Eletrodo revestido, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Eletrodos

Revestidos

OK

ÍNDICE

INTRODUÇÃO .......................................................................................... 1

SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODOS REVESTIDOS..................... 3

ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS CARBONO ............... 5

ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS DE BAIXA LIGA ....... 32

ARMAZENAGEM, TRATAMENTO E MANUSEIO ............................................ 52

EQUIPAMENTOS .................................................................................... 58

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................... 64

Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes – Engenheiro Metalúrgico, MSc. Assistência Técnica Consumíveis – ESAB BR

Revisado por Cláudio Turani Vaz – Engenheiro Metalurgista, MSc. Assistência Técnica – ESAB BR

Última revisão em 3 de fevereiro de 2005

em navios e caldeiras em Gothenburg, o que resultou na invenção do primeiro eletrodo revestido, onde o revestimento era constituído, ori- ginalmente, de uma camada de material argiloso (cal), cuja função era facilitar a abertura do arco e aumentar sua estabilidade. Logo a- pós, O scar K jellberg fundou a ESAB. Em 1907, O scar K jellberg pa- tenteou o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido.

Esses esforços culminaram no eletrodo revestido extrudado em meados dos anos 1920, melhorando muito a qualidade do metal de solda e proporcionando aquilo que muitos consideram o mais signifi- cativo avanço na soldagem por arco elétrico.

A busca contínua do aumento da produtividade propiciou o de- senvolvimento de novos processos de soldagem.

No entanto, ainda nos dias de hoje, é um processo muito empre- gado graças à sua grande versatilidade, ao baixo custo de operação, à simplicidade dos equipamentos necessários e à possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou sujeitos a ventos.

As desvantagens do processo são a baixa produtividade, os cui- dados especiais que são necessários no tratamento e manuseio dos eletrodos revestidos e o grande volume de gases e fumos gerados durante a soldagem.

Mesmo assim, ainda continua a ser um processo de soldagem empregado na fabricação e montagem de equipamentos, na área de manutenção e reparos, em construções no campo, na soldagem por gravidade em estaleiros, e, de modo mais abrangente, na soldagem em geral de chapas de espessura variando de 3 mm a 40 mm.

Capítulo 1

Soldagem a arco elétrico com

eletrodos revestidos

“Soldagem é o processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utili- zação de pressão e/ou material de adição" ( American Welding Society

- AWS ).

A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido ( Shielded Metal Arc Welding – SMAW ), também conhecida como soldagem ma- nual a arco elétrico, é o mais largamente empregado dos vários pro- cessos de soldagem. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revesti- do e a peça de trabalho (veja a Figura 1). O calor produzido pelo arco funde o metal de base, a alma do eletrodo e o revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a po- ça de fusão, são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos du- rante a decomposição do revestimento. A escória líquida flutua em di- reção à superfície da poça de fusão, onde protege o metal de solda da atmosfera durante a solidificação. Outras funções do revestimento são proporcionar estabilidade ao arco e controlar a forma do cordão de solda.

Capítulo 2

Eletrodos revestidos para a

soldagem de aços carbono

A fabricação de eletrodos revestidos

Eletrodos revestidos para aços carbono consistem de apenas dois elementos principais: a alma metálica, normalmente de aço de baixo carbono, e o revestimento. A alma metálica contém alguns ele- mentos residuais, porém os teores de fósforo e enxofre devem ser muito baixos para evitar fragilização no metal de solda. A matéria- prima para a alma metálica é um fio-máquina laminado a quente na forma de bobinas, que é posteriormente trefilado a frio até o diâmetro adequado do eletrodo, retificado e cortado no comprimento adequa- do. A alma metálica tem as funções principais de conduzir a corrente elétrica e fornecer metal de adição para a junta.

