estudo da viabilidade do processo de soldagem fcaw com … · instituto de tecnologia, universidade...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECANICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECANICA

FABIO GONÇALVES DA SILVA

Estudo da Viabilidade do Processo de Soldagem FCAW com Adição de Arame Frio, Aplicado a Indústria Naval

Belém – PA

2010

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com


i

FABIO GONÇALVES DA SILVA

Estudo da Viabilidade do Processo de Soldagem FCAW com Adição de Arame Frio, Aplicado a Indústria Naval

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará. Área de concentração Materiais e Processos.

Orientador: Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga

Belém – PA

2010




ii

ERRATA E/OU FICHA CATALOGRÁFICA




iii




iv

DEDICATÓRIA

Aos meus pais, Carlos A. da Silva e Creuzelina G. Lima. A minhas irmães e sobrinha.

A minha namorada. Familiares e amigos.




v

AGRADECIMENTOS

- Primeiramente a Deus por conceder-me esta realização; - Ao Prof. Dr. Eduardo M Braga pela orientação, atenção e contribuição científica dedicada a este trabalho e pelo companheirismo e amizade; - Ao Prof. Dr. Jose L. V. Quaresma, pela contribuição técnico-científica, apoio, incentivo e pela amizade; - Aos Professores da área de Materiais e Processos do PPGEM-UFPA pelo apoio; - Aos amigos e colegas mestrandos Lino Rodrigues, Junilce Carla, Donge Arvie, Washington Luis, Emmanuele Sá, Tárcio Cabral e Luiz Paulo pelas contribuições e sugestões; - Aos alunos orientados do Prof. Eduardo Braga: Ariana Lobato, Aline Moreira, Everton, Cássia e Diogo, pela ajuda e contribuição na execução dos experimentos; - Aos colaboradores do Estaleiro Rio Maguari, pela disponibilidade e paciência na execução dos experimentos; - Aos alunos do LCAM; - Aos alunos e técnicos do GETSOLDA, por contribuírem na realização dos ensaios experimentais; - A coordenação do PPGEM-UFPA, pelo apoio; - E, finalmente, a todos aqueles que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.




vi

Deus coopera em tudo para o bem daqueles que o amam.

Romanos 8,28




vii

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo avaliar a viabilidade do processo de soldagem FCAW

com adição de arame frio aplicado a indústria naval. A utilização desta técnica

apresenta grandes vantagens comparadas ao processo FCAW convencional, e a

implantação de novas técnicas em processos produtivos impulsionam as indústrias a

serem mais competitivas relacionado a preço e qualidade de seus produtos. Neste

segmento, este trabalho tem por finalidade a avaliação da qualidade das juntas

soldadas pelas técnicas FCAW (convencional) e FCAW-CW (arame frio),

apresentando um comparativo da qualidade superficial dos cordões de solda,

estabilidade de arco, econômico, geométrico e metalúrgico (fases presentes) entre

os dois processos realizados em ambiente industrial. As soldagens foram realizadas

em chanfros “V” de chapas de aço baixo carbono estrutural (aço naval ASTM A-131

grau A), em posição plana pelo método semiautomatico. Em todas as condições de

soldagem o passe de raiz foi realizado com arame eletrodo AWS E71T-1 de 1,2 mm,

com velocidades de 8,5 m/min e gás CO2 como proteção na vazão de 15 L/min. Para

os passes de enchimento utilizou-se o mesmo arame eletrodo, porém com três

níveis de velocidade de alimentação de arame (6, 8 e 10 m/min) sem e com adição

de arame frio da classe AWS ER70S-6. Para o processo FCAW-CW foram

realizados dois procedimentos independentes, o primeiro com adição de arame frio

de 0,8 mm de diâmetro e o segundo com adição de arame frio de 1,0 mm de

diâmetro, a proporção entre as velocidades de alimentação do arame eletrodo e

velocidade de alimentação de arame frio foram as seguintes 6/2, 8/3 e 10/4 m/min.

Os resultados obtidos mostraram que em relação ao aspecto da sanidade

superficial, os cordões de solda apresentaram boa qualidade não apresentando

descontinuidades ao longo da junta. Os dados dos oscilogramos se mantiveram

coerente ao da literatura pesquisada. Nas características econômicas houve

melhorias significativas com a aplicação do arame frio comparado ao convencional,

já relacionado as características geométricas houve uma tendência de diminuição de

penetração e aumento do reforço. Quanto ao aspecto metalúrgico ocorreu a

formação de ferrita com a utilização de arame frio similar processo convencional. Palavras-chaves: Soldagem, FCAW-CW, ASTM A131.




viii

ABSTRACT

This work has for objective to evaluate the viability of the welding process FCAW with

addition of cold wire applied the naval industry. The use of this technique presents

great advantages compared to the process conventional FCAW, and the implantation

of new techniques in productive processes impelling the they industries they be more

competitive related at price and quality of your products. . In this segment this activity

has for purpose the evaluation of the quality the joint welded by technique FCAW

(conventional) and FCAW-CW (cold wire),, presenting a comparative of the

superficial quality of the strings of it welds, arch stability, economical, geometric and

metallurgical (present phases). The welding were accomplished in groove "V " of

structure steel (ASTM A-131 Grade A), in position plane by the method

semiautomatic in industry in two pass (root and finish). In all the welding conditions

the root pass was accomplished with wire electrode AWS E71T-1 of 1,2 mm, with

speeds of 8,5 m/min and gas CO2 as protection with flow of 15 L/min. For the finish

pass the wire with was used AWS E71T-1 of 1,2 mm , with three levels of feeding

speed (6, 8 and 10 m/min) without and with wire cold of the class AWS ER70S-6.

For the process FCAW-CW two independent procedures were accomplished with

addition of cold wire of 0,8 mm and 1,0 diameter mm, the proportion among the

feeding speeds was 6/2, 8/3 and 10/4 m/min. The obtained results showed that in

relation to the aspect of the superficial sanity, the strings of it welds they presented of

good quality not presenting discontinuity along the joint. The data of the oscillograma

stayed coherent to the of the researched literature. In the economical characteristics

there were significant improvements with the application of the cold wire compared to

the conventional, already related the geometric characteristics there were a tendency

of the penetration decrease and of the reinforcement increase. Regarding the

aspect metallurgical occurred ferrite formation with the usage of cold wire, similar of

conventional process

Keywords: Welding, FCAW-CW, ASTM A131.




ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Esquema representativo da soldagem a arame tubular com proteção gasosa (Braga, 1997 in Nascimento, 2005 e Mendonça, 2007)...........................................................................

28

Figura 2.2 Esquema representativo da soldagem a arame tubular autoprotegido (Correa,2006)........................................................

29

Figura 2.3 Representação esquemática do equipamento para soldagem FCAW. (Mendonça, 2007)............................................................

30

Figura 2.4 Identificação para eletrodos FCAW de aços médio carbono (ASME in Dias, 2003)....................................................................

33

Figura 2.5 Identificação para eletrodos FCAW de aços baixa liga (ASME in Dias, 2003)...................................................................................

33

Figura 2.6 Geometria de seções transversais típicas de arames tubulares (Dias, 2004)...................................................................................

