apostila soldagem, Notas de estudo de Engenharia Metalúrgica

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Soldagem

Prof. Manoel Messias Neris

Eixo Tecnológico: Controle e Processos Industriais

A

expansão do Ensino Técnico no Brasil, fator importante para melhoria de nossos recursos humanos, é um dos pilares do desenvolvimento do país. Esse objetivo, dos governos estaduais e federal, visa à melhoria da competitividade de nossos produtos e serviços, vis-à-vis com os dos países com os quais mantemos relações comerciais.

Em São Paulo, nos últimos anos, o governo estadual tem investido de forma contínua na ampliação e melhoria da sua rede de escolas técnicas

• Etecs e Classes Descentralizadas (fruto de parcerias com a Secretaria Estadual de Educação e com Prefeituras). Esse esforço fez com que, de agosto de 2008 a 2011, as matrículas do Ensino Técnico (concomitante, subsequente e integrado, presencial e a distância) evoluíssem de 92. para 162.105.

A garantia da boa qualidade da educação profissional desses milhares de jovens e de trabalhadores requer investimentos em reformas, instalações/ laboratórios, material didático e, principalmente, atualização técnica e pedagógica de professores e gestores escolares.

A parceria do Governo Federal com o Estado de São Paulo, firmada por intermédio do Programa Brasil Profissionalizado, é um apoio significativo para que a oferta pública de ensino técnico em São Paulo cresça com a qualidade atual e possa contribuir para o desenvolvimento econômico e social do estado e, consequentemente do país.

Almério Melquíades de Araújo Coordenador de Ensino Médio e Técnico

Sumário

• Classificação dos Processos de Soldagem
• Soldagem Oxigás.
• Soldagem com Eletrodo Revestido.
• Soldagem TIG
• Soldagem MIG/MAG
• Defeitos mais Freqüentes nas Operações de Soldagem.
• Guia Prático de Soldagem
• Bibliografia

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Capítulo

Classificação dos processos de soldagem

• 1801 Sir Humphey Davis descobre o fenômeno do arco elétrico
• 1836 Edmund Davy descobre o Acetileno
• 1885 N. Bernardos e S. Olsewski depositam patente do processo de soldagem por arco elétrico
• 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
• 1953 Primeiras aplicações do processo PLASMA convencional
• 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

SOLDAGEM: É a operação que visa obter a união de duas ou mais peças,

assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas

necessárias ao seu desempenho.

SOLDA: É a junta resultante da operação de soldagem.

HISTÓRICO

A história da soldagem mostra que desde as mais remotas épocas, muitos artefatos

já eram confeccionados utilizando recursos de brasagem, tendo sido descobertos

alguns com mais de 4000 anos; a soldagem por forjamento também tem sido

utilizada há mais de 3000 anos.

A técnica da moderna soldagem começou a ser moldada a partir da descoberta

do arco elétrico, bem como também a sintetização do gás Acetileno no século

passado, o que permitiu que se iniciassem alguns processos de fabricação de

peças, utilizando estes novos recursos.

Com o advento da Primeira Guerra Mundial, a técnica da soldagem começou a ser

mais utilizada nos processos de fabricação; a Segunda Guerra Mundial imprimiu

grande impulso na tecnologia de soldagem, desenvolvendo novos processos e

aperfeiçoando os já existentes.

Abaixo, um resumo cronológico da história da soldagem:

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A divisão dos processos portanto será realizada em três grandes famílias:

a) Soldagem por fusão (fases líquida-líquida) b) Soldagem por pressão (fases sólida-sólida) c) Brasagem (fases sólida-líquida)

A título de curiosidade apresentamos abaixo a classificação abordada pela AWS

• American Welding Society, a qual apresenta contradições em relação a que será

adotada nesta apostila.

