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Universidade Federal de Minas Gerais (teitor: Cléfio CampoSrta Diniz Wce-Rtitora: Rocksane de Carvalho Norton Editora UFMG Diretor: Wander Melo Miranda Vice-Diretor: Roberto Alexandre do Carmo Said Conselho Editorial Winder Melo Miranda (presidente) Ravio de Lemos Carsalade Hdocsa Marta Murgd Starfing Mirdo Gomes Soares Maria das Grafas Santa Bárbara Marta Helena Damasceno e SSva Megale Paulo Sífgio Lacerda Berio Roberto Alexandre do Carmo Said Paulo Villani Marques Paulo José Modenesi Alexandre Queiroz Bracarense SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3a edição atualizada 1a reimpressão BELO HORIZONTE | EDITORA UFMG 2011 Coordenação Editorial Assistência Editorial Editoração de texto Revisão e normalização Revisão de provas Atualização ortográfica Projeto gráfico Formatação e capa Produção gráfica Danivia Wotff EBane Sousa e Euciídia Macedo Ana Maria de Moraes María do Carmo Leite Ribeiro Alexandre Vasconcelos de Melo Karen M. Chequer e Daniel 10 Silva Paulo Schmidt Warren Maniac Warren Marüac 2005, Paulo Vtllani Marques, Paulo losé Modenesi, Alexandre Queiroz Bracarense ©2005, Editora UFMG © 2007,2* ed. rev. e ampl. © 2009,3* ed. atual. 2011, l*reimpr. Este livro ou parte dele não pode ser reproduzido sem autorização escrita do Editor. M357s Marques, Paulo Villani Soldagem: fundamentos e tecnologia / Paulo Vilani Marques, Paulo José Modenesi, Ataundre Queroz Bracarense - 3* níçâo atuaüzada • Beto Horizonte: Etftora UFMG. 2009. 363 p.1- (Didática) Incfcn btfaSografta. IS8N: 978-85-7041-7480 1. Soldagem. 2. Solda e soldagem. I. Modenesi, Paulo José. II. Bracarense. Alexandre Queiroz. (II. Tttulo. COO; 621.791 ____________________________________________________________________________CDU: 621.791___________ Ficha catalogrifica elaborada pela CCQC - Central de Controle de Qualidade da CatalogaçSo da Biblioteca Universitária da UFMG Editora UFMG Av. Antônio Carlos, 6.627 - Ala direita da Biblioteca Central - térreo Campus Pamputha - CEP 31270-901 • Belo Horizonte/MG Tel.: +55 31 3409-4650 | Fax: +55 31 3409-4768 |edtora@ufmgi>r | wvweditora^ fmgJjr SUMÁRIO PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO 13 PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES 14 APRESENTAÇÃO 15 PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM Capítulo 1 Introdução è Soldagem 1. Métodos de união dos metais 17 2. Definição de soldagem 18 3. Formação de uma junta soldada 19 4. Processos de soldagem 21 5. Comparação com outros processos de fabricação 23 6. Breve histórico da soldagem 25 7. Exercícios 27 Capítulo 2 Terminologia e Simbologia da Soldagem 1. Introdução 29 2. Terminologia da soldagem 30 3. Simbologia da soldagem 36 4. Exercício 41 Capítulo 3 Princípios de Segurança em Soldagem 1. Introdução 43 2. Roupas de proteção 44 3. Choque elétrico 45 4. Radiação do arco elétrico 46 5. Incêndios e explosões 48 6. Fumos e gases 48 7. Outros riscos 49 8. Recomendações finais 49 9. Exercícios 50 Capítulo 4 0 Arco Elétrico de Soldagem 1. Introdução 51 2. Características elétricas do arco 52 3. Características térmicas do arco 56 4. Características magnéticas do arco 57 5. Exercícios e práticas de laboratório 61 Capítulo 5 Fontes de Energia para Soldagem a Arco 1. Introdução 63 2. Requisitos básicos das fontes 63 3. Fontes convencionais 64 4. Fontes com controle eletrônico 72 5. Conclusão 79 6. Exercícios 80 Capítulo 6 ‘ Fundamentos da Metalurgia da Soldagem 1. Introdução 81 2. Metalurgia física dos aços 82 3. Fluxo de calor 88 4. Macroestrutura de soldas por fusão 92 5. Características da zona fundida 93 6. Características da zona termicamente afetada 7. Descontinuidades comuns em soldas 8. Exercícios e práticas de laboratório 98 100 112 Capítulo 7 Tensões Residuais e Distorções em Soldagem 1. Introdução 113 2. Desenvolvimento de tensões residuais em soldas 115 3. Consequências das tensões residuais 119 4. Distorções 121 5. Controle das tensões residuais e distorção 123 6. Exercícios 125 Capítulo 8 Automação da Soldagem 1. Fundamentos 127 2. Equipamentos 130 3. Programação de robôs para a soldagem 133 4. Aplicações industriais 134 5. Exercícios 135 Capítulo 9 Normas e