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didátiÇ* \ / -_ •/• •l \ % Paulo vPau\o Que 1 % ndfe&\e*a i k \ i fcí\íTWI t € c Paulo Villani Marques Paulo José Modenesi Alexandre Queiroz Bracarensec f s c c SOLDAGEMi FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA c 3a edição atualizada 1a reimpressão c í( Universidade Federai de Minas Gerais Reitor: Vke-Rettora: Roeksane de CaraJho Norton CJéfio Campofina DWz C c Editora UFMG Diretor: Wander Melo Miranda Vice-Diretor: Roberto Alexandre do Carmo SaWc Conselho Editorial Wander Meio Miranda (presidente) Flavio de Lemos Carsalade Heloísa Marta Murgd Staffing Márcio Gomes Soares Maria das Graças Santa Bárbara Maria Helena Damasceno e Sflva Megale Paulo Sérgio Lacerda BeirSo Roberto Alexandre do Carmo Said € f C 4 € BELO HORIZONTE | EDITORA UFMG 2011c € € C SUMÁRIOCoordenação Editorial Danivia Wolff Assistência Editorial Efiane Sousa c Eudídia Macedo Editoração de texto Ana Maria de Moraes Revisão e normalização Maria do Carmo Leite Ribeiro Revisão de provas Alexandre Vasconcelos de Melo Atualização ortográfica Karen M. Chequer e Daniel ID Silva Projeto gráfico Paulo Schmidt Formatação e capa Warren Maritac Produção gráfica Warren Marilac € PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES APRESENTAÇÃO € 13 c 14 15 € PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM€ € Capítulo 1€ Introdução à Soldagem 1. Métodos de união dos metais 2. Definição de soldagem 3. Formação de uma junta soldada 4. Processos de soldagem 5. Comparação com outros processos de fabricação 6. Breve histórico da soldagem 7. Exercícios 17 <51 200S, Paulo Villani Marques, Paulo José Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense © 2005, Editora UFMG © 2007, 2* ed. rev. e ampi. © 2009, 3* ed. atual. 2011, 1* reimpr. 18 19 21€ 23c Este livro ou parte dele não pode ser reproduzido sem autorização escrita do Editor. 25 Marques. Paulo ViBant Soldagem: fundamentos e tecnologia / Paulo Vtlani Marques, Paulo José Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense - 3* etfçáo atualizada - Béo Horizonte: Editora UFMG, 2009. 363 pLl- (Didática) Indui b&tografia. ISBN: 978-85-7041-748-0 M357s 27c Capítulo 2 c Terminologia e Simbologia da Soldagem1. Soldagem. 2. Solda e soldagem. I. Modenesi.Pauto José.U. Bracarense, Alexandre Queiroz. 111. Titula 291. Introdução 2. Terminologia da soldagem 3. Simbologia da soldagem 4. Exercício O»;621.791 CDU: 621.791 30Ficha catalográfica elaborada pela CCQC - Central òe Controle de Qualidade da Catalogação da Biblioteca Universitária da UFMG€ 36 41 c Editora UFMG Av. Antônio Carlos, 6.627 - Ala direita da Biblioteca Central - térreo Campus Pampulha - CEP 31270-901 - Belo Horizonte/MG Td.: +55 31 3409-4650 | Fax: +55 31 3409-4768 |edtora@ufmgi>r | wwweditoraajfmgJjr Capitulo 3 Princípios de Segurança em Soldagem 1. Introdução 2. Roupas de proteção € € 43 44 c J 1 1 6. Características da zona termicamente afetada 7. Descontinuidades comuns em soldas 8. Exercícios e práticas de laboratório 98453. Choque elétrico 4. Radiação do arco elétrico 5. Incêndios e explosões 6. Fumos e gases 7. Outros riscos 8. Recomendações finais 9. Exercícios 1 10046 I11248 148 Capítulo 749 49 Tensões Residuais e Distorções em Soldagem 50 1131. Introdução 2. Desenvolvimento de tensões residuais em soldas 3. Consequências das tensões residuais 4. Distorções 5. Controle das tensões residuais e distorção 6. Exercícios 115Capítulo 4 119 0 Arco Elétrico de Soldagem I121 I123511. Introdução 2. Características elétricas do arco 3. Características térmicas do arco 4. Características magnéticas do arco 5. Exercícios e práticas de laboratório 12552 56 Capítulo 857 61 Automação da Soldagem 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Programação de robôs para a soldagem 4. Aplicações industriais 5. Exercícios ' I 127Capítulo 5 130 >Fontes de Energia para Soldagem a Arco 133 1 134631. Introdução 2. Requisitos básicos das fontes 3. Fontes convencionais 4. Fontes com controle eletrónico 5. Conclusão 6. Exercícios I13563 I64 ICapítulo 972 79 Normas e Qualificação em Soldagem 1. Introdução 2. Normas em soldagem 3. Registro e qualificação de procedimentos e de pessoal 141 4. Exercícios 180 137 139Capitulo 6 I Fundamentos da Metalurgia da Soldagem }145 I811. Introdução 2. Metalurgia física dos aços 3. Fluxo de calor 4. Macroestrutura de soldas por fusão 5. Características da zona fundida Capítulo 10 I82 88 Determinação dos Custos de Soldagem 92 )1511. Introdução 2. Custo da mão de obra 93 152 J J €• f 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório 1861533. Custo dos consumiveis 4. Custo de energia elétrica 5. Custo de depreciação 6. Custo de manutenção 7. Custo de outros materiais de consumo 8. Considerações finais 9. Exemplo 10. Exercício 196155 f 202155c 203156 ( 156 Capítulo 13c 156 c 157 Soldagem TIG 159 2051. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório PARTE 2 206 211 PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINSc 214 217€ Capítulo 11 217€ Soldagem e Corte a Gásc Capítulo 14 A -Soldagem a gás Soldagem e Corte a Plasma€ 1611. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais ( A-Soldagem162 c 2191. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 167 221170 223c 173 225 B-Oxi-Corte 227c 1741. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório B-Cortec 175 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumiveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios 228176í€r 228177I* 230179€ 230180 232í ic Capítulo 12 232 ic Soldagem com Elétrodos Revestidos 1. Fundamentos 2. Equipamentos 181 183 € A 1 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 283Capítulo 15 1 287Soldagem MIG/MAG e com Arame Tubular 3 B- Soldagem eletrogás 1A - Soldagem MIG/MAG 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios 288 >2331. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais B- Soldagem com arames tubulares 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório 289 244 289 248 290 3252 290 254 291 Capítulo 18 I255 Soldagem por Resistência 1256 257 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Técnica operatória 4. Aplicações industriais 5. Exercícios 293 261 296 261 300 261 304 306Capítulo 16 Soldagem a Arco Submerso Capítulo 19 3Processos de Soldagem de Alta Intensidade2631. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório 1265 A- Soldagem a laser268 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Técnica operatória 4. Aplicações industriais B- Soldagem com feixe de elétrons 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Técnica operatória 4. Aplicações industriais 5. Exercícios 307272 309 1275 310275 312 3 Capítulo 17 Soldagem por Eletroescória e Eletrogás 313 3 313 iA- Soldagem por eletroescória 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 314 3277 315 J279 315 281 i 3 J «:v / > si C Capítulo 20 Outros Processos de Soldagem 1.Soldagem por fricção convencional 2. Variações recentes da soldagem por fricção 3. Soldagem por explosão 4. Soldagem por aluminotermia 5. Soldagem a frio 6. Soldagem por ultrassom 7. Soldagem por laminação 8. Exercícios f PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃOf 317 320 323 326c Em uma era de constantes mudanças, quebras de paradigmas e crescente valorização do capital intelectual, a Universidade, através dos autores deSoldagem-fundamentos e tecnologia, transcende o conceito de Academia — baluarte da ciência pura — disponibili- zando sólidosemodernos conhecimentos na área desoldagem. A tão cobrada e mencionada Responsabilidade Social está aqui perfeitamente demonstrada no pleno engajamento dos autores, pesquisadores renomados, difundindo ricos ensinamentosobtidos ao longo de anos de estudos e pesquisas. Com este livro, busca-se uma forma mais abrangente de divulgação, acessível a toda a sociedade, ao contrário das apostilas, que possuem um público limitado e exclusivo. A soldagem, tema caracterizado por alta complexidade, porém de importância e aplicação inquestionável em todos os setores da indústria, é aqui tornada fácil, de entendimento imediato, e perfeitamente ajustada às autênticas necessidades dos leitores. A sequência apresentada permite o entendimento do tema de forma gradativa e constante. Inicia-se pelos conceitos fundamentais e terminologias; introduz informações direcionadas sobre física do arco elétrico e eletricidade; define os equipamentos e dispositivos de soldagem, os riscos e a forma segura de operação. A metalurgia da soldagem é apresentada com uma linguagem clara e objetiva, permitindo a assimilação de sua dinâmica. O livro conclui a vasta caminhada pelosconhecimentosno assunto comuma ampla abordagemdos processos de soldagem. Todo o conteúdo é enriquecido com ilustrações de nítido caráter explicativo. As questões apresentadas ao final de cada capítulo permitem ao leitor avaliar o grau de entendimento e avançar além do texto, incitando-o a expor suas ideias. A adequação desta obra à realidade é perfeita. No momento em que o mercado exige, de forma contundente, profissionais abertos ao aprendizado permanente, alertas para captar tendências ou inventar técnicas apropriadas para contornar riscos e aproveitar oportunidades. Soldagem - fundamentos e tecnologia toma-se um recurso inestimável para se atingir um nível de excelência, cumprindo o seu papel de difundir ideias com elevada eficácia. 329f 330 € 331 í 333 ( Capítulo 21c Brasagem I 3351. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios € 337 I 338 c 346 349c 349C c c c BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 351 I ÍNDICE ALFABÉTICO 353 í SOBRE OS AUTORES 363I Eng°. Helder Aguiar Neves € I 4 1 1 I PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES 1 I ! t No momento em que nosso país discute o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), lançado pelo Governo Federal, e começa a trabalhar com a perspectiva de resolver seus graves problemas sociais ancorado no crescimento da economia, é mais que oportuno o lançamento de uma nova edição de um livro que traz tão importantes contribuições ao desenvolvimento científico e tecnológico. Soldagem é um dos mais importantes processos de fabricação e está presente no dia- -a-dia de todos nós. É parte integrante dos currículos de cursos de Engenharia Mecânica, Nuclear e Metalúrgica em praticamente todas as Escolas de Engenharia, além de ser destacada área dos cursos técnicos em Mecânica e Metalurgia. Os Doutores Paulo Villani Marques, Paulo José Modenesi e Alexandre Queiroz Bracarense, professores da Escola de Engenharia da UFMG e pesquisadores de reconhecida competência, no Brasil e no exterior, tiveram a louvável iniciativa de produzir um texto didático genuinamente brasileiro para atender às necessidades de estudantes e de profissionais que trabalham nas áreas afins. - Os conceitos são apresentados com clareza e de forma didática, permitindo aos leitores um fácil entendimento dos conceitos e uma aprendizagem consistente dos mais modernos processos. Além disso, são apresentados os equipamentos e consumlveis utilizados através de desenhos de excelente qualidade. O cuidado dos autores na abordagem ampla e precisa dos diversos aspectos ligados a essa área salta aos olhos. Além dos aspectos técnicos, o livro dedica especial atenção aos princípios básicos, à história, à terminologia, à segurança, às normas técnicas e aos custos ligados à soldagem. Os diversos processos contemplados em capítulos específicos são apresentados de forma simples, direta e objetiva. A divisão uniforme dos capítulos em seções -Fundamentos, Equipamentos, Consumíveis, Técnica Operatória, Aplicações Industriais, Exercícios e Práticas de Laboratório - apresenta-se como ferramenta de fundamental importância para o entendimento dos processos. Destacam-se as práticas laboratoriais e os problemas propostos que complementam e criam as habilidades necessárias ao exercício desta atividade. Esta obra reflete os esforços de profissionais que além da competência técnica e científica demonstram excepcional espírito público e indiscutíveis qualidades didáticas. Não há dúvidas de que os leitores terão muito prazer na leitura deste livro e que inúmeros estudantes de Cursos Técnicos e de Engenharia se interessarão por esta área do conhecimento. 1 1 APRESENTAÇÃO 1 Este texto surgiu do desejo e da necessidade de ampliar e atualizar uma obra anterior, publicada em 1991. Muitos foram os avanços obtidos no campo da soldagem desde então e, particularmente no Brasil, muitas novidades surgiram com a abertura do mercado, a partir de 1994. A oportunidade foicriada quando a PROGRAD-Pró-Reitoria de Graduação da UFMG lançou um edital para a seleção de projetos de produção de material didático para a graduação, em meados de 2003. Contudo, como esta não seria uma tarefa fácil, pois soldagem é um tema muito abrangente, convidei os colegas da UFMG Prof. Dr. Paulo José Modenesi e Prof. Dr. Alexandre Queiroz Bracarense para dividirem comigo esta empreitada. Tendo por base o texto de 1991, decidimos que esta nova obra seria dividida em 21 Capítulos, tendo cada um de nós assumido a produção de sete deles. O Prof. Modenesi se responsabilizou pelos Capítulos 1, 2, 4, 5, 6, 7 e 9; o Prof. Bracarense pelos Capítulos 8, 16, 17, 18, 19, 20 e 21,e eu, pelos demais, isto é, os Capítulos 3, 10, 11,12, 13, 14 e 15. Esta divisão foi motivada por questões práticas e de afinidade com os temas abordados. Entre setembro e novembro de 2003, trabalhamos nos textos individualmente, mas procurando manter uma mesma orientação geral, através de reuniões periódicas. Os capítulos produzidos foram enviados a técnicos atuantes na área de soldagem em nível industrial e acadêmico, para revisão e críticas, o que foi feito nos meses de dezembro de 2003 e janeiro de 2004. Em fevereiro de 2004, após outras reuniões para ajustes de orientação e manutenção da unidade da obra. as críticas e sugestões dos revisores foram incorporadas, chegando-se ao texto final. Aiém de conhecimentos técnicos atualizados, procuramos colocar no texto experiên¬ cias na área acadêmica e industrial obtidas no nosso trabalho em ensino, pesquisa e extensão na UFMG. Tentamos, também, oferecer alguma contribuição no que se refere à terminologia de soldagem usada no país, que é muitas vezes confusa e redundante, resultado da tradução livre, adoção e adaptação de termos de outras línguas e falta de normalização nacional. ! 1 1 I | | )) ) i } Prof. Márcio Ziviani Diretor Executivo- Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa J } J C <1 CI SOUÍAGIMID FUXOAKIIÍTMÍ TIOTO1DC1» Nesta edição, foram feitas pequenas alterações no texto de vários capítulos, para tornar mais claros alguns conceitos expressos, bem como foram corrigidos os erros da primeira edição, na linguagem, figuras e equações. Muitas pessoas e organizações contribuíram para que se chegasse a este resultado final. Em especial, agradeço aos Profs. Modenesi e Bracarense pela disposição em dividir o trabalho e pela sua dedicação a ele; ao Prof. Dr. Ronaldo Pinheiro da Rocha Paranhos, da UENF. pela contribuição nos Capítulos 3 e 10; ao Prof. Modenesi pelas ilustrações e fotos; aos Profs. Américo Scotti e Valtair Antônio Ferraresi, da UFU. pelos filmes sobre tranferência metálica; ao Prof. Paranhos. aos Engos. Carlos Castro. Francisco de Oliveira Filho, Gustavo Alves Pinheiro, Helder Aguiar Neves, José Roberto Domingues e Óder Silva de Paula Júnior e a minha esposa Maria das Victórias de Mello Villani Marques, pela revisão e sugestões; às empresas ESAB. RBG e SOLDAGERAIS. pela disponibilização de informações técnicas, fotos e equipamentos; à PROGRAD e ao DEMEC, da UFMG, pelo suporte financeiro e logístico, e a minha filha Paula de Mello VillaniMarques, pela digitação. Finalmente, a todos que direta ou indiretamente tornaram possível a conclusão deste trabalho, gostaria de manifestar minha gratidão e agradecimentos e apresentar minhas desculpas pela incapacidade de citá-los nominalmente. € € C PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM c í Paulo Villani Marques CAPÍTULO 1 € INTRODUÇÃO À SOLDAGEM c ( c c 1. Métodos de União dos Metais '€ Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias prin¬ cipais, isto é, aqueles baseados na ação de forças macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas — interatômicas e intermoleculares. No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebi- tagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, a união é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, ou destes e de um material intermediário adicionado à junta, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de Van der Waals. Como exemplo desta categoria citam-se a brasagem, a soldagem e a colagem. A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado indus¬ trialmente. Este método de união, considerado em conjunto com a brasagem, tem importante aplicação desde a indústria microeletrônica até a fabricação de navios € € c c t I € CAftTUlCI >18 S INTRODUçãO A SOIDAGEM I 19OAlttNTOS f TICOTIOOIA 1 e outras estruturas com centenas ou milhares de toneladas de peso. A soldagem é.utilizada na fabricação de estruturas simples, como grades e portões, assim como em componentes encontrados em aplicações com elevado grau de responsabilidade, como nas indústrias química, petrolífera e nuclear, e também na criação de peças de artesanato, joias e de outros objetos de arte. 3. Formação de uma Junta Soldada 1> Deuma forma simplificada, uma peça metálica pode ser considerada como 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. na qual a energia do sistema é mínima, como mostra a Figura 1. * >2. Definição de Soldagem >EUm grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recupe¬ ração de peças, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo "SOLDAGEM”. Classicamente, a soldagem é considerada como um processo de união, porém, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação depeças desgasta¬ das oupara a formação de umrevestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados coma soldagem são usados para corte de peças metálicas e em muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem. Na literatura, encontram-se algumas tentativas de definição da soldagem: • "Processo de união de metais por fusão." Deve-se ressaltar que não apenas os metais -são soldáveis e que é possível se soldar sem fusão. n e Distânciaror Ig 1 a Figura 1 Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tenden¬ do a se ligar com nenhum átomo extra. Na superfície do sólido, contudo, esta situação não se mantém, poisos átomos estão ligados a menos vizinhos, possuindo, portanto. um maior nível de energia do que os átomos no seu interior. Esta energia pode ser reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a uma distância suficientemente pequena