ARCO ELÉTRICO BRASAGEM ESTADO SÓLIDO

. com eletrodo nu . com eletrodo de carvão . com eletrodo revestido . com arame sólido e gás de proteção (MIG/MAG) . com arame tubular com ou sem gás de proteção .com arame sólido e fluxo (arco submerso) .com eletrodo de tungstênio não consumível . a plasma . de pinos . com hidrogênio atômico

FORTE

. a ar . por difusão . em forno . por indução . por infravermelho . por resistência . por tocha . a arco com eletrodo de carvão FRACA . em forno . por indução . por resistência . por tocha . com ferro de solda . por infravermelho . por difusão . por forjamento . por fricção . por pressão a quente . por laminação . por ultrassom . por explosão

RESISTÊNCIA OUTROS GÁS COMBUSTÍVEL

. por centelhamento . por alta freqüência . por projeção . por costura . por pontos . topo a topo . por feixe de elétrons . por eletroescória . por indução . a laser . aluminotérmica . oxiacetilênica . oxihídrica . ar-acetilênica . a gás sob pressão

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S O L D A G E M P O R C O S T U R A

S O L D A G E M P O R P O N T O S

S O L D A G E M A P L A S M A

S O L D A G E M A A R C O S U B M E R S O

S O L D A G E M C O M A R A M E T U B U L A R

R E P R E S E N T A Ç Ã O E S Q U E M Á T I C A D O S

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Capítulo 2

Soldagem por Oxigás

SOLDAGEM POR OXIGÁS (SOLDA A GÁS)

A soldagem por oxi-gás é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através da aplicação do calor gerado por uma ou mais chamas, resultantes da combustão de um gás, com ou sem o auxílio de pressão, podendo ou não haver metal de adição. As superfícies dos chanfros dos metais de base e o material de adição quando presente, fundirão em conjunto formando uma poça de fusão única, que após o resfriamento se comportará como um único material. O sistema é simples, consistindo dos cilindros dos gases comprimidos, reguladores de pressão, manômetros, mangueiras, válvulas de retenção e uma tocha de soldagem, com bico adequado; podem ser conseguidas diferentes atmosferas pela variação da quantidade relativa de comburente e combustível. Há uma grande variedade de gases disponíveis para a soldagem a gás, sendo que normalmente o Acetileno é o preferido, tanto pelo custo, como pela temperatura de chama; entretanto outros gases combustíveis são também utilizados, tais como o Butano, Propano, Metano, Etileno, gás de rua, Hidrogênio e ainda as misturas produzidas pelas indústrias de gases. O metal de adição é uma vareta, normalmente especificada para cada caso de soldagem e de um modo geral, para a soldagem de ferros fundidos e metais não ferrosos utiliza-se um fluxo de soldagem, também chamados de

fundente, que tem a finalidade de manter a limpeza do metal base na área da solda, bem com ajudar na remoção de filmes de óxidos que se formam na superfície. A soldagem pelo processo oxi- gás oferece várias vantagens: o equipamento é barato e versátil, é ótima para chapas finas, é realizada com pequenos ciclos térmicos, não usa energia elétrica e solda em todas as posições. Em compensação o processo apresenta inúmeras desvantagens tais como: chamas pouco concentradas, o que acarreta grandes zonas termicamente afetadas pelo calor, é necessária grande habilidade do soldador, não é econômica para chapas espessas, tem baixa taxa de deposição, manuseia gases perigosos e o uso de fluxo acaba gerando produtos corrosivos no metal. No processo por oxi-gás, a chama oxiacetilênica é a mais utilizada, portanto vamos conhecer os seus gases:

OXIGÊNIO

É o gás comburente, apresentando- se inodoro, insípido e incolor e encontrando-se em abundância na natureza. Industrialmente pode ser obtido por liquefação e destilação do ar, reação química ou eletrólise da água. O processo mais usado é o primeiro, sendo o ar inicialmente purificado e em seguida, após várias compressões, expansões e resfriamentos sucessivos, o mesmo é liqüefeito. Em uma coluna

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de destilação e retificação realiza-se a

separação dos vários componentes do

ar, obtendo-se assim no final oxigênio

de alta pureza. A distribuição do

Oxigênio para soldagem normalmente

é realizada através de cilindros de aço

sem costura, sob pressão de 150 kgf/

cm2 (147,1 bar) ou seja 7000 litros

de gás comprimido, em cilindros

de 46 litros aproximadamente. Em

instalações de consumo elevado de

Oxigênio pode-se optar por trabalhar

com tanques criogênicos, os quais

recebem o Oxigênio líquido; conforme

o mesmo for sendo consumido,

será vaporizado em evaporadores

instalados na saída dos tanques. Outra

maneira de fornecimento de Oxigênio

que vem sendo adotada por alguns

fabricantes baseia-se no fornecimento

de uma pequena usina geradora de

Oxigênio ao consumidor do gás, o

qual passa a ter a responsabilidade da

operação e fornecimento de energia

à mesma; este processo utiliza a

tecnologia de geração de Oxigênio

pela passagem do ar através de leito

de zircônia e não produz o gás com

pureza suficiente para uso medicinal.