Qualificação em Soldagem 1. Introdução 137 2. Normas em soldagem 139 3. Registro e qualificação de procedimentos e de pessoal 141 4. Exercícios 145 Capítulo 10 Determinação dos Custos de Soldagem 1. Introdução 151 2. Custo da mão de obra 152 153 155 155 156 156 156 157 159 161 162 167 170 173 174 175 176 177 179 180 181 183 3. Custo dos consumíveis 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 PARTE 2 PROCESSOS DE SOLDAGEM E AFINS Capítulo 11 Soldagem e Corte a Gás A-Soldagem a gás 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais B - Oxi-Corte 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 4. Técnica operatória 5. Aplicações industriais 6. Exercícios e práticas de laboratório Capítulo 12 Soldagem com Eletrodos Revestidos 1. Fundamentos 2. Equipamentos 3. Consumíveis 186 4. Técnica operatória 196 5. Aplicações industriais 202 6. Exercícios e práticas de laboratório 203 Capítulo 13 Soldagem TIG 1. Fundamentos 205 2. Equipamentos 206 3. Consumíveis 211 4. Técnica operatória 214 5. Aplicações industriais 217 6. Exercícios e práticas de laboratório 217 Capítulo 14 Soldagem e Corte a Plasma Soldagem 1. Fundamentos 219 2. Equipamentos 221 3. Consumíveis 223 4. Técnica operatória 225 5. Aplicações industriais 227 Corte 1. Fundamentos 228 2. Equipamentos 228 3. Consumíveis 230 4. Técnica operatória 230 5. Aplicações industriais 232 6. Exercícios 232 Capítulo 15 Soldagem MIG/MAG e com Arame Tubular A - Soldagem MIG/MAG 1. Fundamentos 233 2. Equipamentos 244 3. Consumíveis 248 4. Técnica operatória 252 5. Aplicações industriais 254 B - Soldagem com arames tubulares 1. Fundamentos 255 2. Equipamentos 256 3. Consumíveis 257 4. Técnica operatória 261 5. Aplicações industriais 261 6. Exercícios e práticas de laboratório 261 Capítulo 16 Soldagem a Arco Submerso 1. Fundamentos 263 2. Equipamentos 265 3. Consumíveis 268 4. Técnica operatória 272 5. Aplicações industriais 275 6. Exercícios e práticas de laboratório 275 Capítulo 17 Soldagem por Eletroescória e Eletrogás A - Soldagem por eletroescória 1. Fundamentos 277 2. Equipamentos 279 3. Consumíveis 281 4. Técnica operatória 283 5. Aplicações industriais 287 B - Soldagem eletrogás 1. Fundamentos 288 2. Equipamentos 289 3. Consumíveis 289 4. Técnica operatória 290 5. Aplicações industriais 290 6. Exercícios 291 Capítulo 18 Soldagem por Resistência 1. Fundamentos 293 2. Equipamentos 296 3. Técnica operatória 300 4. Aplicações industriais 304 5. Exercícios 306 Capítulo 19 Processos de Soldagem de Alta Intensidade A - Soldagem a laser 1. Fundamentos 307 2. Equipamentos 309 3. Técnica operatória 310 4. Aplicações industriais 312 B - Soldagem com feixe de elétrons 1. Fundamentos 313 2. Equipamentos 313 3. Técnica operatória 314 4. Aplicações industriais 315 5. Exercícios 315 Capítulo 20 Outros Processos de Soldagem 1. Soldagem por fricção convencional 317 2. Variações recentes da soldagem por fricção 320 3. Soldagem por explosão 323 4. Soldagem poraluminotermia 326 5. Soldagem a frio 329 6. Soldagem por ultrassom 330 7. Soldagem por laminação 331 8. Exercícios 333 Capítulo 21 Brasagem 1. Fundamentos 335 2. Equipamentos 337 3. Consumíveis ' 338 4. Técnica operatória 346 5. Aplicações industriais 349 6. Exercícios 349 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ÍNDICE ALFABÉTICO SOBRE OS AUTORES 351 353 3 6 3 PREFÁCIO À PRIMEIRA EDIÇÃO Em uma era de constantes mudanças, quebras de paradigmas e crescente valorização do capital intelectual, a Universidade, através dos autores de Soldagem - fundamentos e tecnologia, transcende o conceito de Academia — baluarte da ciência pura — disponibili zando sólidos e modernos conhecimentos na área de soldagem. A tão cobrada e mencionada Responsabilidade Social está aqui perfeitamente demonstrada no pleno engajamento dos autores, pesquisadores renomados, difundindo ricos ensinamentos obtidos 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 tomada 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 pelos conhecimentos no assunto com uma ampla abordagem dos 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. Eng0. Helder Aguiar Neves PREFÁCIO À SEGUNDA E TERCEIRA EDIÇÕES 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 consumíveis 