35

Figura 2.7 Efeito da inclinação do eletrodo (Sábio, 2007)............................ 36 Figura 2.8 Ângulo de posicionamento da tocha (Barra, 2003)..................... 36 Figura 2.9 Extensão do eletrodo e taxa de deposição (Fortes, 2004).......... 38 Figura 2.10 Representação esquemática dos principais modos de

transferência (Barra, 2003)............................................................ 41 Figura 2.11 Formas típicas de transferência na soldagem com arames

tubulares. Arames: (a) "metal cored", (b) rutílico, (c) básico e (d) auto-protegido. (Modenesi, 2009)............................................. 42

Figura 2.12 . Representação esquemática do processo MIG/MAG duplo arame. (Groetelaars, 2005)........................................................... 44

Figura 2.13 (a) e (b) disposições em paralelo, (c) e (d) disposições em série. (Groetelaars, 2005 e Scotti, 2008)................................................ 45

Figura 2.14 Representação esquemática do sistema com potencial único (Motta, 2002)................................................................................. 46

Figura 2.15 (a)Tocha de potencial único (modelo fabricado pela Abicor-Binzel); (b) detalhes do bocal/bico de contato (Groetelaars, 2005)............................................................................................. 46

Figura 2.16 Representação esquemática dos sistemas com duplo arame com potenciais isolados (Motta, 2002)....................................... 47

Figura 2.17 Tochas de potencial isolado: a primeira é integrada, com arames inclinados (modelo fabricado pela Closs); a outra apresenta detalhes do bocal/bico de contato da tocha “c”. (Groetelaars, 2005)....................................................................... 48

Figura 2.18 Modelo esquemático do 1º protótipo para soldagem arame frio (Bacelar e Ferraz, 2005)................................................................ 51

Figura 2.19 Disposição da alimentação de arame.(Bacelar& Ferraz,.............. 53 Figura 2.20 Protótipo do 2º suporte de alimentação de arame frio. (Sábio,

2007)............................................................................................. 53 Figura 2.21 2º suporte de alimentação de arame frio desenvolvido para o

modo automatizado com controle de ângulo (Sábio, 2007).......... 54 Figura 2.22 3º Suporte de alimentação de arame frio (a) protótipo, (b) modo

automatizado e (c) modo semiautomatizado. (GETSOLDA)......... 55 Figura 2.23 Esquema do perfil geométrico do cordão de solda....................... 60 Figura 2.24 Esquema representativo da diluição medida na seção

transversal da solda (Figueiredo, 2005)........................................ 61




x Figura 2.25 Resumo da seqüência do ensaio de LP (Andreucci, 2006)......... 62 Figura 2.26 Representação esquemática de constituintes microestruturais

(Nascimento, 2005)....................................................................... 66 Figura 2.27 Microestrutura do metal depositado com indicação dos

diferentes constituintes (MO) (Modenesi, 2004 e Nascimento, 2005). ........................................................................................... 69

Figura 3.1 Esquema representativo da peça nas dimensões 9.8 mm, 150

mm e 300 mm (E x L x C) a formar a junta a ser soldada, conforme foi doado pelo Estaleiro................................................. 73

Figura 3.2 Pistola de soldagem com o sistema auxiliar de alimentação de arame não energizado acoplado................................................... 75

Figura 3.3 Protótipo do suporte auxiliar de alimentação de arame não-energizado. a) Montado e pronto a ser adaptado; b) Desmontado em peças.................................................................. 76

Figura 3.4 Suporte de Alivio de tensões......................................................... 77 Figura 3.5 Representação esquemática do corpo de prova (duas peças)

nas medidas de 300 x 300 x 9,5 mm; no detalhe o diâmetro, o ângulo de bisel de 22,5º e abertura de fresta de 3.0 mm.............. 83

Figura 3.6 Esquema representativo da abertura de raiz otimizada, de 3.0 para 2.4 mm, para o passes de raiz sem o passe no reverso do cordão............................................................................................ 85

Figura 3.7 Aplicação em campo da técnica de soldagem FCAW-CW com adição de arame frio, caracterizando o modo semiautomatico. a) soldador no momento do passe de enchimento; b) detalhe da tocha com o suporte guia de alimentação do arame frio............... 86

Figura 3.8 Esquema do corte para obtenção das amostras........................... 93 Figura 3.9 Esquema do perfil geométrico do cordão de solda....................... 94 Figura 3.10 Representação esquemática da analise geométrica e dos

pontos para a analise micrografica.............................................. 95 Figura 4.1 Desenho esquemático do processo de soldagem com adição de

arame frio. Apresentando a técnica de soldagem no sentido empurrando, com arame não energizado disposto e introduzido a frente da poça de fusão.............................................................. 98

Figura 4.2 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW convencional, com velocidade de alimentação de arame de 6 m/min ou V6.................................................................................. 99

Figura 4.3 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW convencional, com velocidade de alimentação de arame de 8 m/min ou V8.................................................................................. 99

Figura 4.4 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW convencional, com velocidade de alimentação de arame de 10 m/min ou V10................................................................................

100

Figura 4.5 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com adição de arame frio de 0.8 de diametro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/frio igual a 6/2 m/min............

101

Figura 4.6 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com adição de arame frio de 0.8 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/ frio igual a 8/3 m/min...........

101




xi Figura 4.7 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW

com adição de arame frio de 0.8 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/ frio igual a 10/4 m/min........

101

Figura 4.8 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/ frio igual a 6/2.5 m/min.......

102

Figura 4.9 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/ frio igual a 8/3 m/min..........

102

Figura 4.10 Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames eletrodo/ frio igual a 10/4 m/min........

102

Figura 4.11 Aspecto superficial do cordão de solda no reverso. Passe de raiz com arame tubular de 1.2 mm de diâmetro, com velocidade de alimentação de 8,5 m/min........................................................

103

Figura 4.12 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW com velocidade de alimentação de arame de 6 m/min...... 104

Figura 4.13 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW com velocidade de alimentação de arame de 8 m/min...... 104

Figura 4.14 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW com velocidade de alimentação de arame de 10 m/min...

104

Figura 4.15 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 0.8 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 6/2 m/min...........

105

Figura 4.16 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 0.8 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 8/3 m/min...........

105

Figura 4.17 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 0.8 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 10/4 m/min........

105

Figura 4.18 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 6/2.5 m/min.......

106

Figura 4.19 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 8/3 m/min..........

106

Figura 4.20 Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-CW com adição de arame frio de 1.0 mm de diâmetro, com velocidades de alimentação de arames de 10/4 m/min........

106

Figura 4.21 Qualidade superficial no reverso dos cordões depositados pelo passe de raiz. Realizado com o processo FCAW com o mesmo arame eletrodo, e velocidades de alimentação de 8.5 m/min.......

107

Figura 4.22 Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW a 6 m/min a velocidade de alimentação de arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo.........................................

109


110


111




xii Figura 4.25 Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW

(diametro do arame frio de 0.8 mm) e 6 m/min a velocidade de alimentação de arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo..............................................................................

113

Figura 4.26 Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW (diametro do arame frio de 0.8 mm) e 8 m/min a velocidade de alimentação de arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo..............................................................................

114


115


116


117


118

Figura 4.31 Representação gráfica do comportamento da (A) corrente média e (B) tensão média, para os processos FCAW e FCAW-CW com arame frio de 0.8 e 1.0 mm de diâmetro.......................................

120

Figura 4.32 Efeito da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a taxa de deposição. Soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm).....................................................................

124

Figura 4.33 Efeito da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a taxa de fusão. Soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm).................................................................................

125

Figura 4.34 Efeito dos parâmetros operacionais sobre o rendimento. Soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm)..

126

Figura 4.35 Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre o Largura média..................................................................

128

Figura 4.36 Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre o Reforço médio.................................................................

129

Figura 4.37 Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a Penetração Lateral média................................................

129

Figura 4.38 Gráfico representativo da diluição média obtida dos processos de soldagem.................................................................................. 130

Figura 4.39 Resultados das analises geométricas no processo FCAW, nos três níveis de velocidade...............................................................