para a formação de uma ligação permanente, uma solda entre as peças seria formada, como ilustrado na Figura 2. Este tipo de efeito pode ser obtido, por exemplo, colocando-se em contato íntimo dois blocos de gelo. > • "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das propriedades físicas e químicas." Nessa definição, o termo "continuidade" é utilizado com um significado similar ao adotado na matemática. Isto é. considera-se que, embora as propriedades possam variar ao longo de uma junta soldada, esta variação não apresenta quebras abruptas como ocorre, por exemplo, em uma junta colada na qual a resistência mecânica muda abruptamente entre um componente da junta e a cola. • "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 utilização de pressão e/ou material de adição." Esta definição, adotada pela Associação Americana de Soldagem(AmericanWelding Society- AWS), é meramente operacional, não contribuindo com o aspecto conceituai. Rnaliza-se com uma última definição, esta baseada no tipo de forças responsáveis pela união dos materiais: • ‘Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais, na região de ligação entre os materiais que estão sendo unidos." Esta última definição engloba também a brasagem (Capítulo 21), que pode ser considerada, neste contexto, como um processo de soldagem. I Solda > ©00© )t 3Figura 2 Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas, exceto em condições muito especiais. A explicação para isto está na existência de obstáculos • que impedem uma aproximação efetiva das superfícies até distâncias da ordem de r0. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos: 1 1 ) J JI CAPÍTUIO 1 | 91 INTRODUÇÃO À SOLDAGEM /ÿ' on I SOLDAGEM AU I FUNOAMEMTOS E TECNOLOGIA • As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e submicroscópica. O segundo método se baseia na aplicação localizada de calor na região da junta até a fusão do metal de base e do metal de adição (quando este é utilizado). Como resultado desta fusão, as superfícies entre as peças são eliminadas e, com a solidi¬ ficação do metal fundido, a solda é formada (Figura 5). Mesmo uma superfície muito bem polida apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atómicas. 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. Metal deadição Calor \/• As superfícies metálicas estão normalmente recobertas por camadas de óxido, umidade,gordura, poeira etc. (Figura 3), 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. v' : .. o»- * IHL t, ■' Metal de base f • ___ • _•_• _•_• Soldavzi -i (a) (b)I B Figura 5 (a) Representação esquemática da soldagem por fusão, (b) Macrografia de uma junta i A Uma maneira de classificar os processos de soldagem consiste em agrupá-los em dois grandes grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda: (a) processos de soldagem por pressão (ou por deformação) e (b) processos de soldagem por fusão. t Figura 3 Representação esquemática da estrutura de urna superfície metálica em contato com o ar. A-metal não afetado. B - metal afetado, C - camada de óxido, D - água e oxigénio absorvidos, E-gordura e F • partículas de poeira < I 4. Processos de SoldagemPara superar estes obstáculos, dois métodos principais são utilizados, os quais 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 r0 (Figura 4). As peças podem ser aquecidas localmentede modo a facilitar a deformação das superfícies de contato. I 4 4 4.1 - Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) 4 • Pressãof ♦ Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por forjamento, por ultras¬som, por fricção, por difusão, por explosão, entre outros.m i?f Óxidos• •f A m Pressão Solda 4.1.2 Processos de soldagem por fusão . A, .I 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 ten¬ dência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos a f Figura 4 Soldagem por pressão ou deformação f J CApfruioi WTRODUÇÂO ÀSOUJASEM 123SOlGASaiFUMDAMSNTOSE TECNOLOGIA22 Entre os processos de soldagem por resistência (Capítulo 18). alguns podem ser considerados como processos de soldagem por deformação. Outros são melhor caracterizados como processos de soldagem por fusão. Os processos de soldagem e afins podem ser classificados de diferentes formas alternativas. A Figura 6 mostra uma classificação segundo a AWS-American Welding Society, juntamente com as abreviações adotadas por esta associação para designar cada processo. Esta classificação e abreviações são muito utilizadas em diversos países do mundo. No Brasil, embora estas sejam usadas, designações de processo de soldagem de origem europeia são mais comuns. Além destas, abreviações baseadas no nosso idioma (como, por exemplo, SAER - Soldagem a Arco com Elétrodos Revestidos) foram propostas, mas tiveram uma aceitação muito restrita até o presente. A classificação dos processos de soldagem da AWS apresenta deficiências como qualquer outro sistema de classificação. processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar • estas reações. A Tabela I mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características principais. D Tabela I- Processos de soldagem por fusão Tipo de corrente e polaridade Fonte de calorProcesso Agenteprotetor Outras carcterísticas Aplicações Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. espessura ≥ 50 mm. Soldagem de pe¬ ças de grande espessura. eixos etc. Aquecimento por resistên¬ cia da escória liquida Contínua ou alternada Escória Automática/Mecanizada. Junta na vertical. Arame alimentado mecanicamente na poça de fusão. Não existe arco elétrico. Soldagem por eletro- escória > > Contínua ou alternada. Automática/mecaniz. ou semiautomática. 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 estru¬ turais. tanques, vasos de pressão etc._ EscóriaArcoSoldagem a arco submerso elétrico SOL0AOZMAMMOTAl ARCOFUSADO CURTOCWCUTO SOLDAGEM A ARCO OASTOXOSTttOO ARCO PULSADO SOLDAGEM APLASMA AM* OMA*Elétrodo + SOLDAGEM COMELETRODONU ELETXOOOCP CARYAO CA» CAW-C CAW4 CAW-T FCAJ* OEM COMI . AQAS OTA» OTAW-PA ARCO DUPLO S0UM6QICOM ARAME TUBULAR SOLDACOUIETROQAI_ PA»(«0 Arco elétrico Contínua ou alternada. Manual. Vareta metálica recoberta por camada de fluxo. Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro. metais preciosos, reativos ede baixopontode fusão.Usadona soldagem em geral. Escória e gases gerados COM OCP EUTROOOREVESTEO nu»Soldagem com eletrodo revestido ES» s»NOESTADO FORTE SAW« SEW SAWStflLOROEMFCRC&EXnttaAÕ cem <K*> Eletrodo + c»cm SRASAKMPORMDUÇAO BRASAOEMCMFORNO BRASAOEMPCR MOUÇAO BRASAOEMPOR MFRAVZRXEUtO BRASAOEM PORRESOTtMCU SRASAOCM POR TOCHA BRASAOEMA ARCOCOM E1ETROOOCECARVAO DPRou - SOLDAGEMPCREXPLOttO SCLDACENNRFORJAKEXTO SOLDAGEM PORFR9CÇA0 SOLDAGEMPOR PRESSÃO A OUOfTl SOLDAGEM PORlAJOUÇAO SCLDAOniPOEOLTRAAOM_ tXH PB FOW B FR» «s HPW PROCESSOS RBContínua. Automático ou semiauto¬ mático. O fluxo está contido dentro de um arame tubular de pequeno diâmetro. Soldagem de aços carbono. baixa e alta liga com espes¬ sura ≥ 1 mm. Soldagem de chapas, tubos etc. BRA3A8EM FRACAEscória e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO, Arco elétrico RO» OUTROSDESoldagem com arame tubular TB IUS» TCABEletrodo + DS BRASAQEMCMnOCO BB BRASAOEM EM FORMO FS CAD >BRASAQEMPCR SCUÇAO a BRASAOEM POR MXSAO S,BRASAGZM POR MFRAVXXMUHO nCOM FERROMSOLDA BRASAOEM PORRCSSTtMCU BRASAQEM POR TOCHA KS BRASAOEM POR FUaO FIDoAsPORSoldagem de aços carbono, babcaealtaBga.nãoferrosos,com espessura £=1 mm. Soldagem de tubos, chapas etc. Qualquer posição. Contínua. nArco elétrico Automática/mecaniz. ou semiautomática. O arame ó sólido. Argônio ou Hélio. Argônio + O., Argônio + Cor co2 >SoldagemMIG/MAG RESOTtMOATI COMSUSTtVCL SOLDAGEMPOAFuUMUITR0K3ALTO VACUO■taovAcuo SEM VACUO ta»uss (»n (OPWJ BRASAOEM FORONDA MSEletrodo + ESMV CBSFNV 1SOLDAGEM PCMCEKTELMAMHfTO F» IX»PUUBO-ZMjiD TÍJOBCA (TXSP) SOUMCEMPORBBUÇAO SOLDAGEMPORFUSO SOLDAGEMPORPCRCUXSAO SOLDAOEM ALASER SOLDAGEM ALUM1KOHRMCA MTPROCESSOS COLAGEMSOLDAOEMPORPROJEÇÃO nowARO (**>SOLDAGEMPCR COSTJRA ALUFREOUCMOA MCUçAO SOLDAGEMPORPONTOS SOLDAGEM'UFSET RSCM pmArgônio, Hélio ou Argônio + Hidrogénio Manualou automática. O arame óadicionado separada¬ mente.Eletrodo não consu- mível detungsténio. Oarco ó constritopor umbocal. Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn. Be e suas ligas, com espes¬ sura de até 1.5 mm. Passes de raiz. Arco elétrico Continua.Soldagem a plasma LS» iw RS»Eletrodo - un SOLDAGEMAAR ACSIUMO pTfl-ffypihcri SOLDAGEMOMttttCA sotnAGniAoAssoopRissto AAW IALTAfRZQUtMCMOBUCAo VMM OA»UMM OH»CORTE A CORTE TERME0 CORTE PULVER2AÇA0AARCO tLÉTOCÒ PULVOGZAçAOACHAMA PUVERgAçAQ A PLASMA ASP I(AO trarnsp (TO(OC1 CORTE A AJKÚ AACAAB0S9CORTE A ARCOCOMCAAVAO CORTEA ARCOOASMZTAl CORTEA ARCOOAS TUNOSTtWO CORTE A ARCOPUSMA CORTECOMEUTBOCOREVOTPO PSP CACManual ou automática. Eletrodo não consumível de tungsténio. O arame é adicionado separadamente. Soldagem de todos os metais. exceto Zn. Be e suas ligas, espessura entre1 e6mm. Sol¬ dagem de não ferrosos e aços inox. Põssederazdesoldasem tubulações._ Contínua ou alternada. Argônio. Hélio ou misturas destes Arco elétrico Soldagem CÕRTECOiiínjÚXOQUMOCO CORTE COMPONETAUCO CORTE OXFCOMDUSTtVEL FÕC OTACTIG POC PAC OfC SMAC OFC-A OFC-H OFC* OFC* Eletrodo - OUTROS MÍTOOC3 CECORTE CORTECOMFEKEOEBCTRONS ESC LBCQASHAIURAL PROPAMO CORTE A AJBOonatno CORTECOM1AMÇA CECC00ÍMB CORTE A LASER UCA u&cv u&n uco AR AOC EVAPORATW GASBCZRTELOCContínua. Vácuo (stOÿmm Soldagem automática. Não usa, em geral,metal de adição. Feixede elétrons permiteuma elevada con¬ centração de energia. Soldagem de todos os metas, excetonoscasosdeevolução de gases ou vaporização exoesswa, em geral a partir de 25 mm de espessura. Indústria nuclear e aeroespariaL_ Feixe de elétrons Soldagem por feixe de elétrons Hg) Figura 6 Processos de soldagem e afins, segundo a AWS. Os nomes de diversos processos estáo resumidos ou truncados por falta de espaço na figura Alta tensão. Peça + Soldagem de todos os metais. exceto nos casos de evolução degasesouvaporizaçãoexces¬ siva. Indústria automobilística, nuclear e aeroespacial Argônio ou Hélio Soldagem automática.Nâo usa, em geral,metal de adição. Laser permite uma elevada concentração de energia. Feixe de luzSoldagem a laser ) * 5. Comparação com Outros Processos de FabricaçãoChama oxi- acetiiênica Gás (CO. H,. CO,. Soldagemmanual deaço carbo¬ no. Cu. A). Zn, Pb e bronze. Soÿ dagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro. Manual. Arame adicionado soparadamente. Soldagem 8 gás IHjO) 3 A soldagem é hoje o principal processo usado na união permanente de peças metálicas, permitindo a montagem de conjuntos com rapidez, segurança e economia I 3 L CAPÍTULO 1 Lr WTTOOLJÇÂOÀSOUMOCM0/1 SOiOACCM FUHDAUOfTOSITtOtCtOGtA 6. Breve Histérico da Soldagemde material. Por exemplo, a ligação de chapas metálicas com parafusos ou rebites . exige que as chapas sejam furadas, causando uma perda de seção de até 10%, que deveser compensada por uma espessura maior das peças. A utilização de chapas de reforço e os próprios parafusos e porcas ou rebites aumentam ainda mais o peso final da estrutura. Na união de tubos pode-se fazer considerações semelhantes ao se comparar juntas soldadas com juntas rosqueadas. Além disso, as juntas soldadas, desde que executadas corretamente, são por si mesmas estanques, não havendo necessidade de se recorrer a nenhum tipo de artifício para se prevenir vazamentos, mesmo sob pressão elevada. Comparando-se a soldagem à fundição, como processo de fabricação, constata- se que a soldagem apresenta caracterfsticas interessantes, como: possibilidade de se terem grandes variações de espessura na mesma peça e inexistência de uma espessura mínima para adequado preenchimento do molde com o metal fundido, possibilidade de se usarem diferentes materiais numa mesma peça, de acordo com as solicitações de cada parte, maior flexibilidade em termos de alterações no projeto da peça a ser fabricada e menor investimento inicial. A soldagem é muito versátil em termos dos tipos de ligas metálicas e das espes¬ suras que podem ser unidos. A disponibilidade de um grande número de processos de soldagem permite a união da maioria das ligas metálicas comumente utilizada. Pode-se unir, através dos diferentes processos de soldagem, desde peças com espessura inferior a 1mm (joias, componentes eletrónicos etc.) até estruturas de grandes dimensões (navios, vasos de pressão etc.). A soldagem pode ser utilizada tanto no chão de fábrica, com condições de tràbalho bem controladas, como no campo, em diferentes ambientes (como, por exemplo, no alto de estruturas elevadas ou debaixo d'água). Finalmente, a soldagem pode atender, a um custo competitivo, diferentes requisitos de qualidade, tornando a sua utilização economicamente viável tanto em trabalhos simples, que não apresentam uma grande responsabilidade (por exemplo, na fabricação de grades e de peças de decoração), como em situações em que ocorrem solicitações extremas e existe o risco de grandes danos no caso de uma falha do componente soldado (por exemplo, em navios e outras estruturas marítimas e em vasos de pressão). Por outro lado, algumas limitações da soldagem devem ser consideradas. Como a solda é uma união permanente, ela não deve ser utilizada em juntas que necessitam ser desmontadas. Praticamente todos os processos de soldagem são baseados na aplicação, na região da junta, de energia térmica e mecânica, o que tende a causar uma série de efeitos mecânicos (aparecimento de distorções e de tensões residu¬ ais) e metalúrgicos (mudanças de microestrutura e alteração de propriedades) nas peças. Estes efeitos, juntamente com a formação de descontinuidades como poros e trincas na solda, podem prejudicar o desempenho dos componentes soldados e causar a sua falha prematura. As consequências de uma falha de um componente soldado podem ser ampliadas devido à natureza monolítica deste. Isto é, enquanto a fratura de uma peça em uma estrutura rebitada fica confinada somente à peça que falhou, em uma estrutura soldada, a fratura pode se estender por toda a estrutura devido à eliminação da separação entre as peças. Diversos acidentes com estas características já ocorreram, destacando-se, por exemplo, os navios de transporte durante a Segunda Guerra Mundial, fabricados por soldagem nos Estados Unidos da. América. 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. Existe, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 a. C. O ferro, cuja fabricação se iniciou em torno de 1500 a. C., substituiu o cobre e o bronze na confecção de diversos artefatos. O ferro era produzido por redução dire- ta’e conformado por martelamento na forma de blocos com uma massa 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. Como um exemplo da utilização deste processo, cita-se um pilar de cerca de sete metros de altura e mais de cinco toneladas existente ainda hoje na cidade de Dehli (índia). A soldagem foi usada, na Antiguidade e na Idade Média, para a fabricação de armas e outros instrumentos cortantes. Como o ferro obtido por redução direta tem um teor de carbono muito baixo (inferior a 0,1%), este não pode ser endurecido por têmpera. Por outro lado. o aço. com um teor maior de carbono, era um material escasso e de alto custo, sendo fabricado pela cementação de tiras finas de ferro. Assim, ferramentas eram fabricadas com ferro e com tiras de aço soldadas nos locais de corte e endurecidas por têmpera. Espadas de elevada resistência mecânica e tenacidade foram fabricadas no oriente médio utilizando-se um processo seme¬ lhante, no qual tiras alternadas de aço e ferro eram soldadas entre si e deformadas por compressão e torção. O resultado era uma lâmina com uma fina alternância de regiões de alto e baixo teor de carbono. Assim, a soldagem foi, durante este período, um processo importante na tecno¬ logia metalúrgica, principalmente, devido a dois fatores: (1) a escassez e o alto custo do aço e (2) o tamanho reduzido dos blocos de ferro obtidos por redução direta. Esta importância começou a diminuir, nos séculos XII e XIII, com o desenvolvi¬ mento 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 isso, a fundição tornou-se um processo importante de fabricação, enquanto a soldagem por forjamento foi subs¬ tituída por outros processos de união, particularmente a rebitagem e parafusagem, mais adequados para união das peças produzidas. A soldagem permaneceu como um processo secundário de fabricação até o sé¬ culo 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 do acetileno por Edrriund Davy e do desenvolvimento de fontes pro¬ dutoras de energia elétrica que possibilitaram o aparecimento dos processos de soldagem por fusão. Ao mesmo tempo, o início da fabricação e utilização do aço c € C c c € € € | C c € C € € C 1 Neste processo, o minério de ferro era misturado com carvão em brasa e soprado com ar. Durante esta operação, o óxido de ferro era reduzido pelo carbono, produzindo-se ferro metálico sem a fusão do material. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ÀSOLDAKM SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA26 27 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 estabele¬ cido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada (Figura 7). 7. Exercícios O que é soldagem?a) b) Por que é possível se soldar dois blocos de gelo por aproximação? c) Quais as principais vantagens e desvantagens da soldagem? Que outros ramos da ciência e da tecnologia contribuem para o desenvolvimento da soldagem? d) *, 1Que tipos de materiais, além dos metais, podem ser soldados?e) >f) Existem produtos impossíveis de serem fabricados sem a utilização da soldagem? Cite alguns, se for o caso. ) i/ g) Em que casos a soldagem não é recomendada como processo de união? I Figura 7 Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carváo de acordo com a patente de Bernados ) Por volta de 1890, N. G. Slavianoff, na Rússia, e Charles Coffin, nos Estados Unidos, desenvolveram independentemente a soldagem a arco com eletrodo metálico nu. Até o final do século XIX, os processos de soldagem por resistência, por alumino- termia e a gás foram desenvolvidos. Em1907, Oscar Kjellberg (Suécia) patenteia o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Em sua forma original, este revestimento era constituído de uma camada de cal, cuja função era unicamente estabilizar o arco. Desenvolvimentos posteriores tornaram este processo o mais utilizado no mundo. Nesta nova fase, a soldagem teve inicialmente pouca utilização, estando restrita principalmente à execução de reparos de emergência até a eclosão da primeira grande guerra, quando a soldagem passou a ser utilizada mais intensamente como processo de fabricação. Atualmente, mais de 50 diferentes processos de soldagem têm 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. > > I > > I > | f f € f € € € € 4 € € CAPÍTULO2 € TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEMc € Í C € ( 1. Introdução € Muitos são os termos com um significadoparticular quando aplicados à soldagem. Definir todos estes termos tornaria este capítulo tedioso e extenso. Assim, preferiu-se colocar algumas ilustrações e indicar alguns termos utilizados com frequência em soldagem, de modo a tornar o restante do texto compreensível. Para definições mais completas e precisas pode-se recorrer à literatura indicada no final do livro. De qualquer forma, a própria militância no campo da soldagem se encarregará de tomar estes termos familiares. Quanto à simbologia, serão abordados resumidamente os símbolos usados em soldagem e seu significado, bem como sua utilização em desenhos técnicos, por meio de algumas ilustrações. Da mesma forma, pode-se consultar a bibliografia indicada para um estudo mais completo. '€. C r % CAPÍTULO 2SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA30 IER.VWOEOG1A E S1MBOIOGIA D* SOinAGEW I 2. Terminologia da Soldagem iI - II 1 ~i meio vv í:Como se viu no Capítulo 1, soldagem é uma operação que visa obter a união de peças, e solda é o resultado desta operação. O material da peça, ou peças, que está sendo soldada é o metal de base. Frequentemente, na soldagem por fusão, um material adicional é fornecido para a formação da solda, este é o metal de adição. Durante a soldagem, o metal de adição é fundido pela fonte de calor e misturado com uma quantidade de metal de base também fundido para formar a poça de fusão. A Figura 1 ilustra estes conceitos. I 1x K U ) r i/~~i >Duplo JJ Duplo U >kFigura 3 Tipos de chanfro I!iMetal deadição I I I l F I r~" w i n I (com fresta) Poça. de fusão >Juntas de Topo I (ambos os lados) V Ii y i W iSolda D Metei, IDuplo V (ou X) 1/2 V llInK U PFigura 1Metal de base, de adição e poça de fusão |ÿ- "JJuntas deCanto >§Chama-se junta a região onde as peças serão unidas por soldagem. A Figura 2 mostra os tipos básicos de junta comumente usados. O posicionamento das peças para união determina os vários tipos de junta. Entretanto, muitas vezes, as dimensões das peças, a facilidade de se movê-las e as necessidades do projeto exigem uma preparação das peças para soldagem, na forma de cortes ou de uma conformação especial da junta. Estas aberturas ou sulcos na superfície da peça ou peças a serem unidas e que determinam o espaço para conter a solda recebem o nome de chanfro. PV V e filete Filete □JQ-] EZJXL FF “v IJuntas de Aresta P >P kcJuntas Sobrepostas PI IFilete Filete duplo i IJ1 |Juntas de Ângulo s77 Filete Filete duplo] [ Topo , Ângulo Canto P P71 ] 1/2 V K I SobrepostaAresta P PFigura 4 Chanfros usados geralmente com os diferentes tipos de junta O tipo de chanfro a ser usado em uma condição de soldagem específica é Ihido em função do processo de soldagem, espessura das peças, suas dimensões e facilidade de movê-las, facilidade de acesso à região da junta, tipo de junta (Figura 4), custo de preparação do chanfro etc. Chanfros em I são utilizados quando dições de soldagem permitem obter a penetração desejada (ver definição a seguir) P P Figura 2 Tipos de junta esco- p P )Os tipos de chanfro mais comuns usados em soldagem de juntas de topo são mostrados na Figura 3. A Figura 4 ilustra a aplicação destes chanfros em diferentes tipos de juntas. Pas con- PP pn < c *L - 1‘S '*( .J ÍCAPÍTULO 2TERMINOLOGIA E SIMBOLOQA DA SOLDAGEM 133SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIAI 32 ; ■ , li*.«SÇH|Y\ AWWvt M .1, tl i Existe um grande número de termos para definir o formato e as caracterfsticas técnicas dos cordões de solda. Neste capítulo, apenas alguns destes termos serão apresentados. A Figura 6 mostra alguns destes termos para uma solda de topo e uma solda em ângulo (filete). 1 sem a abertura de um outro tipo de chanfro, sendo esta situação particularmente comum na soldagem de juntas de pequena espessura. Como não necessitam de uma usinagem ou corte mais elaborado, este tipo de preparação tende a ser a de menor custo. Quando não é possível obter a penetração desejada desta forma, torna-se necessário usar um outro tipo chanfro, sendo os tipos mais comuns os chanfros em V ou meio V. Quando a espessura da junta que precisa ser soldada se torna muito grande, estes chanfros podem se tornar pouco interessantes, pois necessitam de um grande volume de metal de adição para o seu enchimento, o que pode aumentar o tempo necessário para a soldagem e o seu custo. Neste caso o uso de um chanfro em U ou J pode ser mais interessante, embora estes possam ter maior custo de preparação. Quando é possível executar a soldagem dos dois lados da junta, chanfros em X, K, duplo U ou duplo J podem ser considerados. Estes ainda têm a vantagem adicional de melhor equilibrar as tensões térmicas geradas durante a soldagem e apresentar, assim, uma menor distorção. Na escolha de um tipo de chanfro, deve-se ainda considerar a posição de soldagem (ver definição a seguir). Por exemplo, para a soldagem na posição horizontal, um chanfro em meio V ou K tende a ser mais adequado que um chanfro em V, pois, para o primeiro, existe uma menor tendência da poça de fusão escorrer sob ação da gravidade. Um chanfro é definido por seus elementos ou características dimensionais. Os principais elementos de um chanfro são (Figura 5): • Face da raiz ou nariz (s): Parte não chanfrada de um componente da junta. • Abertura da raiz, folga ou fresta (f): Menor distância entre as peças a soldar. • Ângulo de abertura da junta ou ângulo de bisel (P): Ângulo da parte chanfrada de um dos elementos da junta. • Ângulo de chanfro (a): Soma dos ângulos de bisel dos componentes da junta. i : I Pi, Convexidade \ Garganta '-•,l d ivM*vvy\. Largura FaceFace da solda I Margem da solda Reforço / t\ jPemaI Penetração da juntaPenetração da raizI 7i A \.t"5t'.\p Raiz daRaiz da solda AV\L -fl\(a) (t)) . j-.-vV. \ . o • vFigura 6Dimensões e regiões de soldas de topo ta) e de filete (b)I I A Figura 7 mostra a seção transversal de uma solda e suas diversas regiões. Neste caso. é mostrada também uma peça colocada na parte inferior da solda (raiz), cha¬ mada de cobre-junta ou mata-junta, que tem por finalidade conter o metal fundido durante a execução da soldagem. Terminada a soldagem, o mata-junta pode ou não ser removido da junta. O mata-junta pode ser de um material similar ao que está sendo soldado, de cobre ou de material cerâmico. No primeiro caso, o mata-junta, em geral, passa a fazer parte da junta soldada, podendo, terminada a soldagem, ser removido da peça (por corte) ou não. Nos outros casos, o mata-junta não se torna parte da junta soldada e é removido ao final da soldagem. i f € I Zona termicamente afetada (ZTA)Zona fundida (ZF) ( < a o = P 7/( Metal de base (MB)7 A APf 'ÿJ/is Mata - juntaI i Figura 7Seção transversal de uma solda de topo por fusão (esquemática) A zona fundida (ZF) de uma solda é constituída pelo metal de solda, que é a soma da parte fundida do metal de base e do metal de adição. A região do metal de base que tem suaestrutura e/ou suas propriedades alteradas pelo calor de soldagem é chamada de zona termicamente afetada (ZTA). A zona fundida pode ser constituída por um ou mais passes depositados segundo uma sequência de deposição (Figura 8) e organizados em camadas (conjunto de passes localizados em uma mesma al¬ tura no chanfro). Cada passe de solda é formado por um deslocamento da poça de fusão na região da junta (Figura 1). Em diversas situações, o termo cordão é usado, significando, em alguns casos, a solda e, em outros, o passe. | Figura 5 Características dimensionais de chanfros usados em soldagem (s - nariz, f - fresta, r - raio do chanfro, a - ângulo do chanfro e |5 - ângulo do bizel) Os elementos de um chanfro são escolhidos de forma a atender os requisitos do projeto e, em particular, permitir um fácil acesso até o fundo da junta, minimizando, contudo, a quantidade de metal de adição necessária para o enchimento da junta.1 JCAPÍTULO 2 I orTERMINOLOGIA E SJVBOIOGIA DA SOLDAGEM 03SOLDAGEM FUNOAMENTOS E TECNOLOGIA34 I it:»:mL v:, r -w~ 1 : ! i í f r ~§keLf / K Vy 9° passev.-,.Vÿ- Vytpnsse v.*ill > i ' vL __ u KPlana CircunferencialHorizontal IfFigura 8Execução de uma solda de vários passes KFigura 11Posições de soldagem para soldas em tubulaçõesA posição da peça a ser soldada e do eixo da solda determina a posição da soldagem, que pode ser plana, horizontal, vertical ou sobrecabeça. Estas são mostradas para soldas de topo, filete e soldas circunferenciais em tubulações, nas Figuras 9, 10 e 11. A soldagem na posição vertical pode ser executada na direção ascendente ou descendente. Em tubulações fixas, a posição de soldagem muda durante a operação (Figura 11). A posição de soldagem tem uma forte influência sobre o grau de dificuldade da sua execução e na sua produtividade, sendo a sol¬ dagem na posição plana, em geral, a mais fácil de ser executada e a que possibilita uma maior produtividade. As posições de soldagem são designadas pela ASME - American Society of Mechanical Engeneers por um dígito seguido de uma letra. Assim, as posições plana, horizontal, vertical e sobrecabeça são designadas, respectivamente, por 1G, 2G, 3G e 4G nas juntas da Figura 9 e, por 1F, 2F, 3F e 4F, nas juntas da Figura 10. No caso de soldas em tubulações (Figura 11), as designações seriam 1G, 2G e 5G, respectivamente. Essa forma de indicar as posições de soldagem é amplamente usada na indústria. De acordo com a forma em que é executada, a soldagem pode ser classificada em: • Manual: toda a operação é realizada e controlada manualmente pelo soldador. 