagem possui diversas aplicações que variam de peças simples e de baixo custo, fabricadas manualmente, a peças para as indústrias aeronáutica e aeroespacial, que necessitam de equipamentos mais sofisticados. São vantagens da brasagem:

  • Baixo custo para montagens complexas,
  • Simples para a união de grandes áreas,
  • Menores problemas de tensões residuais que em processos de soldagem por fusão,
  • Capacidade de preservar revestimentos no metal de base,
  • Capacidade de unir metais dissimilares,
  • Capacidade de unir metais com materiais não metálicos,
  • Capacidade de unir peças com grandes diferenças de espessura,
  • Grande precisão dimensional das peças produzidas,
  • Peças produzidas requerem pouco ou nenhum acabamento final (quando uma atmosfera protetora adequada é usada), e • Várias peças podem ser produzidas de uma vez (processamento em batelada). A brasagem fraca é extremamente utilizada na indústria eletrônica, na união de conexões elétricas e eletrônicas.

  22.3.2 Fundamentos do processo.

  Uma vez que a brasagem pode ser subdividida em vários processos há relativa variação na forma como pode ser efetuada a união por meio deles. Assim podem ocorrer processos que necessitam de maior controle para obtenção de bons resultados, devido às variáveis que podem tornar tais processos bastante complexos.

  Um fenômeno essencial para a brasagem é da capilaridade, que é a capacidade que um líquido tem de preencher espaços existentes entra as peças a brasar, não havendo necessidade de preparar previamente o perfil das peças, uma vez que elas não serão fundidas. A união é obtida penetração do metal de adição fundido nos espaços existentes entre elas.

Figura 22.4 Efeito capilar ou capilaridade em diferentes folgas.

  A brasagem de qualidade vale-se da propriedade de molhabilidade do metal de adição sobre o material a ser brasado. A molhabilidade necessária para a garantia da qualidade da brasagem necessita que haja alguma afinidade entre o metal de adição e o metal base, além da ausência de graxa e óxidos que são limpos através do fluxo.

  Em adição aos requisitos mecânicos do metal de base na junta brasada, o efeito do ciclo de brasagem sobre o metal de base e sobre a resistência final deve ser considerado. A ligação entre metal de adição e metal de base se dá por difusão, com a formação de ligas intermetálicas na interface entre estes materiais, e é sólida e resistente.

  A preparação da junta para brasagem pode ser complicada, exigindo uma grande precisão dimensional para um espalhamento adequado do metal de adição. A seleção de metal de adição e fluxo/atmosfera pode ser difícil, podendo ocorrer problemas de molhamento inadequado do metal de base, formação de compostos intermetálicos (com degradação das propriedades mecânicas da junta) e até a erosão do metal de base. O processo de brasagem manual com tocha exige, em geral, um operador altamente treinado.

  A distância percorrida pelo metal de adição durante o processo de brasagem pode ser calculada através das equações que são válidas para juntas horizontais e para juntas verticais, respectivamente:

  1/2

  x = (TD ) em que x é a distância brasada num tempo t, D é o espaçamento entre peças, T é a tensão superficial do líquido e μ é a viscosidade do metal líquido.

  ! máx =

  y 2 gD

  "

  em que T é a tensão superficial, R é a densidade do metal líquido, g é a aceleração da gravidade e D é o espaçamento entre as peças, note que essa equação determina um limite máximo para o comprimento da junta.

  As juntas brasadas são, na maioria dos casos, de dois tipos, de topo e sobreposta. As juntas de topo convencionais área de contato limitada para a brasagem, reduzindo a resistência da junta. Dessa forma, torna-se necessário preparar as juntas para melhorar a resistência mecânica da junta. Isto é feito pela biselagem ou pela escalonagem da junta.

  As juntas de topo são mais utilizadas por que proporcionam uma área de interface relativamente extensa entre as peças. Comparando as juntas sobrepostas brasadas com as juntas sobrepostas soldadas temos nas primeiras o metal de adição sendo ligado aos metais de base por toda a interface entre as peças, em vez de apenas no cordão de solda, quando este é obtido por fusão, ou em pontos discretos, quando obtidos por soldagem por pontos.

  Seguem alguns exemplos de juntas para brasagem:

Figura 22.5 (a) junta de topo convencional e adaptações de junta de topo para brasagem; (b) junta biselada; (c) junta escalonada; (d) aumento da seção transversal da peça. Adaptado.Figura 22.6 (a) junta sobreposta convencional e adaptações da junta sobreposta para brasagem; (b) peças cilíndricas; (c) peças ensaduichadas (imprensada) e (d) uso de luva para

  uma junta de topo em uma junta sobreposta. Adaptado.

Figura 22.7 Mais exemplos de juntas brasadas.

  22.3.3 Processos de Brasagem A brasagem admite alguns processos que são relacionados às fontes de calor necessárias à soldagem. Os processos são brasagem por: maçarico, forno, indução, resistência, imersão e infravermelho. Dentro da classificação de processos de soldagem por energia radiante, trataremos apenas dos processos de brasagem em forno, imersão e infravermelho.

22.3.3.1 Brasagem por forno

  A brasagem por forno utiliza fornos a gás, a óleo ou elétricos; é muito utilizada em algumas situações: quando as peças a serem brasadas podem ser pré-montadas em sua posição correta; quando o metal de adição é colocado previamente na junta; no caso de várias juntas serem formadas simultaneamente para completar o conjunto; quando formas complexas são aquecidas uniformemente para prevenir distorções; e no caso de haver grande número de peças ou conjuntos pequenos. É adequado para a produção de peças relativamente pequenas e massa de até 2 kg.

  A brasagem por forno exige o uso de uma atmosfera adequada para proteger as peças contra oxidação. A principal vantagem da brasagem por forno sobre os outros processos de brasagem é que é possível usar uma variedade de atmosferas de proteção, como atmosfera exotérmica, endotérmica ou de nitrogênio, que pode ser líquido.

  Em razão de a atmosfera protetora ter a capacidade de reduzir alguns óxidos como o óxido de ferro, não há a necessidade da utilização de fluxos. Outra vantagem da brasagem por forno é a possibilidade de brasar grandes quantidades de peças, reduzindo o preço unitário. A brasagem por forno é mais eficiente e econômica quando se trata de grandes quantidades de peças.

  Uma das limitações da brasagem por forno é a alta temperatura requerida para brasar alguns materiais, como aços, principalmente quando o metal de adição é o cobre. O custo do forno e do gerador de atmosfera é alto se comparado aos equipamentos utilizados nos outros processos; por isso, a compra de um forno para produzir pequenos lotes deve ser bem planejada, pois outro processo pode ser mais econômico.

  Outra limitação é a atmosfera de proteção, que contém componentes tóxicos e gases combustíveis capazes de provocar incêndios e explosões. A brasagem por forno requer quatro operações básicas: limpeza, montagem e fixação, brasagem e resfriamento. A limpeza, geralmente, é limitada à remoção de óleos utilizados na operação de usinagem. Os métodos preferidos para a limpeza são os produtos alcalinos ou solventes. Deve-se tomar o cuidado de sempre remover os produtos alcalinos antes de executar a brasagem.

  Na montagem e fixação, os componentes para a brasagem por forno são geralmente projetados para evitar a necessidade de dispositivos de fixação; no entanto, é possível, ocasionalmente, utilizar dispositivos.

  Neste processo, as peças são colocadas na câmara do forno onde são aquecidas sob uma atmosfera adequada. Quando as peças atingem a temperatura de fusão do metal de adição, este molha e flui sobre a superfície, penetrando na junta por ação capilar.

Figura 22.8 Brasagem em forno.

  Após o tempo de brasagem, as peças são transportadas para a câmara de resfriamento, onde são resfriadas sob atmosfera protetora. Os fornos para brasagem são classificados em quatro grupos: forno intermitente, em que as peças são carregadas e descarregadas manualmente; forno contínuo, que apresenta transporte automático das peças; forno retorta, em que as peças são colocadas em uma retorta, aquecida no forno depois que o ar contido nela é purgado com uma atmosfera protetora e resfriada a vácuo após o tempo de brasagem; e forno a vácuo, que permite dois tipos de brasagem: alto vácuo e baixo vácuo. Alto vácuo é adequado para brasagem de metais que tenham óxidos de difícil remoção, como níquel e superligas; baixo vácuo é indicado quando o metal de base ou metal de adição é volátil na temperatura de brasagem.

  Quando comparada com outros processos, a brasagem a vácuo apresenta as seguintes vantagens: o vácuo remove essencialmente todos os gases da área de brasagem,

  • 5

  o que elimina a necessidade de purga; um sistema a vácuo pode ser usado a 10 torr, contendo até a quantidade aproximada de 0,000001% de gases residuais.

22.3.3.2 Brasagem por imersão

  A brasagem por imersão pode ser feita segundo dois métodos: brasagem em banho de metal fundido e brasagem por imersão com banho químico. O banho de metal fundido é normalmente limitado à brasagem de pequenos conjuntos. Um cadinho de dimensões adequadas, geralmente feito de grafite, é aquecido externamente até a temperatura necessária para manter o metal de adição no estado líquido. O método de aquecimento deve ser tal que a temperatura do banho não fique abaixo da temperatura de brasagem quando as peças forem introduzidas. Uma cobertura de fluxo é mantida sobre o banho. As peças devem estar limpas e protegidas por um fluxo antes de serem introduzidas no banho e devem estar presas, firmes e seguras. Quando retiradas do banho, é importante deixar o metal de adição se solidificar completamente.

  Esse método é apropriado para a produção em massa de peças, necessitando de menor tempo de aquecimento do que o de brasagem em forno. As peças devem estar bem fixadas e unidas para a imersão e os sais não devem ficar retidos nas juntas. Os sais podem sera base de cloretos ou cianetos.

  O banho químico fundido requer um contêiner metálico ou cerâmico para o fluxo e um método de aquecimento para elevar a temperatura do fluxo até a temperatura de brasagem. O aquecimento pode ser externo, aplicado com um maçarico, ou interno, com uma resistência elétrica. Um terceiro método, por indução, também pode ser usado para aquecimento externo do fluxo. Para manter o fluxo dentro da faixa de temperatura são necessários controles. As dimensões do banho devem ser de tal forma que a imersão das peças para brasar não esfrie o fluxo abaixo da temperatura de brasagem.

Figura 22.9 Banho químico.

22.3.3.2 Brasagem por infravermelho

  A brasagem por infravermelho pode ser considerada uma forma de brasagem por forno, em que o calor é gerado por radiação invisível de alta intensidade por meio de lâmpadas de quartzo capazes de provocar uma energia radiante de até 5.000W. Para concentrar a radiação no local da brasagem usam-se refletores. O calor é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte.

  No caso de brasagem a vácuo ou com utilização de gás inerte, as peças montadas e as lâmpadas são colocadas em uma redoma ou retorta que pode ser evacuada ou purgada com gás inerte; as peças são, então, aqueci das e a temperatura é controlada durante todo o processo.

  22.3.4 Consumíveis A brasagem pode ser executada com ou sem o uso de fluxo, dependendo da liga de adição e do metal de base. No caso de brasagem sem fluxo, utilizam-se ligas autofluxantes; a soldagem sem fluxo é possível desde que se use proteção gasosa ou vácuo. A brasagem a vácuo, geralmente, é usada para aplicações em metais cujos óxidos são estáveis, como: alumínio, titânio e aços inoxidáveis.

  As ligas autofluxantes mais comuns são as ligas de cobre-fósforo (CuP) e cobre- fósforo-prata (CuPAg), conhecidas como foscoper ou silfoscoper, usadas sobre cobre puro; o fósforo tem a função de fluxo, desoxidante e metal de base Cu. Estas ligas não

  2

  3 são recomendadas para ligas ferrosas, pois formam compostos frágeisFe P e Fe P.

  Aços-carbono e cobre podem ser brasados sem fluxo pelo uso de atmosferas protetoras, uma vez que tanto o aço com baixo teor de carbono quanto o cobre podem ter seus óxidos superficiais facilmente reduzidos por atmosferas contendo hidrogênio ou CO, na temperatura aproximada de 800°C.

  Para garantir uma solda de boa qualidade é necessária a utilização de um fluxo adequado, capaz de efetuar a limpeza química das peças a serem brasadas, proteger o metal líquido e as superfícies limpas durante o processo de aquecimento.

  Os fluxos para solda branda podem estar em estado sólido, líquido ou gasoso. Um método funcional de classificação dos fluxos é baseado na propriedade de remover metal oxidado; assim, os fluxos se classificam em três grupos: fluxos inorgânicos ou mais ativos, fluxos orgânicos ou de moderada atividade, e fluxos resinosos.

  Os fluxos inorgânicos incluem os ácidos inorgânicos e os sais; são utilizados com excelentes vantagens em casos em que as condições exigem rápida e alta ação do fluxo e podem ser aplicados como soluções, pasta ou sais secos.

  Os constituintes típicos dos fluxos inorgânicos são: cloreto de zinco, cloreto de amônia, cloreto de estanho, ácido clorídrico, ácido fosfórico e outros cloretos. Os fluxos ativos são, particularmente, úteis em aplicações onde a quantidade certa de fluxo pode ser usada e onde uma quantidade de calor possa ser utilizada para decompor totalmente os elementos corrosivos.

  Os fluxos orgânicos são menos ativos do que os inorgânicos; são eficientes na temperatura de 90°C a 320°C e se compõem de ácidos orgânicos e bases. São ativo: na temperatura de brasagem, mas este período de atividade é muito curto por causa de sua decomposição térmica e da tendência de volatizar, carbonizar ou queima: quando aquecido a certa temperatura. Se utilizados corretamente, os resíduos são relativamente inertes e podem ser removidos com água.

  Os constituintes típicos dos fluxos orgânicos são: ácido abiético, etiletilena diamina, ácido oleico e ácido octodecanoico. Os fluxos resinosos apresentam propriedades físicas e químicas que os tornam adequados para uso na indústria elétrica. São ativos na temperatura entre 117°Ce 316°C; seu resíduo é duro, não higroscópico, possui alta resistência elétrica e não é corrosivo.

  Os fluxos podem ser aplicados de quatro maneiras: o metal de adição aquecido pode ser mergulhado no fluxo e transferido à junta durante a soldabrasagem; o fluxo pode ser colocado na junta antes de se executar a soldabrasada; o metal de adição pode ser revestido com fluxo; o fluxo pode ser introduzido pela chama oxigás.

  Os metais de adição comercialmente utilizados contêm aproximadamente 60% de cobre e 40%de zinco. Ligas com pequena quantidade de estanho, ferro, manganês e silício melhoram as características de fluidez, diminuem a volatilização do zinco, eliminam o oxigênio e aumentam a resistência e a dureza. Metal de adição com 10% de níquel tem coloração branca e maior resistência na solda, como é o caso da alpaca.

  Para os aços doces o metal de adição é o cobre, para o cobre, aços inoxidáveis e para as ligas de níquel são utilizadas ligas de Cu-Zn e Cu-Sn; para materiais ferrosos e não ferrosos com alto ponto de fusão são usadas ligas de Ag; ligas de Ni são utilizadas para aços inoxidáveis; para as ligas de alumínio os metais de adição são ligas de Al-Si e para ligas de magnésio utilizam ligas de Mg.

  Exercícios 1. Defina brasagem.

  2. Quais são as principais aplicações dos processos de brasagem?

  3. Quais são os principais fenômenos presentes nos processos de soldagem?

  4. Como pode a brasagem ser diferenciada da soldagem por fusão?

  5. Quais são as principais aplicações da brasagem?

  6. O que é capilaridade?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p.

  (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

  (5) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Traduçãp de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

23 Processos de soldagem no estado sólido.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem no estado sólido de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  23.1 Introdução.

  Os processos de soldagem no estado sólido são aqueles que possuem como características principais a utilização de esforços mecânicos (pressão), ou mecânicos e térmicos (pressão e calor) para promover a união de metais, sendo que, para o segundo caso, o calor não é suficiente para fundir os componentes a serem soldados, nesses processos não são utilizados metal de adição, ocorrendo, portanto, uma união autógena.

  Como resultado da soldagem ocorre uma pequena região de fusão ou até mesmo nenhuma fusão. Possuem algumas vantagens em relação aos processos de soldagem por fusão, principalmente quando não há nenhum tipo de fusão em seu processo, pois desta forma não há formação de ZTA, mantendo, assim, suas propriedades mecânicas originais. São exemplos desses processos de soldagem por fricção, por pressão a quente, por forjamento, por laminação, por difusão, por explosão e por ultrassom.