131

Figura 4.40 Resultados das analises geométricas no processo FCAW-CW (0.8), nos três níveis de velocidade (V6/2.5, V8/3 e V10/4)..........

132

Figura 4.41 Resultados das analises geométricas no processo FCAW-CW (1.0), nos três níveis de velocidade (V6/2, V8/4 e V10/4)............. 133

Figura 4.42 Secções transversais dos cordões de solda dos processos de soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 e 1.0 mm), nos três níveis de velocidade..................................................................................... 134




xiii Figura 4.43 Micrografia do metal de base ASTM A131 Grau A,

apresentando grãos equiaxias de Ferrita (F) orientados em bandas, com ilhas de Perlita (P) de cor escura. Ataque nital 2%. 137

Figura 4.44 Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 6 m/min: Agregados de Ferrita e Carbetos (FC), Ferrita Acircular (AF) e Ferrita Primária (PF). Ataque nital 2%...........................................

139

Figura 4.45 Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 8 m/min: Ferrita Acircular (AF), Ferrita Poligonal (PG) e Agregados de Ferrita e Carbetos (FC). Ataque nital 2%......................................

140

Figura 4.46 Micrografia do cordão de solda do processo FCAW-CW(1.0) em 6 m/min: Ferrita de Segunda Fase (FS), Ferrita Poligonal (PG(I)) e Ferrita Acircular (AF). Ataque nital 2%....................................... 141

Figura 4.47 Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 8 m/min: Ferrita Poligonal (PG) e Ferrita Acircular (AF). Ataque nital 2%. 143




xiv

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Processos de soldagem por Fusão............................................. 27 Tabela 2.2 Vantagens, limitações e aplicações da soldagem FCAW........... 30 Tabela 2.3 Alguns exemplos de classificação usual dos aços...................... 56 Tabela 2.4 Algumas classificações realizadas pela ASTM ......................... 56 Tabela 2.5 Constituintes da zona fundida de aços ferriticos observados ao

microscópio ótico, segundo o sistema IIW (in Modenesi, 2004). 65 Tabela 3.1 Composição química do arame tubular E71T-1.......................... 70 Tabela 3.2 Composição química do arame maciço ER70S-6....................... 71 Tabela 3.3 Composição química do aço ASTM A-131 Grau A, fornecido

pelo estaleiro, realizada pela COPALA SA................................. 72 Tabela 3.4 Planejamento experimental dos ensaios..................................... 81 Tabela 3.5 Parâmetros variáveis dos processos de soldagem FCAW e

FCAW-CW................................................................................... 82 Tabela 3.6 Parâmetros operacionais do passe de raiz................................. 84 Tabela 3.7 Densidade linear dos arames utilizados...................................... 91 Tabela 4.1 Parâmetros variáveis retificados dos processos de soldagem 98 Tabela 4.2 Parâmetros de soldagem obtidos de Im e Um............................ 108 Tabela 4.3 Resultado das características econômicas. Soldagem FCAW,

FCAW-CW(0.8 mm) e FCAW-CW(1.0 mm)................................ 122 Tabela 4.4 Resultados das características geométricas............................... 127 Tabela 4.5 Composição Química Determinada para o Aço ASTM A 131..... 136

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 2.1 Carbono Equivalente ................................................................ 57 Equação 2.2 Diluição ..................................................................................... 62 Equação 3.1 Taxa de Fusão .......................................................................... 89 Equação 3.2 Taxa de Deposição ................................................................... 90 Equação 3.3 Rendimento .............................................................................. 90 Equação 3.4 Taxa de Fusão Modificada ....................................................... 91 Equação 3.5 Taxa de Deposição Modificada ................................................ 92




xv

SIMBOLOGIA

% _ Percentual “Tander Wire” _ Tocha de soldagem com a potencial único “Twin Wire” _ Tocha de soldagem com potencial isolado A _ Ampere AE _ Arame-eletrodo Ar _ Argônio Ar+CO2 _ Mistura Argônio dióxido de carbono Ar-He _ Mistura Argônio-Hélio AWS _ “American Welding Society” b _ Largura do cordão C _ Carbono CC+_ Corrente contínua com o eletrodo no pólo positivo CO2 _ Dióxido de carbono DAPI _ Duplo arame com potencial isolado DAPU _ Duplo arame com potencial único DBCP _ Distância bico de contato peça et al _ Et alili (e outros) FCAW _ “Flux Cored Arc Welding” FCAW-CW (0.8) _ Flux Cored Arc Welding – Cool Wire (com

arame frio de 0.8 mm de diâmetro) FCAW-CW (1.0) _ Flux Cored Arc Welding – Cool Wire (com

arame frio de 1.0 mm de diâmetro) FCAW-CW _ Flux Cored Arc Welding – Cool Wire He _ Hélio I _ Intensidade de corrente IIW _ “International Institute of Welding” Im _ Intensidade média de corrente KHz _ Freqüência l _ Comprimento do arame consumido L/min _ Vazão de gás l0 _ Comprimento do arco l1 _ Comprimento linear do arame-eletrodo l2 _ Comprimento linear do arame-frio MA _ metal de Adição MAG _ “Metal Active Gas” MAG-CW _ “Metal Active Gas – Cold Wire” MB_ metal de base mf _ Massa final da junta depois da soldagem mi _ Massa inicial da junta antes da soldagem Mn _ Manganês ms _ Milisegundos O _ Oxigênio O2 _ Gás oxigênio P _ Fósforo PL _ Penetração Lateral posição longitudinal ao sentido de deslocamento da tocha R _ Reforço do cordão




xvi

R% _ Rendimento do processo S _ Enxofre s _ Segundos Si _ Silício t _ Tempo t1 _ Tempo do arame-eletrodo t2 _ Tempo do arame frio TD _ Taxa de deposição TF _ Taxa de fusão tm _ Tempo médio de soldagem dos arames tmax _ Tempo máximo de reabertura do arco tmin _ Tempo mínimo de curto-circuito U _ Tensão Un _ Tensão no vale ou tensão de curto-circuito Un+1 _ Tensão de no pico (reignição do arco) Un-1 _ Tensão de início de formação da gota, Ur _ Tensão de referência Us _ Tensão de soldagem V _ Velocidade V0 _ Tensão em vazio (U0) ZAC_ Zona afetada pelo calor ZTA _ Zona termicamente afetada δ _ Diluição Δt _ Variação de tempo de curto-circuito ΔU _ Variação de tensão I_ Índice de significância ρ1 _ Densidade linear do arame-eletrodo ρ2 _ Densidade linear do arame frio ρ_ Densidade linear do arame consumível




xvii

SUMÁRIO

RESUMO vii ABSTRACT viii LISTA DE FIGURAS ix LISTA DE TABELAS xiv LISTA DE EQUAÇÕES xiv SIMBOLOGIA xv 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 20 1.1 Justificativa.................................................................................................... 22

1.2 Objetivos ....................................................................................................... 23 1.2.1 Objetivos Gerais ........................................................................................ 23 1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 23

2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA.............................................................................. 24 2.1 Introdução....................................................................................................... 24 2.2 Considerações sobre Soldagem.................................................................. 25 2.3 Considerações sobre o Processo Arame Tubular (FCAW)........................ 28

2.3.1 Metal de Adição........................................................................................... 30 2.3.1.1 Designação de arames tubulares para soldagem com proteção gasosa.................................................................................................................. 32 2.3.2 Características Operacionais e Econômicas........................................... 34

