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1 So ld ag em a A rc o Su bm er so Soldagem com Arco Submerso •Fundamentos •Equipamentos •Consumíveis •Técnica operatória •Aplicações Industriais So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos Definição A soldagem a arco submerso (Submerged Arc Welding-SAW) é um processo que produz a coalescência entre metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico revestido e a peça que está sendo soldada sob uma camada de um material granulado fusível, chamado fluxo, que é colocado sobre a região de solda, protegendo-o da contaminação pela atmosfera. 2 So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos A adição de metal é feita com o próprio eletrodo, que tem forma de fio ou fita e é alimentado por um dispositivo mecânico, podendo ser suplementada por outros eletrodos ou materiais contidos no fluxo de soldagem. A operação é normalmente mecanizada, embora possa também ser modo semi-automática. Uma vez aberto o arco, eletrodo e fluxo são alimentados continuamente enquanto a tocha é deslocada. O calor gerado pelo arco funde o eletrodo e parte da camada de fluxo e do metal de base, formando a poça de fusão. 3 So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos O metal fundido e solidificado forma o cordão de solda e a parte fundida do fluxo forma uma escória que sobrenada a poça de fusão e se solidifica à medida que o arco se afasta, formando uma camada protetora que evita a contaminação do cordão e reduz sua velocidade de resfriamento. A parte não fundida do fluxo pode ser reciclada em novas operações, desde que não esteja contaminada. Como o arco não é visível, não há necessidade de uso de dispositivos de proteção contra a radiação emitida pelo arco. Esta característica, contudo, dificulta a operação semi-automática. So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos Os eletrodos para soldagem a arco submerso têm diâmetro geralmente entre 2,4 e 6 mm. Alta densidade de corrente, numa ampla faixa, de forma que o processo é usado para espessuras a partir de 3,0mm, com elevada taxa de deposição. Variações do processo: mais de um eletrodo e adição de pó metálico ao fluxo permitem elevar ainda mais a taxa de deposição. 4 So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos Taxas de deposição possíveis com diferentes processos e técnicas de soldagem: 0,5 a 3,0 1,0 a 8,0 2,0 a 12,0 3,0 a 20,0 12,0 a 40,0 SMAW GMAW FCAW SAW (1 arame) SAW (2 arames) Taxa de deposiçãoProcesso de soldagem (Taxas aproximadas, ciclo de trabalho de 100%) So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos A soldagem SAW é um processo estável e suave, que gera poucos fumos de soldagem e quase nenhum respingo, e resulta em cordões com acabamento uniforme e com uma transição suave entre o metal de solda e o metal de base. A principal limitação da soldagem SAW: usado apenas nas posições plana e horizontal (alta intensidade de corrente ! volume grande da poça de fusão, o metal líquido tende a escorrer para fora da junta). Além disso, o fluxo é constituído por um material granular. Dispositivos especiais podem ser usados para permitir a soldagem de topo na posição horizontal. A soldagem circunferencial pode ser feita usando-se viradores. 5 So ld ag em a A rc o Su bm er so Fundamentos A soldagem a arco submerso pode ser usada para fazer soldas em juntas de topo, de filete e sobrepostas. Soldas satisfatórias podem ser feitas em declive com ângulos de até 15° com a horizontal. A utilização de uma combinação adequada entre metal de adição, fluxo e técnica permite a soldagem tanto para união quanto enchimento e revestimento de peças metálicas. No Brasil, devido à disponibilidade de fluxos e eletrodos, o processo tem sido usado em aços- carbono, aços de baixa liga, aços inoxidáveis e alguns tipos de revestimento. So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos O equipamento básico para a soldagem a arco submerso consiste de uma fonte de energia, tocha de soldagem, alimentador de arame, sistema de controle, dispositivo para alimentação do fluxo e cabos elétricos. Alguns destes elementos estão montados num único conjunto chamado de cabeçote de soldagem, usado particularmente na soldagem mecanizada. Outros dispositivos podem ser usados para deslocamento da tocha de soldagem ou da peça; sistemas óticos ou eletrônicos são úteis no controle do posicionamento da tocha em relação à junta durante a soldagem (trilhadores de junta) e sistemas para reciclagem de fluxo podem simplificar a operação. 