  23.2 Soldagem por Fricção

  A soldagem por fricção, também conhecida como soldagem por atrito, é um processo de soldagem no estado sólido que utiliza o atrito para gerar calor entre as faces das peças em contato que serão soldadas.

  Esse processo converte energia mecânica diretamente em energia térmica para realizar a soldagem; dessa forma, não necessita de outra fonte de energia ou calor, o aquecimento produzido causa a ligação entre as partes a serem soldadas. Esse aquecimento é devido à rotação de uma das partes pressionada sobre a outra, que é mantida fixa.

  A soldagem é feita em poucos segundos, a solda é de alta resistência e a zona termicamente afetada é relativamente estreita. A soldagem de fricção (Friction Welding, FW), após o aquecimento adequado da junta, a peças são pressionadas para a formação da junta. A figura 1 ilustra a soldagem por fricção. O processo é, em geral, usado para a soldagem de peças de simetria cilíndrica (tubos e barras), que podem ser de metais dissimilares. O processo pode também ser aplicado, através da rotação e pressão de uma barra contra a superfície de uma peça, para a deposição de revestimentos especiais sobre essa peça ou a soldagem de um pino no interior desta. Na década de 90 foi desenvolvido um processo de soldagem por fricção ("Stir Friction Welding”) que utiliza a passagem de uma ferramenta em rotação entre as faces da junta para realizar a união das peças. Este processo tem sido aplicado principalmente na soldagem de ligas de alumínio.

Figura 23.1 Processo de soldagem FW: (a) Um membro é colocado em rotação, (b) inicia-se a força de compressão, (c) inicia-se a formação da solda e (d) a solda é completada.

  Propriedades mecânicas da solda

  Como não há fusão do metal a ser soldado ou mesmo contaminação com a atmosfera, as propriedades mecânicas da solda são próximas daquelas do metal original. A variação de dureza ao longo da zona termicamente afetada é muito pequena, quando esta se forma. A resistência à fadiga também é pouco afetada, principalmente se o material for temperado e revenido após a soldagem.

  23.2.1 Aplicação.

  A soldagem por atrito oferece a possibilidade de soldagem de materiais similares e dissimilares, com pontos de fusão diferentes, pois a soldagem não resulta de fusão, e sim de caldeamento, o caso de materiais com baixo coeficiente de atrito, a soldagem fica difícil, como bronze e latão com mais 0,3% de chumbo.; para ferros fundidos existe ainda um agravante, a grafita, que tem ação lubrificante. Isso também ocorre com os aços ao sulfeto de manganês, que apresentam uma fase distinta e quebradiça na estrutura.

  Este processo de soldagem, muitas vezes, é utilizado por questões econômicas, para fabricar peças com juntas de materiais similares, enquanto a soldagem de juntas de materiais dissimilares é normalmente utilizada quando não há outro método de soldagem alternativo.

  As áreas de aplicação do processo de soldagem por atrito são o setor automobilístico, indústrias aeroespaciais, de ferramentas, de bombas, de refrigeração, de válvulas para motores de combustão direta, petrolífera (soldagem subaquática), militar, agrícola e empresas de perfuração e sondagem.

  23.2.2 Fundamentos do processo.

  Por se tratar de um processo de soldagem no estado sólido, a soldagem por atrito visa unir materiais por meio de caldeamento e aplicação de pressão. O calor é gerado pelo atrito proveniente do movimento das superfícies em contato. Nesse processo de soldagem não são utilizados o metal de adição, o fluxo ou o gás de proteção.

Figura 23.2 Soldagem por fricção linear. (1) peça girando sem contato; (2) peças em contato para geração de calor de atrito; (3) rotação interrompida e aplicação de pressão axial e (4) solda pronta.

  Os passos básicos da soldagem por atrito são: uma das peças é estacionária, enquanto a outra sofre giro em velocidade de rotação apropriada; uma força axial é aplicada e as peças são pressionadas uma contra a outra; o calor gerado pelo atrito faz aumentar a temperatura nas superfícies até o nível necessário para haver o caldeamento e a deformação plástica. Neste momento, a peça que está em movimento giratório fica parada e aplica-se uma pressão responsável pelo forjamento; consequentemente há a formação de rebarba, e a peça é resfriada naturalmente. As figuras esquemáticas a seguir demonstram os passos básicos da soldagem por atrito.

Figura 23.3 Detalhes microscópicos da soldagem por fricção linear.

  Na soldagem por atrito, a energia cinética é convertida em calor por meio do atrito entre as partes, o qual é absorvido por dissipação de calor pelas regiões imediatamente próximas às superfícies em contato; uma pressão é aplicada e a ação da força centrífuga faz o metal fluir para fora dos limites da peça sob a forma de rebarba, arrastando os óxidos superficiais existentes.

  A sequência de imagens a seguir (da esquerda para a direita, de cima para baixo) demonstra a realização da soldagem por atrito por impulsão direta.

Figura 23.4 Solda de ponta de eixo em carcaças estampadas.

  Este processo também pode ser compreendido através da figura a seguir:

Figura 23.5 - Etapas do processo de soldagem por atrito convencional. a- o mandril é girado até obter a rotação desejada. b- o cabeçote é aproximado do mandril, aplicando-se a pressão. c- fase de

  

aquecimento - a rotação e a pressão são mantidas por um certo tempo. d- fase de forjamento - terminada a

rotação, mantém-se ou aumenta-se a pressão por um certo tempo.

  Duas variações são utilizadas na soldagem por fricção, a soldagem por impulsão direta ou convencional, e a soldagem por impulsão inercial. Na soldagem por impulsão direta, também chamada de processo de soldagem por fricção convencional ou de arraste contínuo, uma das peças é estacionária e a outra recebe um movimento giratório de um motor elétrico; a peça giratória movimenta-se a uma velocidade constante e predeterminada durante todo o processo. Assim, as peças são aproximadas; quando as superfícies chegam à temperatura adequada, o movimento de rotação é interrompido por um freio e uma pressão é aplicada.

  No método de impulsão inercial, também conhecido como processo de soldagem por inércia, uma das peças é estacionária, enquanto a outra é conectada a um volante que é acelerado a uma velocidade predeterminada, de modo a armazenar a energia. Em seguida, o motor é desligado e as peças são aproximadas por pressão axial. Quando as peças são friccionadas, o calor é gerado nas superfícies a serem soldadas e a velocidade do volante decresce até cessar o movimento, quando se aplica uma pressão final.

  23.2.3 Equipamentos.

  O equipamento básico para soldagem por fricção consiste de cabeçote de fixação das peças, sistema para produzir o movimento de rotação e sistema para aplicação de forças axiais de pressão, como mostrado na figura . O equipamento para impulsão direta é composto de motor, freio, embreagem e placa para fixar a peça que se movimenta e um eixo no qual está fixada a peça estacionária. O equipamento para impulsão inercial é composto de motor, volante, placa para fixar a peça e eixo fixo.

Figura 23.6 Equipamento para soldagem por fricção (esquemáticos): (a) por arraste contínuo e (b) por inércia.

  23.2.4 Parâmetros de soldagem.

  A eficiência do processo de soldagem por atrito e a qualidade da junta soldada são parâmetros de soldagem que dependem principalmente da velocidade das superfícies em atrito e da força axial aplicada enquanto as peças estão aquecidas. Outro parâmetro a ser considerado é a deformação plástica das superfícies de atrito.

  Além desses fatores, devem ser citados: a temperatura, diretamente responsável pela qualidade da união; o estado das superfícies antes de iniciar o processo no que se refere à limpeza e à oxidação; a forma das peças; o tempo e a pressão de atrito; o tempo e a pressão de forjamento; o instante da aplicação do freio; o instante em que começa o forjamento; e o método pelo qual o processo é executado. Os cinco fatores que influenciam diretamente a qualidade da solda são: a) velocidade relativa entre as superfícies de contato;

  b) aplicação de pressão;

  c) temperatura das superfícies que serão soldadas;

  d) propriedades dos materiais de base; e) condição das superfícies a serem soldadas, inclusive a presença ou não de filmes nessas superfícies. Os fatores "a', "b" e "c" dizem respeito ao processo de soldagem, enquanto "d" e "e" estão relacionados às propriedades dos materiais envolvidos na junta a ser soldada. O item "c", no entanto, também é um parâmetro crítico para a obtenção de uma solda de qualidade no processo de soldagem por atrito que está relacionada tanto às condições do processo como também às propriedades dos materiais a serem unidos.

Figura 23.7 Macrografia de solda de ponta de eixo em (a raças estampadas. Materiais: A - SAE 1045 (#16mm) e B - SAE 1022 (#14mm)

  O comportamento dos parâmetros de soldagem em função do tempo de duração do processo pode ser demonstrado por gráficos, que consideram a velocidade angular da peça com rotação, o tempo e a pressão de atrito, o tempo e a pressão de forjamento, o instante em que se aplica o freio e o instante em que começa o forjamento.

  Os efeitos das variáveis de soldagem na interface, o formato do caldearnento e as rebarbas formadas são influenciados pela energia, pela pressão aplicada e pela velocidade de soldagem.

Figura 23.8 efeitos das variáveis soldagem.

  A velocidade de rotação normalmente utilizada é da ordem de 600rpm, enquanto as pressões de aquecimento e de soldagem estão, respectivamente, nas faixas de 30 a 60 MPa e de 80 a 155 MPa.

  Quando se trabalha com um tempo de atrito muito curto, existe a facilidade de obter inclusão de óxidos e porosidades; um tempo de atrito muito longo facilita o excesso de fusão de material, podendo surgir pontos de fase líquida. Qualquer anormalidade do processo compromete a qualidade do trabalho.

  23.2.5 Friction Stir Welding (FSW) O processo de soldagem por atrito linear é um processo de soldagem no estado sólido que produz soldas de alta qualidade em materiais de difícil soldabilidade, como o alumínio. Uma ferramenta rotativa é introduzida ao longo da linha de união entre as peças sendo soldadas, gerando calor de atrito e agitação mecânica do metal para formar uma solda de costura.

  As soldas realizadas por esse processo são obtidas por deformação plástica localizada para produzir juntas soldadas com excelentes propriedades mecânicas em relação àquelas alcançadas com soldas por fusão. As soldas obtidas são livres da ocorrência de muitos dos problemas existentes nos processos de soldagem tradicionais.

  A soldagem por atrito linear utiliza uma ferramenta rotativa não consumível que se move ao longo da junta a ser soldada, entre os dois componentes da junta (quando em junta de topo) ou sobre os dois componentes da junta (quando em junta sobreposta), resultando em uma solda de alta qualidade.

  O processo de soldagem por atrito linear é uma variação do processo de soldagem por atrito, este processo, a solda é produzida entre duas peças por meio do aquecimento gerado por atrito e por deformação plástica. A soldagem ocorre na fase sólida, abaixo do ponto de fusão dos materiais a serem unidos.

  O atrito e a deformação plástica são causados pelo pino da ferramenta não consumível inserido em uma das laterais da peça de trabalho na junta a ser soldada. Esse pino, em alta velocidade de rotação, movimenta-se linearmente ao longo da junta. Ao redor do pino, forma-se uma região onde o material das peças encontra-se em estado de deformação plástica; esse material que é movimentado por causa da rotação do pino é levado para trás do pino ao mesmo tempo que é contido na junta pelo ombro da ferramenta.

  Em casos onde é requerida a penetração total, é necessário utilizar uma chapa como cobre-junta para impedir que a solda seja expelida para fora da junta pela face da raiz.

  Ao término da soldagem, quando o pino da ferramenta é retirado da peça, o furo onde ele estava inserido é deixado na peça. Esse furo, se necessário, é preenchido por outro processo de soldagem alternativo.

  Os materiais que podem ser soldados por esse processo são: cobre, chumbo, magnésio, zinco e ligas de titânio, assim como aço e aço inoxidável. Esse método de soldagem autógena tem sido utilizado com sucesso na soldagem de ligas de alumínio das séries 2.000, 5.000 e 6.000. Permite a soldagem da maioria das ligas de alumínio, evitando problemas comuns a processos de soldagem por fusão, como: trincas a quente, perda de elementos químicos e porosidade.

  No ambiente de soldagem não há riscos de radiação ultravioleta e eletromagnética devido à ausência de arco elétrico; além disso, o processo não gera respingos ou fumos. A ferramenta rotativa é escalonada, consistindo de uma base, chamada de ombro cilíndrico, e de um pequeno pino projetado abaixo dele. Ferramentas com pinos especialmente projetados e ombros de configurações otimizadas são utilizados em várias aplicações industriais para obtenção de resultados específicos.

Figura 23.9 Exemplos de diferentes formatos de pinos utilizados na soldagem por atrito linear.

  Os materiais utilizados na fabricação das ferramentas de soldagem por atrito linear devem oferecer elevada resistência ao desgaste e boas propriedades estáticas e dinâmicas quando submetidos a altas temperaturas.

Figura 23.10 Soldagem por atrito linear.Figura 23.11 (1) ferramenta rotativa antes do processo de alimentação na junta; (2) costura da solda parcialmente preenchida. N é a rotação da ferramenta; f é a alimentação da ferramenta.Figura 23.12 Mecanismo esquemático da soldagem por atrito linear.Figura 23.13 Soldagem por atrito linear e regiões da junta soldada. A - material base (não afetado) B -

  

zona termicamente afetada (ZTA) C - zona afetada termomecanicamente D - núcleo de solda (nugget) (e

parte da zona afetada termomecanicamente)

  Este processo é muito utilizado na fabricação de estruturas de transporte leves como aviões, trens, automóveis e barcos.

  23.2.6 Friction hydro pilar processing (FHPP) Este processo consiste de duas etapas: uma primeira de furação e uma segunda de enchimento. Nesta última, o consumível ou material de enchimento, equivalente ao material a ser reparado, é posto primeiramente em rotação e em seguida introduzido axialmente dentro da cavidade previamente aberta. Devido ao contato inicial do consumível com o fundo da cavidade, calor será gerado por fricção, promovendo assim o escoamento do material plastificado ao longo do plano de cisalhamento na base do consumível. Assim, com uma escolha apropriada de pressão e velocidade relativa, os planos de cisalhamento são induzidos a mover-se axialmente, de forma que o material de adição entre em contato íntimo com a parede interna da cavidade. Devido à fricção e deformações a que o material é submetido, a solda acontece entre as paredes da cavidade e o consumível, num tempo entre 5 e 20 segundos, dependendo do material, da velocidade relativa, da pressão axial e da profundidade da cavidade.

Figura 23.14 "Friction hydro pilar processing" (esquemático)Figura 23.15 Macrografia mostrando a sequência de deposição de metal

  Como o consumível sofre intenso trabalho a quente e severas deformações, uma refinada microestrutura conseqüentemente será formada, alterando assim as propriedades estáticas e dinâmicas do material. Entretanto, essa estrutura poderá ainda ser modificada por posterior tratamento térmico, para que as propriedades mecânicas desejadas sejam alcançadas. Deve ser considerado também que todo o processo acontece com ausência de fusão macroscópica, ou seja, ocorre inteiramente em estado sólido. Assim, todos os problemas associados com a fusão e solidificação do material, particularmente absorção e evolução de hidrogênio e nitrogênio, são reduzidos significativamente ou até mesmo completamente eliminados.

  23.2.7 Costura por fricção ("Friction stitch welding") A costura por fricção usa o método FHPP, para o reparo de trincas. O processo se caracteriza por produzir uma série de soldas sobrepostas, em um ou mais passes até que a trinca seja completamente restaurada.

Figura 23.16 Esquema da costura por fricção com pontos alinhadosFigura 23.17 Esquema da costura por fricção com pontos intercalados

  Duas técnicas diferentes podem ser usadas na soldagem de costura por fricção: a primeira envolve um consumível e uma cavidade de formato cônico, usada para reparos de estruturas de parede fina, uma vez que as forças envolvidas são melhor distribuídas. A segunda envolve uma configuração cilíndrica, na qual as forças atuantes são maiores porque são concentradas no fundo da cavidade. Em ambas as técnicas, a qualidade da união entre a superfície da cavidade e o consumível é excelente.

Figura 23.18 Variações do processo FHPP - cônica e cilíndrica

  As principais aplicações da soldagem de costura por fricção são os reparos de estruturas "offshore", reparos de oleodutos submarinos, manutenção e reparos de trincas na indústria nuclear.