2.3.2.1 Influência da inclinação da pistola......................................................... 35 2.3.2.2 Extensão do Eletrodo.............................................................................. 37 2.3.2.3 Tensão e Corrente.................................................................................... 38 2.3.2.4 Velocidade de Soldagem......................................................................... 39 2.3.3 Gás de Proteção......................................................................................... 39 2.3.4 Modos de transferência metálica............................................................. 41 2.3.4.1 Transferência metálica no processo FCAW......................................... 42 2.4 Processo de Soldagem MIG/MAG Duplo Arame........................................ 43 2.4.1 Características do processo Duplo Arame.............................................. 43

2.4.2 Vantagens e Limitações.............................................................................. 48 2.5 Processo de Soldagem com Adição de Arame Frio................................... 50 2.5.1 Características do Processo Arame Frio.................................................. 51 2.5.2 Sistema de Alimentação de Arame Frio.................................................... 52




xviii 2.6 Soldabilidade e Microestruturas dos Aços Estruturais.............................. 55 2.6.1 Classificação dos aços .............................................................................. 55 2.6.1.1 Influencia dos elementos de ligas......................................................... 57 2.6.1.2 Aços Carbono e de Baixa Liga............................................................... 57

2.7 Características Econômicas.......................................................................... 58 2.8 Ensaios Não Destrutíveis (END).................................................................. 59 2.8.1 Ensaio de Sanidade do cordão de solda.................................................. 59 2.8.2 Ensaio por Líquidos Penetrantes.............................................................. 60

2.9 Caracteristicas Geometricas......................................................................... 61 2.10 Caracterização Microestrutural................................................................... 63 2.9.1 Microestrutura da Zona Fundida do Aço Baixo Carbono e Baixa liga... 63 3. MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................. 70 3.1 Materiais Utilizados....................................................................................... 70 3.1.1 Consumíveis................................................................................................ 70 3.1.1.1 Arame Eletrodo......................................................................................... 70

3.1.1.2 Arame Frio ou Não-Energizado.............................................................. 71 3.1.1.3 Gás de Proteção....................................................................................... 71 3.1.2 Metal de Base............................................................................................... 72 3.2 Equipamentos Utilizados............................................................................... 73

3.2.1 Bancada de Soldagem ............................................................................... 73 3.2.1.1 Central de Soldagem Múltiplos Processos............................................ 74 3.2.1.2 Sistema de Alimentação de Arame Eletrodo......................................... 74 3.2.1.3 Sistema de Alimentação de Arame Frio................................................. 75 3.2.1.4 Pistola de Soldagem com Suporte Auxiliar de Alimentação de Arame Frio............................................................................................................. 75 3.2.1.5 Balança Digital.......................................................................................... 76 3.2.1.6 Suporte de Atracação.............................................................................. 77 3.2.1.7 Sistema de Aquisição e Processamento de Dados.............................. 77 3.2.1.8 Material para Ensaio de Liquido Penetrante.......................................... 78 3.2.1.9 Equipamentos para ensaios metalográficos ........................................ 78 3.2.1.9.1 Serra de fita............................................................................................ 79 3.2.1.9.2 Embutimento dos Corpos de Prova.................................................... 79

3.2.1.9.3 Lixadeira/Politriz.................................................................................... 79




xix 3.2.1.9.4 Sistema de aquisição óptico computadorizado – Analisador de imagens................................................................................................................. 80 3.3 Planejamento Experimental ......................................................................... 80 3.3.1 Metodologia Experimental ......................................................................... 82

3.3.1.1 Ensaios preliminares............................................................................... 84 3.3.1.2 Ensaios experimentais............................................................................ 85 3.3.1.3 Sanidade Superficial................................................................................ 87 3.3.1.3.1 Aspecto superficial do metal depositado........................................... 87

3.3.1.3.2 Ensaio por Líquidos Penetrantes ....................................................... 87 3.3.1.4 Estabilidade de Arco ............................................................................... 88 3.3.1.5 Características Econômicas................................................................... 89 3.3.1.5.1 Equações convencionais..................................................................... 89 3.3.1.5.2 Equações modificadas......................................................................... 90 3.3.1.6 Obtenção das amostras .......................................................................... 92 3.3.1.7 Características Geométricas da Solda................................................... 93 3.3.1.8 Características Químicas......................................................................... 94

3.3.1.9 Características Metalúrgicas .................................................................. 95 3.3.1.9.1 Macrografia e Micrografia..................................................................... 95 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................................... 97

4.1 Resultados dos Ensaios Preliminares ........................................................ 97 4.2 Resultados dos Ensaios de Sanidade Superficial...................................... 99 4.2.1 Ensaio Visual............................................................................................... 99 4.2.2 Ensaio por Liquido Penetrante................................................................ 103 4.3 Resultados da Características da Estabilidade de Arco.......................... 107 4.4 Resultado das Características Econômicas.............................................. 121 4.5 Resultado das Características Geométricas............................................. 127 4.6 Resultados das Analises Químicas............................................................ 135 4.7 Resultados das Características Metalúrgicas (Fases presentes)........... 136

5. CONCLUSÃO.................................................................................................. 144 5.1 Sugestões para Trabalhos Futuros............................................................ 145

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS................................................................ 146 7. AGRADECIMENTOS....................................................................................... 151




20 1. INTRODUÇÃO

Atualmente, a tecnologia de construção de embarcações apresenta-se em um

estágio bastante avançado. Não somente em termos de desenvolvimento de

materiais mais apropriados para a indústria naval, mas também em relação ao

estudo de novos processos de fabricação capazes de aumentar a produtividade e

reduzir os custos de produção. Portanto, a indústria naval moderna apresenta hoje

uma grande variedade de materiais, desde os mais comuns destinados às

aplicações tradicionais até os especiais, altamente ligados, para satisfazer as

condições particulares de cada projeto.

A soldagem é quem dita a velocidade de um projeto naval e de dutos. 70% do

mercado ainda utilizam sistemas manuais para soldar. No entanto, o aumento dos

projetos faz com que haja uma redução nos prazos de entrega e embora os

sistemas semi-automáticos sejam os mais usados, os mecanizados tem uma forte

tendência para o futuro. Os processos de soldagem mais comuns são eletrodos

revestidos, MIG/MAG, arame tubular e TIG (em situações especiais, nas

tubulações). O setor naval da mesma forma que outras indústrias continuam

procurando por sistemas mais produtivos e mais rápidos. Existem alguns sistemas

de mecanização e automação de soldagem para a indústria naval que melhora a

produtividade. Trata-se de uma série de processos, onde são estudadas as

melhores formas de montagem, a seqüência mais adequada de fabricação e a união

dos diversos processos para diminuir o tempo de construção, os custos, melhorar o

desempenho e a produtividade. Na indústria naval a solda representa 2% do peso

total de um navio, composto por consumíveis de soldagem (arames, eletrodos e

fluxos).

A técnica FCAW-CW, consiste da utilização do processo FCAW com a

introdução de um arame frio, na atmosfera do arco voltaico cuja energia calorífica

gerada na ponta do arame em decomposição, arame mestre, provoca a fusão e

também a decomposição do arame frio que se mistura, em coalescimento, ao metal

fundido do arame mestre e a poça de fusão na geração do metal de solda.




21

Neste trabalho, o processo de soldagem com adição de arame frio foi utilizado

em ambiente fabril, simulando uma condição comum aplicada à junta soldada em

comparativo ao processo convencional.

Para os experimentos, as variáveis de entrada são: as velocidades de

alimentação de arame em três níveis e o diâmetro do arame em dois níveis,

conforme trabalhado por Barrozo (2006); como variáveis de resposta obteve-se a

sanidade superficial, o estudo dos oscilogramas de tensão e corrente, as

características econômicas, as características geométricas e as características

metalúrgicas.