6 So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos 7 So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos A tocha de soldagem consiste do bico de contato deslizante, de cobre, de um sistema para fixação do cabo de saída da fonte e de um suporte isolante. Os bicos de contato devem ser adequados para cada diâmetro de arame que vai ser usado. O alimentador de arame consiste de um suporte para a bobina de eletrodo, um motor com controlador de velocidade de giro e um conjunto de roletes de alimentação. A velocidade de alimentação usualmente varia entre 8 e 235 mm/s. O alimentador de fluxo é composto por um porta- fluxo, mangueira condutora e um bocal de saída (concêntrico com a tocha de soldagem ou colocado à frente desta). Em geral o fluxo é alimentado por gravidade. So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos Sistemas para recuperação aspiram o fluxo não fundido durante a operação e o devolvem ao porta- fluxo e podem ter sistemas para manter o aquecimento deste fluxo durante a operação. O sistema de controle permite o ajuste dos diversos parâmetros de soldagem, como velocidade de alimentação de arame, velocidade de deslocamento e a tensão de soldagem. Os cabos servem para conduzir a corrente de soldagem e devem ter um diâmetro compatível com a corrente a ser usada. O cabeçote de soldagem mecanizada geralmente consiste de uma “tartaruga”com velocidade ajustável, que se desloca por um trilho colocado sobre a peça ou um outro suporte e sustenta os alimentadores de arame, de fluxo e a tocha de soldagem 8 So ld ag em a A rc o Su bm er so Equipamentos Pode ainda suportar outros dispositivos, como os trilhadores de junta. Quando se usa este equipamento, o cabeçote possui também movimento na direção transversal ao eixo de soldagem. Em alguns casos, o cabeçote pode ficar parado enquanto a peça é movimentada por posicionadores ou viradores, como, por exemplo, na soldagem circunferencial de tubos. A velocidade máxima de soldagem é da ordem de 45 mm/s. O cabeçote de soldagem pode também ser suportado por um manipulador com movimentos lineares nos três eixos. So ld ag em a A rc o Su bm er so Variações do processo • soldagem com arames múltiplos (até 6): na técnica “tander-arc” os arames formam arcos distintos e na técnica “twin-arc” dois arames finos são alimentados simultaneamente, formando um único arco elétrico; • soldagem com elevado “stickout” que permite aumentar a taxa de deposição para um determinado nível de corrente; • soldagem em chanfro estreito (“narrow-gap”), que utiliza cabeçotes especiais na soldagem de peças espessas com pequena abertura de raiz e ângulo de chanfro entre 5o e 10o, (economia de material menores energias de soldagem); 9 So ld ag em a A rco Su bm er so Variações do processo • soldagem com eletrodo em forma de fita (espessura da ordem de 0,5mm e largura de 15 a 90 mm) para produzir cordões largos e com baixa diluição, bastante adequados para operações de revestimento e • soldagem com adição de pó metálico ao fluxo, que aumenta a taxa de deposição (enchimento de chanfros). So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Os consumíveis usados na soldagem a arco submerso são os eletrodos e os fluxos de soldagem. Os eletrodos podem ser arames sólidos, tubulares ou fitas e são fornecidos na forma de carretéis ou bobinas, em diferentes dimensões e quantidades. Os fluxos são compostos por uma mistura de óxidos e outros minerais, podendo ainda conter ferro-ligas e têm diversas funções na operação: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de solda, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação pela atmosfera, minimizar as impurezas no metal de solda, formar escória com determinadas propriedades físicas e químicas (que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de solda, sua destacabilidade, a ocorrência de mordeduras, etc). 