14ª Aula - Soldagem - Introdução, oxiacetilênica, Eletrodo revestido PDF

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SOLDAGEM OXIACETILÊNICA ELETRODO REVESTIDO

Tecnologia de Soldagem

Introdução Soldagem é o processo de união de materiais (particularmente os metais) mais importante do ponto de vista industrial sendo extensivamente utilizada na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas.

Introdução

Tecnologia de Soldagem

A sua aplicação atinge desde pequenos componentes eletrônicos até grandes estruturas e equipamentos (pontes, navios, vasos de pressão, etc.). Existe um grande número de processos de soldagem diferentes, sendo necessária a seleção do processo (ou processos) adequado para uma dada aplicação. A tabela abaixo lista algumas das principais vantagens e desvantagens dos processos de soldagem.

Tecnologia de Soldagem

Histórico As mais antigas notícias que se tem sobre a soldagem remontam à soldagem por forjamento da ”espada de Damasco” (1300 A.C.) e ao uso de uma espécie de maçarico soprado pela boca, usando álcool ou óleo com combustível que os egípcios usavam para fundir e soldar o bronze, técnica legada a gregos e romanos.

Tecnologia de Soldagem Definições Algumas definições usuais para soldagem são: • Processo de união de materiais baseado no estabelecimento, na região de contato entre as peças que estão sendo unidas, de ligações químicas de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais."

Tecnologia de Soldagem Classificação Os diferentes processos de soldagem podem ser agrupados em dois grandes grupos baseando-se no método dominante de se produzir a solda, isto é: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) (b) processos de soldagem por fusão.

Tecnologia de Soldagem Classificação Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) O primeiro grupo inclui os processos de soldagem por ultrasom, por fricção, por forjamento, por resistência elétrica , por difusão, por explosão, entre outros. Alguns destes processos, como a soldagem por resistência a ponto, apresentam características intermediárias entre os processos de soldagem por fusão e por deformação.

Tecnologia de Soldagem Classificação Processos de soldagem por Fusão O segundo grupo inclui um grande número de processos, entre os quais se destacam os processos de soldagem a arco que são os mais utilizados industrialmente. Estes utilizam, como fonte de calor para a fusão da junta, uma descarga elétrica em meio gasoso (arco elétrico) entre dois eletrodos ou, mais comumente, entre um eletrodo e a(s) peça(s).

Tecnologia de Soldagem Tecno I

Terminologia de soldagem

• Soldagem (Welding): é o processo de união de materiais, a Solda (weld) é o resultado deste processo. É similar, por exemplo, a Fundição e Fundido (ou peça fundida) e Laminação e Produto laminado (por exemplo, uma chapa). No Brasil, embora possa ser considerado como incorreto, é comum usar a palavra solda para expressar o processo, por exemplo: “A solda elétrica é um processo muito versátil...”;

Terminologia de soldagem

• 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” (de melhor soldabilidade) que seja adequado para a aplicação. Em alguns casos, por exemplo, na recuperação de uma dada peça por soldagem, esta escolha é impossível.

Terminologia de soldagem

• Metal de Adição (filler metal): Material adicionado, no estado líquido, durante a soldagem por fusão. • O metal de adição deve ser selecionado de acordo com o metal base, as características e a aplicação da junta a ser soldada.

Terminologia de soldagem

Figura 1 – Ilustração dos termos básicos usados em soldagem.

Terminologia de soldagem • 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;

Terminologia de soldagem Junta (joint): Região entre duas ou mais peças que serão unidas. • Os tipos usuais de junta são: • de topo (butt), • de ângulo (tee), • de canto (corner), • sobreposta (lap); e • de aresta (edge) (Figura 2).

Figura 2 – Tipos de junta.

Terminologia de soldagem • 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 (Figura 3).

Figura 3 – Tipos de penetração.

Terminologia de soldagem • 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.

Terminologia de soldagem • O uso de um chanfro (ou bisel) diferente do tipo I (Figura 4) implica na necessidade de se usar metal de adição. • A escolha do tipo de chanfro e suas dimensões dependem de muitos fatores como o 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 e as características desejadas para a junta (Figura 5);

Figura 4 – Tipos de chanfros utilizados em soldagem.

Terminologia de soldagem

Figura 5 – Tipos de juntas e exemplos de chanfros.

Terminologia de soldagem • Elementos de um Chanfro: Podem ser os seguintes: a) Encosto ou nariz (s) (nose, groove face): Parte não chanfrada de um componente da junta. b) Garganta, folga ou fresta (f) (root opeming): Menor distância entre as peças a soldar. c) Ângulo de abertura da junta ( ) (groove angle) e ângulo de chanfro (bisel) ( ) (bevel angle) (Figura 6).

Figura 6 – Elementos de um chanfro.

Terminologia de soldagem • 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 (Figura 7);

Terminologia de soldagem

Figura 7 – soldagem.