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 è 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. Prof. Márcio Ziviani Diretor Executivo - Fundação de Desenvolvimento da Pesquisa APRESENTAÇÃO 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 foi criada 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. Além de conhecimentos técnicos atualizàdos, 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 fil l u FUNOAMarmSE TECNOLOGIA 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 Bracarensepela 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 Villani Marques, 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. Paulo Villani Marques PARTE 1 FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À SOLDAGEM 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 1 n tni nABfia FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 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. 2. Definição de Soldagem Um 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 de peças desgasta das ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados com a 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. • "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 (American Welding Society-AWS), é meramente operacional, não contribuindo com o aspecto conceituai. Finaliza-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. CArtTUU) 1 < q INTRODUÇÃO A SOIDAKM 1 9 3. Formação de uma Junta Soldada De uma 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. 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, pois os 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. Solda Figura 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 ro. Estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos: SOLDAGEM rUNDAMENTOS E TECNOLOGIA • As superfícies metálicas, mesmo as mais polidas, apresentam uma grande rugosidade em escala microscópica e submicroscópica. Mesmo uma superfície muito bem polida apresenta irregularidades da ordem de 50nm de altura, cerca de 200 camadas atômicas. 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. • 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. 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 oxigênio absorvidos, E-gordura e F • partículas de poeira Para 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 aproximaçãodos átomos a distâncias da ordem de r0 (Figura 4). As peças podem ser aquecidas localmente de modo a facilitar a deformação das superfícies de contato. Solda Figura 4 Soldagem poi pressão ou deformação CAPÍTULO 1 i o , INTRODUÇÃO Á SOLDAGEM *■ 1 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). Metal d e 1- adição Metal de baset Solda 7N .... / (a) (b) Figura 5 (a) Representação esquemática da soldagem por fusão, (b) Macrografia de uma junta 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. 4. Processos de Soldagem 4.1 - Processos de soldagem por pressão (ou por deformação) Este primeiro grupo inclui os processos de soldagem por forjamento, por ultras- som, por fricção, por difusão, por explosão, entre outros. 4.1.2 Processos de soldagem por fusão 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 9 9 SOIOACQI “ FUUSAMOfTOSincmiDGtA 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. Tabela I - Processos ds soldagem por fusão Processo Fonte de calor Tipo de corrente e polaridade Agente protetor Outras carcterísticas Aplicações Soldagem por eletro- escória 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 de aços carbono, baixa e alta liga. espessura 2 50 mm. Soldagem de pe ças de grande espessura, eixos etc. Soldagem a arco submerso Arco elétrico Contínua ou alternada. Eletrodo + Escória Automática/mecaniz. ou semiautomática. 0 arco arde sob uma camada de fluxo granular. Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. Espessura a 10 mm. Posição plana ou horizontal de peças estru turais, tanques, vasos de pressão etc. Soldagem com eletrodo revestido Arco elétrico Contínua ou alternada. Eletrodo + ou - Escória e gases gerados Manual. Vareta metálica recoberta por camada de fluxo. Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro. metais preciosos, reativos ede baixo pomo de fusão. Usado na soldagem em geral. Soldagem com arame tubular Arco elétrico Contínua. Eletrodo + Escória e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO, Automático ou semiauto mático. 0 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. Soldagem M1G/MAG Arco elétrico Contínua. Eletrodo + Argdnio ou Hélio. Argônio + 0,. Argônio + COr CO, Automática/mecaniz. ou semiautomática. 0 arame é sólido. Soldagem de aços carbono, babe eattaBga. não ferrosos, com espessura £1 mm. Soldagem de tubos, chapas etc. Qualquer posiçõo. Soldagem a plasma Arco elétrico Continua. Eletrodo - Argônio. Hélio ou Argônio + Hidrogênio Manual ou automática. 0 arame é adicionado separada mente. Eletrodo não oonsu- mfvel de tungstônio. 0 arco é constríto por um bocal. Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espes sura de até 1.5 mm. Passes de raiz. Soldagem TIG Arco elétrico Continua ou alternada. Eletrodo - Argônio. Hélio ou misturas destes Manual ou automática. Eletrodo não consumível de tungsténio. 0 arame é adicionado separadamente. Soldagem de todos os meais, exceto Zn. Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 mm. Sol dagem de não ferrosos e aços inox. Ftesse de raiz de soldas em tubulações. Soldagem por feixe de elétrons Feixe de elétrons Contínua. Alta tensão. Peça + Vácuo (»10*mm Hg) Soldagem automática. Não usa, em geral, metal de adição. Feixe de elétrons permite uma elevada con centração de energia. Soldagem de todos os metas, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização excessiva, em geral a partir de 25 mm de espessura. Indústria nuclear e aeroespadaL Soldagem a laser Feixe de luz Argônio ou Hélio Soldagem automática. Nâo usa. em geral, metal de adição. Laser permite uma elevada concentração de energia. Soldagem de todos os metas, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização exces siva. Indústria automobilística, nuclear e aeroespadaL Soldagem a gás Chama oxi- acetüênica Gás (CO. Hy CO,. H,0) Manual. Arame adicionado separadamente. Soldagem manual de aço caibo- no. Cu. A). Zn, Pb e bronze. Sol dagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro. capítulo t o « ntroduçAo à s o u u k m 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 Eletrodos 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 e afins, segundo a AWS. Os nomes de diversos processos estão resumidos ou truncados por falta de espaço na figura 5. Comparação com Outros Processos de Fabricação A soldagem é hoje o principal processo usado na união permanente de peças metálicas, permitindo a montagem de conjuntos com rapidez, segurança e economia 9 A S01DA6EM " \ FUNDAMENTOS E TIOtÔtOGlA de 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 deve ser 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 características interessantes, como: possibilidade de se terem grandes variações de espessura na mesma peça e inexistência de uma espessuramínima 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 eletrônicos 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. CAPÍTULO 1 o c WTKOOUÇÍOÀ SOLDAGEM 6. Breve Histérico da Soldagem 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^ 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 Ednhund 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 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. I SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 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). Figura 7 Sistema para soldagem a arco com eletrodo de carvão de acordo com a patente de Bernados Por voita 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. Em 1907, 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. CAPÍTULO t í 9 7 INTRODUÇÃO Á SOLDAGEM | 7. Exercícios a) O que é soldagem?b) Por que é possível se soldar dois blocos de gelo por aproximação? c) Quais as principais vantagens e desvantagens da soldagem? d) Que outros ramos da ciência e da tecnologia contribuem para o desenvolvimento da soldagem? e) Que tipos de materiais, além dos metais, podem ser soldados? f) Existem produtos impossíveis de serem fabricados sem a utilização da soldagem? Cite alguns, se for o caso. g) Em que casos a soldagem não é recomendada como processo de união? CAPÍTULO 2 TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DA SOLDAGEM 1. Introdução Muitos são os termos com um significado particular 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, serio 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. O n i SOLDAGEM 0 U i FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 2. Terminologia da Soldagem 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 m etal de adição. Durante a soldagem, o meta! 