10 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Quanto ao processo de fabricação, os fluxos podem ser fundidos e aglomerados. Os fluxos mais utilizados são os aglomerados. Os fluxos fundidos são produzidos pela fusão da mistura de seus componentes em fornos elétricos e depois e resfriados em água ou coquilha, resultando num produto com uma aparência cristalina, que é secado, britado, moído, peneirado e finalmente embalado. Apresentam boa homogeneidade química, não são higroscópicos e têm manuseio e armazenagem simplificados. São facilmente reciclados, sem mudança significativa na granulometria ou composição, mas é difícil adicionar desoxidantes e ferro-ligas durante sua fabricação, sem segregação ou altas perdas. Assim a faixa de composições dos fluxos fundidos é limitada. So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Na fabricação de fluxos aglomerados os ingredientes são pulverizados, misturados a seco e aglomerados com silicato de potássio, de sódio ou uma mistura dos dois. Depois a mistura úmida é pelotizada e cozida a uma temperatura geralmente entre 600 e 950oC. O material obtido é moído, peneirado e embalado. Neste tipo de fluxo é fácil a adição de desoxidantes e elementos de liga, ele pode ser usado em camadas mais grossas e é fácil de ser identificado pela cor. Higroscópico, gera alguma fumaça quando fundido e pode sofrer mudanças na composição devido à segregação ou remoção de partículas. 11 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Os fluxos aglomerados podem ter composição química muito mais variada que fluxos fundidos e são de menor custo. Este é o tipo de fluxo mais usado no Brasil. O tamanho e a distribuição das partículas do fluxo são importantes porque influenciam sua alimentação e recuperação, além do nível de corrente e o formato do cordão de solda. À medida que a corrente aumenta, a quantidade de partículas de tamanho médio deve decrescer e a quantidade das pequenas deve crescer, para fluxos fundidos. Se a corrente é muito alta para um determinado tamanho de partícula, o arco pode ficar instável e deixar as extremidades do cordão irregulares e desiguais. So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Quanto as características químicas, os fluxos podem ser classificados como básicos, ácidos ou neutros. As propriedades do metal depositado são influenciadas pela basicidade do fluxo. Vários “índices de basicidade (B)” foram desenvolvidos com o objetivo de quantificar estes efeitos: CaO + CaF2 + MgO + K2O + Na2O + ½(MnO + FeO) B = ----------------------------------------------------------------------, SiO2 + ½ (Al2O3 + TiO2 + ZrO2) CaO, MgO, etc., são as percentagens em peso dos diferentes componentes do fluxo. 12 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Se este índice for maior que 1 o fluxo é quimicamente básico, se for menor que 1 o fluxo é ácido, se for próximo a 1 ele tende a ser quimicamente neutro. Fluxos de maior basicidade tendem a reduzir os teores de oxigênio, enxofre e fósforo do metal depositado, melhorando assim as propriedades mecânicas, em particular a resistência à fratura frágil. Fluxos ácidos tendem a produzir metal depositado com teores de oxigênio, fósforo e enxofre mais altos. So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Os fluxos também são classificados quanto a sua influência sobre a composição química do metal depositado e podem ser ativos, neutros ou ligados. Fluxos neutros são aqueles que praticamente não influenciam na composição química do metal depositado. Fluxos ativos incorporam elementos de liga como o Mn e Si na solda Fluxos ligados adicionam outros elementos, além do Si e Mn, ao metal depositado. A soldagem com este tipo de fluxo deve ser cuidadosamente controlada, já que variações nos parâmetros, particularmente na tensão, influenciam a transferência de elementos de liga para a solda e, portanto, a sua composição química. 13 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Exemplo de influência da corrente e tensão de soldagem na transferência de Cr e Mo de um fluxo ativo na soldagem com eletrodo de aço não ligado. 