23.3 Soldagem a frio.

  O processo de soldagem a frio (Cold Welding - CW), também conhecido como soldagem por pressão, ocorre pelo forte pressionamento de peças lisas e polidas, uma contra a outra, à temperatura ambiente. A união baseia-se na eliminação da interface entre as peças, pela quebra e expulsão das camadas oxidadas e contaminadas das superfícies em contato. A quebra expõe as superfícies internas dos metais a serem soldados, facilitando o contato entre elas e gerando forças interatômicas suficientes e necessárias para formar a solda. A união é feita no estado sólido.

  A soldagem a frio baseia-se na destruição da superfície das peças, abrindo as camadas oxidadas e contaminadas na área de solda. Por fornecer várias opções de técnicas de fabricação, há muitas variações de processos a frio. A solda pode ser executada pela deformação de uma dobra, expulsão, etc.

  Neste tipo de solda as duas chapas são sobrepostas e a direção que o material “escorre” é perpendicular a direção de pressão. A espessura sofre uma redução e a junta é formada. As soldas são produzidas de forma anular, ponto ou linhas.

  23.3.1 Aplicação.

  Este processo é usado em aplicações específicas e o custo de desenvolvimento de um produto é, em geral, muito alto. Sua principal aplicação é a união a frio de metais não ferrosos, particularmente cobre e alumínio. Uma aplicação típica deste método é a fabricação de congeladores de alumínio.

  A solda a frio por pressão é restrita a materiais não ferrosos ou, na melhor das hipóteses, ferro macio que não contém carbono. A maioria dos metais não ferrosos pode ser soldada a frio e, embora o cobre e o alumínio sejam os mais comuns, várias ligas como Aldrey, Triple E, Constantan, latão 70/30, zinco, prata e de prata, níquel, ouro e muitos outros têm boa soldabilidade. Arames chapeados, incluindo cobre estanhado, prateados e niquelados, todos podem ser soldados entre si ou a cobre simples.

  O custo do processo pode ser relativamente elevado, pois depende do número de peças a unir e do equipamento necessário. A maioria das aplicações é para a união de materiais não ferrosos.

Figura 23.19 Uma seção transversal de uma área soldada mostrando um vergalhão de cobre de 8 mm de diâmetro unida a um vergalhão de alumínio de 9,5 mm de diâmetro.

  23.3.2 Fundamentos do processo.

  Neste método as extremidades de duas barras de metais de diâmetro iguais ou diferentes são unidas com interferência. As duas barras serão colocadas num dispositivo ou máquina que tem grampos apropriados e a força de compressão é aplicada axialmente causando uma expansão das superfícies em contato formando um “bulbo”. As barras serão mantidas unidas até que o contato da superfície seja alcançado em tamanho predefinido.

  A resistência da junta aumenta à medida que o contato das superfícies expande e até que ela alcance a resistência frágil dos dois materiais usados. Na soldagem a frio de topo um ou mais passos de projeção podem ser necessários. O parâmetro para caracterizar a solda é o parâmetro de extensão da superfície, Vº.

  A pressão pode ser aplicada de forma mecânica, hidráulica ou pneumática.

Figura 23.20 Soldagem por pressão a frio.

  Dependendo do material, espessuras entre 0,1 mm até 15 mm, podem ser soldadas.

  Soldagem por amassamento.

Figura 23.21 Soldagem por amassamento, variação da soldagem a frio.

  A técnica é frequentemente mais usada para metais não ferrosos (cobre e alumínio).

  23.3.3 Equipamento O equipamento necessário para a soldagem a frio inclui um sistema mecânico ou servo-hidráulico para a aplicação da pressão, de um sistema de controle e um dispositivo para polir as peças.

Figura 23.22 Equipamento de soldagem a frio.

  23.3.4 Técnica operatória Existem várias técnicas para a soldagem a frio e o processo pode ser executado por deformação, por expulsão, por extração e por rotação.

  Na soldagem em juntas sobrepostas, as duas chapas são sobrepostas e a direção que o material deforma é perpendicular à direção de aplicação de pressão. A espessura sofre uma redução e a junta é formada. A pressão pode ser aplicada de forma mecânica ou hidráulica.

  Na soldagem de topo as extremidades de duas barras metálicas de diâmetro iguais ou diferentes são unidas com interferência. As duas barras são colocadas num dispositivo ou máquina que tem grampos apropriados e a força de compressão é aplicada axialmente, causando uma expansão das superfícies em contato. As barras são mantidas unidas até que o recalque das peças seja alcançado, em um comprimento pré-definido.

  A soldagem por amassamento é utilizada quando necessita de um tamanho determinado interna e externamente. É uma técnica usada para metais não ferrosos (cobre e alumínio).

Figura 23.23 Técnica de soldagem a frio.

  Exercícios 1. Defina soldagem no estado sólido.

  2. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem por atrito?

  3. Quais são os princípios da soldagem por atrito?

  4. Quais são as variantes do processo de soldagem por atrito?

  5. Como ocorre a soldagem a frio?

  6. Quais são as aplicações da soldagem a frio?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p. (5) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. (6) http://edisoncarlos.xpg.uol.com.br/soldagem_arquivos/11.pdf ; acessado em 22/02/2017 às 11 h e 33 min.

  (7) http://www.coldpressurewelding.com/pt/home-portuguese/what-is-cold- pressure-welding ; acessado em 24/02/2017 às 22 h 19 min. (8) http://revistas.unitau.br/ojs-2.2/index.php/exatas/article/viewFile/366/481 ; acessado em 24/02/2017 às 23 h e 32 min.

24 Processos de soldagem no estado sólido.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem no estado sólido de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  24.1 Introdução.

  Os processos de soldagem que serão vistos nesta aula, também fazem parte daqueles efetuados no estado sólido, como a soldagem por fricção e a soldagem a frio, vistas na última semana.

  24.2 Soldagem por Forjamento

  A soldagem por forjamento é provavelmente o mais antigo processo de fabricação, com indícios de sua utilização há, pelo menos, 3.000 anos. Foi muito utilizada pelos ferreiros na Antiguidade para unir peças metálicas.

  24.2.1 Aplicação.

  Possui interesse histórico, sendo atualmente utilizado em aplicações restritas.

  24.2.2 Fundamentos do processo.

  É um processo em que os componentes que serão unidos são aquecidos em temperaturas de trabalho a quente, sendo forjados juntos com a utilização de um martelo ou através de outros meios. Depende da habilidade do ferreiro para a obtenção de soldas de qualidade.

  24.2.3 Equipamentos.

  São utilizados como equipamentos para a soldagem: forja para promover o aquecimento dos metais a serem soldados, martelo e bigorna para efetuar o forjamento.

Figura 24.1 Peça sendo forjada.

  24.3 Soldagem por forjamento a frio.

  O processo de soldagem a frio (Cold Welding, CW), também conhecido como processo de soldagem a frio ou por pressão a frio, estudado na aula passada é uma variação da soldagem por forjamento.

  24.4 Soldagem por pressão a quente.

  O processo de soldagem por pressão a quente (Hot Pressure Welding, HPW), também é uma variação do processo de soldagem por forjamento em que o coalescimento se dá pela aplicação de calor e pressão suficientes para causar uma considerável deformação dos metais de base, essa deformação rompe a superfície do filme de óxido, deixando o metal limpo, estabelecendo a ligação entre as peças. Para que isso ocorra, é necessário tempo para que se efetive um processo de difusão nas peças em atrito.

  24.3.1 Aplicação.

  Suas principais aplicações se concentram na indústria aeroespacial.

  24.3.2 Equipamento.

  Geralmente a soldagem é feita em uma câmara de vácuo ou em presença de um meio protetor.

  24.5 Soldagem por laminação.

  A soldagem por laminação (Roll Welding, ROW) é outro processo derivado da soldagem por forjamento. É um processo em que a pressão suficiente para provocar o coalescimento é aplicada por meio de rolos, com ou sem aplicação de calor. Há duas variações: a soldagem por laminação a frio, quando não a aplicação externa de calor e; a soldagem por laminação a quente, quando há a aplicação externa de calor.

  24.5.1 Aplicação.

  É aplicada no revestimento de aço doce ou baixa liga, com aço inoxidável para aumentar a resistência à corrosão; preparação de tiras bimetálicas para medição de temperatura e para produção de moedas do tipo sanduíche. São exemplos: o revestimento de chapas de aço carbono e aço de baixa liga com um aço ligado, como o aço inoxidável e fabricação de chapas de cobre-alumínio utilizadas na produção de utensílios domésticos e painéis e estruturas metálicas utilizadas na construção civil, fabricação de reservatórios e componentes de caldeiras. Chapas de ferro-alumínio empregadas na construção de refletores para aquecedores elétricos e silenciadores de automóveis são uma aplicação interessante da soldagem por laminação, tendo em vista a completa incompatibilidade destes metais. Chapas de aço recobertas com camadas de bronze auto lubrificante usadas na fabricação de mancais de eixos na indústria automotiva são também fabricadas por soldagem por laminação.

  Outra aplicação típica é a produção de chapas aço inoxidável colaminado com cobre, utilizadas na fabricação de panelas domésticas e de equipamentos elétricos como comutadores e cabos. Cobre e aço soldados por laminação são usados em cápsulas e projéteis, reduzindo em 80% o consumo de cobre. Várias combinações de metais colaminados são usadas na produção de moedas, como já dito, combinações de prata- cobre, níquel-cobre, níquel-ferro e bronze-ferro.

  24.5.2 Fundamentos do processo.

  A soldagem por laminação é um processo realizado no estado sólido e produz a união de peças metálicas por aquecimento e deformação superficial pela aplicação de pressão através de rolos laminadores. Os metais soldáveis por este processo devem apresentar uma ductilidade elevada para serem plasticamente deformados de forma localizada, sem apresentar fratura.

Figura 24.2 Soldagem por laminação.

  24.5.3 Equipamentos.

  Na soldagem por laminação convencional utilizam-se cilindros de trabalho de mesmo diâmetro, mas cilindros de diâmetros distintos podem ser usados. Nestes casos a soldagem é chamada de assimétrica e o cilindro de menor diâmetro fica em contato com o metal menos resistente do par, possibilitando uma maior deformação do mesmo durante o processo.

  É necessário que se tenha um controle individual da temperatura de cada chapa para se ter um melhor controle da deformação. Uma outra técnica conhecida como cisalhamento cruzado ("cross shear rolling") permite uma redução das chapas laminadas com cargas inferiores de laminação, com acionamentos e velocidade dos cilindros independentes.

  24.5.4 Técnica operatória No processo de soldagem por laminação, é necessário o desengraxamento das peças através de soluções ou detergentes, seguido do escovamento com escovas de aço para a remoção de filmes contaminantes. O uso de pré-aquecimento é opcional e possibilita a remoção de contaminantes, graxas, gases e vapores. Para facilitar a ruptura das camadas de óxidos, o que é fundamental para se conseguir a união em fase sólida, pode-se realizar recobrimentos superficiais por eletrodeposição de níquel e cromo.

  Normalmente, tratamento térmico para alívio de tensões é requerido.

  Exercícios

  1. A soldagem por forjamento pode ser realizada em qualquer metal?

  2. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem forjamento?

  3. Quais são os princípios da soldagem por pressão a quente?

  4. Quais são as aplicações do processo de soldagem por pressão a quente?

  5. Como ocorre a soldagem por laminação?

  6. Quais são as aplicações da soldagem por laminação?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

25 Processos de soldagem no estado sólido.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem no estado sólido de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  25.1 Introdução.

  O processo de soldagem que será visto nesta aula, também faz parte daqueles efetuados no estado sólido, assim como os que foram vistos nas últimas semanas.

  25.2 Soldagem por Difusão

  A soldagem por difusão (Diffusion Welding – DFW) é um processo de soldagem no estado sólido que resulta da aplicação de pressão e calor, em atmosfera controlada na maioria das vezes, com tempo suficiente e necessário para que haja difusão e coalescimento das peças. As temperaturas usuais são bem inferiores aquelas de fusão dos metais em questão, alcançando no máximo 0,5 T f , com um mínimo de deformação plástica.

  Quando ocorre deformação plástica por ação de calor, as camadas de átomos que compõem a estrutura cristalina do metal vibram e se movimentam em várias direções, ocupando lugares diferentes nos planos cristalinos; a essa movimentação dá-se o nome de difusão. Uma temperatura definida é aplicada na região de soldagem, ou em toda a peça, durante certo tempo, resultando em uma deformação plástica localizada. O contato entre as superfícies provoca difusão dos átomos, que se movimentam pelo interior das superfícies, promovendo a ligação perfeita das partes.

  25.2.1 Aplicação.

  A soldagem por difusão pode ser aplicada a uniões de elevada resistência e em metais refratários nas indústrias aeroespacial e nuclear. A união de metais dissimilares ou mesmo de metais similares é possível por esse processo.

  A soldagem por difusão é aplicada preferencialmente nas situações em que a união por processos de soldagem convencionais, notadamente os processos por fusão a arco elétrico, não é possível. Como exemplos, podem-se destacar a soldagem de seções transversais com revestimentos anticorrosivos e a união de materiais diferentes e metalurgicamente incompatíveis, como o aço e o alumínio. A soldagem por difusão confere alta qualidade à junta, podendo alcançar valores de resistência mecânica semelhantes aos do material de base.

  As vantagens do processo de soldagem por difusão são várias: o processo não modifica o estado do material; permite montagens de grandes superfícies e montagens complexas, próximas ao estágio final; apresenta menos deformações, quando comparado

  à soldagem por fusão; trabalha com juntas múltiplas em uma só operação e permite união de metais e materiais considerados não soldáveis ou de difícil soldabilidade por fusão, como cerâmicas e ligas refratárias, além da união de metais dissimilares sob o aspecto metalúrgico, como aços austeníticos com liga de alumínio.

  As desvantagens da soldagem por difusão são o custo do investimento inicial e o fato de que o processo não é aplicável na produção em grande escala.

  25.2.2 Fundamentos do processo.

  A ligação por difusão no estado sólido é um processo pelo qual duas interfaces normalmente planas podem ser unidas numa elevada temperatura (cerca de 50% a 90% f do ponto de fusão absoluto do metal de base, T em Kelvin), usando a aplicação de pressão por um determinado tempo, que pode variar de alguns minutos até muitas horas.

  Esse processo tem por objetivo tornar uma junção monolítica através da formação de ligação em nível atômico, como um resultado da união final de duas superfícies causada pela deformação plástica a elevada temperatura, que ajuda a interdifusão nas camadas da superfície dos materiais que estão sendo unidos.

  A operação pode ser feita no vácuo, sob proteção de gás ou fluido e, de preferência, sem material de adição. O processo por difusão é utilizado para unir materiais com composição química semelhante ou materiais dissimilares, predominantemente os metálicos, e foi desenvolvido originalmente para ser aplicado na construção de peças para a indústria aeronáutica e espacial. Atualmente, outras áreas já fazem uso dessa tecnologia.

  A união entre os materiais segue uma sequência que é iniciada com a colocação das peças em contato. Na primeira etapa (1), pode-se verificar a rugosidade superficial, pois alguns pontos não se tocam. Na segunda etapa (2), a superfície recebe aplicação de pressão e aumento de temperatura, o que provoca aumento da área de contato e deformações plásticas. Na terceira etapa (3), a temperatura e a pressão, que podem estar aliadas a uma atmosfera protetora, permanecem por certo tempo, favorecendo a difusão atômica entre as superfícies.

  No estágio final (4), são eliminadas praticamente todas as descontinuidades encontradas no processo inicial e a soldagem é concluída.

Figura 25.1 Estágios da soldagem por difusão.

  25.2.3 Parâmetros de soldagem.

  Os parâmetros de soldagem que devem ser considerados são a temperatura, a pressão, o tempo de soldagem ou contato entre as peças, a deformação das superfícies de contato, a qualidade superficial (rugosidade superficial e condições de limpeza) e a atmosfera protetora.

  O processo de geração do calor é feito por energia elétrica, que pode ser na forma de indução, resistência ou alta frequência. As temperaturas de processo ficam abaixo da linha solidus ou acima da temperatura de recristalização da liga, em média 0,7 x T (em Kelvin).