Os ingredientes do revestimento, dos quais existem literalmente centenas para escolher, são cuidadosamente pesados, misturados a seco — mistura seca — e então é adicionado o silicato de sódio e/ou potássio — mistura úmida — que é compactada em um cilindro e ali- mentada à prensa extrusora. O revestimento é extrudado sobre as varetas metálicas que são alimentadas através da prensa extrusora a uma velocidade muito alta. O revestimento é removido da extremida- de do eletrodo — a ponta de pega — para garantir o contato elétrico,

e também da outra extremidade para assegurar uma abertura de arco fácil.

Os eletrodos são então identificados com a marca comercial e sua classificação antes de entrar no forno de secagem, onde eles so- frem um ciclo controlado de aquecimento para assegurar o teor ade- quado de umidade antes de embalá-los.

Uma das muitas verificações de qualidade feitas durante o pro- cesso de fabricação — e também uma das mais importantes — é o procedimento que garante que a espessura do revestimento e a con- centricidade da alma do eletrodo sejam uniformes. Na soldagem ma- nual com eletrodos revestidos, a cratera do revestimento, ou a forma- ção de uma taça na ponta do revestimento, que se estende além da alma metálica, realiza a função de concentrar e dirigir o arco (veja a Figura 2).

Figura 2 - Efeito da concentricidade do revestimento

A concentração e a direção do fluxo do arco é conseguida obten- do-se uma cratera no revestimento algo parecida com o bico de uma mangueira d'água, dirigindo o fluxo do metal de solda. Quando o re-

garantir que o metal de solda seja íntegro, livre de bolhas de gás, e tenha a resistência e a ductilidade adequadas. Às altas tempe- raturas do arco, o nitrogênio e o oxigênio prontamente se combi- nam com o ferro e formam nitretos de ferro e óxidos de ferro que, se presentes no metal de solda acima de certos valores mínimos, causarão fragilidade e porosidade. O nitrogênio é o mais relevan- te, visto que é difícil controlar seu efeito uma vez que ele tenha entrado no depósito de solda. O oxigênio pode ser removido com o uso de desoxidantes adequados. Para evitar a contaminação da atmosfera o fluxo de metal fundido precisa ser protegido por gases que expulsem a atmosfera circundante do arco e do metal de solda fundido. Isso é conseguido usando-se no revestimento materiais que gerem gases e que se decomponham durante as atividades de soldagem e produzam a atmosfera protetora.
 estabilização do arco - um arco estabilizado é aquele que abre facilmente, queima suavemente mesmo a baixas correntes e po- de ser mantido empregando-se indiferentemente um arco longo ou um curto.
 adições de elementos de liga ao metal de solda - uma varie- dade de elementos tais como cromo, níquel, molibdênio, vanádio e cobre podem ser adicionados ao metal de solda incluindo-os na composição do revestimento. É freqüentemente necessário adi- cionar elementos de liga ao revestimento para balancear a perda esperada desses elementos da vareta durante a atividade de soldagem devido à volatilização e às reações químicas. Eletrodos de aço doce requerem pequenas quantidades de carbono, man- ganês e silício no depósito de solda para resultar em soldas ínte- gras com o nível desejado de resistência. Uma parte do carbono e do manganês provém da vareta, mas é necessário suplementá- la com ligas ferro-manganês e em alguns casos com adições de ligas ferro-silício no revestimento.
 direcionamento do arco elétrico - o direcionamento do fluxo do arco elétrico é obtido com a cratera que se forma na ponta dos