ACETILENO

O Acetileno é obtido da reação da

água sobre o Carbureto de Cálcio,

que por sua vez é produzido em

fornos apropriados pela reação entre

o Carbono (C) e o Cal (CaO).

3C + CaO CaC 2 + CO – 108 Kcal.g/mol

CaC 2 + 2 H 2 O C 2 H 2 + Ca (OH) 2 (+ 400 cal/kg CaC 2 )

A formação do Acetileno propriamente dito é resultante de uma reação endotérmica reversível, que melhora o rendimento calorífico da chama, mas ao mesmo tempo contribui para aumentar o perigo no manuseio do gás em caso de uma dissociação.

2 C + H 2 C 2 H 2 – 53.200 cal

A produção do Acetileno pode ser realizada no próprio local por meio de geradores (geralmente em pequenas oficinas) ou ser armazenada em cilindros onde o mesmo se encontra dissolvido sob pressão em Acetona líquida, a qual é retida no interior do cilindro em uma massa porosa (carvão vegetal, cimento, amianto e terra infusória). Nestas condições consegue-se armazenar até 11 kg de gás em pressões da ordem de até 18 kgf/cm^2 (17,6 bar) com bastante segurança, pois a Acetona consegue dissolver 575 vezes seu próprio volume para cada unidade atmosférica. O Acetileno é um gás que apresenta certa instabilidade sob pressões elevadas e corre o risco de se dissociar, gerando uma grande liberação de calor e podendo explodir; desta forma deve-se tomar todo o cuidado para que a pressão do mesmo na rede de distribuição não ultrapasse 1,5 bar.

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R E G U L A G E M D A C H A M A

E S Q U E M A D A C H A M A O X I A C E T I L Ê N I C A N O R M A L

CHAMA NEUTRA OU NORMAL (r=1) : Corresponde a uma alimentação do

maçarico em volumes iguais de Oxigênio e Acetileno. O cone é branco, brilhante

e somente visível através dos óculos de soldador. É a chama utilizada na maior

parte dos casos de soldagem, soldabrasagem e aquecimento.

CHAMA REDUTORA (r<1): Utilizada para revestimento na soldagem dos aços

com o intuito de elevar o percentual de Carbono na zona de soldagem, e isto faz

com que abaixe a temperatura de fusão. Esta chama ocorre quando a proporção

de Acetileno é aumentada, surgindo assim um cone brilhante que se sobrepõe ao

cone normal, e que cresce com o aumento da proporção de Acetileno. Esta chama

contem um elevado teor de Carbono e tem o risco de enriquecer o aço com este

elemento, tornando-o mais duro e mais frágil. É utilizada na soldagem de ferros

fundidos, com pré-aquecimento e fundente, Alumínio e Magnésio também com

o uso de fundente e aços-liga ao Cromo e ao Níquel.

CHAMA OXIDANTE (r>1): A chama oxidante é resultante da mistura de

Acetileno com Oxigênio em excesso, e isto faz com que o cone e a zona de

combustão primária se encurtem, com o cone menos brilhante e mais azul;

simultaneamente a zona de combustão secundária fica mais luminosa. Esta

chama, rica em Oxigênio, oxida o aço com o risco de formação de porosidades

pela reação com o Carbono; normalmente esta chama é utilizada com o uso de

fundente para a soldagem de latão, pois o Oxigênio em excesso forma óxido de

zinco na superfície da poça que impede a continuidade de reações posteriores,

impedindo a contínua volatilização do Zinco, o qual iria se oxidar em seguida na

atmosfera.

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TÉCNICAS UTILIZADAS PARA A SOLDAGEM A GÁS

Solda a Esquerda: também chamada de Solda para a Frente, apresenta boa penetração e acabamento, sendo utilizada em espessuras de até 7 mm, onde se trabalha aquecendo a peça ou região a ser soldada. Apresenta grande consumo de gases e tempo.