  A temperatura promove rompimento das camadas de óxido, causando interferência na estrutura cristalina do material e contribuindo para uma orientação favorável dos íons necessários para a difusão. As temperaturas podem atingir 1.000°C ou mais, favorecendo a ligação entre inoxidáveis ou refratários, no entanto, uma temperatura de processo alta demais leva ao aumento do grão e, por conseguinte, à queda das propriedades mecânicas.

  A pressão de soldagem, que pode ser aplicada por processo hidráulico, pneumático ou mecânico, fica pouco abaixo do limite de escoamento na temperatura de soldagem. Em conjunto com o calor, serve para provocar uma deformação plástica nas superfícies rugosas, que faz aumentar o contato das superfícies e possibilita a união dos materiais.

  O tempo de soldagem pode variar de 10 minutos até várias horas. Existe uma relação inversa entre tempo e temperatura: quando a temperatura de soldagem aumenta, o tempo de soldagem diminui, e vice-versa.

  As exigências quanto ao estado de superfície na união, no que diz respeito à qualidade da superfície (R t = 1 até 6μm), são as desvantagens do processo. A limpeza das superfícies de união, após uma usinagem fina, é feita por decapagem química. Gorduras e óleos são removidos com álcool, acetona ou tricloretileno, com ação de ultrassom.

  Para a soldagem de materiais metálicos, pode-se usar vácuo como atmosfera de proteção, a qual deve ser mantida durante o processo de união, de baixa a média, entre

  • 3 -6

  10 e 10 torr. Além do vácuo, pode-se trabalhar, também, com gás de proteção, seja argônio ou hélio, ou banho de sal (BaCl

  2 ) 25.2.4 Equipamentos.

  Vários equipamentos podem ser utilizados para a soldagem por difusão, dependendo da aplicação específica da soldagem. A exigência maior é que exista um controle rigoroso da temperatura e da pressão aplicadas. Existem quatro tipos de equipamento: o de pressão isostática elevada, as prensas, o equipamento de soldagem por resistência e também os equipamentos especializados.

  O equipamento de pressão isostática elevada apresenta uma autoclave, isto é, um aparelho que funciona por meio de pressão e temperatura; na verdade, o equipamento proporciona prensagem a quente utilizando um gás inerte como fluido.

  A autoclave permite a aplicação de pressões acima de 150.000psi e temperaturas superiores a 1.649°C. O aparelho tem um sistema interno de refrigeração para manter baixa a temperatura da parede e um isolamento de alumina ou sílica para reduzir as perdas de calor. Para controlar a temperatura, existem termopares colocados ao longo do forno; para pressurizar o gás usa-se um compressor. Esse tipo de equipamento permite fazer uniões entre peças de geometrias complexas e é capaz de soldar, ao mesmo tempo, grandes quantidades de peças relativamente pequenas.

  No entanto, as desvantagens são os custos e as dimensões do equipamento.

Figura 25.2 Equipamento de soldagem por difusão.

  O método mais comum para soldar por difusão é o que utiliza prensas hidráulicas ou mecânicas. As prensas utilizadas na soldagem por difusão não são normalizadas devido à grande variedade de tais máquinas. Como atmosfera protetora, alguns tipos de prensa utilizam vácuo ou gás inerte; para o aquecimento, podem-se encontrar prensas que trabalham com filamentos entrelaçados de tungstênio, ou também indução e autorresistência. Embora seja o método mais comum, o emprego de prensas na soldagem de peças de grandes dimensões é limitado.

  De modo geral, os equipamentos utilizados na soldagem por resistência podem ser empregados na soldagem por difusão sem que seja preciso modificá-los. Assim como na soldagem por resistência, os eletrodos devem conduzir eletricidade e apresentar elevada resistência às temperaturas de união. É possível fazer uma modificação no processo, que consiste em introduzir um dispositivo de controle da atmosfera de gás inerte ou de vácuo. Esse equipamento proporciona grande velocidade de execução das juntas. No entanto, somente podem ser soldadas pequenas áreas, pois a preparação de grandes áreas demanda tempo e muitas operações.

  Os equipamentos especializados são aqueles que apresentam vasos de destilação, aparelhos de iluminação, contrapesos e aparelhos de expansão diferencial térmica. Os mais utilizados são os vasos de destilação, principalmente na soldagem de peças com geometrias hexagonais.

  25.2.5 Limitações.

  São exigidos cuidados na fase de preparação de uma superfície. Uma oxidação excessiva ou contaminação das superfícies podem diminuir a resistência da junta drasticamente.

  A ligação por difusão de materiais com camadas de óxidos estáveis é muito difícil. A produção das superfícies planas deve ser cuidadosa e os ajustes bastante precisos para manter as peças unidas por um tempo mais longo do que o tempo utilizado nos processos convencionais. O investimento inicial é elevado e a produção de componentes grandes é limitada pelo tamanho do equipamento usado.

  A utilização desse processo para produção de peças em série deve ser bem avaliada, principalmente porque a ligação por difusão envolve longo tempo de processo.

  Exercícios

  1. A soldagem por difusão pode ser realizada em qualquer metal?

  2. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem por difusão?

  3. Quais são os princípios da soldagem por difusão?

  4. Quais são as aplicações do processo de soldagem por difusão?

  5. Como ocorre a soldagem por difusão?

  6. Quais são os equipamentos da soldagem por difusão?

  Referências bibliográficas

  (1) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (2) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

26 Processos de soldagem no estado sólido.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem no estado sólido de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  26.1 Introdução.

  O processo de soldagem que será visto nesta aula, também faz parte daqueles efetuados no estado sólido, assim como os que foram vistos nas últimas semanas.

  26.2 Soldagem por Explosão

  A soldagem por explosão (Explosive Welding, EXW) é um processo de soldagem no estado sólido em que a soldagem é resultado de aplicação de uma altíssima pressão de contato entre as partes a serem unidas, obtida através da detonação de uma camada de explosivo. Um impacto de alta velocidade entre as partes (2.400 a 3.600 m/s), uma das peças é lançada ao encontro da outra pela explosão e, durante a colisão, desenvolve-se uma intensa deformação plástica superficial capaz de remover as contaminações superficiais e promover a união das peças. Devido ao forte choque nas superfícies da junta, a solda resultante tem um aspecto típico ondulado (figura 1), sendo a união produzida em fração de segundo, sem material de adição e sem calor externo.

  Não ocorre difusão durante o processo (o tempo é muito curto). A natureza da ligação é metalúrgica e, em muitos casos, combinada com interação mecânica, resulta em uma interface irregular ou ondulada entre os metais.

Figura 26.1 - Soldagem por explosão.

  Este fenômeno foi observado pela primeira vez durante a Primeira Guerra Mundial, quando foram encontrados, com frequência, fragmentos de bombas soldados na parte externa de estruturas metálicas. A primeira publicação a reconhecer o potencial da soldagem por explosão ocorreu em 1944, e em 1962 a primeira patente associada ao processo foi depositada.

  26.2.1 Aplicação.

  O processo de soldagem por explosão pode ser utilizado para união de praticamente todos os metais e ligas que possuam dutililidade suficiente para não se romper durante a explosão e tem sido utilizado industrialmente para a fabricação de revestimentos sobre áreas extensas, de chapas bimetálicas e para a união de metais metalurgicamente incompatíveis em processos de soldagem por fusão, apresentando grande versatilidade, baixo investimento e qualidade de solda.

  Entretanto, sua aplicação é bastante específica, necessitando conhecimento especializado na sua aplicação. O processo é aplicado em soldagem de chapas com dimensões de até 6 x 2 m, de materiais dissimilares, principalmente para as indústrias química e aeroespacial. As combinações possíveis são de aço com Zr, Mg, Au, Ag, Nb, Ti, ligas de Ni, ligas de eu, ligas de Al e aço inoxidável.

  A fabricação de chapas com revestimentos protetores contra a corrosão em vasos de pressão e em trocadores de calor e de peças de transição entre estruturas de alumínio e aço e placas para equipamentos de estocagem nas indústrias petrolífera e química, são alguns exemplos de aplicações deste processo, sendo chamado de revestimento por explosão.

  26.2.2 Fundamentos do processo.

  O processo de soldagem por explosão usa a detonação de cargas explosivas que aplicam a pressão necessária ao caldeamento das peças. Os explosivos são produtos capazes de provocar energia potencial com instantânea liberação de gás, que exerce alta pressão nas áreas vizinhas após a detonação. Normalmente, possuem baixa resistência à umidade e na detonação apresentam fumos com algum grau de toxicidade. Durante a soldagem por explosão, a solda é produzida pelo impacto em alta velocidade das peças de trabalho, como resultado de uma detonação controlada, sem adição de metal. Essa colisão é muito violenta e libera um jato metálico formado a partir do impacto pontual entre as partes que serão soldadas. O jato retira a película superficial do metal, fazendo uma espécie de decapagem que libera a superfície de óxidos e impurezas. Nesse instante, as superfícies são fortemente comprimidas uma contra a outra, pela ação do explosivo. O processo em si é muito rápido e dura uma fração de segundo. Ele ocorre à temperatura ambiente e quase não há aquecimento das peças, embora as superfícies de contato sejam aquecidas pela energia de colisão e a soldagem conseguida pelo fluxo plástico do metal da camada superficial.

  As duas chapas se encontram em uma configuração paralela, separadas por certa distância, com carga explosiva acima da chapa superior, chamada placa de revestimento. Um amortecedor (por exemplo, borracha, plástico) é normalmente usado entre o explosivo e a placa de revestimento para proteger sua superfície.

  A chapa inferior, chamada metal de apoio (metal base), repousa sobre um batente. Quando a detonação é iniciada, a carga explosiva propaga a partir de uma extremidade da placa de revestimento para a outra, representada na vista superior da Figura 2 (2).

Figura 26.2 - Soldagem por explosão (processo EXW): (1) arranjo de configuração em paralelo e (2) durante a detonação da carga explosiva.

  Uma das dificuldades em compreender o que ocorre no processo EXW é o equívoco comum de que a explosão ocorre de forma instantânea; na realidade, é uma reação progressiva de uma extremidade da junta à outra, embora reconhecidamente muito rápida - com taxas de propagação tão elevadas como 8500 m/s (28.000 in/s). A zona de alta pressão resultante impulsiona a chapa de revestimento a colidir de maneira progressiva com o amortecedor em velocidade alta, de modo que ela assume uma forma angular conforme a progressão da explosão.

  A placa superior permanece na posição da região em que o explosivo não tenha sido ainda detonado. A colisão em velocidade alta, ocorrendo de forma progressiva e angular, faz com que as superfícies no ponto de contato se tornem fluidas e qualquer filme superficial seja expelido para frente. As superfícies em colisão são, portanto, limpas quimicamente, e o comportamento fluido do metal, que envolve alguma fusão interfacial, provoca o contato maior entre as superfícies, levando a uma ligação metalúrgica. As variações na velocidade de colisão e no ângulo de impacto durante o processo podem ocasionar uma interface ondulada entre os dois metais. Este tipo de interface reforça a ligação porque aumenta a área de contato, levando à interação mecânica entre as duas superfícies.

  As deformações obtidas podem variar com o tipo de material e podem ser imperceptíveis em várias soldas sem perda mensurável de metal. A operação é normalmente executada ao ar livre. mas também pode ser feita com atmosfera controlada ou em vácuo. Em geral as soldas têm área relativamente grande. porém existem aplicações em pequenas superfícies com sucesso.

  O comprimento da onda depende das condições de soldagem. Estas ondas são conhecidas como "ondas de Bahrani" e ocorrem a pressões de até 105 atm. O metal comporta-se como fluido, sem estar fundido.

  26.2.3 Parâmetros de soldagem.

  Os parâmetros de soldagem são: velocidade e ângulo de colisão, materiais soldáveis, tipo e quantidade do explosivo e sua distribuição.

  Velocidade de colisão

  A velocidade de colisão está relacionada com a velocidade de detonação e com o ângulo de colisão; depende, portanto, do tipo de explosivo utilizado e do tipo de montagem. O ângulo de colisão é influenciado pela quantidade e pela distribuição do explosivo e pelas propriedades da placa superior. O jato metálico de ação decapante é formado a partir de um ângulo mínimo de colisão.

  Tipo e quantidade de explosivo

  A escolha do tipo de explosivo, de sua quantidade e distribuição, é muito importante, uma vez que a detonação do explosivo deve acontecer de modo progressivo e uniforme ao longo da superfície da chapa responsável pelo impacto, A altura do explosivo está relacionada à densidade da carga, isto é, o peso do explosivo é proporcional ao seu volume, essa relação serve para medir o grau de compactação, o qual aumenta à medida que a velocidade de detonação também aumenta.

  26.2.4 Tipos de montagem O processo de soldagem por explosão admite duas montagens básicas, conhecidas por montagem em paralelo e montagem em ângulo.

  Montagem em paralelo

  A montagem em paralelo é aquela em que, antes da detonação, as chapas são dispostas uma sobre a outra, em paralelo. Esse tipo de montagem produz um caldeamento constante, pois suas condições não são alteradas ao longo da soldagem.

  Nas chapas em paralelo, o ângulo obtido na detonação é pequeno; desse modo, o fluxo do jato de metal é ininterrupto e a interface resultante é praticamente plana; essa configuração é também chamada de regime laminar.

Figura 26.3 – Montagem em paralelo.

  Montagem em ângulo

  Na montagem em ângulo, as chapas formam entre si um ângulo a predeterminado, produzindo um caldeamento não constante, pois suas condições são alteradas incessantemente até o término da soldagem. o caso de montagem em ângulo, o fluxo do jato de metal líquido é interrompido a todo momento; a interrupção causa uma mudança de direção e faz o jato girar como um rodamoinho, de modo a formar ondas na interface, ao longo do caldeamento e nos pontos de colisão. A alta velocidade do jato remove a película superficial da placa-base e da placa superior, que é levada ao ponto de contato, onde as ondas serão formadas; a placa superior vai sendo lançada contra a placa-base e a soldagem é obtida. Tal configuração é também chamada de regime turbulento.

Figura 26.4 – Montagem em ângulo.

  26.2.5 Técnica operatória.

  O processo de soldagem por explosão é usado normalmente para revestimento envolvendo três componentes: o metal de base. o metal de revestimento (clad) e o explosivo.

  O metal de base permanece estacionário e. particularmente quando é relativamente delgado, pode ser suportado por uma base ou matriz, que deve possuir massa suficiente para minimizar as distorções durante a operação.

  O metal de revestimento é posicionado usualmente paralelo ao metal de base; porém em situações especiais, ele pode estar inclinado em relação ao componente base. No arranjo paralelo, os dois são separados por uma distância adequada, referida como "distancia de afastamento". No arranjo angular, o afastamento pode ou não ser utilizado no vértice do ângulo. A explosão localizada deforma e acelera o metal de revestimento, a alta velocidade, de forma que ele colida com o metal de base num ângulo específico.

Figura 26.5 – Representação esquemática da soldagem por explosão.

  A frente de colisão e soldagem progride à medida que a explosão avança. A figura 6 mostra os dois arranjos citados. O explosivo, normalmente em forma granular, é distribuído uniformemente sobre a superfície superior do metal de adição. A força que a explosão exerce sobre este depende das características da detonação e da quantidade de explosivo. Um separador de um material tipo neoprene pode ser necessário entre o explosivo e o metal de revestimento, para proteção deste contra a erosão provocada pela detonação do explosivo.

Figura 26.6 Arranjo típico para soldagem por explosão: (a) paralela e (b) em ânguloFigura 26.7 - Esquema da soldagem por explosão

  Os explosivos utilizados têm usualmente uma composição baseada em nitrato de amônia. A velocidade de detonação do explosivo depende da sua composição, espessura e compactação e fica entre 2.000 e 3.000 m/s.

  Esse processo é utilizado na fabricação de juntas sobrepostas ou para revestimento. As aplicações da soldagem por explosão variam de chapas de grandes dimensões a pequenos componentes eletrônicos. Sua maior aplicação é no revestimento, ou clad, de chapas de até 6m de comprimento. As maiores superfícies até agora soldadas por explosão têm até 40m2. Os componentes superiores, de menor espessura, são, geralmente, utilizados em trabalhos que requeiram resistência à corrosão.

  Além destas aplicações, o processo também se destina à fabricação de materiais compostos, na soldagem de tubos em espelho para trocadores de calor, em chapas cladeadas ou revestidas para as indústrias naval, química, petroquímica, alimentícia, de papel e celulose e em reatores nucleares. Destina-se, principalmente, ao revestimento de grandes superfícies, para soldar chapas de aço inoxidável com chapas de aço-carbono e aço de baixa liga; cobre com alumínio; níquel, alumínio, titânio e tântalo com aço.