9 9 I i 9 ) K K• Semiautomática: soldagem com controle automático da alimentação do metal de adição, mas com controle manual pelo soldador do posicionamento da tocha e de seu deslocamento. MT -v ' F • Mecanizada: soldagem com controle automático da alimentação do metal de adição, controle do deslocamento do cabeçote de soldagem pelo equipamento, mas com o posicionamento, acionamento do equipamento e supervisão da operação sob res¬ ponsabilidade do operador de soldagem. Sobre cabeçaHorizontalPlana Vertical (descendente) K Figura 9 Posições de soldagem para soldas de topo • Automática: soldagem com controle automático de praticamente todas as operações necessárias. Muitas vezes, a definição de um processo como mecanizado ou auto¬ mático não é clara, 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. De uma forma ampla, 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. Alguns destes termos, embora de uso consagrado na soldagem, têm significado diverso do indicado acima para o pessoal envolvido com área de automação. Este aspecto será discutido no Capítulo 8 deste livro. K'ST* K> Z f i' Vertical (ascendente) i§ SSI 8 hHorizontalPlana Sobre cabeça K KFigura 10 Posições de soldagem para soldas de filete 8 li lu CAPÍTULO 2 ' TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEM I J• oc SOLDAGEM °U | FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3. Simbologia da Soldagem Soldas em chanfro .v... „y„_V \L11 ir.A simbologia da soldagem consiste de uma série de símbolos, sinais e números, dispostos de uma forma particular, que fornecem informações sobre uma determi¬ nada solda e/ou operação de soldagem. Estes elementos, que podem ou não ser usados numa situação particular, são. segundo a norma AWS A 2.4: a) Linha horizontal de referência emI (Bordas paralelas) em V ou X 1/2 V ou K U ou duplo U J ou duplo J V flangeado 1/2 V flangeado Outros A.....LL. X x=L ...O... .IS. Solda de Solda de filete tampào Solda de ponto Solda de costura Solda de reverso Soldas de aresta Solda de revestimento b) Seta c) Símbolo básico da solda Figura 13 Tipos básicos de soldas e seus símbolosd) Dimensões e outros dados e) Símbolos suplementares ' l m Hf) Cauda - Especificação do processo de soldagem ou outra referência.O elemento básico de um símbolo da soldagem é a linha de referência colo¬ cada sempre na posição horizontal e próxima da junta a que se refere. Nesta linha são colocados os símbolos básicos da solda, símbolos suplementares e outros dados. 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. A Figura 12 mostra a localização dos elementos de um símbolo de soldagem. >nr A :.rA; AfeSiiÁl í I !2 7prysr A*1M £77 Símbolo de acabamentoSímbolo de contorno \FrestaÂngulo de chanfro''\ _ Símbolo básico'ÿÿ-ÿ- A*<Comprimento da solda mBDist. centro a centro 'soldas intermitentes) _ll ■'Dimensão de solda em chanfro R ;Dimensão de solda/prep. Soldagem no campoLado oposto — tr~L-Pí S(E)Especificação, Nprocesso ou outro T ioldagem em todoo contorno F.Lado da seta Seta Linha de referência Cauda A*+ Y +X Y tiFigura 12 Localização dos elementos de um símbolo de soldagem O símbolo básico indica o tipo de solda desejado. Cada símbolo básico é uma representação esquemática da seção transversal da solda a que se refere. Se o símbolo básico é colocado sob a linha de referência, a solda deve ser feita do mes¬ mo lado em que se encontra a seta. Caso o símbolo básico esteja sobre a linha de referência, a solda deve ser realizada do lado oposto à seta. A Figura 13 mostra os símbolos básicos mais comuns segundo a norma AWS A 2.4. A Figura 14 apresenta exemplos de soldas em chanfro e seus símbolos. Mais de um símbolo básico pode ser usado de um ou dois lados da linha de referência. m A*3- ++ prÿr m w Figura 14 Sete variações de soldas em chanfro e seus símbolos »SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA CAPÍTULO 2 >2038 TERMINOLOGIA E SWBOLOGIA OA SOLDAGEM il , ilVários 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) 5/16 ) !lR /5/161/ II /5/16 )lT■SM ► ■ i1/2 il (n1/4 / 1 1/2 /ií* i1/2 ilTitggiiiiT , J1/2 • G - esmerilhamento (grinding) ii - /Perna de 1/2” membro B, /(1/4 x 1/2)! / \no• H- martelamento (hammering) ,ii1/4 .I 1 ‘ _• M- usinagem (machining) !» i• R - laminação (rolling) 13 .1123 | 12 I 9j &KX 1m ** v • :»Soldar I in°nt -■I a \ \ Figura 16Exemplos de soldas de filete e seus símbolos isn- |I ;9 Figura 15 Símbolos suplementares •v • K\l . I [ ■ As Figuras 16 a 19 ilustram o que foi apresentado. l-~-- I • -ÿ SH*?(P.r *1 ■ T » a : kÉiSidg IV 3.103.10 M n M n 1 1 1 ESS ■-£ ■ 1■Figura 17 Exemplos de soldas de filete intermitente i !ÿ > ilCAPiruio? TERMINOLOGIA E 3MBOLOGUDA SOLDAGEM 41SOLDAGEMFUNDAMENTOS E TECNOLOGIA40 I ! 4. Exercício 10(13) /\1 60®60° !_Y Desenhe o símbolo ou a solda desejada, conforme o caso. H/10 13 r iIVT <1 Solda Desejada Símbolo /l/8\ h1/8 1/4(3/8) 1 45**3/8(1/2) 45° 1/8 !k 190° f y3ÍÍ490° 1/81ÿ 45° „ V t ] ' 3/8 1 | // \__ 1/4 1/8 T 5/8j/— 60° 60* i 3/41 !1Figura 18 Exemplos de símbolos de soldas em chanfroC : !■Y> 3< i1 ISímboloSolda Desejada I 13/321/16 1 1/< 417 ■ € Jl/16T I ffl<ÿSMAW ..PA 11/16 ti 1/16 I60* |3/4p R|Ii ali sp7sT| • |T &1 ■ i ;; 1I■ ft l:LiI- / Rape/ Av| 17A I 1212 33 1k_Z% ■ _ ft 16 1 Figura 19 Exemplos de diversos tipos de solda e seus símbolos 1. í CAPÍTULO 3 m PRINCÍPIOS DE SEGURANÇA EM SOLDAGEM 1. Introdução Considerações sobre segurança são importantes em soldagem, corte e opera¬ ções relacionadas a estas práticas, pois os riscos envolvidos nestas atividades são numerosos e podem provocar sérios danos ao pessoal, equipamentos e instalações. Neste capítulo serão estudados os principais riscos das operações de soldagem e afinse as práticas usuais para se evitar ou minimizara ocorrência de acidentes. Além dessas práticas, as recomendações e instruções dos fabricantes de equipamentos e produtos devem ser rigorosamente observadas. /) Um componente fundamental da segurança em soldagem e outras práticas industriais é o apoio, orientação e envolvimento direto das chefias e gerências, que devem estabelecer claramente os objetivos e o Plano de Segurança da empresa. Este deve considerar a seleção das áreas para operações de soldagem e corte, exigências de compra de equipamentos de soldagem e equipamentos de segurança devidamente aprovados, estabelecimento e fiscalização de normas de segurança internas, execução de programas de treinamento no uso do equipamento de trabalho e de segurança, procedimentos em caso de emergências ou acidentes, utilização de sinais de advertência para os perigos de cada área específica e a inspeção e manutenção periódica dos equipamentos e instalações. Como diversas outras operações industriais, a soldagem e o corte de materiais apresentam uma série de riscos para as pessoas envolvidas. Os principais riscos incluem a possibilidade de incêndios e explosões, de recebimento de choque elétrico, de exposição à radiação gerada peio arco elétrico e a fumos e gases prejudiciais à saúde. As principais causas destes riscos serão apresentadas em cada caso, bem como as formas de preveni-los. .CAPÍTULO 3PRWdfTOS DE SEGURANÇA EM SOLDAGEMA A SOLDAGEM44 FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3. Choque Elétrico2. Roupas de Proteção Acidente por choque elétrico é um risco sério e constante nas operações de soldagem baseadas no uso da energia elétrica, particularmente na soldagem a arco. O contato com partes metálicas "eletricamente quentes" pode causar lesões ou até morte, devido ao efeito do choque elétrico sobre o corpo humano, ou pode resultar em uma queda ou em um outro acidente devido à reação da vítima ao choque. A gravidade de um choque elétrico não está relacionada com a tensão da fon¬ te que o provoca, mas sim com a intensidade da corrente que passa pela vítima, ao seu percurso no corpo do acidentado e à sua duração. A Tabela I apresenta os efeitos e sensações experimentadas por uma pessoa normal quando submetida a correntes de diferentes intensidades. Uma corrente acima de cerca de 80 mA, passando pela região torácica da vítima, pode ser fatal, provocando um fenômeno chamado "fibrilação do coração" e a consequente perda de capacidade deste de bombear o sangue. As operações de soldagem e corte envolvem a manipulação de materiais a temperaturas elevadas, a exposição a uma quantidade considerável de luz e a outras formas de radiação eletromagnética e o contato com partículas metálicas incandescentes projetadas em alta velocidade(respingos). Os soldadores, expostos diretamente a estes riscos, necessitam de vestimentas e equipamentos próprios para a proteção do corpo, da cabeça e dos olhos. Estes devem permitir liberdade de movimentos e ao mesmo tempo cobrir e proteger adequadamente as diversas partes do corpo para minimizar a chance de queimaduras e outras lesões. Roupas de raspa de couro são as mais adequadas ao soldador, devido à durabi¬ lidade e resistência ao fogo. Tecidos sintéticos ou de algodão devem ser evitados, pois podem fundir ou pegar fogo quando expostos a calor intenso. As roupas de¬ vem ser mantidas livres de graxa e óleo, pois estas substâncias podem pegar fogo e queimar com o seu aquecimento excessivo e, em particular, na presença de uma concentração