Os resultados demonstraram que em determinadas condições, o novo

processo de soldagem, apresentou aumento significativo nas características

econômicas em relação ao modo convencional. As características inovadoras das

soldagens FCAW-CW se apresentam como uma alternativa ao aumento da

produtividade de empresas que utilizam a soldagem para união e revestimentos de

materiais de engenharia.




22 1.1 JUSTIFICATIVA

A demanda de novas técnicas de construção naval apresenta grandes

possibilidades de serem absorvidos diante das tendências do desenvolvimento

nacional e da região Amazônica. A Amazônia é uma região impressionante e

fascinante pelas suas peculiaridades singulares em nosso planeta. Para se

contrapor ao desafio da educação superior em Engenharia Mecânica e Naval nesta

região, a nova técnica de soldagem proposta neste projeto tem como présupostos

procurar melhorar, aperfeiçoar e pesquisar novas técnicas para o processo de

construção naval na Amazônia.

A construção naval na Amazônia se caracteriza pela utilização, ao longo do

tempo, das técnicas e da criatividade dos construtores navais regionais, cujo

conhecimento tem sido transferido sem a participação efetiva da comunidade

científica, o que tem ocasionado perda de conhecimento e defasagem tecnológica. A

carência de informações relativas à navegação amazônica, consolidadas e

atualizadas, tem dificultado o poder público em elaborar políticas compatíveis com

as necessidades regionais. As tentativas de se estabelecerem novos conceitos para

as embarcações fluviais do futuro tais como o casco metálico obrigatório para

embarcações acima de determinado porte, têm redundado na adoção de projetos

elaborados sem o devido aprofundamento quanto às condições locais de operação,

o que pode vir a representar riscos à segurança, ao conforto e às condições de

navegabilidade e manobrabilidade. Destarte, a pesquisa de novos processos de

soldagem para melhoria de qualidade de fabricação de embarcações se propõe a

fornecer informações para nortear a produção de embarcações que atendam aos

padrões técnicos, econômicos, sociais e ecológicos, ou seja, segurança estrutural,

viabilidade econômica de construção, operação e manutenção. O projeto busca,

ainda, aproximar o empresariado local e a academia regional, fornecer aos

proprietários de embarcações e estaleiros melhor produtividade de processos de

soldagem que possibilitarão melhor qualidade técnica e economicidade, num esforço

para a melhoria das técnicas de construção naval da região.




23 1. 2 OBJETIVOS

Este trabalho faz parte de um projeto de pesquisa em desenvolvimento pelo

Laboratório de Controle e Análise Metalúrgica (LCAM) e Grupo de Estudos em

Tecnologia de Soldagem (GETSOLDA) da UFPA, que investiga a viabilidade

operacional da soldagem arame tubular com adição de arame frio (FCAW–CW).

Este estudo, apresenta os seguintes objetivos.

1. 2. 1 Objetivo Geral:

Desenvolver técnicas alternativas a soldagem de ligas metálicas para a

aplicação na fabricação e manutenção de produtos na indústria naval visando

garantir uma maior produtividade com melhoria da relação custo/benefício,

assegurando na junta soldada a continuidade das propriedades físicas e químicas.

1. 2. 2 Objetivos Específicos:

- Dominar a técnica de soldagem FCAW-CW com adição de arame frio.

- Estabelecer parâmetros operacionais para as soldagens.

- Estudar os efeitos das variáveis envolvidas no processo, tais como natureza

do metal de adição e sua composição química, e espessura dos passes e variação

da velocidade de soldagem;

- Avaliar o desempenho econômico, geométrico e metalúrgico (fases

presentes) e químico das soldas depositadas pelo método.

- Criar uma base de dados sobre as melhores condições de soldagem

associadas à possibilidade de relevantes aplicações industriais.




24 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA

2.1 Introdução

Tendências de inovações tecnológicas aplicadas ao setor de processos de

fabricação e materiais voltadas as industrias tornam-se cada vez mais evidentes ao

propor modificações a processos produtivos já consolidados, garantindo maior

produtividade com qualidade. Nesse seguimento os processos de soldagem ganham

maiores atenções ao proporcionar essas evoluções aos seus métodos e criação de

novas técnicas voltadas ao setor produtivo.

Em tempos mais remotos, quando não existiam materiais adequados e

técnicas de junção eficazes, muitos estaleiros já utilizavam a soldagem na

construção de navios e embarcações.

Atualmente, a tecnologia de construção de embarcações apresenta-se em um

estágio bastante avançado. A experiência adquirida ao longo dos anos permitiu que

as necessidades técnicas para a superação dos problemas fossem definidas e as

soluções para suprir tais necessidades fossem encontradas. Não somente em

termos de desenvolvimento de materiais mais apropriados para a indústria naval,

mas também em relação ao estudo de novos processos de fabricação capazes de

aumentar a produtividade e reduzir os custos de produção.

Em discussão aos vários processos de soldagem, Bracarense (2000), afirma

que a soldagem com Arame Tubular (FCAW) possui inúmeras semelhanças com

relação ao processo MIG/MAG (GMAW) no que diz respeito aos equipamentos e

princípios de funcionamento. Este fato lhe permite compartilhar o alto fator de

trabalho e taxa de deposição característicos da soldagem GMAW. Por outro lado,

através da soldagem FCAW é possível obter a alta versatilidade da soldagem com

eletrodos revestidos no ajuste de composição química e facilidade de trabalho em

campo.




25

Com a demanda pelo aumento da produtividade num mercado cada vez mais

competitivo, o processo MIG/MAG convencional começa a não atender mais

plenamente às necessidades das indústrias no que se diz respeitos à produtividade;

procuram-se taxas de deposição mais elevadas, possibilitando a redução do tempo

de soldagem e, conseqüentemente, custos globais e a necessidade de inovações

aos processos já consolidados nas linhas de produção (Groetelaars, 2005 e Scotti &

Ponomarev, 2008, p.237).

A proposta da soldagem FCAW/GMAW com adição de um arame frio se

estabelece como uma alternativa técnica e econômica em relação a soldagem MAG

e FCAW convencional e MAG com duplo arame. Esta nova versão da soldagem na

produção industrial utiliza o equipamento convencional MIG/MAG, mesmo usado

para o FCAW com proteção gasosa, com um sistema extra de alimentação de

arame, no auxilio da inclusão do arame frio conjugado a tocha de soldagem. Utiliza

somente um sistema de proteção gasosa, enquanto que a energia elétrica fornecida

ao cabeçote auxiliar de alimentação do arame seja proveniente da fonte de energia

a qual o mesmo esta conectado.

2.2 Considerações sobre Soldagem

A soldagem é o mais importante processo de união de materiais utilizados

industrialmente. Este método de união tem importante aplicação desde a indústria

microeletrônica até a fabricação de navios e outras estruturas com centenas ou

milhares de toneladas (Marques, 2007). Quites (1979) conceituou a soldagem

baseado nos processos existentes na época, por fusão, como: “Operação que visa à

união de duas ou mais peças, assegurando na junta, a continuidade das

propriedades, químicas e físicas”. Entretanto, com o avanço dos métodos de uniões

de vários tipos de materiais, Marques (2007) apresenta uma definição mais

abrangente para soldagem baseado no tipo de forças responsáveis pala união:

“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”.




26

No intuito de unir, revestir e/ou produzir materiais, desenvolveu-se diversos

processos de soldagem, entre os quais estão os por fusão com as seguintes

características e aplicações, apresentados na Tabela 2.1, a seguir, na qual

apresenta os processos de soldagem fortemente ligados a indústria do aço.

(Modenesi, 2006).




27

Tabela 2.1 – Processos de soldagem por Fusão.