Solda a Direita: Também chamada de Solda para Trás, é utilizada quando a peça a ser soldada requer chanfros, ou seja, para espessuras maiores. É uma técnica desenvolvida durante a 2ª Grande Guerra, e que apresenta boa velocidade, boa penetração e economia de tempo e gases. Trabalha-se mantendo a união soldada aquecida.

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Alterando-se a pressão para P 2 e a temperatura para T 2 , a equação que representa esse novo estado é: P 2 V 2 = mRT2 ou mR= P 2 V 2 T 2 Concluindo-se que mR = P1V1 = P 2 V 2 T 1 T 2

Se um gás se comporta dessa maneira, ele segue as leis de Boyle-Mariotti e Gay- Lussac, sendo, portanto um gás ideal ou perfeito.

Exemplo: Qual a quantidade em m^3 de O 2 contida em um cilindro de 50,2 l e cuja pressão interna lida no manômetro é de 190 bar, estando esse cilindro ao Sol, de modo que se pode afirmar sem grande erro que a temperatura do gás em seu interior é de 43ºC. Obs.: a quantidade de gás em m3 que queremos saber se refere à condição padrão de venda de gás no Brasil, ou seja: 21ºC e à pressão atmosférica normal = 760 mm Hg. ( lembrar que 1 atm = 1,013 bar)

Situação inicial: P 1 = pressão manométrica + pressão atmosférica = 190 + 1,013 = 191,013 bar V 1 = 50,2 l = 0,0502 m T 1 = 43 + 273,15 = 316,15ºK

Situação final: P 2 = 760 mm Hg = 1,013 bar T 2 = 21ºC + 273,15 = 294,15ºK V 2 =?

Como vimos, podemos aplicar esta resolução ao gás Oxigênio que se encontra armazenado na forma gasosa, porém o mesmo não se aplica ao Acetileno, que se encontra dissolvido em Acetona; sabemos que a solubilidade da Acetona depende muito da temperatura, sendo que nesse caso a quantidade de gás deve ser determinada por pesagem. Naturalmente podemos fazer um cálculo aproximado da quantidade restante no cilindro da seguinte forma: multiplica-se a pressão do cilindro em bar, pelo volume do mesmo em litros e em seguida multiplica-se o resultado por 10. Exemplo: Em um cilindro de Acetileno com 50 litros de volume, o manômetro indica que a pressão do cilindro é de 10 bar. Portanto o volume do gás remanescente será de:

50x10x10 = 5000 l de gás, que equivalem a aproximadamente 5kg de Acetileno.

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1 2 1 2

P 1 V 1 = P 2 V 2 ==>V 2 = P 1 V 1 T 2 = 191,013x0,0502x294,15 = 8,807m T T T xP 316,15 x 1,

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Capítulo 3

Soldagem com eletrodo revestido

É um processo de soldagem por

fusão a arco elétrico que utiliza um

eletrodo consumível, no qual o calor

necessário para a soldagem provem

da energia liberada pelo arco formado

entre a peça a ser soldada e o referido

eletrodo. A proteção da poça de fusão

é obtida por meio dos gases gerados

pela decomposição do revestimento

do eletrodo, sendo que o material de

adição que é manuseado sem pressão

provem do metal que compõe o

eletrodo.

O metal de base no percurso do arco

é fundido, formando uma poça de

metal fundido. O eletrodo é também

fundido e assim transferido à poça

de fusão na forma de glóbulos de

metal fundido a cada 0,001 a 0,

segundos a elevada temperatura.

Nessas condições a expansão dos

gases contidos no arame eletrodo,

tanto em solução como armazenados

em microporosidades, bem como

os gases produzidos pela elevada

temperatura dos componentes do

revestimento, provocam a explosão

desses glóbulos, projetando-os contra

o banho de fusão.

O sopro das forças do arco, bem como o impacto dos glóbulos de metal fundido, formam uma pequena depressão no metal de base que é chamada de cratera. A distância medida no centro do arco, da extremidade do eletrodo até o fundo da cratera é chamada comprimento do arco. O comprimento do arco deve ser o menor possível (variando na faixa entre 3 e 4 mm ou ainda de 0,5 a 1,1 o diâmetro da alma do eletrodo) a fim de reduzir a chance dos glóbulos do metal em fusão entrarem em contato com o ar ambiente, absorvendo Oxigênio e Nitrogênio, os quais tem efeito bastante adverso nas propriedades mecânicas do metal depositado. A coluna do arco estende-se desde o fundo da cratera até o glóbulo em fusão da ponta do eletrodo. De acordo com alguns pesquisadores, a temperatura do gás no centro do arco ao longo de seu eixo é de 6000ºC, a temperatura do catôdo é de 3200ºC e a temperatura no anodo é de 3400ºC.