0,332,027600 0,432,527400 0,593,532500 0,492,929500 0,412,326500 MoCr Composição da solda (% peso)Tensão (V) Corrente (A) So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Propriedades mecânicas do metal depositado. 22 22 20 17 16 15 14 330 (48) 400 (58) 470 (68) 540 (78) 610 (88) 680 (98) 740 (108) 430-560 (60-80) 480-660 (70-95) 550-700 (80-100) 620-760 (90-110) 690-830 (100-120) 760-900 (110-130) 830-970 (120-140) F43XX (F6XX) – EXXX (*) F48XX (F7XX) -EXX-XX(*) F55XX (F8XX) -EXX-XX F62XX (F9XX) -EXX-XX F69XX (F10XX) -EXX-XX F76XX (F11XX) -EXX-XX F83XX (F12XX) -EXX-XX Alongamento em 51 mm (%) Limite de escoamento mínimo 0,2% MPa (ksi) Limite de resistência MPa (ksi) Classificação 14 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis Os arames são especificados com base em sua composição química, em três tipos: de baixo (L), médio (M) e alto (H) teor de manganês. Dentro de cada grupo, os arames podem ter diferentes teores de carbono e teores de silício baixo ou alto (K). De uma forma geral, os arames com maiores teores de carbono, manganês e silício favorecem a deposição de cordões com maior resistência e dureza O silício aumenta a fluidez da poça de fusão, melhorando o formato de cordões depositados com alta velocidade de soldagem e aumentando a resistência à porosidade. 15 So ld ag em a A rc o Su bm er so Consumíveis As propriedades reais do metal depositado com uma dada combinação eletrodo-fluxo dependem do procedimento de soldagem específico usado na operação. Por outro lado, existe um número relativamente grande de consumíveis disponíveis comercialmente, muitos desenvolvidos para situações especiais, e que não foram enquadrados nas especificações usuais. A seleção final de uma combinação eletrodo-fluxo geralmente é feita com base na soldagem de corpos de prova de qualificação, segundo uma determinada norma, e na avaliação ou medida das propriedades de interesse da solda desejada. So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória Além das variações já citadas, outras técnicas podem ser usadas para aumentar aindamais a velocidade de soldagem ou de enchimento da junta: • adições de arames sólidos e tubulares frios podem produzir aumentos na taxa de deposição de até 73%, mas com penetração mais baixa. • adições de arame quente são muito mais eficientes do que arames frios e a taxa de deposição pode ser aumentada de 50% a 100% sem prejuízo das propriedades do metal de solda. O processo requer equipamento adicional e maior atenção do operador. 16 So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória Adição de pó metálico ao fluxo pode aumentar as taxas de deposição em até 70% mas diminui a penetração e a diluição. Os pós podem ser adicionados à frente da poça de fusão ou diretamente nela. A adição de pó não requer energia adicional, não deteriora a resistência do metal de solda nem aumenta riscos de fissuração. O uso de técnicas especiais para aumento na taxa de deposição deve ser acompanhado de outros cuidados especiais, como: projeto e preparação da junta, seqüência de soldagem e fixação das peças adequadas. So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória As principais variáveis operacionais na soldagem por arco submerso, em ordem aproximada de importância, são: • valor e tipo de corrente, • tipo de fluxo e distribuição das partículas, • tensão, • velocidade de soldagem, • diâmetro do eletrodo, • extensão do eletrodo, • tipo de eletrodo e • largura e profundidade da camada de fluxo. 17 So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória A corrente é a variável mais importante pois influi diretamente na taxa de fusão do eletrodo na taxa de deposição, na penetração, no reforço e na diluição. Correntes muito elevadas resultam em cordões com elevada razão penetração/largura, favorecendo a fissuração a quente, reforço excessivo e formação de mordeduras. Correntes muito baixas promovem penetração ou fusão incompletas. O tipo de corrente mais usado é a CC+ (maior penetração). CC- aumenta a taxa de fusão. CA apresenta resultados intermediários e minimiza a ocorrência de sopro magnético, particularmente na soldagem com arames múltiplos. So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória A tensão influi diretamente no comprimento do arco, na largura do cordão e no consumo de fluxo e inversamente na penetração e no reforço. Ela tem pouco efeito sobre a taxa de deposição. A tensão do arco pode ter forte influência na composição química e nas propriedades de soldas feitas com fluxo ativo. Tensão excessivamente alta aumenta a dificuldade para remoção de escória. As dimensões transversais do cordão de solda são inversamente proporcionais à velocidade de soldagem, isto é, largura, penetração e reforço tendem a diminuir com o aumento da velocidade. Velocidade muito alta promove a ocorrência de mordedura, porosidade e cordão irregular. 