PROCESSO CARACTERISTICA APLICAÇÕES Soldagem por Eletro-escória

Automática/mecanizada. Junta na vertical. Alimentação de arame mecanicamente na poça de fusão. Não existe arco

Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, espessura ≥ 50 mm. Soldagem de peças de grande espessura, eixos etc.

Soldagem ao Arco Submerso

Automática/mecanizada ou semi automática. O arco arde sob uma camada de fluxo granular

Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. Espessura ≥ 10 mm. Posição plana ou horizontal de peças estruturais, tanques, vasos de pressão, etc.

Soldagem com Eletrodos Revestidos

Manual. Vareta metálica recoberta por camada de fluxo

Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro, metais preciosos, reativos e de baixo ponto de fusão. Usado na soldagem em geral.

Soldagem com Arame Tubular

O fluxo está contido dentro de um arame tubular de pequeno diâmetro. Auto ou semi-automático

Soldagem de aços carbono com espessura ≥ 1 mm. Soldagem de chapas

Soldagem MIG/MAG

Automática/mecanizada. ou semi-automática. O arame é sólido

Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga, não ferrosos, com espessura ≥ 1 mm. Soldagem de tubos, chapas, etc. Qualquer posição

Soldagem a Plasma

Manual ou automática. O arame é adicionado separadamente. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arco é constrito por um bocal

Todos os metais importantes em engenharia, exceto Zn, Be e suas ligas, com espessura de até 1,5 mm. Passes de raiz

Soldagem TIG

Manual ou automática. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arame é adicionado separadamente.

Soldagem de todos os metais, exceto Zn, Be e suas ligas, espessura entre 1 e 6 mm. Soldagem de não ferrosos e aços inox. Passe de raiz de soldas em tubulações

Soldagem por Feixe Eletrônico

Soldagem automática. Não há transferência de metal. Feixe de elétrons focalizado em um pequeno ponto.

Soldagem de todos os metais, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização excessiva, a partir de 25 mm de espessura.

Soldagem a Laser

Como acima Corte de materiais não metálicos

Soldagem a Gás

Manual. Arame adicionado separadamente

Soldagem manual de aço carbono, Cu, Al, Zn, Pb e bronze. Soldagem de chapas finas e tubos de pequeno diâmetro

Fonte: Modenesi (2006) e Marques (2007).




28 2.3 Considerações sobre o Processo Arame Tubular (FCAW)

Na soldagem ao arco voltaico com Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding -

FCAW) a coalescência dos metais na zona fundida é obtida pelo aquecimento e

fusão do metal de adição na forma de eletrodo tubular contínuo e do metal de base

no local de deposição (Modenesi e Marques, 2006 in Mendonça, 2007).

Existem duas variações básicas do processo arame tubular: numa a proteção

é gerada pelo próprio fluxo contido no eletrodo (soldagem com arame tubular

autoprotegido) e outra onde a proteção é complementada por uma nuvem de gás

externo, geralmente o CO2. Variações essas discutidas a seguir. (Mendonça, 2007).

No processo de soldagem com Arame Tubular autoprotegido, somente a

escória, os elementos desoxidantes e desnitretantes e os gases produzidos pela

decomposição do seu recheio protegem o metal de solda da ação da atmosfera

(principalmente O2

e N2). Outro método utiliza além do fluxo interno ao arame, um

gás de proteção adicional, geralmente o CO2

puro, ou misturas desse gás com

argônio. A Figura 2.1, a seguir, representa esquematicamente a soldagem com

arame tubular com proteção gasosa, apresentando os elementos presentes durante

a abertura de arco, fusão e transferência metálica (Nascimento, 2005).

Figura 2.1 - Esquema representativo da soldagem a arame tubular com proteção

gasosa (Braga, 1997 in Nascimento, 2005 e Mendonça, 2007).




29

O equipamento necessário para a soldagem com arame tubular autoprotegido

é mais simples, necessitando apenas de uma fonte de energia e de um adequado

sistema de alimentação de arame. Dispensa o armazenamento e a alimentação

externa de gás e os reguladores de pressão. Já na soldagem que utiliza proteção

auxiliar de gás, a tocha é mais robusta, necessitando de um bocal para o

direcionamento do gás, que reduz a visibilidade do soldador à poça de fusão

(Nascimento, 2005). A Figura 2.2 representa esquematicamente a soldagem com

arame tubular autoprotegido, assim como os elementos presentes durante a

abertura do arco, fusão e transferência metálica. (Correa, 2006).

Figura 2.2 - Esquema representativo da soldagem a arame tubular

autoprotegido (Correa, 2006).

A fonte de energia geralmente empregada a esse processo, FCAW, tem

característica de tensão constante (plana), a qual permite a estabilização do

comprimento do arco através de um controle chamado autoajustagem. Em ambas as

formas, o processo é normalmente operado na forma semiautomática, utilizando

basicamente o mesmo equipamento do processo GMAW, a Figura 2.3 apresenta o

equipamento de soldagem a arame tubular com proteção gasosa similar ao usado

para soldagem GMAW. Na Tabela 2 observam-se as vantagens, limitações e

principais aplicações do processo de soldagem FCAW, no qual pode ser realizado

um comparativo com outros processos a fim de avaliar a relação custo-benefício

para a eventual aplicação. (Modenesi, 2006).




30

Figura 2.3 - Representação esquemática do equipamento para soldagem

FCAW. (Mendonça, 2007).

Tabela 2.2 - Vantagens, limitações e aplicações da soldagem FCAW.

Vantagens e limitações Aplicações Elevada produtividade e eficiência. Soldagem de aços carbono, baixa e alta

liga. Soldagem em todas as posições. Soldagem de fabricação e de

manutenção. Custo relativamente baixo. Soldagem de partes de veículos. Produz soldas de boa qualidade e aparência.

Soldagem de montagem no campo.

Equipamento relativamente caro. Pode gerar elevada quantidade de fumos

Necessita limpeza após soldagem. Fonte: Modenesi, 2006.

2.3.1 Metal de Adição

Segundo Barrozo (2006), os arames tubulares podem ser classificados em

três (03) tipos segundo o fluxo fusível interno que apresentam: rutílico, básico e

metálico.




31

O fluxo do tipo rutílico é mais comumente utilizado no processo FCAW devido

à facilidade de formação da gota. Além disso, possibilita a soldagem fora de posição

devido à formação de escória com uma composição que inicia a solidificação em

temperaturas altas, permitindo um bom suporte para a sustentação da poça de fusão

(Dias, 2003, Nascimento, 2005).

Para French e Bosworth (1995), os arames com fluxo do tipo básico são

utilizados quando elevadas propriedades mecânicas do metal de solda com baixo

níveis de hidrogênio são requeridos. Uma grande desvantagem destes arames é o

seu baixo desempenho operacional. Comparados com o arame de fluxo rutílico, eles

têm um arco mais instável, com altos níveis de salpicagem. Mesmo em pequenos

diâmetros, os arames de fluxo básico não são satisfatórios para a soldagem fora de

posição, porque em baixas correntes de soldagem, necessárias para a soldagem

fora de posição, a transferência metálica ocorre em grandes gotas, as quais

dependem da força da gravidade para uma satisfatória formação. Além disso, no

estado líquido a escória básica não garante um suporte adequado de sustentação

para a poça de fusão como o da escória líquida produzida pelo arame rutílico.

Os arames com recheio metálico fornecem uma alta taxa de deposição e

baixíssima formação de escória. Eles normalmente operam usando proteção gasosa

rica em argônio e em densidades de corrente e de tensão que facilitem a

transferência metálica no tipo spray. Correntes de soldagem para estes arames, são

então, usualmente de altos valores. Em baixas correntes o metal é transferido em

grandes gotas e, como resultado, a capacidade de soldagem fora de posição fica

comprometida. (Dias, 2003, Nascimento, 2005).