Passes

de

Terminologia de soldagem • 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;

Tecnologia de Soldagem • Posições de Soldagem (welding positions): Podem ser de 4 tipos, a saber: a) Plana (flat): A soldagem é feita no lado superior de uma junta e a face da solda é aproximadamente horizontal. b) Horizontal (horizontal): O eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face é inclinada. c) Sobrecabeça (overhead): A soldagem é feita do lado inferior de uma solda de eixo aproximadamente horizontal. d) Vertical (vertical): O eixo da solda é aproximadamente vertical. A soldagem pode ser “para cima” = ascendente (vertical-up) ou “para baixo” = descendente (verticaldown) (Figura 8).

Tecnologia de Soldagem

Figura 8 – Posições de soldagem.

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

Tecnologia de Soldagem b) 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). c) 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).

Tecnologia de Soldagem d) 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.

Tecnologia de Soldagem

• Regiões de uma junta soldada (soldagem por fusão): Pode-se considerar que uma junta soldada é formada por três regiões: a) Metal base (já definido anteriormente). b) 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. c) Zona Fundida (ZF): Região que, em algum momento durante a soldagem, esteve no estado líquido.

Tecnologia de Soldagem

Figu’ra 9 – Regiões de uma junta soldada.

Tecnologia de Soldagem EPI’s e EPC’s para a soldagem Os EPCs (Equipamentos de Proteção Coletiva) obrigatórios para todo trabalho de soldagem são:

Sistemas de extração de gases

Cortinas inactínicas

Extintores de incêndio

Tecnologia de Soldagem EPI’s e EPC’s para a soldagem Já os EPIs (Equipamento de Proteção Individual) para soldador são:

Tecnologia de Soldagem I

Soldagem Oxiacetilênica

Soldagem Oxiacetilênica Introdução Segundo a American Welding Society (AWS), a soldagem a gás é um grupo de processos onde o coalescimento é devido ao aquecimento produzido por uma chama, usando ou não metal de adição, com ou sem aplicação de pressão. Também é conhecida como Oxy-Fuel Gas Welding – OFW (soldagem a gás oxi-combustível).

Soldagem Oxiacetilênica Introdução As vantagens da soldagem oxigás são: 1. 2. 3. 4.

Baixo custo; Emprega equipamento portátil; Não necessita de energia elétrica; Permite o fácil controle da operação.

Soldagem Oxiacetilênica Introdução As principais desvantagens do processo oxigás são: 1. 2. 3. 4.

Exige soldador hábil; Tem baixa taxa de deposição; Conduz a um superaquecimento; Apresenta riscos de acidente com os cilindros de gases.

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica: As chamas possuem duas partes: dardo e penacho. No dardo 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).

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica: Com o conhecimento de regulagem da chama, pode-se classificar as chamas como: a) Neutra; b) Redutora (ou carburante); c) Oxidante.

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica: a) Neutra: A chama neutra tem, aproximadamente, uma mesma proporção volume de acetileno para um volume de oxigênio. Ela apresenta um cone interior claro, bem definido e luminoso indicando que a combustão é completa. Esta chama faz um som característico (um assobio) e é o tipo de chama mais usado para soldar metais. É muito usada para soldar aços estruturais de baixo carbono e alumínio.

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica: b) Redutora: A chama redutora ou carburante tem excesso de acetileno. Como uma chama redutora contém carbono não queimado, sua temperatura é mais baixa que numa chama neutra ou oxidante. Tal chama é recomendada para soldar aços de alto carbono e ferro fundido.

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica: c) Oxidante: A chama oxidante apresenta um excesso de oxigênio. Ela consiste de um cone interior branco muito curto e uma cobertura exterior mais curta. Esta chama tem um som característico tipo um ronco ruidoso. A chama oxidante é usada para soldar ligas a base de cobre, ligas a base de zinco e alguns metais ferrosos como aço manganês e alguns ferros fundidos.

Soldagem Oxiacetilênica A chama oxiacetilênica:

Soldagem Oxiacetilênica

A chama oxiacetilênica:

A máxima temperatura em torno de 3150ºC se encontra entre 2 e 6 mm do começo da zona de combustão, esta distância cresce com o aumento da taxa de fluxo da mistura de acetileno e oxigênio. 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.

Soldagem Oxiacetilênica Gases Utilizados Como a chama é gerada pela combustão de um gás, as propriedades físicas desse gás determinam as características da chama.

