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Prof. Luiz Gimenes Jr. Engº José Pinto Ramalho
Introdução
O processo de soldagem por arco elétrico com eletrodo revestido consiste, basicamente, na abertura e manutenção de um arco elétrico entre o eletrodo revestido e a peça a ser soldada.
O arco funde simultaneamente o eletrodo e a peça. O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida que é protegida da atmosfera (O2 e N2) pelos gases de combustão do revestimento. O metal depositado e as gotas do metal fundido que são ejetadas, recebem uma proteção adicional através do banho de escória, que é formada pela queima de alguns componentes do revestimento.
Fundamentos do processo
Influência da atmosfera na poça de fusão
A menos que se solde em uma câmara de vácuo, o que é impensável devido ao custo, todos os processos de soldagem por arco elétrico precisam de algum tipo de proteção para evitar contaminações da atmosfera.
No caso do processo de soldagem aqui estudado, será o revestimento dos eletrodos que, entre outras coisas, produzirá uma proteção gasosa através de sua queima. Antes do estudo propriamente dos revestimentos e suas funções, são apresentados os inconvenientes da soldagem com arames sem revestimento (e sem proteção gasosa).
Um eletrodo sem revestimento e sem nenhum outro tipo de proteção, após sua fusão perde parte de seus elementos e deposita um metal nitretado e oxidado, cujo valor das propriedades mecânicas serão relativamente inferiores as das chapas de aço doce. Estes dois elementos químicos (Nitrogênio e Oxigênio), são os principais para influenciar a deterioração das propriedades, e são detalhados a seguir:
Oxigênio
É provado que, durante a fusão de um eletrodo sem revestimento, a maior parte do Carbono e do Manganês contidos no aço do eletrodo, são queimados durante a operação de soldagem, o que naturalmente irá influenciar 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 óxido de Carbono (CO), e em dióxido de Carbono (CO2), enquanto o Manganês, transforma-se em óxido de Manganês (Mn3O4). O Silício, extremamente ávido pelo Oxigênio, queima-se igualmente, dando origem a uma escória de sílica (SiO2).
Numerosos ensaios permitem concluir que a fusão de um eletrodo sem revestimento e sem a adição de nenhum outro tipo de proteção, provoca uma forte oxidação do Carbono, Manganês e Silício
Outras reações químicas são menos importantes. 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.
Porta eletrodos
Os porta-eletrodos servem para a fixação e energização do eletrodo. É fundamental a correta fixação e boa isolação dos cabos para que os riscos de choque sejam minimizados. As garras devem estar sempre em bom estado de conservação, o que ajudará a evitar os problemas de superaquecimento e má fixação do eletrodo, podendo vir a soltar-se durante a soldagem.
Um porta-eletrodo é dimensionado para trabalhar em uma determinada faixa de diâmetros. Esta limitação vem não só da abertura máxima nas garras para encaixar o eletrodo, como também, e principalmente, pela corrente máxima que pode conduzir.
Um porta-eletrodo para ser utilizado em valores de corrente mais elevados, necessita ser mais robusto, o que fará com que seu peso aumente. Como o peso é um fator determinante na fadiga do soldador, deve-se sempre procurar especificar o menor porta- eletrodo possível, para a faixa de corrente que se pretende trabalhar.
Cabos flexíveis
Os cabos transportam a corrente elétrica da fonte de energia ao porta-eletrodo (cabo de soldagem), e da peça de trabalho para a fonte de energia (cabo de retorno) para possibilitar a soldagem.
Os cabos podem ser de Cobre ou de Alumínio, devem apresentar grande flexibilidade de modo a facilitar o trabalho em locais de difícil acesso. É necessário que os cabos sejam cobertos por uma camada de material isolante, que deve resistir entre outras coisas à abrasão, sujeira e um ligeiro aquecimento que será normal devido a resistência à passagem da corrente elétrica.
Os diâmetros dos cabos dependem basicamente dos seguintes aspectos:
- Corrente de soldagem,
- Ciclo de trabalho do equipamento,
- comprimento total dos cabos do circuito e
- fadiga do operador
Estes quatro ítens atuam de maneira antagônica. Enquanto que para os três primeiros seria ideal o cabo com o maior diâmetro possível, (menor chance de superaquecimento para os dois primeiros e menor perda de corrente para o terceiro) no último ítem é exatamente o oposto, pois ocorre aqui o mesmo que com os porta- eletrodos, um cabo resistente a maiores valores de passagem de corrente é consequentemente mais robusto e por sua vez mais pesado causando com isto maior fadiga ao soldador.