Esta descrição das características destes arames ilustra que, enquanto o

arame de fluxo rutílico oferece fácil operacionalidade para a soldagem em todas as

posições, os arames de fluxo básico e com recheio metálico oferecem vantagens

potenciais em termos de propriedade mecânica da solda, níveis de hidrogênio

difusível, taxa de deposição e eficiência. As principais desvantagens do arame com

fluxo básico e com recheio metálico são a restrita faixa de corrente na qual eles

operam satisfatoriamente e sua inadequação para o uso em soldagem fora de

posição.

Segundo Fortes (2006) e Mendonça, (2007), as funções básicas do fluxo são:




32

• Desoxidantes e formador de nitretos: atuam de forma a combater a

ação do hidrogênio e do oxigênio, diminuindo a possibilidade do

surgimento de porosidade e fragilidade, os desoxidantes mais

utilizados são manganês e silício;

• Formadores de escória: óxidos de cálcio, potássio, silício, ou sódio

são adicionados ao fluxo, tendo como função a formação de escória

protetora da poça de fusão;

• Estabilizadores de arco: elementos como potássio e sódio, são

benéficos na obtenção de um arco suave, reduzindo também a

salpicagem;

• Elementos de liga: as adições de elementos de liga podem melhorar

propriedades mecânicas da junta soldada, tais como resistência,

ductilidade, microdureza e tenacidade. Os elementos mais indicados

para se conseguir isso são: molibdênio, cromo, carbono, manganês,

níquel e vanádio;

• Geradores de gases: geralmente minerais como a fluorita e o calcário

são adicionados ao fluxo para se produzir uma atmosfera gasosa

protetora.

2.3.1.1 Designação de arames tubulares para soldagem com proteção gasosa.

Esta classe de arame eletrodo tem a sua especificação baseada na norma

AWS (American Welding Society), que designa cada símbolo componente da

especificação, como ilustrado nas Figuras 2.4 e 2.5 a seguir:




33

Figura 2.4 – Identificação para eletrodos FCAW de aços médio carbono (ASME in

Dias, 2003).

Figura 2.5 – Identificação para eletrodos FCAW de aços baixa liga (ASME in Dias,

2003).




34 2.3.2 Características Operacionais e Econômicas

Machado (1996), Braga (1997) e Mota (1998) afirmam que, comparado com a

soldagem com Eletrodo Revestido e MIG, o processo de soldagem FCAW apresenta

uma maior taxa de deposição e a possibilidade de redução nos chanfros, com a

conseqüente vantagem econômica da redução no volume da massa de metal de

adição necessário para o preenchimento total do chanfro.

Para Nascimento (2005), o processo de soldagem FCAW é recomendado

para a soldagem no campo (ambiente industrial), pois promove adequada proteção

ao metal de solda e ao arco voltaico se exposto a velocidade de vento de até 5

m/seg. Além disso, está habilitado para soldar em todas as posições. A composição

do fluxo neste processo de soldagem possibilita condições para a transferência

metálica no modo spray mesmo com o CO2

usado como gás de proteção, o que não

se observa no processo de soldagem MAG.

Segundo Machado (1996), uma desvantagem do processo de soldagem

arame tubular é o elevado custo relativo do metal de adição, que ocorre devido às

dificuldades operacionais em seu processo de fabricação e, também, devido à

pequena demanda de mercado, para o produto. A elevada geração de fumos

durante a operação de soldagem somada a necessidade de custos adicionais para a

remoção de escória, são fatores que ainda inibem o uso deste tipo de arame em

relação aos arames maciços usados nos processos de soldagem MIG, MAG e Arco

Submerso.

Em Dias (2004), os consumíveis utilizados neste processo de soldagem, são

fabricados nos diâmetros que variam de 1,0 a 3,2 mm e a configuração geométrica

metal/fluxo, em sua seção transversal, podem apresentar como tubular simples ou

“multfoder”, conforme é ilustrado na Figura 2.6. As formas simples, Figura 2.6(e), são

de mais fácil fabricação e custos mais baixos. Nas seções mais complexas, Figura

2.6(a, b, c, d), projetadas para arame de maior diâmetro, as características

operacionais (estabilidade) do arco são superiores e propiciam melhor soldabilidade,

no entanto, têm dificuldades para a soldagem fora da posição plana.




35

Figura 2.6 - Geometria de seções transversais típicas de arames tubulares (Dias,

2004).

2.3.2.1 Influência da inclinação da pistola

A inclinação da tocha de soldagem forma com a reta vertical situada

perpendicularmente a linha de soldagem, um ângulo de deslocamento ou de ataque

que pode ser para frente ou para trás, negativo ou positivo, segundo as Figuras 2.7

e 8. A utilização da pistola de soldagem pode ser contra ou a favor da direção de

soldagem, podendo influir na geometria de solda. A pistola se inclinando para frente,

Figura 2.7, ângulo positivo e a favor da direção da soldagem, imaginando-se que

esta direção seja efetuada da esquerda para a direita, tem-se a chamada soldagem

“à direita”. Neste caso, o jato de plasma empurra o metal líquido para trás e o arco

incide mais diretamente no metal de base. Assim, a largura do cordão será menor,

com maior penetração e reforço convexo, embora o controle da operação de

soldagem seja mais difícil e o efeito da proteção de gás tende a diminuir gerando

porosidades. (Sábio, 2007).

Em Quites (2002), a pistola juntamente com o eletrodo inclinados para trás,

para o lado da solda, ângulo de deslocamento negativo, Figuras 2.7, imaginando-se

que a direção de soldagem seja efetuada da esquerda para a direita, têm-se a

chamada soldagem “à esquerda”. Desta forma o jato de plasma espalha o material

líquido na forma de um colchão fluído. Isto faz aumentar a largura do cordão de

solda e diminuir o reforço e a penetração.




36

Figura 2.7 – Efeito da inclinação do eletrodo (Sábio, 2007)

A utilização de um ângulo de deslocamento ou ataque compreendido entre 0

a 20º, já que seu valor depende da posição de soldagem empregada, correspondem

à aplicação de ângulos negativos, Figuras 2.8, apesar da facilidade na operação,

também provocará baixa penetração além de um cordão largo e chato e com

reduzida incidência de salpicos (Barra, 2003).

Figura 2.8 – Ângulo de posicionamento da tocha (Barra, 2003).

O ângulo de trabalho localiza-se transversalmente à solda, conforme

representa na Figura 2.8, corresponde normalmente entre 35 a 115º em relação à

vertical, que apresenta influência sobre a simetria do cordão de solda. A seleção do

ângulo de trabalho dependerá da posição de soldagem e do tipo de junta. Para




37 soldagem semiautomatizada em campo industrial há a necessidade de um

profissional que mantenha uma regularidade operacional na deposição do metal de

adição.

2.3.2.2 Extensão do Eletrodo

Para Fortes (2004), a extensão do eletrodo descreve a distância entre o bico

de contato da tocha e o arco, chamado também de “stickout”. As condições de

corrente devem ser ajustadas no botão de controle, mas durante a soldagem pode

ser necessário reduzir a quantidade de calor na poça de fusão para acomodar uma

montagem deficiente ou uma soldagem fora de posição. Um aumento na extensão

do eletrodo e a resistência elétrica adicional resultante produzirão uma poça de

fusão mais fria e menos fluida. Da mesma forma, qualquer redução na extensão do

eletrodo terá o efeito de aumentar a corrente de soldagem, podendo trazer algum

benefício no controle da penetração, especialmente onde houver alguma montagem

inconsistente.