elevada de oxigénio. Dobras em luvas e calça podem reter fagulhas ou metal quente e possibilitar a ocorrência de queimaduras. As pernas das calças devem sobrepor às botas (e não ser colocadas dentro destas) para evitar que partículas quentes caiam dentro das botas. O soldador deve usar botas de couro, de cano alto é com biqueira de aço. As principais peças de vestuário usadas pelo soldador para a sua proteção incluem vários itens mostrados na Figura 1. Além destas, é importante o uso de óculos de proteção por baixo do capacete. ! ! í t Tabela I- Efeitos fisiológicos do choque elétrico I» intensidade da corrente Efeito I Até 5 mA Formigamento fraco 5 até 15 mA Formigamento forte 15 até 50 mA Espasmo muscular 50 até 80 mA Dificuldade de respiração até desmaios Fibrilação do ventrículo do coração; parada cardíaca; queimaduras de alto grau 80 mA até 5 A i.Filtro (ver Tabela II) Acima de 5 A Morte certa 6 8 rj A resistência interna do corpo humano é relativamente baixa (cerca de 500Í2), sendo a resistência da pele, quando seca, muito mais elevada (da ordem de 105 O). Este valor pode, contudo, ser grandemente reduzido quando a pele está úmida, aumentando o risco de choques mesmo para tensões relativamente baixas (em torno de 100 V). Acidentes com choque elétrico podem ser divididos em duas categorias diferen¬ tes: choque com a tensão de entrada (isto é, 230, 440 V) e choque com a tensão secundária, ou seja, o circuito de soldagem (60-100 V). No primeiro caso, o choque tende a ser mais forte e perigoso. Pode ocorrer, por exemplo, ao se tocar um fio dentro de um equipamento de soldagem quando a alimentação de energia está conectada e ao mesmo tempo tocar na carcaça da máquina ou outra parte metálica. Mesmo com a máquina desligada, energia elétrica pode estar armazenada em dispositivos como bancos de capacitores no interior da máquina. Assim, apenas técnicos capacitados devem fazer reparos no equipamento se este não estiver funcionando adequadamente, e a carcaça da máquina deve ser adequadamente aterrada. 7M V 2 I / \3 IW 4 V \\ [ 5 Figura 1 Vestuário de proteção típico a ser usado por um soldador; (1) Avental de couro. (2) manga de couro. (3) luva de couro. (4) perneiras de couro. (5) sapatos de segurança. (6) capacete de proteção. (7) óculos de segurança. (8) ombreira de couro ’7ÿ SOLDAGEM FUNOAMOUDSE TECN0LD6M46 CAftolOS FBMdROS DE SfGtHANÇA BUI SODAGRÍ Dili Choque com a tensão secundária ocorre quando se toca uma parte do circuito do eletrodo ao mesmo tempo em que outra parte do corpo está em contato com a peça metálica que está sendo soldada. O uso de luvas secas e de roupas de proteção para se isolar do circuito de soldagem minimiza o risco de choques neste caso. As precauções que devem ser tomadas parase evitar o choque elétrico são: ater¬ rar todo o equipamento elétrico, trabalhar em ambiente seco, manter as conexões elétricas limpas e bem ajustadas, usar cabos de dimensões corretas, evitar trabalhar sobre circuitos energizados e usar roupas, luvas e calçados secos. Em caso de choque elétrico, o circuito deve ser imediatamente interrompido e, caso isto não seja possível, a vítima deve ser afastada do contato. Não se deve to¬ car o acidentado diretamente, mas com um material isolante, como um pedaço de madeira ou tecido seco. A respiração artificial (boca-a-boca) deve ser imediatamente iniciada após retirar a vítima do circuito elétrico, caso se constate parada respiratória, e continuada até a chegada de socorro médico. Tabela II - Lentes de proteção para operadores de soldagem e corte Soldagem a areo elétrico Operação Diâmetro do Eletrodo (mm) Filtra para proteção mínima Corrente de soldagem (A) Filtro sugerido para conforto <2,5 7<60 i 2.5 - 4.0 60-160 8 10Eletrodo revestido 4.0 -6.4 160-250 10 12 >6.4 250- 550 11 14 <60 7 60-160 10 11MIG-MAG Arame tubular 160-250 10 12 250- 500 10 14 <50 8 10 4. Radiação do Arco Elétrico TIG 50-150 8 12 150-500 10 14 O arco elétrico é formado em gases ionizados a uma temperatura muito elevada e capaz de gerar radiação eletromagnética intensa.na forma de infravermelho, luz visível e ultravioleta. Chamas e metal quente também emitem radiação, mas com uma intensidade muito menor. É essencial proteger os olhos da radiação do arco, pois esta pode causar a queima da retina e catarata. Mesmo uma pequena exposição à radiação do arco pode causar uma irritação dos olhos conhecida como "flash do soldador". Normalmente ela só é sentida várias horas após a exposição, causa grande desconforto e provoca inchaço dos olhos, secreção de fluidos e cegueira temporária. O flash do soldador é tempo¬ rário, mas exposições prolongadas ou repetidas podem levar a lesões permanentes nos olhos. A radiação do arco pode também causar queimaduras na pele, ofuscamento, fadiga visual e dor de cabeça. A proteção deve evitar a exposição do soldador e de terceiros tanto à radiação direta quanto à indireta (isto é, resultante da reflexão da radiação). Individualmente. o soldador deve se proteger com o uso de roupas opacas e máscaras com filtros de luz adequados. A máscara, usada junto com o capacete, protege ainda a região da cabeça contra calor, respingos, chamas e choques. Os filtros de proteção contra a radiação são especificados por números que indicam a sua capacidade de filtrar a radiação (Tabela II). A proteção de terceiros pode ser proporcionada com o uso de biombos e cortinas não refletoras. <500 10 12 Goivagem 500-1000 11 14 1 Soldagem e corte oxi-acetffênico Operação Espessura da chapa (mm) Filtro sugerido para conforto Leve <3,2 4 ou 5 Soldagem Média 3.2-12,7 5 ou 6 Pesada >12,7 6 ou 8/ Leve <25,4 3 ou 4 Corte Médio 25-150 4 ou 5 Pesado >150 5 ou 6 Nos anos 1990. surgiram máscaras eletrónicas, baseadas na tecnologia de cristal líquido. Este tipo possui um visor que é claro quando não há arco aberto e permite enxergar normalmente. Quando um arco é iniciado e há emissão de radiação, o visor escurece em milésimos de segundo,oferecendo assim uma proteção adequada, sem que haja necessidade de nenhuma ação do soldador. Existemdisponíveis no mercado diferentesmodelos deste equipamento que permitem,por exemplo, ajustemanual ou automático do çjrau de escurecimento do visor, desligamento automático quando não há emissão de radiação por um certo período de tempo e célula solar para recarga da bateria interna. O custo das máscaras de cristal líquido é ainda relativamente elevado. mas com tendência de queda, com o aumento da demanda. íCAPÍTU103 rewdros OE SEGURANçA EM S&DAGEM 4948r FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA r O soldador deve ficar atento para a direção tomada pela coluna de fumos gerados durante a soldagem e tentar se posicionar de forma a se manter afastado desta. Sistemas de exaustão de gases podem ser acoplados às tochas de soldagem. mas isto encarece o custo do equipamento e aumenta o peso que o soldador precisa sustentar durante a operação. 5. Incêndios e Explosõesf. !! ;,!iPara que se inicie um incêndio são necessários três elementos atuando conjuntamente: uma fonte de calor, um material combustível e oxigénio. Na maioria das operações de soldagem e corte, o oxigénio estará presente no ar que circunda a solda. Além disso, oxigénio puro existirá em cilindros ou em ins¬ talações centralizadas de armazenamento deste gás. O arco elétrico, a chama de soldagem ouos respingos atuam como fontes de calor. Assim sendo, é fundamental controlar e, se possível, evitar a presença de materiais combustíveis próximos à área de operação de soldagem para se prevenir incêndios. b Nos ambientes industriais, inúmeros são os materiais combustíveis presentes. Estes podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Muitas vezes, materiais inflamáveis, como tintas, solventes, graxas e óleos, são utilizados nas imediações de áreas de soldagem. Assim, todo o cuidado deve ser tomado para manter estes materiais em recipientes adequados, tampados e afastados da área de soldagem e corte. Estopas. panos e papéis embebidos em solventes e outros líquidos inflamáveis devem ser retirados da área antes de se iniciar quaisquer dessas operações. É evidente que a limpeza e a organização da área de soldagem são fundamentais para a segurança. Na soldagem de manutenção de tanques de combustível ou recipientes que armazenavam combustíveis ou materiais inflamáveis, muitas vezes há a formação de vapores explosivos. Antes de se iniciar a soldagem ou corte, estas peças devem ser rigorosamente limpas ou lavadas. É recomendável que sejam preenchidas par¬ cialmente com água de forma conveniente a não prejudicar a soldagem. Na soldagem a gás. pode ocorrer o fenômeno conhecido como "engolimento de chama”, que será visto no Capítulo 11, que também pode ser causa de incêndio ou explosão. Este risco é minimizado pelo uso de válvulas de fluxo de sentido único. i 1 7. Outros Riscosr QJ Outros riscos comuns em áreas de soldagem e operações afins são: quedas de objetos e ferramentas, quando da soldagem acima do nível do solo, queda de pes¬ soal trabalhando em andaimes e plataformas ou locais elevados e movimentações de cargas no nível do solo ou elevadas. Capacetes de segurança devem sempre ser usados nestes casos, e cintos de segurança são recomendados quando se trabalha em locais elevados. oJ Fagulhas e partículas frias ou aquecidas podem ser lançadas durante o esmerilhamento, limpeza e goivagem em áreas de soldagem. Acesso restrito e