Figura 26.8 - Esquema da soldagem de tubo espelho pelo processo de soldagem por explosão.

  As configurações geométricas que podem ser soldadas por explosão são aquelas que permitem que haja progressão uniforme da frente de detonação e, consequentemente, à frente de colisão. Tais configurações incluem placas planas, estruturas cilíndricas e cônicas.

  26.2.6 Equipamentos.

  Na utilização deste processo são necessários equipamentos de proteção e pessoal capacitado. O explosivo é controlado pelo governo. e seu armazenamento e manuseio precisam de cuidados especiais. Outro aspecto importante é o local para a realização da solda, geralmente um lugar afastado, em área aberta.

  26.2.7 Vantagens.

  O processo de soldagem por explosão apresenta muitas vantagens; é rápido, pois

  • 6

  é possível obter uma junta em 10 s; a camada de intermetálicos gerada é muito pequena; não é necessário fazer uma limpeza rígida das superfícies, exceto no caso de carepa em chapas de aço laminadas a quente; não é preciso investimento em equipamentos. A principal vantagem desse processo é a de possibilitar a união de metais em casos onde outros processos de soldagem por fusão não oferecem resultados metalurgicamente adequados.

  26.2.8 Limitações.

  Entre as limitações do processo de soldagem por explosão pode-se citar o endurecimento sofrido pelas superfícies de aço-carbono e de baixa liga, o que obriga a um alívio de tensões posterior à soldagem; é necessário dispor de um local adequado e distante dos grandes centros para a execução do processo; por ser perigo o só deve ser realizado por pessoas treinadas e especializadas no seu manuseio. Em todos os países, a comercialização, o transporte, o uso e o armazenamento dos explosivos são controlados, o que dificulta a implantação do processo. No Brasil, esse controle é exercido pelo Ministério do Exército.

  26.2.9 Segurança.

  Explosivos e detonadores são utilizados na soldagem por explosão. Tais materiais e dispositivos são perigosos e exigem métodos seguros de manuseio e utilização. Caso esses materiais e dispositivos forem utilizados de maneira inadequada, oferecem risco à vida e à propriedade. Os profissionais que utilizam ou manipulam os explosivos necessitam ser especialmente treinados e possuir experiência na área. Procedimentos para manipulação e segurança relativos aos explosivos e dispositivos devem atender a todas as leis do país onde são utilizados, inclusive os requisitos ambientais.

  Exercícios

  1. A soldagem por explosão pode ser realizada em qualquer metal?

  2. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem por explosão?

  3. Quais são os princípios da soldagem por explosão?

  4. Quais são as vantagens e limitações do processo de soldagem por explosão?

  5. Quais cuidados devem ser tomados na execução do processo de soldagem por explosão?

  6. Quais são os equipamentos da soldagem por explosão?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

  (3) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (4) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

27 Processos de soldagem no estado sólido.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem no estado sólido de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  27.1 Introdução.

  O processo de soldagem que será visto nesta aula, também faz parte daqueles efetuados no estado sólido, assim como os que foram vistos nas últimas semanas.

  27.2 Soldagem por Ultrassom

  A soldagem por ultrassom (Ultrasonic Welding, USW) produz a união das peças pela aplicação localizada de energia vibracional de alta frequência (ultrassom), enquanto as peças são mantidas sob pressão. A união ocorre por aquecimento e deformação plástica localizada das superfícies em contato. O processo é usualmente aplicado para a soldagem de juntas sobrepostas de metais dúcteis, similares ou não, de pequena espessura e para a união de plásticos, por exemplo, na indústria eletrônica e na fabricação de embalagens.

  A soldagem por ultrassom tem como objetivo unir peças por meio de vibrações mecânicas na faixa ultrassônica, associadas à aplicação de pressão. Este tipo de soldagem serve tanto para soldar metais quanto termoplásticos, além de materiais não ferrosos, vidro ou mesmo cerâmica. A diferença entre a soldagem de metais e a de termoplásticos é que, no caso dos metais, a soldagem acontece no estado sólido, sem fusão do material de base, enquanto no caso dos termoplásticos existe a fusão dos materiais.

  A soldagem por ultrassom produz uma solda limpa, de alta qualidade, não requer material de adição e tem baixo consumo de energia.

  27.2.1 Aplicação.

  O processo é aplicado na soldagem de contatos de semicondutores resistentes à temperatura, como fios de alumínio ou ouro com silício, e em ligações entre semicondutores e transistores e conexões elétricas dos mais diversos tipos. É aplicado, também, na soldagem de metais diferentes, como alumínio-cobre, níquel-berílio; soldagem de latão estanhado com lâminas de cobre, com espessuras entre 0,1 e 0,2mm nos transformadores.

  No caso de materiais termoplásticos, aplica-se a soldagem por ultrassom na produção de componentes para a indústria de alimentos, de eletrodomésticos, de cosmética e eletrônica. As indústrias automobilísticas também são um dos grandes consumidores da soldagem por ultrassom, como também as indústrias de autopeças, na fabricação de painéis e para-choques. A substituição de adesivos por equipamentos de soldagem ultrassônica permite outras aplicações, como a união de componentes de telefones, de microcomputadores e a costura de produtos sintéticos.

  Este processo tem sido usado em uniões de metais não ferrosos diferentes sem a utilização de consumíveis, com um tempo de soldagem relativamente baixo (inferior a um segundo), baixo consumo de energia e quase nenhuma dissipação de calor e ainda na união de plásticos e na fabricação de embalagens herméticas.

  Algumas aplicações industriais importantes são a fabricação de juntas de transição cobre-alumínio nas bobinas do motor de arranque de automóveis e outras uniões de fios elétricos automotivos como a soldagem em conjunto de fios elétricos em cabos de fita (FFC); soldagem de fios de grande bitola e de múltiplos fios em terminais.

  Os metais mais adequados para a soldagem por ultrassom são os metais não ferrosos como cobre, alumínio e suas ligas. Materiais contendo chumbo, zinco e estanho não são recomendados para serem soldados, pois estes elementos atuam como lubrificante, minimizando a abrasão exigida para realização da soldagem.

  27.2.2 Fundamentos do processo.

  A soldagem por Ultrassom (ultrasonic welding - USW) é um processo de soldagem no estado sólido, no qual dois componentes são mantidos unidos sobre pressão de aperto modesta e tensões de cisalhamento oscilatórias de frequência ultrassônica são aplicadas para provocar o coalescimento.

  O movimento vibratório entre as duas peças rompe quaisquer filmes na superfície para permitir contato e forte ligação metalúrgica entre as superfícies. Embora o aquecimento das superfícies de contato ocorra devido ao atrito interfacial e deformação plástica, as temperaturas resultantes são bem abaixo do ponto de fusão. No processo USW, não é necessário metal de adição, fluxos ou gases de proteção.

Figura 27.1 - Soldagem por Ultrassom (processo USW): (a) configuração para uma junta sobreposta e (b) detalhe da área de solda .

  O movimento oscilatório é transmitido para a peça de trabalho superior por meio de um sonotrodo, que é acoplado a um transdutor ultrassônico. Este dispositivo converte energia elétrica em movimento vibratório de alta frequência. As frequências usadas nos processos USW normalmente estão entre 15 e 75 kHz com amplitudes de 0,018 a 0,13 mm (0,0007 a 0,005 in). As pressões de aperto são bem abaixo daquelas utilizadas em soldagem por forjamento e não produzem deformação plástica significativa entre as superfícies. Os tempos de soldagem sob estas condições são menores que 1 segundo.

  As operações do processo USW são em geral limitadas a juntas sobrepostas em materiais macios, como o alumínio e cobre. A soldagem de materiais mais duros provoca rápido desgaste do sonotrodo em contato com a peça de trabalho superior. As peças de trabalho precisam ser relativamente pequenas e soldagem com espessuras inferiores a 3 mm (1/8 in) é o caso típico.

  As aplicações incluem os arames de terminações e emendas nas indústrias eletrônica e elétrica (elimina a necessidade de solda fraca), montagem de painéis de chapas metálicas de alumínio, soldagem de tubos em painéis solares e outras tarefas de montagem de peças pequenas.

  A soldagem por ultrassom produz a união de peças pela aplicação local de energia vibracional de alta frequência, enquanto as peças a serem unidas são mantidas sob pressão. A pressão é aplicada perpendicularmente às superfícies e a vibração ultrassônica induz forças de cisalhamento de alta frequência. Quando estas forças ultrapassam o limite de escoamento do material, deformações locais ocorrem. As forças de cisalhamento de alta frequência quebram e removem os contaminantes superficiais e produzem a ligação superficial dos metais. A vibração induzida é paralela à superfície das peças e a união se dá por aquecimento e deformação plástica das superfícies em contato.

  O processo de soldagem por ultrassom é realizado por meio de um gerador de energia elétrica de alta frequência, que alimenta transdutores piezelétricos, responsáveis por transformar a energia elétrica em oscilações mecânicas ou vibrações, as quais são transmitidas à peça por meio de um sonotrodo. As vibrações e a força de compressão aplicadas à peça provocam um campo de tensões que, por sua vez, dá origem a uma deformação elastoplástica.

  Sabe-se que toda superfície apresenta, sempre, pequenas rugosidades, observáveis em microscópio; durante a soldagem, ocorrem tensões de corte que vão eliminando as rugosidades, até que as superfícies se tocam completamente e, então, acontece a soldagem. As chapas a soldar são fixadas num suporte chamado bigorna.

Figura 27.2 Soldagem por ultrassom.

  A energia, relacionada com a dureza Vickers, e a espessura das peças em contato com o sonotrodo são os parâmetros principais no processo por ultrassom. Para calcular a energia necessária à soldagem por ultrassom costuma-se usar a fórmula empírica a seguir:

  E = K (H x e)

  3/2

  onde: E = energia elétrica em joule, K = constante característica de cada tipo de soldagem, H = dureza Vickers, e = espessura em mm do material em contato com o sonotrodo.

  O sonotrodo transmite oscilações tangenciais de alta frequência para a peça. Se a força de pressão e a amplitude dos movimentos relativos entre as superfícies a soldar forem suficientemente fortes, ocorre fluidificação. Os filmes de sujeira, água e óxido são rompidos, as superfícies aqueci das e aplainadas se aproximam, e forças de ligação de superfície entram em ação.

  A soldagem por ultrassom pode ser feita segundo quatro tipos: por pontos, anelar, linear e contínua. Na soldagem por pontos, a energia vibratória produz pontos de soldagem nas chapas pressionadas uma contra a outra.

  A soldagem anelar é utilizada nas formas circulares; no entanto, esse tipo de soldagem também admite outras geometrias, como as quadrangulares, retangulares ou ovais.

  A soldagem linear é semelhante à soldagem por pontos; neste caso, as peças são pressionadas uma contra a outra por meio de um suporte e de um eletrodo com extremidade linear.

  O último tipo, soldagem contínua, é utilizado com um sonotrodo rotativo e um suporte também rotativo; as peças são sobrepostas e passam entre o sonotrodo e a bigorna. Durante a soldagem de um material metálico, as vibrações provocadas pelo sonotrodo criam tensões de cisalhamento no material; enquanto essas tensões se encontram abaixo do limite de elasticidade do material, há apenas uma deformação elástica; porém, quando o limite de elasticidade é ultrapassado, ocorre um escorregamento superficial e a deformação plástica decorrente faz os óxidos metálicos superficiais se quebrarem, facilitando o aumento da área em contato e produzindo a soldagem.

  Quando se soldam metais, o aquecimento é limitado a uma camada muito fina e a soldagem se faz a frio, em fase pastosa ou sólida; os átomos das interfaces das peças se combinam devido a forças interatômicas de atração. No entanto, se as quantidades são grandes, a soldagem a ponto por resistência algumas vezes se torna mais viável.

  Entre os principais metais que admitem a soldagem por ultrassom, destacam-se: alumínio, cobre, ouro, magnésio, molibdênio, níquel, paládio, platina, prata, tântalo, estanho, titânio, tungstênio, zircônio, nióbio, além de aços. A soldagem de metais é feita no estado sólido, sem fusão do material de base. Soldam-se chapas finas, folhas e fios, com espessuras que variam de 0,003 até 2mm, de metais macios, como alumínio, ouro e chapas espessas de aço.

  O crescimento do uso do plástico na indústria tem exigido também um aprimoramento nos processos de fabricação, principalmente na união de materiais plásticos. Basicamente, as uniões são feitas por adesivos que podem causar ataque químico ao plástico, fato muito frequente em colagens. A soldagem ultrassônica substitui a colagem com vantagens de rapidez e evita tais riscos. No entanto, para que a soldagem seja viável, essa substituição exige pequenas modificações no projeto, como a utilização de ciclos da ordem de 20 a 40kHz, uma vez que as partes a soldar precisam estar em contato e sob pressão.

  Os principais plásticos soldáveis por ultrassom são: ABS, sigla de acrilonitrila- butadieno-estireno, acrílico, náilon, policarbonato, poliéster, polipropileno, poliestireno e PVC, sigla de policloreto de vinila. A soldagem entre plásticos dissimilares, isto é, entre materiais plásticos diferentes, depende muito da resina empregada.

  A soldagem de termoplásticos admite dois tipos: a soldagem próxima e a soldagem afastada. A soldagem próxima é aquela em que o sonotrodo é colocado muito perto das juntas, de modo a permitir a soldagem de plásticos maus condutores de energia ultrassonora, como náilon, acetatos e polipropileno.

  A soldagem afastada acontece quando o sonotrodo é colocado relativamente longe da área de soldagem; esse tipo serve para soldar plásticos com elevada elasticidade, em que as vibrações se propagam sem problemas; é o caso de materiais como policarbonatos, ABS e poliestirenos.

  27.2.3 Parâmetros de soldagem.

  Os parâmetros de soldagem do processo por ultrassom são: a pressão aplicada, o tempo de soldagem e a amplitude da onda de ultrassom na ponta do sonotrodo. A pressão pode variar entre 40 e 60kgf/cm2 no caso de plásticos e entre 60 e 120kgf/cm2 para metais. O tempo de soldagem varia entre décimos de segundo e alguns segundos. A amplitude da onda de ultrassom é produto da vibração do sonotrodo, alimentado pela energia elétrica de alta frequência.

  Na implantação do processo também deve-se considerar o ponto de fusão a ser empregado, a geometria e as dimensões da peça.

  27.2.5 Técnica operatória.

  As variáveis básicas do processo de soldagem por ultrassom são três: a amplitude da vibração, a força aplicada (pressão) e o tempo. Deve-se fornecer energia suficiente para romper as camadas de óxidos e promover deformação superficial, criando condições para a formação de ligações atômicas. A potência é uma função da amplitude da vibração, da força aplicada (prensa pneumática) e a energia fornecida é proporcional ao tempo de soldagem.

  27.2.6 Equipamentos.

  As variáveis básicas do processo de soldagem por ultrassom são três: a amplitude da vibração, a força aplicada (pressão) e o tempo. Deve-se fornecer energia suficiente para romper as camadas de óxidos e promover deformação superficial, criando condições para a formação de ligações atômicas. A potência é uma função da amplitude da vibração, da força aplicada (prensa pneumática) e a energia fornecida é proporcional ao tempo de soldagem.

  O equipamento necessário para a soldagem inclui uma fonte de energia elétrica, um transdutor, para transformação da energia elétrica e vibração mecânica e um sonotrodo, que é uma ferramenta ressonante para amplificação do ultrassom, cujo tamanho é inversamente proporcional à frequência operacional, e um mecanismo para aplicação de pressão. Em geral utilizam-se altas potências e baixas frequências.

  A fonte de potência determina a frequência das vibrações. Um sinal elétrico de alta frequência é aplicado num transdutor e a energia elétrica é convertida em vibrações mecânicas. As vibrações são então ampliadas pelo sonotrodo e transmitidas à peça.

  As peças são colocadas entre o sonotrodo e a bigorna (suportes da máquina), e oscilam superficialmente em frequências usualmente entre 20 e 40 kHz, durante o tempo de soldagem.