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. Figura 1 Metal de base, de adiçáo e poça de fusão Chama-se jun ta 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. ) \ 1 L _ __ Topo . Ângulo Canto ----------- ( ) í- ^ i — Aresta Sobreposta Figura 2 Tipos de junta 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. CAPÍTULO 2 TERMINOLOGIA E SiMBOLOGlA DA SOLDAGEM □xitzn i X I ■ \ Â 1 J F .1 /^ 1 meio v Duplo J Duplo U Figura 3 Tipos de chanfro Figura 4 Chanfros usados geralmente com os diferentes tipos de junta O tipo de chanfro a ser usado em uma condição de soldagem específica é esco lhido 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 as con dições de soldagem permitem obter a penetração desejada (ver definição a seguir) O 9 SOLDAGEM ° L I FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 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 tem po 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. 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. CAPÍTULO 2 I q TERMINOLOGIA E S1VBOLOQA DA SOLDAGEM ! J \ V.V, Çh i y a ' , " V ' Existe um grande número de termos para definir o formato e as características 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). Convexidade Largura | Garganta, ■A* o ' Face da solda Penetração da raiz Penetração da junta Figura 6 Dimensões e regiões de soldas de topo (a) e de filete (b) 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 m ata-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. 0 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. Zona fundida (ZF) Zona termicamente afetada (ZTA) Mat3 - jui ua Figura 7 ^ ; ^ Seção transversal de uma solda de topo por fusão (esquemática) Metal de base (MB) 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 sua estrutura e/ou suas propriedades alteradas pelo calor de soldagem é chamada de zona term icam ente 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 naregião da junta (Figura 1). Em diversas situações, o termo cordão é usado, significando, em alguns casos, a solda e, em outros, o passe. o / l SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Figura 8 Execução de uma solda de vários passes A 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. Sobre cabeça Vertical (descendente) Figura 9 Posições de soldagem para soldas de topo Plana Vertical (ascendente) Sobre cabeça Figura 10 Posições de soldagem para soldas de filete CAPÍTULO2 I o c TERMINOLOGIA ESIVISOLOGIA DA SOLDAGEM | 0 0 Plana Horizontal Circunferencial Figura 11 Posições de soldagem para soldas em tubulações 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. • 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. • 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. • Automática: soldagem com controie 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. o c SOLDAGEM ° ü FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 3. Simbologia da Soldagem A simbologia da soldagem consiste de uma série de símbolos, sinais e números, dispostos de uma forma particular, que fornecem informações sobre uma determ i 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 b) Seta c) Símbolo básico da solda d) Dimensões e outros dados e) Símbolos suplementares f) 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. Figura 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. Rimhnln de rnntnm n Símbolo de acabamento Comprimento da solda ' Dist. centro a centro (soldas intermitentes) / Soldagem no campo Linha de referência ioldagem em todo o contorno CAPÍTULO 2 | Q 7 TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA OA SOLDAGEM ! ^ ' Soldas em chanfro ’...li... V . / .V......AL. 'N.r A r ... em I (Bordas em VouX 1/2VouK U ou duplo U J ou duplo J V flangeado 1/2 Vflangeado paralelas) Outros n ..... l i . . . j z z l ..O ... .3 2 ;. .