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• Máquinas mistas: transformadores/retificadores.

A partir da década de 60 começaram a surgir no mercado novos tipos de

máquinas de soldagem, caracterizadas por possuírem controle eletrônico e por

apresentarem desempenho superior à maioria das máquinas convencionais, com

funções múltiplas, redução de peso e consumo energético. Atualmente as formas

mais conhecidas são as fontes tiristorizadas, as fontes transistorizadas em série,

as fontes transistorizadas chaveadas e as fontes inversoras.

A tabela abaixo compara as características das fontes convencionais estáticas

(transformadores e transformadores-retificadores) e das fontes com controle

eletrônico.

VANTAGENS DA CORRENTE ALTERNADA

a. A corrente alternada não é sensível ao fenômeno do sopro magnético

(fenômeno do desvio do arco devido a campos magnéticos que atravessam a

peça).

b. Maior velocidade de solda (devido possivelmente à inversão do sentido

da corrente a todo instante).

c. As máquinas de soldagem em corrente alternada são de menor tamanho,

custo e peso que as de corrente contínua, além de exigirem menor manutenção.

d. Menor consumo de energia (η= 0.8 no transformador; 0.5 no gerador e 0.

no retificador).

e. Maior refinamento no metal depositado, devido agitação do banho de

fusão.

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VANTAGENS DA CORRENTE CONTÍNUA

a. Permite utilização de eletrodo com elementos pouco ionizantes no revestimento. Melhor uso de eletrodos para ferro fundidos e aços inoxidáveis. b. Mais recomendada para a soldagem de chapas finas e soldagem fora da posição. c. A mudança de polaridade permite modificar certas características do depósito, como por exemplo a penetração. d. A corrente contínua é independente de circuitos elétricos, pois pode ser gerada pelos grupos eletrógenos.

FUNÇÕES DO REVESTIMENTO

DO ELETRODO

Os eletrodos revestidos são constituídos por uma alma metálica cercada por um revestimento composto de matérias orgânicas e ou minerais de dosagem bem definida. Os vários materiais que compõe o revestimento entram na forma de pó, com exceção do aglomerante que é geralmente silicato de sódio ou potássio. O revestimento é composto por elementos de liga e desoxidantes tais como ferro cromo, ferro manganês, etc.., estabilizadores de arco formadores de escória e materiais fundentes (asbesto, feldspato, ilmenita, óxido de ferro, mica, talco, rutilo, etc..) e materiais que formam uma atmosfera protetora (dolomita, carbonato de ferro, celulose, etc..). A princípio, as funções básicas do revestimento são: a. Proteger o arco contra o Oxigênio e Nitrogênio do ar, através dos gases gerados pela decomposição do revestimento em alta temperatura. b. Reduzir a velocidade de solidificação, proteger contra a ação da atmosfera e permitir a desgazeificação do metal de solda através da escória. c. Facilitar a abertura e estabilizar o arco. d. Introduzir elementos de liga

no material depositado e desoxidar o metal de solda. e. Facilitar a soldagem nas diversas posições de trabalho. f. Servir de guia às gotas em fusão em direção ao banho. g. Constituir-se em isolante elétrico na soldagem em chanfros estreitos ou de difícil acesso.

TIPOS DE REVESTIMENTO

Em função de sua formulação e do caráter da escória, os revestimentos dos eletrodos podem ser classificados em diferentes tipos. Essa classificação varia bastante, de acordo com os diferentes autores e da norma utilizada; utilizaremos a classificação dos tipos de revestimento abaixo:

• revestimento oxidante : são os eletrodos que contém no revestimento uma grande quantidade de óxido de ferro, com ou sem óxido de manganês, dando uma escória oxidante, abundante e que se remove com facilidade, e um metal depositado com baixa penetração e baixas propriedades mecânicas; hoje em dia este tipo de eletrodo já está superados pelos eletrodos rutílicos.
• revestimento básico: estes eletrodos tem um revestimento com altas quantidades de carbonato de