  27.2.7 Vantagens.

  As vantagens em soldar metais pelo processo de ultrassom são: a possibilidade de soldar chapas pintadas ou oxidadas sem preparação prévia das superfícies, reduzindo, assim, o tempo e o custo de mão de obra; dada a fraca liberação de calor, não existem problemas de deformação, fragilização e formação de compostos intermetálicos de alta resistência nas juntas de metais diferentes; a ligação entre alumínio e cobre, utilizada nos terminais de cobre ou latão dos condutores elétricos, é perfeita, fato que seria impossível pelo método de soldagem por resistência. Deve-se salientar, ainda, que esse processo é particularmente adequado para a soldagem automatizada.

  No caso dos termoplásticos, as vantagens são: o elevado ritmo de produção, que pode chegar a 2.000 peças/hora; a possibilidade de soldagens limpas, custo baixo de mão de obra, durabilidade das ligações e ausência de riscos para o operador.

  A soldagem de termoplásticos por ultrassom permite substituir fixações mecânicas como porcas e parafusos, melhorar o design, proporcionar maior segurança na união e redução de risco da ação química do adesivo sobre o plástico, soldar materiais dissimilares e trabalhar com rapidez.

  Na soldagem de termoplásticos, as desvantagens são a presença de desmoldantes, principalmente os de silício, formadores de uma película lubrificante que impede o atrito relativo; a diminuição da rigidez dos materiais por ação do butadieno, o que torna as peças mais absorventes e dificulta a soldagem. O aumento do tempo de soldagem é duplicado devido ao óxido de titânio e a diminuição da soldabilidade é provocada pelos efeitos de oxidação e umidade em junta mal colocada.

  Os materiais mais adequados para a soldagem por ultrassom são os metais não ferrosos e algumas de suas ligas. Aplicações que envolvem materiais como cobre, alumínio e latão são muito comuns, e materiais contendo chumbo, zinco e estanho não são recomendados para serem soldados por ultrassom, pois estes materiais agem como "lubrificantes" e não permitem a abrasão exigida para realização da soldagem.

  A face do material mais próxima à ferramenta é acelerada e desacelerada, sob pressão, a altas frequências. Como a energia disponível para geradores está limitada a até

  4W, o tamanho ou a massa do material a ser soldado tem de ser considerado.

  Como referência, partes ou peças com até 10g no máximo podem ser soldadas. Esse valor pode ser maior se o material for relativamente macio, de modo que a deformação na área da solda seja absorvida. A face que estiver longe da ferramenta pode ter qualquer peso.

  Se as peças a serem soldadas tiverem uma geometria desfavorável, a energia da oscilação tende a gerar um ponto de tensão que pode conduzir a uma distorção ou até mesmo à quebra. Durante a fase de projeto, a forma ou geometria das peças deve ser estudada, avaliada e testada para se evitar surpresas.

  Para obter qualidade de solda constante é importante ter uma superfície uniforme. Deve-se atentar ao nível de contaminação: se for leve, é normalmente aceitável, mas quando as partes estão excessivamente contaminadas ou oleosas, suas superfícies serão limpas pela energia da oscilação antes da realização da solda. O tempo requerido para esse processo depende da quantidade de impurezas e não pode ser claramente definido. O tempo fixo do processo (tempo de soldagem) reduz exatamente essa quantia de tempo de limpeza, e que não está disponível para o processo de soldagem. Devido a isso, pode-se não alcançar o grau necessário de compressão indicado pelo dispositivo de controle ou o tempo de ciclo de soldagem da peça poderá ser comprometido.

  Superfícies revestidas devem ser avaliadas para que se determine se são convenientes para a soldagem por ultrassom. Materiais menos favoráveis para a soldagem por ultrassom podem gerar uniões de boa qualidade aplicando-se uma camada de materiais mais adequados nas superfícies das peças a serem soldadas.

  Exercícios

  1. A soldagem por ultrassom pode ser realizada em qualquer metal?

  2. Quais são as principais aplicações do processo de soldagem por ultrassom?

  3. Quais são os princípios da soldagem por ultrassom?

  4. Quais são as vantagens e limitações do processo de soldagem por ultrassom?

  5. Quais cuidados devem ser tomados na execução do processo de soldagem por ultrassom?

  6. Quais são os equipamentos da soldagem por ultrassom?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

28 Processos de soldagem por pressão.

  Objetivos

  Apresentar a os processos de soldagem por pressão de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.

  28.1 Introdução.

  São considerados processos de soldagem por pressão todos aqueles que possuem como agente principal no processo de união a utilização da pressão, podendo ou não, utilizar do calor como auxiliar nesse processo.

  São considerados parte desses processos a soldagem por deformação, por explosão, ultrassônica por deformação a quente, por difusão, todos já estudados anteriormente em outras aulas, também fazem parte desse processo a soldagem por resistência, por centelhamento e por alta frequência, que são objetos desta aula.

  28.2 Soldagem por Resistência

  A soldagem por resistência (Resistance Welding, RW) compreende um grupo de processos de soldagem nos quais o calor necessário à formação da junta soldada é obtido pela resistência à passagem da corrente elétrica através das peças sendo soldadas. O aquecimento da região da junta pela passagem da corrente elétrica, abaixa a resistência mecânica do material permitindo, através da aplicação de pressão, a deformação localizada e, assim, a soldagem por deformação da junta. Em alguns casos, ocorre uma fusão localizada na região da junta. Assim, neste processo de soldagem pode ocorrer a formação da solda tanto por fusão como por deformação.

  Existem quatro processos principais de soldagem por resistência: (a) soldagem por ponto (Resistance Spot Welding, RSW), (b) soldagem de projeção (Resistance Projection Welding, RPW), (c) soldagem por costura (Resistance Seam Welding, RSEW) e (d) soldagem de topo por resistência (Upset Welding, UW), figura 1.

Figura 28.01 Processos de soldagem por resistência: (a) soldagem por ponto (RSW), (b) soldagem por costura (RSEW), (c) soldagem de projeção (RPW) e (d) soldagem de topo (UW). I - corrente

  de soldagem, setas escuras - pressão.

  Forças são geralmente aplicadas antes, durante e depois da aplicação da corrente com o objetivo de manter o contato entre as superfícies sobrepostas e, em alguns casos, para criar uma força suficiente para provocar um processo de "forjamento", ou seja, deformação plástica a quente do metal durante o período pós-aquecimento.

  Em comparação com a soldagem a arco, a soldagem por resistência não usa gases de proteção, fluxo ou metal de adição; e os eletrodos que conduzem energia elétrica no processo são não consumíveis. O processo RW pode ser classificado como processo de fusão porque o calor aplicado resulta em fusão das superfícies em atrito.

  28.2.1 Aplicação.

  A soldagem por resistência é um dos métodos mais utilizados e versáteis para unir metais, pois serve para variadas espessuras, formas e tipos de material; além disso, o equipamento, com pequenas modificações, pode ser adaptado para soldar várias peças diferentes.

  Utiliza-se a soldagem por resistência nas indústrias de automóveis, de eletroeletrônicos, na fabricação de eletrodomésticos, de tubulações, de equipamento ferroviário e esportivo, entre outras.

  A soldagem por resistência é muito usada para a união de componentes fundidos, quando a fundição da peça inteira é difícil ou onerosa para a união de aços ferramenta com aço carbono e para a união de metais dissimilares, quando suscetíveis a formar uma liga ou quando se introduz entre eles um material intermediário que pode ligar-se aos metais base.

  A solda produzida por resistência é de excelente qualidade, sendo às vezes não aparente, o que simplifica as operações de acabamento.

  Algumas desvantagens da soldagem por resistência são os custos do equipamento, geralmente maiores do que os custos do equipamento para soldagem por arco elétrico, menor resistência à fadiga, além de limitações à espessura dos materiais.

  Como exemplos de materiais que podem ser soldados por este processo, podem se citar os aços carbono, as ligas inoxidáveis, os aços galvanizados, as ligas de alumínio e magnésio, além de outros não ferrosos como o zinco, cobre, bronze, prata, níquel etc.

  Uma das vantagens da soldagem por resistência é a economia de material, em função da não necessidade de consumíveis de soldagem ou de outros meios auxiliares de união, como parafusos, porcas etc., e de usinagem, como furação etc., além da possibilidade de montagem de peças complexas a partir de componentes simples, de baixo custo de produção.

  28.2.2 Fundamentos do processo.

  A junção de duas peças na soldagem por resistência elétrica é feita através da geração de calor, devida à passagem da corrente elétrica, e da aplicação de pressão.

  A corrente elétrica é conduzida até a junta por um par de eletrodos e a resistência das peças à passagem da corrente elétrica gera o aquecimento da superfície a ser soldada. Os eletrodos fixam as peças por meio de pressão, a fim de garantir um ótimo contato elétrico e conter o metal fundido na junta. As superfícies da junta devem estar limpas, de modo a obter um perfeito contato elétrico e produzir uma solda perfeita com dimensão uniforme.

  Uma importante característica da soldagem por resistência é o rápido aquecimento que ela produz. A figura 2 mostra a distribuição de temperatura na peça e no eletrodo. Para unir peças por resistência em um tempo muito curto, é necessário haver altas correntes para aquecer e fundir as partes. O tempo para fazer uma simples solda por resistência é de fração de segundo.

Figura 28.2 Distribuição de resistência elétrica e temperatura durante a soldagem.

  Durante o processo, as peças aquecem-se e ocorre a fusão localizada no ponto de contato na superfície de separação entre ambas, conforme se observa na figura 28.3.

Figura 28.3 Esquema do princípio de funcionamento da soldagem por resistência. Observa-se que a ligação entre as peças é o resultado de uma fusão localizada. Por simplicidade, utilizou-se a

  

soldagem a ponto para ilustrar o processo de ligação na soldagem por resistência.

  A geração de calor é devida à resistência do conjunto à passagem de corrente. Neste processo de soldagem, essa resistência é composta de resistência de contato peça/eletrodo e peça/peça.

  Neste processo de soldagem, as resistências elétricas de todo o circuito secundário são importantes, devido às elevadas correntes de soldagem. Na soldagem por resistência, as resistências elétricas de todo o circuito secundário são importantes, em decorrência das elevadas correntes de soldagem. Quando as peças a serem soldadas já estão unidas mecanicamente através da pressão exercida pelos eletrodos, pode-se dizer que a resistência entre eletrodos é um conjunto de cinco resistências elétricas, localizadas esquematicamente na figura 4, sendo a resistência total dada pela soma das parciais:

  R T = R

  1 + R 2 + R 3 + R 4 + R

  5

  

R1 = resistência de contato eletrodo-peça R5 = resistência de contato peça inferior-eletrodo

R2 = resistência da peça superior inferior R3 = resistência da interface peça-peça

  R4 = resistência da peça inferior

Figura 28.4 Resistências elétricas em uma junta soldada por resistência

  De todas as resistências, R

  3 é a mais importante, porque é nesse local que se formará o ponto e, consequentemente, a geração de calor para ocorrer a fusão localizada.

  1

5 As resistências R e R tornam-se também importantes no caso de metais com baixa

  resistividade elétrica. Os valores R

  1 e R 5 devem ser mantidos o mais baixo possível, para

  evitar excessiva geração de calor na região de contato eletrodo/peça, bem como aumentar a vida útil do eletrodo.

  As resistências R

  2 e R 4 não têm praticamente influência nos estágios iniciais da soldagem, sendo importantes, porém, nos estágios finais.

  Em um condutor, a quantidade de calor gerado pela passagem de corrente é proporcional ao valor da corrente, segundo a lei de Joule, e depende de três fatores: a intensidade de corrente, a resistência do condutor (incluindo a resistência da interface) e o tempo em que a corrente é aplicada. Esses três fatores afetam a quantidade de calor, de acordo com a fórmula:

  2 Q = I Rt

  Q = quantidade de calor gerado em joules I = intensidade de corrente, em amperes R = resistência da peça, em ohms t = duração da intensidade de corrente, em segundos O calor, que é gerado em várias regiões, não somente nas interfaces do eletrodo com a peça, mas também entre as peças, é proporcional ao quadrado da intensidade de corrente de soldagem e diretamente proporcional à resistência e ao tempo. Parte do calor gerado é aproveitada para fundir a peça e uma pequena parte é perdida, na forma de condução térmica, radiação etc. O calor está bem distribuído quando ocorre uma profundidade de fusão, ou penetração, aproximadamente igual nas duas peças. A maioria das aplicações da soldagem por pontos ou por costura utiliza peças com espessuras iguais e eletrodos de mesma liga, forma e dimensões; nesses casos, o equilíbrio do calor é quase automático; entretanto, em muitas aplicações, o calor gerado nas peças é desbalanceado.

  Durante a soldagem, o calor é perdido por condução nas áreas adjacentes ao metal de base e aos eletrodos.

Figura 28.5 Distribuição de calor em uma junta soldada.

  As condições de superfície das peças também influenciam a geração de calor porque a resistência de contato é afetada por óxidos, sujeiras, óleos e outros materiais estranhos que possam existir na superfície. Maior uniformidade nas propriedades da solda é obtida quando as superfícies estão limpas.

  Quando se soldam peças com óxidos ou outros materiais estranhos à superfície, pode haver variações na resistência de contato, causando uma não uniformidade na geração do calor.

  A composição química dos materiais a serem soldados também tem uma grande influência, pois a resistividade e a condutividade elétrica influenciam a geração do calor durante a soldagem; materiais com alta condutividade elétrica, como a prata e o cobre, geram pequena quantidade de calor sobre uma alta densidade de corrente; essa pequena quantidade de calor é rapidamente transmitida através da peça. A composição química determina o calor específico, a temperatura de fusão, o calor latente de fusão e a condutividade térmica, e são esses dados que determinam a quantidade de calor necessário para fundir o metal e gerar a solda.

  Resumindo, as resistências de contato têm papel muito mais importante na geração de calor, durante o processo de soldagem por resistência, do que as resistências das peças a serem soldadas.

  28.2.3 Processos de soldagem por resistência.

  Entre os tipos e as variantes mais importantes do processo de soldagem por resistência, pode-se citar: por ponto; de topo-a-topo, por resistência pura e por centelhamento; por ressalto; e por costura.

28.2.3.1 Processo de soldagem por ponto

  Na soldagem por pontos, a solda é obtida na região das peças colocadas entre um par de eletrodos, e várias soldas podem ser obtidas simultaneamente pela utilização de múltiplos pares de eletrodos.

  A soldagem por pontos (resistance spot welding - RSW) é, de longe, o processo predominante neste grupo. É muito usado para produção em massa de automóveis, aparelhos eletrônicos, móveis metálicos e outros produtos feitos de chapa metálica. Se considerarmos que a carroceria de automóvel típica tem aproximadamente 10.000 soldas de ponto, e a produção anual de automóveis em todo o mundo é medida em dezenas de milhões de unidades, a importância econômica da soldagem por pontos pode ser destacada.

  A soldagem por pontos é um processo RW em que a fusão das superfícies de atrito de uma junta sobreposta é alcançada em um local por meio de eletrodos em posições opostas.

  Nesse processo as pontas de dois eletrodos são colocadas em contato com as superfícies externas de duas chapas sobrepostas e o calor gerado pela resistência à passagem da corrente gera a formação de um ponto de solda, que tem até 10 mm de diâmetro, na interface entre as duas chapas. O processo é controlado pela corrente, pressão e tempo em que há fluxo de corrente. A corrente normalmente aplicada é na faixa de 3.000 a 4.000 A, dependendo do material e da espessura das peças, sendo que a resistência mecânica do ponto de solda depende da rugosidade e limpeza das duas superfícies que serão unidas.

  Em condições adequadas de soldagem, o aquecimento por efeito Joule da região entre os eletrodos permite a fusão localizada da região de contato entre as peças. A pressão aplicada pelos eletrodos no metal de base, causa a deformação plástica do material sólido em torno da “lente” de material fundido, o que impede, em condições adequadas de soldagem, o vazamento (“expulsão”) deste material fundido e, ainda, o protege do contato com o ar atmosférico. Com a interrupção da corrente, a temperatura cai rapidamente com difusão do calor para eletrodos (em geral, refrigerados a água) e para o restante do metal de base, formando-se, assim, um ponto de solda (figura 6). A formação de um ponto de solda é muito rápida, por exemplo, na soldagem de duas chapas de 1,6mm de espessura com uma corrente de cerca de 12.000A necessita-se de um tempo de aproximadamente 0,25s. O processo é mais usado na união de peças com espessura inferior a 3mm, em juntas sobrepostas quando a estanqueidade da junta não é muito importante.