eletrodos (veja a Figura 2a). O uso de aglomerantes adequados assegura um revestimento consistente que manterá a cratera e dará uma penetração adicional e melhor direcionamento do arco elétrico.
 função da escória como agente fluxante - a função da escória é (1) fornecer proteção adicional contra os contaminantes atmos- féricos, (2) agir como purificadora e absorver impurezas que são levadas à superfície e ficam aprisionadas pela escória, e (3) reduzir a velocidade de resfriamento do metal fundido para permitir o escape de gases. A escória também controla o contor- no, a uniformidade e a aparência geral do cordão de solda. Isso é particularmente importante nas juntas em ângulo.
 características da posição de soldagem - é a adição de certos ingredientes no revestimento, principalmente compostos de titâ- nio, que tornam possível a soldagem fora de posição (posições vertical e sobrecabeça). As características da escória — princi- palmente a tensão superficial e a temperatura de solidificação — determinam fortemente a capacidade de um eletrodo ser empre- gado na soldagem fora de posição.
 controle da integridade do metal de solda - a porosidade ou os gases aprisionados no metal de solda podem ser controlados de uma maneira geral pela composição do revestimento. É o balan- ço de certos ingredientes no revestimento que tem um efeito marcante na presença de gases aprisionados no metal de solda. O balanço adequado desses ingredientes é crítico para a integri- dade que pode ser obtida para o metal de solda. O ferro- manganês é provavelmente o ingrediente mais comum utilizado para se conseguir a fórmula corretamente balanceada.
 propriedades mecânicas específicas do metal de solda - pro- priedades mecânicas específicas podem ser incorporadas ao me- tal de solda por meio do revestimento. Altos valores de impacto a baixas temperaturas, alta ductilidade, e o aumento nas proprie- dades de escoamento e resistência mecânica podem ser obtidos

ção em quantidades de 2 - 3%. Ela apresenta uma influência marcante no arco e é um ingrediente necessário no eletrodo do tipo E6010.
 estabilizadores do arco - o ar não é suficientemente condutor para manter um arco estável, e então se torna necessário adicio- nar ao revestimento ingredientes que proporcionarão um cami- nho condutor para a corrente elétrica. Isso é particularmente ver- dadeiro durante a soldagem com corrente alternada. Materiais estabilizantes são os compostos de titânio, potássio e cálcio.
 formadores de fluxo e escória - esses ingredientes são empre- gados principalmente para encorpar a escória e conferir proprie- dades como viscosidade, tensão superficial e ponto de fusão. A sílica e a magnetita são materiais desse tipo.
 plasticizantes - os revestimentos são freqüentemente granula- dos e, para extrudá-los com sucesso, é necessário adicionar ma- teriais lubrificantes e plasticizantes para fazer com que o revesti- mento flua suavemente sob pressão. Os carbonatos de cálcio e de sódio são os mais utilizados. A Tabela I mostra alguns constituintes típicos dos revestimentos e suas funções para dois tipos de eletrodos para aços carbono. Obser- ve que o teor de umidade no eletrodo celulósico E6010 é muito maior que o do tipo de baixo hidrogênio E7018. A umidade no revestimento do eletrodo E6010 é necessária para produzir as características de atuação do arco e não é prejudicial na soldagem de aços de baixa re- sistência, visto que a agitação promovida na poça de fusão é muito intensa e permite a liberação de boa parte do hidrogênio. O hidrogê- nio pode causar problemas na soldagem de aços de alta resistência.

Classe Composição Função Proteção celulose (C 6 H 10 O 5 )

35% formador de gases

rutilo (TiO 2 ) 15% formador de escória - estabilizador do arco ferro-manganês 5% desoxidante - ferro-liga talco 15% formador de escória silicato de sódio 25% aglomerante - agente fluxante

E

umidade 5%

40% H 2 40% CO + CO 2 20% H 2 O

carbonato de cálcio

30% formador de gases - a- gente fluxante fluorita (CaF 2 ) 20% formador de escória - agente fluxante ferro-manganês 5% desoxidante - ferro-liga silicato de po- tássio

15% aglomerante - estabili- zador do arco pó de ferro 30% agente de deposição

E

umidade 0,1%

80% CO 20% CO 2

Tabela I - Composição e função dos constituintes do revestimento dos ele- trodos

Básico

O revestimento básico apresenta as seguintes características:
 geralmente apresenta as melhores propriedades mecânico- metalúrgicas entre todos os eletrodos, destacando-se a tenaci- dade;
 elevados teores de carbonato de cálcio e fluorita, gerando um metal de solda altamente desoxidado e com muito baixo nível de inclusões complexas de sulfetos e fosfetos;
 não opera bem em CA, quando o teor de fluorita é muito elevado;
 escória fluida e facilmente destacável;
 cordão de média penetração e perfil plano ou convexo;
 requer ressecagem a temperaturas relativamente altas;
 após algumas horas de contato com a atmosfera, requer resse- cagem por ser altamente higroscópico;