Para os cabos confeccionados em cobre, a tabela abaixo, indica os diâmetros recomendados em função da corrente, fator de trabalho e, principalmente, comprimento do cabo.
TABELA - DIÂMETROS RECOMENDADOS DE CABOS PARA SOLDAGEM Corrente de soldagem
Ciclo de trabalho
Diâmetro do cabo (mm) em função de seu comprimento (m) (A) (%) 0-15 15-30 30-46 46-61 61- 100 20 4 5 6 6.5 7. 180 20-30 5 5 6 6.5 7. 200 60 6.5 6.5 6.5 7.5 8 200 50 6 6 6.5 7.5 8 250 30 6 6 6.5 7.5 8 300 60 8 8 8 9 10 400 60 9 9 9 10 12 500 60 9 9 9 10 12 600 60 9 9 9 12 2 X 10
Consumíveis
Os eletrodos revestidos são constituídos de uma alma metálica rodeada de um revestimento composto de matérias orgânicas e/ou minerais, de dosagens bem definidas.
O material da alma metálica depende do material a ser soldado, podendo ser da mesma natureza ou não do metal de base, uma vez que há a possibilidade de se utilizar revestimentos que complementem a composição química da alma. Para os materiais mais comumente soldados, os tipos de almas utilizados são os que aparecem na Tabela abaixo.
Função mecânica e operatória
Durante a fusão dos eletrodos ocorre em sua extremidade uma depressão que chamamos de cratera. A profundidade desta cratera tem influência direta sobre a facilidade de utilização do eletrodo, sobre as dimensões das gotas e a viscosidade da escória. Um eletrodo de boa qualidade deve apresentar a cratera mais profunda e as gotas mais finas.
Além disto, a cratera servirá também para guiar as gotas do metal fundido como pode ser visto na Figura - Influência da profundidade da cratera na utilização do eletrodo.
Figura 1 - Influência da profundidade da cratera na utilização do eletrodo
Tipos de revestimentos
O diâmetro indicado de um eletrodo corresponde sempre ao diâmetro da alma. Os diâmetros de mercado variam na faixa de 2 a 6 mm, embora existam eletrodos especiais com dimensões diferentes destas. Conforme a espessura do revestimento, pode-se classificar os eletrodos nos seguintes tipos.
- Peculiar ou fino: revestimento é o menos comum de todos. Tem a espessura menor do que 10% do diâmetro da alma, e por isto, é o que requer a menor intensidade de corrente para ser fundido. Este eletrodo não apresenta a formação de cratera. Por cratera pode-se entender a medida indicada na cota da Figura - Influência da profundidade da cratera na utilização do eletrodo.
- Semi-espesso: Eletrodos em que a faixa de espessura do revestimento encontra-se entre 10 a 20% do diâmetro da alma. Sua fusão requer um valor de corrente ligeiramente superior ao tipo anterior. A cratera formada por este eletrodo é a menor de todos os tipos.
- Espesso: Eletrodos em que a faixa de espessura do revestimento encontra-se entre 20 a 40% do diâmetro da alma. Sua fusão requer um valor de corrente ainda maior, e a cratera formada pode ser considerada como média
- Muito Espesso: Esta classificação engloba os revestimentos em que a faixa de espessura do revestimento seja maior que 40% do diâmetro da alma. Requer as maiores intensidades de corrente para ser fundido e apresenta uma cratera que podemos considerar como profunda.
A intensidade de corrente necessária para a fusão dos eletrodos variará conforme uma série de fatores que veremos adiante, porém tomando por base apenas esta classificação dos tipos de revestimento, é possível estabelecer regras práticas que indicarão a corrente adequada para o trabalho, uma vez que para todos eletrodos, existem os limites máximos e mínimos de corrente. Por valor máximo pode-se definir um valor a partir do qual o eletrodo crepita dificultando a operação de soldagem e ocorre a danificação do revestimento (queima antes de sua efetiva utilização), e por limite mínimo um valor em que o arco fique muito difícil de se estabelecer.
Para os eletrodos de revestimento muito espesso pode-se considerar a fórmula apresentada a seguir:
I = (40 a 60) * (d-1)
I = Intensidade de corrente necessária para a soldagem do eletrodo. d = Diâmetro da alma do eletrodo.
Tomando como base um eletrodo com o diâmetro de 4 mm, as intensidades de corrente recomendadas de acordo com o tipo de revestimento, seriam as seguintes:
VALORES DE REFERÊNCIA PARA ELETRODOS DE 4mm.