-=-0 . Soldas de aresta Solda de Solda de Solda de Solda de Solda de Solda de filete tampão ponto costura reverso revestimento Figura 13 Tipos básicos de soldas e seus símbolos Figura 14 Sete variações de soldas em chanfro e seus símbolos o O I SOLDAGEM ^ 0 I FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Vários 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 sertotal. A abertura de raiz ou a profundidade de soldas do tipo "plug" ou "s lo t" 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) • G - esmerilhamento (grinding) • H - martelamento (hammering) • M - usinagem (machining) • R - laminação (rolling) So ldarem tod o o contorno Soldar no campo Fusão no : ’V. : rpwprqn ito m o d a Solda Plano Convexo Côncavo ' - w \ \ Figura 15 Símbolos suplementares As Figuras 16 a 19 ilustram o que foi apresentado. Figura 16 Exemplos de soldas de filete e seus símbolos E X D ___ EZEZl___ r±~i m _____________■ li— ., V- ui'RÏ I- VT»-. fpyfS? SÉ rdár fr — m bí i l S , 1 ‘JÉS?8 S H f fvKÜ V/i 3 ■ j ■ 3 1 _J\wo.[/'MB \ Figura 17 Exemplos de soldas de filete intermitente a r» SOLDAGEM ^ U FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 10(13) / \ 60° 1/4(3/8) 3/8(112) Figura 18 Exemplos de símbolos de soldas em chanfro Figura 19 Exemplos de diversos tipos de solda e seus símbolos 4. Exercício Desenhe o símbolo ou a solda desejada, conforme o caso. CAPÍTUtO 2 I TERMINOLOGIAE SIMBOLOGtA DA SOLDAGEM I CAPÍTULO 3 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 afins e as práticas usuais para se evitar ou minimizar a 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 pelo 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. A A SOLDAGEM H 4 ! FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 2. Roupas de Proteção 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 tem po 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 oxigênio. 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 e 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. Figura 1 j 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 3. Choque Elétrico CAPÍTULO 3 , C miNCiPIOS ÜE SEGURANÇA EM SOLDAGEM ‘ ♦O 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. Tabela I - Efeitos fisiológicos do choque elétrico In t e n s id a d e da c o r r e n t e Efe it o 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 80 mA até 5 A Fibrilação do ventrículo do coração; parada cardíaca; queimaduras de alto grau Acima de 5 A Morte certa A resistência interna do corpo humano é relativamente baixa (cerca de 500 Cl), sendo a resistência da pele, quando seca, muito mais elevada (da ordem de 105Í2). 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. AP souMsai H O l RmOAHBnCSETECNOtUOA 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 para se 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. 4. Radiação do Arco Elétrico 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 arcopode 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. C 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. r cAFfnjun A-j FHNCiTOSDESEGtfiUNÇABtSOUlASa« H l Tabela II - Lentes de proteção para operadores de soldagem e corte Soldagem a arco elétrico Operação Di&metro do Eletrodo (mm) Corrente de soldagem (A) nitro para proteção minima Filtro sugerido para conforto <2.5 <60 7 - Eletrodo 2.5-4.0 6 0 -160 8 10 revestido 4.0-6.4 160 - 250 10 12 >6.4 250-550 11 14 <60 7 - MIG-MAG 6 0 -1 6 0 10 11 Arame tubular 160 - 250 10 12 250 - 500 10 14 <50 8 10 TIG - 50 -1 5 0 8 12 150-500 10 14 <500 10 12 Goivagem - 500-1000 11 14 Soldagem e corte oxtacetltònico 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 eletrônicas, 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. Existem disponíveis no mercado diferentes modelos deste equipamento que permitem, por exemplo, ajuste manual ou automático do <jrau 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. A n I S01MEEMHOl FUKiMMBnasEncMOiaou 5. Incêndios e Explosões Para que se inicie um incêndio são necessários três elementos atuando conjuntamente: uma fonte de calor, um material combustível e oxigênio. Na maioria das operações de soldagem e corte, o oxigênio estará presente no ar que circunda a solda. Além disso, oxigênio puro existirá em cilindros ou em ins talações centralizadas de armazenamento deste gás. O arco elétrico, a chama de soldagem ou os 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. 