uso de biombos, óculos de segurança e proteção auricular devem ser imple¬ mentados. r> Cuidados especiais devem ser tomados corn os cilindros de gás. Estes podem conter gases a pressão muito elevada (de até cerca de 200 atm), podendo se tornar projéteis pesados caso o gás escape de forma descontrolada (no caso da ruptura de sua válvula, por exemplo). Apenas cilindros contendo o gás de proteção adequado para o processo de soldagem em uso e reguladores de pressão próprios para este gás e sua pressão devem ser usados. As mangueiras e suas conexões devem ser adequadas para a aplicação e estar em boas condições de uso. Os cilindros devem ser mantidos em pé e presos a um suporte de forma que não possam cair. O seu transporte deve ser sempre feito com a proteção da válvula. r fc :€ € r lic € y4~ c c c e 6. Fumos e Gases t 8. Recomendações Finais As operações de soldagempodem gerar fumos e gases que podem ser prejudiciais à saúde por diversos motivos. Por exemplo, vapores de zinco podem causar dor de cabeça intensa e febre, enquanto que vapores de cádmio podem ser fatais. Os gases de proteção usados em alguns processos de soldagem (argônio, C02 e misturas), não são tóxicos, mas deslocam o ar, pois são mais pesados que este e podem causar asfixia e morte, se forem usados em ambientes fechados. Assim, as operações de soldagem e corte devem ser efetuadas em locais bem ventilados e, se necessário,devem ser usados ventiladores e exaustores. Quando isto não for possível, o soldador deve usar uma máscara contra gases ou equipa¬ mentos de proteção respiratória. ■t■?- [) A segurança em instalações industriais é uma tarefa coletiva. Todos devem ser engajados na prevenção de acidentes e conscientizados que só se consegue um resultado favorável na medida em que cada indivíduo se comprometa efetivamente com a segurança. A maior regra de segurança continua sendo PENSE ANTES DE AGIR E AJA SEMPRE COM BOM SENSO. A perseverança é fundamental. Regras de segurança passam a ser negligenciadas e relegadas a um segundo plano com o passar do tempo. Somente a ATENÇÃO e ALERTA constantes podem minimizar o risco de acidentes. c i4 fí50] Bjmmmro»trtawicc* 9. Exercícios ! a) Que equipamentos de proteção individual são recomendados para a segurança de soldadores e operadores de soldagem? b) Cite medidas de segurança para a proteção de instalações e equipamentos de solda¬ gem. c) Qual a diferença entre segurança pessoal e de terceiros? d) Por que a segurança é uma tarefa coletiva? e) Por que esforços individuais são pouco efetivos na prevenção de acidentes? 1 CAPÍTULO 4 0 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM j 1. Introdução K O arco elétrico é a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de mate¬ riais metálicos, pois apresenta uma combinação ótima de características, incluindo uma concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal de base, facilidade de controle, baixo custo relativo do equipamento e um nlvei aceitável de riscos à saúde dos seus operadores. Como consequência, os processos de solda¬ gem a arco têm atualmente uma grande importância industrial, sendo utilizados na fabricação dqs mais variados componentes e estruturas metálicas e na recuperação deum grande número de peças danificadas ou desgastadas. Este capitulo apresenta uma descriçãogeral das características do arco elétrico,em particular aquelas impor¬ tantes para a sua aplicação em soldagem. A ênfase aqui será nos fenômenos fisicos que controlam a soldagem a arco e não nos aspectos tecnológicos, industriais ou metalúrgicos da soldagem. Apesar de muito estudado, o arco elétrico é bastante complexo eos conhecimentos obtidosaté agora permitemumentendimento apenas parcialdos fenômenos envolvidos. Algumas dessas informações serão apresentadas neste capitulo, de forma simplificada. O arco elétrico consiste de uma descarga elétrica, sustentada através de um gás ionizado, a alta temperatura, conhecido como plasma, podendo produzir energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, pela fusão localizada das peças a serem unidas. Atribui-se a primeira observação do arco elétrico em condições controladas a Sir Humphrey Davy, no início do século XIX. O termo arco foiaplicado a este fenômeno em função de sua forma característica resultante da convecção dos gases quentes gerados pelo mesmo. O limite superior de corrente em um arco elétrico não é bem definido, podendo atingir dezenas ou centenas de milhares de ampéres em certos circuitos. Para a soldagem a arco, correntes acima de 1000 A 3 K [ CAPÍTULO* rn 0 ARCO ElÉTPJCO OS SOLDAGEM 3«3 SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIAr 52i são utilizadas no processo a arco submerso (Capítulo 16) e da ordem de 1 A ou inferiores são usadas na soldagem com microplasma (Capítulo 14). Os valores mais comuns, contudo, são da ordem de 10’ a 102A. Em soldagem, o arco, em geral, opera entre um eletrodo plano, ou aproxima- damente plano (a peça), e outro que se localiza na extremidade de um cilindro (o arame, vareta ou eletrodo), cuja área é muito menor do que a do primeiro. Assim, a maioria dos arcos em soldagem tem um formato aproximadamente cónico ou "de sino", com o diâmetro junto da peça maior do que o diâmetro próximo do eletrodo (Figura 1). Exceções podem ocorrer nos processos de soldagem a plasma (Capítulo 14) e a arco submerso. No primeiro, um bocal de constrição na tocha restringe o arco, tornando-o aproximadamente cilíndrico. Na soldagem a arco submerso, o arco ocorre dentro de uma câmara cujas paredes são formadas pelo fluxo fundido que se expandem e contraem periodicamente. Na soldagem com eletrodo revestido (Capí¬ tulo 12), o arco pode se mover rápida e de forma errática na superfície do eletrodo em associação com o movimento de liquidos na extremidade deste. + (a) (b) (c :ÿ 'ÿ ! llArco)f __ ■ . a r* !i Tensão • ■ Queda Anódica (va) I(V) Queda na Coluna (E-4) li Queda (V) Catódica c ' ;i i:JL Distância i rFigura 2Regiões de um arco de soldagem (esquemáticas): (a) Zona de Queda Catódica,(b) Coluna do Arco e (c) Zona de Queda Anódica. /a - Comprimento do arco ■H i ;ÿmm As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térmicos e elétricos, da ordem de 106 °C/mm e de 103a 105 V/mm, respectivamente, e as somas das quedas de potencial nessas regiões é aproximadamente constante, independentemente das condições de operação do arco. A parte visível e brilhante do arco constitui a coluna de plasma, que apresenta gradientes térmicos e elétricos bem mais baixos que as regiões anteriores, da ordem de 103oC/mm e 1 V/mm, respectivamente. A diferença de potencial nesta região varia de forma aproximadamente linear com o comprimento do arco. Assim, para um dado valor de corrente de soldagem, a diferença de potencial entre o eletrodo e a peça é, em uma primeira aproximação, dada por (ver Figura 2): í : í Figura 1 Imagem do arco elétrico observado entre um eletrodo de tungsténio e um bloco de cobre em uma atmosfera de argônio :ÿ 2. Características Elétricas do Arco ={ÿa+Vc) + E Ha (Eq.1) A diferença de potencial entre as extremidades do arco, necessária para manter a descarga elétrica, varia com a distância entre os eletrodos, chamada de comprimento do arco (la), com a forma, tamanho e material dos eletrodos, composição e pressão do gás na coluna de plasma e corrente que atravessa o arco, entre outros fatores. Eletricamente, o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por este. A queda de potencial ao longo do arco elétrico não é uniforme, distinguindo-se três regiões distintas, como ilustrado na Figura 2. A Figura 3 mostra a variação da tensão*no arco elétrico com a corrente de solda¬ gem, para três diferentes comprimentos de arco e com outros parâmetros, como a composição do gás de proteção, mantidos fixos. Esta curva é conhecida como "característica estática do arco". A curva característica do arco difere da curva de uma resistência comum, para a qual vale a Lei de Ohm (V = R.l). que tem o formato de uma reta passando pela origem. Por sua vez, a curva do arco passa por valor mínimo # CArtTUUX Igg 0ABCO afTHCO DE SOUMGEM5ÿ RMouramsiTOwma* de tensão para valores intermediários de corrente e aumenta tanto para maiores còmo menores valores de correntes. O aumento da tensão para os valores elevados de corrente é similar ao observado em uma resistência comum. O comportamento encontrado para baixos valores de corrente é próprio do arco elétrico e reflete o fato de que, neste, a condução da corrente elétrica é feita por Ions e elétrons gerados por ionização térmica. Quando a corrente é baixa, existe pouca energia disponível para o aquecimento e ionização do meio em que o arco ocorre, resultando em uma maior dificuldade para a passagem da corrente e, como consequência, em um aumento da tensão elétrica do arco. 14 150 A „- 100 A 512- ,-0" „.cr - H10- % 18 8-> o <o to16- c 6-£ 6 mm 14 4 o 2 4 6> Comprimento do Arco (mm)o 12(O to 4 mmc £ ItfD» BÉ Figura 4Variação da diferença de potencial entre as extremidades de um arco de soldagem com a distância de separação entre elas. para diferentes níveis de corrente (dados da figura anterior)10- iffuBI 2 mm O plasma é constituído por moléculas, átomos, Ions e elétrons. Destes, os dois últimos são os responsáveis pela passagem da corrente elétrica no arco. Assim, a estabilidade do arco está intimamente ligada às condições
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