TIPO DO REVESTIMENTO INTENSIDADE DE CORRENTE Fino 130 A Semi espesso 150 A Espesso 170 A Muito espesso 200 a 220 A
- Revestimento Rutílico : Este revestimento contém grandes quantidades de rutilo (TiO2 - óxido de Titânio), e produz uma escória abundante, densa e de fácil destacabilidade. Estes eletrodos caracterizam-se por serem de fácil manipulação, e por poderem ser utilizados em qualquer posição, exceto nos casos em que contenham um grande teor de pó de Ferro. Utilizados em corrente contínua ou alternada produzirão um cordão de bom aspecto, porém com penetração média ou baixa. A resistência à fissuração a quente é relativamente baixa, e estes eletrodos são considerados de grande versatilidade e de uso geral.
- Revestimento Básico: Este revestimento contém grandes quantidades de carbonatos (de Cálcio ou outro material) e fluorita. Estes componentes são os responsáveis pela geração de escória com características básicas que, em adição com o dióxido de Carbono gerado pela decomposição do carbonato, protege a solda do contato com a atmosfera. Esta escória exerce uma ação benéfica sobre a solda dessulfurando-a e reduzindo o risco de trincas de solidificação. Este revestimento desde que armazenado e manuseado corretamente, produzirá soldas com baixos teores de hidrogênio minimizando com isto os problemas de fissuração e fragilização induzidos por este elemento. A penetração é média e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, particularmente em relação a tenacidade. Os eletrodos com este revestimento são indicados para aplicações de alta responsabilidade, para soldagens de grandes espessuras e de elevado grau de travamento. Para além disto, é recomendado para soldagem de aços de pior soldabilidade como por exemplo os aços de alto teor de Carbono e/ou Enxofre ou aços de composição química desconhecida.Por outro lado, este é o revestimento mais higroscópico de todos. Isto requererá cuidados especiais com o armazenamento e manuseio.
- Revestimento Celulósico: Este revestimento contém grandes quantidades de material orgânico (como por exemplo celulose), cuja decomposição pelo arco gera grandes quantidades de 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, quando comparado a outros tipos de revestimentos.O aspecto do cordão produzido pelos eletrodos com este tipo de revestimento não é dos melhores, apresentando escamas irregulares. As características mecânicas da solda são consideradas boas, com exceção da possibilidade de fragilização pelo Hidrogênio. Estes eletrodos são particularmente recomendados para soldagens fora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulações e na execução de passes de raiz em geral.Devidas sua elevada penetração e grandes perdas por respingos, não são recomendados para o enchimento de chanfros.
Nos casos das soldagens de aços, podemos ainda ter os tipos acima com adição de outros elementos de liga que teriam funções especiais durante a deposição. O caso mais comum destes é a adição de pó de Ferro. Durante a soldagem, o pó de Ferro é fundido e incorporado à poça de fusão, causando as seguintes conseqüências:
- melhora o aproveitamento da energia do arco.
- aumenta a estabilização do arco (pelo menos em adições de até 50% em peso no revestimento).
- torna o revestimento mais resistente ao calor, o que permite a utilização de correntes de soldagem com valores mais elevados.
- aumenta a taxa de deposição do eletrodo.
Porém, como ocorre em diversas outras coisas, a adição de pó de Ferro no revestimento causará também alguns pontos desfavoráveis que são os seguintes:
- aumento da poça de fusão
- aumento do grau de dificuldade de controlar a poça de fusão, dificultando ou mesmo impossibilitando a soldagem fora da posição plana.
Vistas então as diferentes formas como os eletrodos podem ser classificados quanto ao seu revestimento, são apresentadas à seguir as especificações mais utilizadas para identifica-los.
Especificações AWS para eletrodos revestidos
A AWS - American Welding Society (Sociedade Americana de Soldagem - o equivalente à nossa Associação Brasileira de Soldagem) criou um padrão para a identificação dos eletrodos revestidos que é aceito, ou pelo menos conhecido, em quase todo o mundo. Devido a simplicidade, e talvez o pioneirismo, esta é a especificação mais utilizada no mundo atualmente para identificar eletrodos revestidos.
Estas especificações são numeradas de acordo com o material que se pretende classificar, conforme a tabela abaixo:
TABELA ESPECIFICAÇÕES AWS PARA ELETRODOS REVESTIDOS REF. AWS Eletrodos para: A 5.1 Aços ao Carbono A 5.3 Alumínio e suas ligas A 5.4 Aços inoxidáveis A 5.5 Aços 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)
Entre estas especificações as mais populares são as utilizadas para aço Carbono (AWS A 5.1), as utilizadas para aços de baixa liga (AWS A 5.5), e as utilizadas para aços inoxidáveis (AWS A 5.4). A primeira (AWS A 5.1), tem uma forma simples de ser interpretada que pode ser vista na figura 2 a seguir.