6. Fumos e Gases As operações de soldagem podem 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. CAPÍTULO 3 J .Q PRINCÍPIOS OE SEGURANÇA EM SOIDAGEM 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. 7. Outros Riscos (ò 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. [> Cuidados especiais devem ser tomados com 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 deforma 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. 8. Recomendações Finais 0 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 n «omMBiÜU RmMBITOSETECNnOeU 9. Exercícios a) Que equipamentos de proteção individual são recomendados para a segurançade 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? CAPÍTULO 4 0 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM 1. Introdução 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 nívet 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 dos mais variados componentes e estruturas metálicas e na recuperação de um grande número de peças danificadas ou desgastadas. Este capítulo apresenta uma descrição geral das características do arco elétrico, em particular aquelas impor tantes para a sua aplicação em soldagem. A ênfase aqui será nos fenômenos físicos 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 e os conhecimentos obtidos até agora permitem um entendimento apenas parcial dos fenômenos envolvidos. Algumas dessas informações serão apresentadas neste capítulo, 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 foi aplicado 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 r n ! SOLDAGEM 3 L j FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA 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 101 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 form ato aproximadamente cônico 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 líquidos na extremidade deste. 1 1 mm Figura 1 Imagem do arco elétrico observado entre um eletrodo de tungsténio e um bloco de cobre em uma atmosfera de argônio 2. Características Elétricas do Arco 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. CAPÍTULO« ro 0 ARCO ELÉTWCO DE SOLDAGEM | 3 J D istância Figura 2 Regiões de um arco de soldagem (esquemáticas): (a) Zona de Queda Catódica, (b) Coluna do Arco e (c) Zona de Queda Anódica. Ia - Comprimento do arco As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térmicos e elétricos, da ordem de 106 °C/mm e de 103 a 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): (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. 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 = fí.l), que tem o formato de uma reta passando pela origem. Por sua vez, a curva do arco passa por valor mínimo M uiusaiRJWJMiams Eiaaouw* 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 (ons 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. Corrente (A) Figura 3 Curvas características estáticas do arco entre um eletrodo de tungsténio e um anodo do cobre para diferentes comprimentos de arco A Figura 4 mostra esquematicamente uma curva de variação da queda de tensão ao longo do arco com o seu-comprimento para dois valores de corrente. Observa-se uma relação aproximadamente linear entre a tensão e o comprimento do arco e que, quando este último torna-se muito curto, o valor da tensão não tende para zero, o que está de acordo com a equação 1. CAFfTUUX e c OARCOaÉrmCODESOMGEM I 3 3 O »CO CO c .03 2 4 6 Comprimento do Arco (mm) figura 4 Variação 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) 0 plasma é constituído por moléculas, átomos, íons 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 de produção de elétrons e íons, em grande quantidade. Elétrons e íons são produzidos, na coluna de plasma, por choques entre os constituintes desta coluna que ocorrem nas elevadas tempe raturas existentes nesta. Contudo, devido à sua massa muito menor, a velocidade dos elétrons tende a ser muito superior à dos outros constituintes e mais de
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