18 So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória O diâmetro do eletrodo afeta a geometria do cordão e a taxa de deposição, para uma corrente fixa. Para um valor fixo de corrente, a largura do cordão aumenta e a penetração e a taxa de deposição tendem a cair com o aumento do diâmetro A estabilidade do arco e a facilidade de abertura deste também diminuem para eletrodos de maior diâmetro. Como ocorre em outros processos, para cada diâmetro de eletrodo existe uma faixa de valores de corrente recomendada. Maior produtividade é obtida no limite superior das faixas So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória Faixa de corrente para arames de aço de diferentes diâmetros 1000 a 25008,0 600 a 16006,4 600 a 13005,6 500 a 12004,8 400 a 9004,0 300 a 8003,2 300 a 6002,4 200 a 5002,0 100 a 3001,6 Corrente de soldagem (A) Diâmetro do arame (mm) 19 So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória A extensão do eletrodo (comprimento energizado do arame) tem o mesmo efeito já citado em outros processos de soldagem. Em geral, usam-se valores entre 20 e 40 mm. A largura e a altura da camada de fluxo influenciam a aparência da solda e o arco de soldagem. Camada de fluxo muito espessa resulta em solda com aparência pastosa e áspera. Os gases gerados não podem escapar imediatamente, e a superfície da solda fica irregular. Com uma camada de fluxo muito estreita, o arco não ficará inteiramente submerso no fluxo ocorrendo clarões (“flashing”) e respingos. A solda terá uma aparência ruim e poderá ficar porosa. So ld ag em a A rc o Su bm er so Técnica Operatória A espessura ótima da camada de fluxo deve ser estabelecida na prática, em função das outras condições da soldagem, acrescentando lentamente o fluxo até o arco ficar completamente submerso e não mais se observam o clarão do arco. A inclinação da peça ou da tocha durante a soldagem podem afetar o formato do cordão de solda. A maioria das soldas são feitas na posição plana. Entretanto, algumas vezes é necessário ou desejável soldar com a peça levemente inclinada para que a tocha avance em declive ou aclive. 20 So ld ag em a A rc o Su bm er so Aplicações Industriais A soldagem a arco submerso é usada em uma larga faixa de aplicações industriais. Soldas de alta qualidade, altas taxas de deposição, grande penetração e adaptação à automação tornam o processo adequado para a fabricação em larga escala, encontrando grande aplicação em estaleiros, caldeirarias de médio e grande porte, mineradoras, siderúrgicas, fábricas de perfis e estruturas metálicas. SAW vem sendo usada na fabricação de vasos de pressão, navios, vagões, tubos com costura e no revestimento ou recuperação de peças com propriedades especiais como elevada resistência ao desgaste abrasivo e tenacidade, entre outras. So ld ag em a A rc o Su bm er so Aplicações Industriais A soldagem a arco submerso é muito utilizada também na manutenção e recuperação das peças metálicas e na recuperação de cilindros de laminação e de rolos de lingotamento contínuo, cones de altos-fornos, material rodante e outras superfícies desgastadas em geral. O processo é usado para soldar peças com espessura a partir de 1,5 mm até chapas com 300mm de espessura, porém não é aplicável para todos os metais e ligas. Ele é largamente usado em aços carbono, aços estruturais de baixa liga e aços inoxidáveis e ainda alguns aços estruturais de alta resistência, aços de alto carbono e ligas de níquel. As composições de ligas que podem ser soldadas por SAW têm se expandido com a crescente disponibilidade de eletrodos e fluxos.
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