Uma vez vista a forma como é feita a identificação conforme a norma mais usual, são a seguir apresentados e comentados alguns eletrodos classificados conforme especificação AWS A 5.1.
Características dos principais eletrodos para aço carbono.
E 6010 (Na) E 6011 (K)
Grande penetração, solda em todas as posições, facilidade a produzir transferência metálica por spray (desde que se utilize valores de corrente adequados), escória de pequeno volume e aspecto vítreo, boas propriedades mecânicas, alto teor de umidade: E 6010 =>3 a 5% ; E 6011 => 2 a 4%, principal constituinte: celulose.
E 6012 E 6013
Média penetração, escória viscosa e densa, o E 6012 pode ser utilizado em correntes relativamente altas já que seu revestimento possui pequenas proporções de celulose e uma grande proporção de materiais refratários, o E 6013 possui mais K que torna o arco mais estável.
E 6020
Média a profunda penetração, transferência por spray, escória espessa e de fácil remoção, revestimento ricas em óxido de Ferro e Manganês, altas taxas de deposição e poça de fusão com metal muito fluido, o que obrigará operar nas posições plana ou filete horizontal.
E 7016
Possui pouco ou nenhum elemento gerador de hidrogênio no arco (celulose, asbestos), são cozidos em temperaturas entre 500 a 600° C para minimizar a retenção de água pelo revestimento, por isto, são recomendados para a soldagem de aços susceptíveis à trinca a frio.
Eletrodos com pó de Ferro: E 7014, E 7018, E 7024, E 7027, E 7028, etc.
Elevadas taxas de deposição, trabalha com elevados valores de corrente, quando o teor de pó de Ferro ultrapassa os 40% a soldagem só é recomendada na posição plana, revestimento espesso => melhor proteção e técnica de soldagem por arraste.
Algumas das aplicações em que podem ser utilizados estes eletrodos são apresentadas na tabela.
TABELA DESEMPENHO DE ALGUNS ELETRODOS EM DIFERENTES APLICAÇÕES Aplicações 6010 6011 6013 7016 7018 7024 Aço com Enxofre alto ou sem analise química na na 3 10 9 5 Alta ductilidade 6 7 5 10 10 5 Alta penetração 10 9 5 7 7 4 Alta resistência ao impacto 8 8 5 10 10 9 Alta taxa deposição 4 4 5 4 6 10 Espessura fina, probabilidade de distorção 5 7 9 2 2 7 Espessura grossa, alta restrição 8 8 8 10 9 7 Facilidade remoção de escória 9 8 8 4 7 9 Filete 1G/2G alta produtividade 2 3 7 5 9 10 Filete todas posições 10 9 7 8 6 na Pouca perda por respingos 1 2 7 6 8 9 Topo posição plana e < 6.0 mm 4 5 8 7 9 9 Topo todas pos. e < 6.0 mm 10 9 8 7 6 na
Os valores estão correspondidos entre 10 (aplicação fortemente indicada) a 1 (aplicação não recomendada). A sigla "na" significa "não aplicável".
Manutenção e cuidados com eletrodos
Caso não sejam tomados os adequados cuidados no armazenamento e manuseio, os eletrodos revestidos podem se danificar. Parte ou todo o revestimento pode se danificar, principalmente nos casos de dobra ou choque do eletrodo. Sempre que se observar qualquer alteração no estado do eletrodo, este não deve ser utilizado em operações de responsabilidade.
A umidade em excesso no revestimento dos eletrodos (principalmente os básicos), é de uma forma geral, prejudicial a soldagem. Ela pode levar a instabilidade do arco, formação de respingos e porosidades principalmente no início do cordão e a fragilização e fissuração pelo Hidrogênio.
O nível de umidade pode ser medido em laboratórios conforme estipulado na norma AWS A5.5-81. Pode também ser estimado praticamente, quando o teor de umidade for suficientemente alto, por duas diferentes maneiras:
TABELA ARMAZENAMENTO E RESSECAGEM DE ELETRODOS
CLASSE DO ELETRODO
Armazenamento Embalagem Fechada
Armazenagem Em Estufa
Tratamento De Ressecagem
E XX10 e E XX11 Temperaturaambiente nãorecomendado^ Geralmente^ Geralmente nãorecomendado
EXX12,XX13,XX14,XX20,XX24 e XX27 Ver a nota^ 65 a 85°C^
120 a 150°C hora (min.)