  Encontra larga aplicação, por exemplo, na fabricação de carrocerias de veículos. Esse processo é utilizado principalmente para unir chapas de até 3 mm de espessura, aplicado na fabricação de outros componentes de carro, cabines e móveis, em chapas de aços ao carbono e inoxidáveis, alumínio, cobre e suas ligas. Contêineres são geralmente feitos pela soldagem por pontos.

  As maiores vantagens da soldagem por pontos são a alta velocidade e a facilidade de automação com alta taxa de produção; em muitas operações é um processo econômico, em razão de ser mais rápido do que os processos a arco elétrico e com maçarico, além de requerer menor habilidade de execução.

Figura 28.6 - Formação da solda no processo de soldagem de resistência por pontos (RSW).

  O processo é usado para unir chapas metálicas de espessura de 3 mm (0,125 in) ou menos usando uma série de soldas de ponto, em situações nas quais não é necessária a montagem hermética. O tamanho e a forma da solda por ponto são determinados pela ponta do eletrodo, e a maioria dos eletrodos tem a forma arredondada, mas a hexagonal, quadrada e outras formas também podem ser usadas. A lente da solda resultante em geral tem diâmetro de 5 mm a 10 mm (0,2 in a 0,4 in), com uma zona termicamente afetada se estendendo um pouco além da lente no metal base. Se a solda é feita de forma adequada, sua resistência será similar à do metal circundante. As etapas de um ciclo de solda por pontos são representadas na Figura 7.

  Os materiais utilizados para os eletrodos do processo RSW consistem em dois grupos principais: (1) ligas à base de cobre e (2) composições de metais refratários, tais como ligas de tungstênio-cobre. O segundo grupo se destaca pela resistência superior ao desgaste. Como na maior parte dos processos de fabricação, o conjunto de ferramentas de soldagem por pontos se desgasta gradualmente com o uso. Na prática, os eletrodos são projetados com passagens internas para refrigeração à água.

Figura 28.7 (a) Etapas do ciclo da soldagem por pontos e (b) gráfico da força de aperto e da corrente durante o ciclo. A sequência é: (1) as peças são inseridas entre os eletrodos, (2) os eletrodos fecham, e a

  

força é aplicada, (3) tempo de solda - a corrente é desligada, (4) a corrente é desligada, mas a força é

mantida ou aumentada (algumas vezes, uma corrente reduzida é aplicada perto do final desta etapa para

aliviar tensões na região da solda) e (5) os eletrodos são abertos, e o conjunto soldado é removido.

28.2.3.2 Processo de soldagem por costura

  O processo é semelhante à soldagem por ponto. Neste caso, porém, o eletrodo tem o formato de discos. Forma-se um “cordão” de solda com pontos. Na soldagem por costura, uma série de pontos de solda consecutivos é feita de modo a produzir uma solda contínua, por sobreposição parcial dos diversos pontos.

  Na soldagem por costura (resistance seam welding - RSEW), os eletrodos revestidos são substituídos por rodas, como mostrado na figura 8, e uma série de soldas por pontos sobrepostas são feitas ao longo da junta. O processo é capaz de produzir juntas herméticas, e suas aplicações industriais incluem a produção de tanques da gasolina, silenciadores de automóveis e vários outros, como contêineres de chapa metálica, tubos com costura, tambores.

  Normalmente, um ou ambos os eletrodos são discos ou rodas, que giram enquanto as peças a serem unidas passam entre eles, as principais diferenças são a utilização de eletrodos na forma de disco, que podem se deslocar ao longo da junta com uma dada velocidade, e a aplicação de uma sequência de pulsos de corrente enquanto os eletrodos se movem (figura 8). Desta forma obtêm-se uma sequência de pulsos que se sobrepõem e formam a solda de costura. Este processo permite, assim, a soldagem rápida de chapas finas, podendo as soldas obtidas ser, diferentemente daquelas obtidas com RSW, estanques. Velocidades típicas de soldagem são 25mm/s para chapas de aço de 1,6mm e 17mm/s para chapas de 3mm.

  É um processo tipicamente automático em que o tempo de fluxo de corrente, a corrente de soldagem e a pressão dos eletrodos são regulados por controladores eletrônicos. A velocidade típica de soldagem é em torno de 1,5 m/min.

  Em termos técnicos, o processo RSEW é similar à soldagem por pontos, exceto que os eletrodos de roda introduzem certas complexidades. Devido à operação ocorrer normalmente de forma contínua, em vez de por etapas, as costuras devem ser ao longo de uma linha reta ou uma linha curvada de forma uniforme. Nos cantos pontiagudos e descontinuidades similares, são difíceis de serem efetuadas. Quando a deformação das peças também influencia na resistência de soldagem por costura, os fixadores são necessários para fixar a peça a ser soldada na posição e minimizar a distorção.

  O espaçamento entre as lentes da solda na soldagem por costura depende da movimentação dos eletrodos de rodas em relação à corrente de soldagem aplicada. No método de operação usual, chamado soldagem contínua, a roda é girada continuamente em velocidade constante, e a corrente é ativada em intervalos de tempo compatíveis com o espaçamento desejado entre as soldas por pontos ao longo da costura. A frequência de descargas de corrente é normalmente ajustada de modo que soldas por pontos sobrepostas sejam produzidas. Mas se a frequência é bastante reduzida, então haverá espaços entre as soldas por pontos, e este método é denominado soldagem por ponto (lente individual). Em outra variação, a corrente contínua de soldagem permanece em níveis constantes (em vez de ser pulsada) de modo que uma soldagem por costura é produzida. Estas variações são descritas na figura 9.

  Uma alternativa para soldagem contínua é a soldagem sobreposta, na qual um eletrodo de roda é periodicamente interrompido para fazer a solda por pontos. A quantidade de rotações da roda entre as paradas determina a distância entre as soldas por pontos ao longo da costura, obtendo-se padrões semelhantes para (a) e (b) na figura 9.

Figura 28.8 Soldagem por costura (processo RSEW).Figura 28.9 Diferentes tipos de costuras produzidas pelos eletrodos de rodas: (a) soldagem por costura convencional, em que pontos sobrepostos são produzidos; (b) soldagem por ponto (lente individual); e (c)

  

soldagem contínua.

28.2.3.3 Processo de soldagem por projeção (ou por ressalto)

  A soldagem por projeção (resistance projection welding - RPW) é um processo RW no qual o coalescimento ocorre em um ou mais pontos de contato nas peças. Estes pontos de contato são determinados pelo projeto das peças que serão unidas e podem consistir em projeções, relevos ou interseções localizadas nas peças. Um caso típico em que duas peças de chapas metálicas são soldadas em conjunto é descrito na figura 10. A peça superior foi produzida com dois pontos em relevo para iniciar o processo de contato com outra peça. Poderia ser argumentado que a gravação dos relevos aumenta o custo das peças, mas este aumento pode ser mais que compensado pelas economias no custo da soldagem.

Figura 28.10 Solda por projeção (processo RPW): (1) início da operação, contato entre as peças em projeção e (2), quando a corrente é aplicada, são formadas lentes da solda nas projeções, similares às da

  

soldagem por pontos.

  A soldagem por projeção é, também, muito similar à soldagem RSW. A maior diferença reside na conformação, ou usinagem, em uma das peças, de projeções, interseções e saliências, por onde a corrente passará preferencialmente e, portanto, onde o ponto de solda será formado. Como consequência, eletrodos grandes e planos podem ser usados e mais de um ponto de solda pode ser formado de cada vez. Pinos, parafusos e outros tipos de apêndices podem ser facilmente soldados a chapas finas por este processo.

  Esse processo é usado principalmente para unir chapas de 0,5 a 3,0 mm de aços carbono, aços inoxidáveis e ligas de cobre e de níquel; aplicado onde a aparência é mais importante do que a resistência. Espessuras maiores requerem uma máquina especial. Várias ligas de aço-carbono ou aço-liga e algumas ligas de níquel podem ser soldadas por projeção.

  Duas ou mais soldas podem ser obtidas com um único par de eletrodos. A soldagem por projeção é principalmente utilizada para unir peças estampadas, forjadas ou usinadas.

  Em geral, soldas feitas por projeção podem ser utilizadas em substituição à soldagem por pontos; a escolha de um método ou de outro depende de vários aspectos. Esse tipo de soldagem permite executar várias soldas ao mesmo tempo, em um ciclo único.

  O processo apresenta como limitações: as formas das projeções podem requerer uma operação extra de estampagem; no caso de múltiplas soldas, é necessária a precisão do controle da altura e do alinhamento das peças a serem soldadas, a fim de igualar a pressão e a corrente de soldagem; o processo é limitado pela espessura.

  Existem variações da soldagem por projeção, duas das quais são mostradas na figura 11. Em uma das variações, fixadores com projeções conformadas ou usinadas podem ser permanentemente unidos a uma chapa ou placa pelo processo RPW, facilitando as operações de montagem posteriores. Outra variação, chamada soldagem com arames cruzados, é usada para fabricar produtos de arames soldados, tais como arames para cercas, carrinhos de compras e grelhas de fogão. Neste processo, as superfícies de contato dos arames servem como projeções para concentrar a resistência de calor para soldagem.

Figura 28.11 Duas variações de soldagem por projeção: (a) soldagem de um fixador, conformado ou usinado, sobre uma peça de chapa metálica; e (b) soldagem topo a topo por resistência.

28.2.3.4 Processo de soldagem de topo por resistência

  Na soldagem de topo por resistência (UW), ao contrário dos processos anteriores, trabalha-se com juntas de topo, sendo esta comumente usada para a união de arames, tubos, anéis e tiras de mesma seção transversal. Neste processo, as duas peças são colocadas em contato e pressionadas uma contra a outra. A seguir, a corrente de soldagem é ligada, passando das garras para as peças e através destas. A região de contato entre as peças, onde a resistência elétrica é maior, é aquecida por efeito Joule, o que causa uma redução de sua resistência mecânica. Como resultado, esta região passa a ser deformada plasticamente por ação da força de compressão aplicada inicialmente, a qual pode ser aumentada quando a junta estiver adequadamente aquecida. A deformação plástica leva à formação da solda e de uma rebarba lateral entre as peças para onde as impurezas da região da junta tendem a migrar. Ao final do processo, a corrente é desligada, permitindo o resfriamento da solda. Em alguns casos, é possível aplicar, ainda, um tratamento térmico após a soldagem pela passagem de uma corrente menor que a usada na soldagem.

  Um contato uniforme entre as peças na região a ser soldada é fundamental para garantir uma união isenta de descontinuidades com o processo UW. Assim, este processo não é adequado para a união peças com uma grande seção de contato ou com um formato complicado. Para estes casos, o processo de soldagem por centelhamento (FW) tem um melhor desempenho.

  Na soldagem de topo, a corrente elétrica passa através das faces das peças posicionadas topo a topo. A soldagem de topo pode ser dividida em dois tipos: soldagem de topo por resistência pura e soldagem de topo por centelhamento.

  Na soldagem de topo por resistência pura, a união é produzida em toda a área de contato das partes a serem soldadas; ambas as partes são pressionadas uma contra a outra até que o calor, gerado pela passagem da corrente, seja suficiente para fundi-las. É utilizada para unir arames, barras, chapas e tubos com até l5mm de diâmetro. É o processo de soldagem por resistência, onde a ligação é produzida em toda a área de contato entre as duas partes a serem soldadas. Neste caso, ambas as partes são pressionadas uma contra a outra até que o calor, gerado pela passagem da corrente, seja suficiente para soldar ambas as partes.

  No caso de soldagem de topo por centelhamento, a união é feita em toda a área de contato entre as partes a serem soldadas; nesse processo, as áreas são afastadas formando uma faixa, e em seguida são unidas; o procedimento é repetido até atingir-se a temperatura de forjamento, quando então se aplica a pressão de forjamento para completar a soldagem. A soldagem de topo por centelhamento é utilizada em barra, tubo ou perfil, com até

  2

  aproximadamente 20.000mm de seção transversal. É o processo de soldagem por resistência elétrica, onde a ligação é feita em toda a área de contato entre as duas partes a serem soldadas. Neste caso, diferentemente do anterior, essas áreas em contato são afastadas, formando uma faixa, para em seguida voltarem a ser unidas. Esse processo é repetido até atingir-se a temperatura de forjamento, onde então aplica-se a pressão de forjamento para completar a soldagem.

Figura 28.12 Soldagem por resistência de topo

  O processo apresenta como limitações: as formas das projeções podem requerer uma operação extra de estampagem; no caso de múltiplas soldas, é necessária a precisão do controle da altura e do alinhamento das peças a serem soldadas, a fim de igualar a pressão e a corrente de soldagem; o processo é limitado pela espessura.

  28.2.4 Parâmetros de soldagem.

  As principais variáveis do processo são a corrente de soldagem, o tempo de soldagem, a pressão de soldagem e o eletrodo. A corrente de soldagem tem maior influência do que os outros fatores; a corrente alternada ou a contínua podem ser utilizadas na soldagem por pontos, por costura e por projeção. A corrente contínua é utilizada em aplicações que requerem alta intensidade de corrente porque a carga pode ser balanceada em três fases; a corrente contínua é utilizada também para reduzir as perdas no circuito secundário.

  Em relação às variações de intensidade de corrente, a densidade da corrente pode variar na interface da solda; um aumento do diâmetro do eletrodo ou da dimensão projetada da solda diminui a densidade de corrente e o calor de soldagem, o que pode causar um significativo decréscimo nas propriedades mecânicas da solda. Existe um limite inferior para a densidade de corrente abaixo do qual a fusão não ocorre. Excessiva densidade de corrente causa expulsão do metal fundido, resultando em vazios internos, trincas na solda e menores propriedades mecânicas.

  No caso de soldas por pontos e por costura, a excessiva intensidade de corrente provoca um superaquecimento do metal de base e resulta em profundo entalhe nas peças e rápida deterioração dos eletrodos. Calor suficiente deve ser gerado para compensar as perdas, por condução, para o metal de base adjacente e os eletrodos.

  O ideal é encontrar o limite da corrente de expulsão de material, fixando os valores de pressão e tempo de soldagem. Os valores de corrente de expulsão são definidos com uma faixa de corrente e identificados através de procedimentos e estabilidade de níveis de corrente de expulsão. Um exemplo de curva de soldabilidade encontra-se na figura abaixo.

Figura 28.13 Parâmetros de soldagem

  O tempo de soldagem determina o calor total, desde que os outros parâmetros permaneçam constantes. O processo de solda por ponto normalmente tem diferentes etapas. O tempo de cada etapa deve ser precisamente controlado mesmo que cada um dure apenas uma fração de segundo. O tempo usado é medido em ciclos ou em milissegundos.

  A taxa de aquecimento deve provocar uma adequada resistência da junta soldada, e os eletrodos não devem sofrer aquecimento excessivo para evitar sua deterioração. As perdas do calor são geralmente por condução, tanto no eletrodo quanto no metal de base, na região que circunda o eletrodo, e muito pouco por radiação. As perdas aumentam com o aumento do tempo de soldagem e da temperatura do metal, e não podem ser controladas. A pressão de soldagem é produzida pela força externa aplicada pelos eletrodos sobre as juntas e influencia o valor da resistência total por meio das resistências de contato das interfaces das peças; as peças a serem soldadas devem ser bem fixadas na região onde se fará a solda, para garantir a passagem da corrente. Um aumento na pressão resulta numa diminuição da resistência das interfaces e do calor; desse modo, a corrente elétrica ou o tempo devem ser aumentados para compensar a queda da resistência.

  Os eletrodos têm vital importância na geração de calor porque conduzem a corrente elétrica até as peças. No caso da soldagem por pontos e por costura, a área de contato dos eletrodos controla a densidade de corrente, o que influencia as dimensões da solda.

  Os eletrodos para soldagem por resistência desempenham quatro funções; uma é conduzir a corrente de soldagem para a peça, sendo que no caso da soldagem por pontos e por costura, os eletrodos determinam a densidade de corrente na zona da solda; no caso de soldagem por projeção, a densidade da corrente é determinada pela forma, pela dimensão e pelo número de projeções; outra função do eletrodo é transmitir força para as peças; a terceira é dissipar parte do calor da zona da solda, e a última, manter o alinhamento e a posição das peças, no caso de soldagem por projeção. É necessário que as peças a soldar estejam limpas, pois óleo, graxa e sujeiras contribuem para a deterioração dos eletrodos.