Altíssimo rendimento

O revestimento de altíssimo rendimento apresenta as seguintes características:
 adição de pó de ferro (rutílico/básico);
 aumenta a taxa de deposição;
 pode ou não ser ligado;
 aumenta a fluidez da escória, devido à formação de óxido de fer- ro;
 melhora a estabilidade do arco e a penetração é reduzida, princi- palmente com alta intensidade de corrente, o que pode minimizar a ocorrência de mordeduras;
 possibilidade de soldar por gravidade (arraste);
 reduz a tenacidade do metal de solda.

Os eletrodos de altíssimo rendimento possuem uma aplicação

com altas taxas de deposição, que é a soldagem por gravidade em estaleiros navais com o dispositivo (tripé) mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Equipamento para soldagem por gravidade do eletrodo OK 33.

A especificação AWS A5.

Essa especificação da American Welding Society ( AWS ) foi de- senvolvida ao longo dos anos por um comitê composto de membros que representam os fabricantes de consumíveis, como a ESAB, usuá- rios da indústria de soldagem e membros independentes de universi- dades e laboratórios. Essa equipe equilibrada é necessária para evi- tar tendências nas especificações.

Classe Corrente Arco (^) traçãoPene- Revestimento/escória Pó deferro EXX10 CC+ agressivo profunda celulósico - sódio 0-10% EXX11 CA/CC+ agressivo profunda celulósico - potássio 0 EXX12 CA/CC- médio média rutílico - sódio 0-10% EXX13 CA/CC-/CC+ suave leve rutílico - potássio 0-10% EXX14 CA/CC-/CC+ suave leve rutílico - pó de ferro 25-40% EXX15 CC+ médio média baixo hidrogênio - sódio 0 EXX16 CA/CC+ médio média baixo hidrogênio - potássio 0 EXX18 CA/CC+ médio média baixo hidrogênio - pó de ferro 25-40% EXX20 CA/CC- médio média óxido de ferro - sódio 0 EXX22 CA/CC-/CC+ médio média óxido de ferro - sódio 0 EXX24 CA/CC-/CC+ suave leve rutílico - pó de ferro 50% EXX27 CA/CC-/CC+ médio média óxido de ferro - pó de ferro 50% EXX28 CA/CC+ médio média baixo hidrogênio - pó de ferro 50% EXX48 CA/CC+ médio média baixo hidrogênio - pó de ferro 25-40% O percentual de pó de ferro é baseado na massa do revestimento

Tabela II - Classificação dos eletrodos para aços carbono

Essas classificações — em conformidade com a especificação AWS A5.1 — são determinadas pelo fabricante de eletrodos de acor- do com os resultados dos testes. A American Welding Society não a- prova nem reprova eletrodos.

A American Society of Mechanical Engineers ( ASME ) utiliza na íntegra as especificações de eletrodos da AWS adicionando as letras SF antes do número da especificação. Então, a especificação AWS A5.1 transforma-se na especificação ASME SFA5.1. Tanto a classificação quanto os requisitos são os mesmos.

Composição química do metal de solda ( AWS A5.1 )

A Tabela III mostra os requisitos químicos para eletrodos revesti- dos aplicáveis aos aços carbono.

Classe Mn Si Ni Cr Mo V

Mn+Ni+ Cr+Mo+ V E6010 - - - - - - E6011 - - - - - - E6012 - - - - - - E6013 - - - - - - E6020 - - - - - - E6022 - - - - - - E6027 - - - - - - E7014 (^) ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7015 ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7016 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7018 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7024 ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7027 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7028 ≤1,60 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1, E7048 ≤1,60 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,

Tabela III - Requisitos químicos para eletrodos revestidos para aços carbono

Propriedades mecânicas ( AWS A5.1 )

Os ensaios mecânicos (ou físicos) de metal depositado são reali- zados em todos os corpos de prova na condição como soldado. Isso