E 7015/16,E 7018/28 Ver a nota 65 a 95°C 260 a 320°C1hora (min.)
E 80/9015,E 80/9016 eE 80/9018 Ver a nota 95 a 120°C 320 a 370°C1hora (min.)
E 100/110/12015E 100/110/ eE 100 110 12018 ver nota^ 1 95 a 120°C^
345 a 400°C hora (min.)
E XXX15/16(inoxidáveis) ver nota 1 65 a 95°C 200 a 230°C1hora (min.)
Umidade do ar abaixo de 50% e temperatura 10°C acima da temperatura ambiente, porém no mínimo 20°C
Variáveis
O processo eletrodo revestido,quando comparado com outros, apresenta relativamente poucos parâmetros com possibilidade de regulagem. Os efeitos de cada um são mostrados na tabela EFEITO DA ALTERAÇÃO NOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM à seguir. As siglas Ic, Va e U0 significam respectivamente: Intensidade de corrente ("amperagem"), Velocidade de avanço e Tensão em vazio ("voltagem").
TABELA - EFEITO DA ALTERAÇÃO NOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM
Causas Efeitos
Ic, Va e U normais
Ic muito baixo
Ic muito alto
Va muito baixo
Va muito alta
U (1)baixo U0 alto
Fusão Normal Difícil Crepitante Normal (^) irregularMuito Normal Irregular
Forma do depósito
Correta (^) convexoMuito^ Achatado edeformado convexo^ Muito^ Convexo edeformado Convexo
Achatado e deformado
Aspecto do depósito
Regular e limpo
Regular e limpo
Muito irregular e muitos respingos
Regular em plana deformado em ângulo
Muito irregular com estrias alongadas
Regular e limpo
Irregular com muitos respingos
Penetração Ótima Fraca
Muito grande, inútil e perigosa
Muito grande Fraca^ Razoável^ Alta
Forma da cratera
Circular e saudável
Deformada mas sã
Deformada com poros e trincas
Regular porém profunda
Deformada com poros Regular^ Regular
Outros defeitos prováveis
Nenhum
Prováveis poros e inclusão de escória
Mordeduras porosidades e eventuais trincas
Mordedura
Mordedura porosidade e eventual trinca
Nenhum
Poros se eletrodo estiver errado
(1) - Porém superior a tensão de abertura do arco A intensidade de corrente é o parâmetro que é mais sensível a variação. Depende também dos seguintes aspectos: Diâmetro do eletrodo, massa da peça, afastamento na montagem, temperatura inicial da peça e posição de soldagem.
Técnicas
Ponteamento
A finalidade do ponteamento é permitir uma fácil, correta e econômica fixação das peças a soldar. Ele consiste em executar cordões curtos e distribuídos ao longo da junta, sendo sua função básica manter a posição relativa entre as peças, garantindo a manutenção de uma folga adequada. O ponteamento pode ser aplicado diretamente na junta, nos casos em que é prevista a remoção da raiz.
Figura 4 - Recurso utilizado para fixação da peças
Figura 5 - Dispositivo de pré fixação conhecido como "cachorro"
Execução da raiz
A folga na montagem é fator determinante para a boa penetração do primeiro passe. Ela é diretamente ligada ao diâmetro do eletrodo utilizado.
Para além deste fator, é importante verificar também a influência da polaridade, sendo que para o primeiro passe, em especial em fundo de chanfro, é recomendado utilizar polaridade direta, ou seja, o eletrodo no polo negativo, pois neste caso, além de termos uma temperatura menor na peça, temos ainda uma convergência do arco elétrico, que do ponto de vista da penetração é bastante benéfica.
Execução dos passes de enchimento
Para a execução dos passes de enchimento são possíveis três diferentes métodos de trabalho que são descritos à seguir:
Enchimento por filetes
Este método é o que introduz o maior tensionamento transversal, e uma maior probabilidade de inclusão de escória quando comparado com os demais métodos. Por outro lado, é o método que permite uma melhoria das características mecânicas, devido sua menor introdução de calor, evitando desta forma o crescimento dos grãos. Por crescimento de grão podemos entender o aspecto metalúrgico que introduz fragilidade na junta. Devido a esta característica, e principalmente, a possibilidade de poder-se utiliza-lo em todas as posições, este é o método mais comummente utilizado. Este método é representado na posição 1 da Figura - Diferentes formas de enchimento na posição vertical ascendente.
Figura 6 - Diferentes formas de enchimento na posição vertical ascendente