Figura 28.14 Característica do eletrodo para soldagem por resistência

  O eletrodo deve ter ótima condutividade térmica, boa resistência e dureza para resistir às possíveis deformações causadas pelas forças; uma deformação nas faces dos eletrodos aumenta a área de contato e diminui a densidade da corrente elétrica e a pressão de soldagem.

  As superfícies dos metais, do ponto de vista microscópico, apresentam-se como uma série de picos e vales; quando uma pequena pressão é aplicada, o contato entre metal e metal existe somente na região dos picos, que representa uma pequena porcentagem da

  área total, e a resistência de contato é maior; quando a pressão é aumentada, a área de contato também aumenta, resultando numa queda da resistência de contato. Em muitas aplicações, o eletrodo é mais mole do que as peças, e, em consequência, uma aplicação de força no eletrodo produz um melhor contato entre este e as peças.

  Os eletrodos à base de cobre estão classificados segundo a Resistance Welder Manufacturers Association (RWMA). A soldagem por resistência não utiliza consumíveis. Apenas os eletrodos, como já foi citado, são peças que se desgastam com o tempo e devem ser substituídas eventualmente.

  28.2.5 Técnica operatória.

  As principais variáveis da soldagem por resistência são a corrente elétrica, a resistência elétrica do circuito de soldagem, o tempo, a força nos eletrodos e a forma e a preparação destes.

  A corrente de soldagem possui um limite inferior, abaixo do qual o aquecimento e eventual fusão adequados não são obtidos na interface de união. Este valor depende da área de contato entre os eletrodos e as peças ou das peças entre si, do material a ser soldado e da espessura deste. Aumentando-se a intensidade de corrente, pode-se diminuir o tempo de fluxo desta. Entretanto, existe um limite superior que, se excedido, provocará o aquecimento de toda a espessura do material entre os eletrodos, de tal forma que haverá deformação plástica de toda a seção sob a ação dos eletrodos, com possíveis penetrações excessivas destes na superfície de material. A resistência mecânica máxima na junta é obtida, de modo geral, para valores de corrente ligeiramente abaixo deste limite superior. Condições ótimas de operação e resultados são, em geral, obtidas nesta situação.

  A quantidade de calor gerada na junta é diretamente proporcional ao tempo de passagem da corrente elétrica. Assim, este tempo deve ser otimizado em função dos outros parâmetros de soldagem. De acordo com a equação citada na primeira parte deste capítulo, quantidades iguais de calor podem ser geradas na junta, com diferentes

  2

  parâmetros de operação, desde que o produto I t seja mantido constante. Isto significa que, em princípio, soldas equivalentes podem ser obtidas para diferentes níveis de corrente, se o tempo de passagem desta for variado de forma conveniente. Entretanto, isto não é totalmente verdadeiro, pois um aumento no tempo de soldagem diminui a eficiência do processo, já que uma perda maior de calor ocorrerá, através de condução pelas peças e pelos eletrodos, antes da fusão da interface. Assim, para reduzir a extensão da zona termicamente afetada, é preferível se trabalhar com correntes elevadas e tempos curtos. Isto é particularmente interessante na soldagem de materiais de alta condutividade térmica.

  Na soldagem por costura, além do tempo de passagem da corrente, deve-se controlar a relação entre o intervalo de tempo das descargas e a velocidade de deslocamento das peças, de modo a se obter uma superposição adequada dos pontos de solda que formarão o cordão. Neste processo, devido à condução de corrente pela parte metálica já soldada, corrente de soldagem deve ser de 30% a 50% superior àquela usada na soldagem por pontos nas mesmas condições. A resistência total do circuito de soldagem é dada pela soma das resistências dos eletrodos, das resistências de contato eletrodo-peça, da resistência interna das peças e da resistência de contato entre as peças, desprezando-se a resistência interna do equipamento.

  Como o aquecimento em cada uma destas regiões é proporcional ao valor local da resistência elétrica, a resistência de contato entre as peças deve ser a maior delas, de modo que o aquecimento se dê principalmente nesta interface.

  Esta resistência pode ser controlada pela condição superficial das peças a unir e pela força aplicada. No caso de soldagem de metais dissimilares ou de peças de diferentes espessuras, a variação de resistividade dos materiais ou a variação de resistência com a espessura deve ser compensada pela geometria dos eletrodos. Assim por exemplo, eletrodos com maior área devem ser colocados em contato com as peças de maior resistividade e vice-versa, para promover um balanço térmico, como mostrado na figura

  15. Figura 28.15 Desenho esquemático mostrando variações na geometria do eletrodo como forma de

compensação para variações na resistividade ou espessura das peças a soldar.

  Existem vários fatores que influenciam diretamente a qualidade da solda, dentre os quais podem-se citar como os mais importantes:

  • espaçamento entre os eletrodos: deverá ser de aproximadamente o dobro da espessura das chapas a serem soldadas, ou seja, o mais próximo possível da peça;
  • condições dos materiais: é necessário que seja feita uma boa limpeza nas chapas, visando a eliminação de sujeiras, gorduras, pintura, óleo. Estes elementos funcionam como isolante elétrico, não contribuindo positivamente para a execução da soldagem;
  • uniformidade dos pontos de solda: para se obter soldas de boa qualidade e com resistência mecânica adequada, é necessário que haja uma uniformidade dos pontos de solda. Aqueles pontos que apresentam um tamanho maior, em geral possuem menor resistência mecânica;
  • presença de rebarbas e ondulações: as rebarbas e ondulações impedirão um perfeito contato entre as chapas, logo a solda resultante não terá resistência mecânica adequada;
  • corrente: é controlada na fonte de energia, em geral pela tensão do secundário, através de "taps", influindo diretamente no aquecimento a que as peças serão submetidas;
  • tempos: basicamente são controlados por temporizadores os tempos de centelhamento, soldagem, e retenção e resfriamento, quando usados; e
  • pressão: é ajustada por reguladores de pressão e depende quase que exclusivamente da espessura do material a ser soldado.

  Diferentes metais podem ser soldados pelos processos por resistência, sendo sua soldabilidade controlada, de maneira geral, pela resistividade, condutividade térmica, temperatura de fusão e suas características metalúrgicas.

  Metais com elevada resistividade, baixa condutibilidade térmica e ponto de fusão relativamente baixo, como ligas não ferrosas, são facilmente soldáveis. Certos aços, particularmente os de maior teor de carbono, podem necessitar de tratamentos térmicos pós-soldagem para ajuste de suas propriedades mecânicas. Certos metais com menor resistividade elétrica e maior condutividade térmica, como o Al, o Mg e suas ligas, são mais difíceis de soldar. Metais preciosos e o Cu, devido à sua elevada condutividade térmica e elétrica, são problemáticos para soldagem por resistência. Finalmente, os metais refratários, devido ao seu elevado ponto de fusão, são também difíceis de soldar por estes processos.

  28.2.6 Equipamentos.

  Todas as máquinas de soldagem por resistência apresentam, basicamente, três componentes fundamentais: sistema mecânico, circuito primário e sistema de controle.

  • O sistema mecânico é aquele no qual a peça é fixada e a força do eletrodo é aplicada.
  • O circuito primário consiste de um transformador, cuja função é regular a corrente de soldagem.
  • O sistema de controle pode atuar somente sobre o tempo de soldagem ou também sobre a ação mecânica da aplicação da força do eletrodo.

  Esses três componentes regulam as variáveis mais importantes na soldagem por resistência, isto é, a força do eletrodo, a intensidade da corrente e o tempo de passagem da corrente de soldagem.

Figura 28.16 - Máquina de solda por resistência, tanto por ponto como por ressalto. A- cilindro hidráulico ou pneumático; B- cabeçote de solda; C- eletrodos com seus suportes; D- mesa superior; E- mesa inferior;

  

F- chapa inferior de reforço; G- contatos flexíveis; H- terminais de contato superior e inferior; I-

transformador secundário; J- suporte da chapa de reforço e macaco de parafuso.

  O circuito elétrico é alimentado por um transformador ou fonte de energia, e apresenta também ligações e eletrodos que conduzem a corrente de soldagem até as peças. Os eletrodos são feitos de ligas com alta condutividade térmica e elétrica, geralmente à base de cobre, e apresentam resistência à deformação e ao desgaste.

  Algumas máquinas para soldagem por resistência fornecem corrente alternada. Essas máquinas contêm um transformador para produzir alta corrente de soldagem e baixa tensão elétrica. Dependendo da espessura e do tipo de material a ser soldado, a faixa de corrente pode variar de 1.000 a 100.000A.

  Algumas máquinas de soldagem também podem produzir corrente contínua: são os retificadores. Os retificadores fornecem corrente contínua através de uma rede de corrente alternada.

  O controle da soldagem pode ser feito pela corrente inicial e final no transformador, pela intensidade da corrente e pelo acionamento e liberação de pressão nos eletrodos, no tempo certo.

  O controle da cronometragem e da sequência estabelecida para a soldagem é executado em cada operação e inclui a aplicação de forças nos eletrodos, a corrente elétrica e o intervalo de tempo entre cada função. A corrente elétrica de soldagem é controlada por taps ou por circuito eletrônico ou, ainda, por ambos.

  As soldagens por pontos, por costura e por projeção têm essencialmente os mesmos tipos de operações mecânicas. Os eletrodos aproximam-se e recuam até as peças por um controle de tempo e velocidade. A força é aplicada por mecanismos hidráulicos, pneumáticos, magnéticos ou mecânicos.

28.2.6.1 Soldagem a resistência por pontos e por projeção

  Devido à sua ampla utilização industrial, vários tipos de máquinas e métodos estão disponíveis para realizar operações de soldagem por pontos. O equipamento consiste em máquinas de soldagem por um braço oscilante, uma máquina de soldagem de pontos similar a uma prensa e uma pistola de soldagem de pontos portátil. O braço oscilante das máquinas de soldagem por pontos, mostrado na figura 17, possui eletrodo estacionário inferior e eletrodo superior, que pode ser movimentado para cima ou para baixo, para o trabalho de carregamento e descarregamento da peça a ser soldada. O eletrodo superior é montado sobre um braço oscilante (daí o seu nome), cujo movimento é controlado por um pedal através de um operador. Máquinas modernas podem ser programadas para controlar a força e a corrente durante o ciclo de soldagem.

  Máquinas de soldagem por pontos tipo prensa destinam-se a trabalhos em grande escala.

  O eletrodo superior tem movimento linear fornecido por uma prensa vertical e tem alimentação pneumática ou hidráulica. A ação da prensa permite aplicar forças maiores, e os controles geralmente permitem a programação de ciclos de solda complexos.

  Os dois tipos de máquinas anteriores são máquinas de soldagem por pontos estacionárias, nas quais a peça de trabalho é levada para máquina. Para trabalhos em larga escala e pesados, é difícil mover e posicionar as peças em máquinas estacionárias. Para estes casos, as pistolas portáteis de soldagem por pontos estão disponíveis em vários tamanhos e configurações.

  Estes equipamentos consistem em eletrodos em posições opostas contendo mecanismo de pinça. Cada unidade é leve, de modo que pode ser realizada e manipulada por um operador ou robô industrial. A pistola está ligada à fonte de energia e é controlada por meio de cabos elétricos flexíveis e mangueiras de ar. Se necessário, a refrigeração dos eletrodos pode ser efetuada por meio de uma mangueira de água. Pistolas de soldagem por pontos portáteis são amplamente utilizadas em plantas de montagem final de carrocerias de automóveis com soldas por pontos. Algumas dessas pistolas são operadas por pessoas, mas os robôs industriais tomaram-se a tecnologia preferida.

Figura 28.17 Máquinas de soldagem por pontos com braço oscilante.

28.2.6.2 Soldagem por costura

  As máquinas para soldagem por costura são similares às anteriores, porém os eletrodos são discos e, dependendo da posição de seus eixos, pode-se soldar na direção paralela ou perpendicular ao chassi do equipamento. A figura 18 mostra a operação de uma máquina de solda por costura.

Figura 28.18 Equipamento para soldagem por costura.

28.3 Soldagem por Centelhamento

  A soldagem por centelhamento (Flash Welding, FW) é muitas vezes classificado como um processo por resistência pois apresenta diversas características e aplicações similares à soldagem de topo por resistência (UW). Na soldagem FW (figura 19), as peças a serem soldadas são aproximadas sem, contudo, as suas superfícies entrarem em contato. A energia elétrica é ligada e, então, as peças são colocadas em movimento relativo de forma a se aproximarem com uma velocidade constante. Este movimento causa o contato elétrico das superfícies a serem soldadas das peças, inicialmente em poucos pontos onde ocorre a formação de um arco elétrico (centelhamento). Por ação do centelhamento, ocorre a vaporização dos pontos em contato, permitindo, desta forma, que novos pontos entrem em contato e o centelhamento se espalhe por toda a superfície da junta. Após um certo tempo de centelhamento, quando todas as superfícies a serem unidas estiverem suficientemente aquecidas, a corrente de soldagem é desligada e as peças são fortemente pressionadas uma contra a outra, sofrendo considerável deformação plástica nas superfícies da junta o que leva à formação da solda.

  A soldagem por centelhamento tem aplicações similares ao processo UW, contudo, como a ação de centelhamento permite um aquecimento mais uniforme da junta, mesmo com condições piores de preparação superficial, o processo FW pode ser utilizado para peças de maior espessura e de formato mais complicado. O processo é muito usado na fabricação de tubulações e de rodas de carros e caminhões e na união de trilhos. Por outro lado, o processo é mais complexo e o seu equipamento tende a ser mais caro e complicado.

Figura 28.19 - Soldagem por centelhamento: (a) Posicionamento inicial das peças, (b) após a energia elétrica ser ligada, as peças são aproximadas com uma velocidade v1, ocorrendo o centelhamento quando

  

pontos das superfícies entram em contato (ver detalhe), (c) após o aquecimento adequado das superfícies,

a corrente é desligada e as peças são pressionadas (com uma velocidade v2 > v1) para a formação da

solda.

  No que se refere ao sistema elétrico, as máquinas de soldagem por centelhamento possuem ainda um dispositivo para provocar o centelhamento entre as peças a serem unidas.

  Quanto ao sistema mecânico, as máquinas para soldagem por centelhamento (FW) e de topo (UW) possuem um sistema de aplicação de pressão final, e, quando aplicável, um sistema de aproximação progressiva das peças a serem unidas, sendo que uma delas fica geralmente fixa e a outra é móvel.

28.4 Soldagem por Alta Frequência

  Na soldagem por alta frequência (High Frequency Induction Welding, HFIW), são utilizadas bobinas por onde passa uma corrente de alta frequência que causa o aparecimento de correntes induzidas na região da junta das peças que estão sendo soldadas. Estas correntes aquecem a junta por efeito Joule o que facilita a deformação localizada e a formação da solda com a aplicação de pressão. Desta forma, este processo apresenta grande semelhança com a soldagem RW, sendo considerado, por diversos autores, como um processo de soldagem por resistência.

  O processo é bastante usado na fabricação (soldagem longitudinal) de tubos e perfis de aço de parede de pequena espessura (de cerca de 0,13 mm) podendo ser usado, também, para tubos de grande espessura de parede (até 25 mm), com uma grande velocidade de soldagem (até cerca de 300 m/min), sendo adequado para aplicações mecanizadas ou automatizadas onde um grande volume de produção é necessário. O aquecimento da junta tende a ser bem localizado minimizando alterações no metal de base. O processo pode ser usado para diferentes metais e ligas, incluindo aços carbono e de baixa liga, aços inoxidáveis e ligas de alumínio, cobre, titânio e níquel. A figura 20 ilustra a soldagem HFIW.

Figura 28.20 - Exemplo da utilização do processo HFIW na soldagem longitudinal de tubos.

  Exercícios

  1. Como podem ser definidos os processos de soldagem por pressão?

  2. Quais são os princípios que regem os processos de soldagem por resistência?

  3. Quais são as principais diferenças entre os principais tipos de soldagem por resistência?

  4. Quais são as principais aplicações dos processos de soldagem por pressão?

  5. Quais são as principais características do processo de soldagem por centelhamento?

  6. Quais são as principais características do processo de soldagem por alta frequência?

  Referências bibliográficas

  (1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).

  (2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013. (3) GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Tradução de Anna Carla de Araújo; tradução e revisão técnica André Ribeiro de Oliveira...

  [et al.]. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. (4) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher,

  1992. 494 p. (5) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA,

  Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.

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