Soldagem Oxiacetilênica Gases Utilizados A temperatura máxima da chama, ou temperatura teórica da chama, é uma propriedade física do combustível, obtida a partir do calor de reação. Combustível

Composição da mistura

Tm (ºC)

Qp (kJ/mol)

Qs (kJ/mol)

Qt (kJ/mol)

Qs/Qp = R

Hidrogênio

H2 + ¼ O2

2480

120,5

120,5

241

1

Metano

CH4 + 3/2 O2

2730

560,2

241,5

801,7

0,43

Propano

C3H8 + 7/2 O2

2830

1552,3

665,3

2217,5

0,43

Butano

C4H10 + 9/2 O2

2830

1729,7

1143,1

2872,8

0,66

Etileno

C2H4 + 5/2 O2

2840

1041,7

241,5

1283,2

0,23

Acetileno

C2H2 + 1,1 O2

3050

493,8

769,4

1263,2

1,56

Soldagem Oxiacetilênica Gases Utilizados

O calor de combustão primária é importante para a fusão localizada do metal-base, enquanto que o calor de reação da combustão secundária tem a função de preaquecer a chapa.

Soldagem Oxiacetilênica Componentes do conjunto de solda Oxiacetilênica • • • • •

Um cilindro de gás combustível; Um cilindro de oxigênio; Dois reguladores de gás; Duas mangueiras; Caneta de solda; • Punho com Misturador de gases; • O bico.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Processos de Fabricação

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (em inglês Shielded Metal Arc Welding – SMAW);

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Arco Elétrico Introdução

O arco de soldagem opera entre um eletrodo plano ou aproximadamente plano (a peça) e outro cilíndrico (o arame, vareta ou eletrodo), cuja área é muito menor do que a do primeiro. Assim, a maioria dos arcos de soldagem tem um formato aproximadamente cônico ou “de sino", com o diâmetro junto da peça maior do que o diâmetro próximo do eletrodo.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW Arco Elétrico Definição Arco Elétrico

O Arco elétrico de soldagem consiste de uma descarga elétrica sustentada através de um gás ionizado em alta temperatura (PLASMA), que produz energia térmica suficiente para ser usado na união de peças por fusão localizada.

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Arco Elétrico

Características térmicas O arco é aproximadamente 100% eficiente na transformação de energia elétrica em energia térmica. Q = V.I.t Q (J) – energia gerada; V – tensão (V); I – corrente (A); e t – tempo (s) O arco também gera radiação nas regiões infra-vermelho, visível e ultra-violeta do espectro eletromagnético (segurança).

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Arco Elétrico

Características térmicas

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Arco Elétrico

Características Magnéticas O arco de soldagem é um condutor elétrico e como tal, induz campos magnéticos e está sujeito às iterações entre a corrente elétrica transportada e o campo magnético por ela gerado. Se um condutor de comprimento L percorrido por uma corrente elétrica i é colocado numa região onde exista um campo magnético B então ele sofre a ação de uma força magnética F, conhecida como “Força de Lorentz”, dada por F = B.i.L

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Arco Elétrico

Características Magnéticas A pressão é inversamente proporcional ao raio do arco. A diferença de pressão induz um intenso fluxo de gás do eletrodo para a peça conhecido como jato de plasma. O jato de plasma é um mecanismo responsável pela penetração.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW Arco Elétrico Características Magnéticas Efeito pinch: a pressão tende a estrangular, ou apertar o metal líquido na região em que seu diâmetro é menor, separando-o da vareta.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Arco Elétrico

Características Magnéticas Sopro magnético: é um desvio do arco de sua posição normal de operação causada por uma distribuição assimétrica das forças de Lorentz, que pode ser causada por variação brusca na direção da corrente e/ou distribuição não uniforme de material ferromagnético em torno do arco.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW Arco Elétrico Características Magnéticas Sopro magnético pode ser minimizado por: • • • •

Inclinação do eletrodo; Soldar com arcos curtos; Usar corrente mais baixa, quando possível. Usar corrente alternada pois o efeito é menor.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW Arco Elétrico Existem vários processos que usam arco elétrico para a realização da soldagem. Os mais comuns são: • Soldagem ao arco elétrico com eletrodo revestido; • Processo TIG, do inglês “Tungsten Inert Gas”, • Processos MIG/MAG, respectivamente do inglês “Metal Inert Gas” e “ Metal Activ Gas”, • Arco submerso; • Arco plasma.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW Diferentemente da soldagem oxi-gas, a soldagem ao arco elétrico com todas as suas variações é um processo muito empregado em praticamente todos os tipos de indústria que usam a soldagem como processo de fabricação. O método apresenta grande versatilidade e permite a soldagem de um grande número de materiais: • • • •

aço-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis, Fundidos.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW A soldagem com eletrodos revestidos obtém a união das peças pelo seu aquecimento localizado com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico consumível, recoberto com um fluxo (eletrodo revestido), e as peças (figura 1).

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

• Em 1892 Slavianoff introduziu a conexão elétrica na própria vareta do material de adição fazendo o primeiro eletrodo consumível. • Kjellberg em 1905 criou o eletrodo revestido, que incorporou substâncias na solda para produzir efeitos especiais.

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Soldagem por eletrodo revestido SMAW

Atmosfera Um eletrodo sem proteção perde na fusão elementos, depositando um metal nitretado e oxidado. ...