Em alguns casos especiais, onde houver dificuldade de acesso ou em

chanfros estreitos, pode ser aplicada uma montagem em que o bico de contato fique

protuberante em relação ao bocal, mas deve ser tomado um cuidado especial para

garantir uma ação efetiva do gás de proteção.

Fortes (2004) cita que quando se opera no modo de transferência por curto-

circuito, uma extensão do eletrodo de 12 mm será suficiente para a maioria das

aplicações, enquanto que a transferência por aerossol produz uma quantidade maior

de calor irradiado e deve ter uma extensão do eletrodo de aproximadamente 20 - 30

mm. Durante a soldagem propriamente dita, qualquer grande variação produzirá um

depósito de solda inconsistente, sendo que uma extensão do eletrodo

excessivamente grande reduzirá a eficiência da proteção do gás. Para uma dada

taxa de alimentação de arame, qualquer aumento na extensão do eletrodo tem o

efeito de reduzir a corrente fornecida pela fonte. Aumentando-se a velocidade de

alimentação do arame para compensar a queda de corrente resultará em um

significativo aumento na taxa de deposição do metal de solda, observado na Figura

2.9.




38

Figura 2.9 – Extensão do eletrodo e taxa de deposição (Fortes, 2004).

2.3.2.3 Tensão e Corrente

A tensão do arco tem uma influência direta no comprimento do arco que

controla o perfil do cordão, a profundidade da penetração e a quantidade de

respingos. À medida que a tensão do arco é reduzida, a penetração aumenta, sendo

particularmente importante em juntas de topo em “V”.

Um aumento na tensão resultará em um comprimento de arco também longo,

aumentando a probabilidade de ocorrência de porosidade e de mordeduras.

Em fontes de tensão constante, a corrente de soldagem está diretamente

relacionada à velocidade de alimentação do arame. Quanto maior for a velocidade

de alimentação, maior será a corrente fornecida pela fonte de modo a fundir o arame

alimentado à poça de fusão.

Com arames tubulares com fluxo não metálico, a corrente aplicada deve permanecer

preferencialmente na metade superior da faixa recomendada para um determinado

diâmetro, exceto para soldagem fora de posição nos diâmetros 1,2 mm e 1,4 mm e

quando for empregado o modo de transferência por curto-circuito a correntes abaixo

de 220 A. (Fortes, 2004 e Figueiredo, 2005).




39 2.3.2.4 Velocidade de Soldagem

A velocidade de soldagem tem uma influência importante na penetração. Por

exemplo, aplicando-se um arame tubular metálico de diâmetro 1,6 mm a 350 A, um

aumento na velocidade de soldagem de 30 cm/min para 60 cm/min

aproximadamente dobra a penetração na raiz de uma junta em ângulo. Para

velocidades acima de 80/100 cm/min, a penetração diminui.

Fortes (2004) e Figueiredo (2005) comentam que, da mesma forma, ocorre

uma redução na penetração se a velocidade de soldagem baixar para valores

menores que 30 cm/min, tendo em vista que o arco pode tender mais para a poça de

fusão do que para o metal de base. Ainda, o uso de baixas velocidades de soldagem

deve ser evitado quando são requeridas propriedades de impacto a baixas

temperaturas. Mesmo que a junta possa ser preenchida em poucos passes, os

volumosos depósitos de solda resultarão em grandes aportes térmicos e por isso a

tenacidade ao impacto será reduzida. Além disso, no caso de arames tubulares com

fluxo não metálico, deve ser considerada a dificuldade de controle da escória a

baixas velocidades de soldagem, que pode passar à frente da poça de fusão e gerar

inclusões de escória.

2.3.3 Gás de Proteção

A utilização de um gás externo à operação de soldagem tem como principal

função promover condições favoráveis à ionização e à estabilidade do arco elétrico,

proteger a poça de fusão de contaminantes do meio ambiente e garantir níveis de

propriedades do cordão de solda adequados a resistência esperada. A formação de

óxidos na solda pode ocasionar vários problemas, tais como, porosidade e

fragilização. No entanto, a vazão e o tipo de gás de proteção tem um pronunciado

efeito sobre os seguintes itens de importância na soldagem a arco voltaico (Irving,

1994 in Bracarense, 2000):




40

- Características do arco;

- Modo de transferência metálica;

- Penetração e perfil do cordão de solda;

- Velocidade de soldagem;

- Tendência à mordedura;

- Ação de limpeza;

- Propriedades mecânicas do metal de solda.

Para avaliarmos o efeito que a vazão e o gás de proteção exercem na solda e

na operação de soldagem, deve-se analisar a influência que o oxigênio e o CO2

exercem quando adicionados ao argônio ou ao hélio. O argônio e o hélio garantem a

proteção quando usados na soldagem de metais não ferrosos. (Nascimento, 2005).

Pequenas variações na composição da mistura de gás têm um efeito

relativamente pequeno na taxa de fusão do arame em comparação com sua

influencia nas características de transferência arco/metal e no comportamento da

poça de solda. Cada gás básico contribui com determinadas propriedades para o

desempenho global da mistura. (Ferreira, 2007).

O gás também tem influência nas perdas de elementos químicos, na

temperatura da poça de fusão, na sensibilidade à fissuração e porosidade, bem

como na facilidade da execução da soldagem em diversas posições. Os gases

nobres (Argônio ou Helio) são preferidos por razões metalúrgicas, enquanto o CO2

puro é preferido por razões econômicas (Carvalho, 1999). Uma mistura à base de

Argônio contendo uma certa quantidade de gás oxidante (Oxigênio ou CO2) é

necessária para se obter um arco estável. (ASM, 1993, Bracarense, 2000 e Ferreira,

2007).

2.3.4 Modos de transferência metálica

Pode-se conceituar transferência metálica como sendo o transporte de gotas

fundidas de metal da ponta de um eletrodo consumível para a poção de fusão. A




41 classificação dos modos de transferências se faz levando-se em consideração o

tamanho da gota, e as características como é transferida. Assim pode-se classificar

os modos de transferência metálica como: curto-circuito, globular e “spray”

(aerossol), apresentados esquematicamente na Figura 2.10. (Modenesi, 2006,

Marques, 2006).

Figura 2.10 – Representação esquemática dos principais modos de transferência

(Barra, 2003).

Para Miranda (2002) uma forma prática de controlar diretamente a

transferência metálica consiste em empregar sensores que identifiquem a

transferência da gota e reajustar os parâmetros de soldagem (caso necessário) para

melhorar a transferência metálica e, conseqüentemente, otimizar o processo.

Entretanto, isto nem sempre é fácil de ser realizado em virtude da complexidade dos

fenômenos envolvidos, o que dificulta a identificação da transferência metálica.




42 2.3.4.1 Transferência metálica no processo FCAW.

Nesse processo, o fluxo, não metálico ou agente formador de escória, fica

localizado no interior da parte metálica do arame, sendo esta a responsável pela

condução elétrica até o arco. Este ocorre externamente ao fluxo e, assim, as

condições para a fusão são menos favoráveis do que em outros processos com

proteção por fluxo. Neste processo, a forma de transferência depende

particularmente das características do fluxo no núcleo do arame, Figura 2.11, a

seguir.

Figura 2.11 - Formas típicas de transferência na soldagem com arames tubulares.

Arames: (a) "metal cored", (b) rutílico, (c) básico e (d) auto-protegido. (Modenesi,

2009).

Arames com o núcleo de pó metálico e que contêm poucas adições não

metálicas ("metal cored") se comportam de forma similar a arames sólidos. A

presença, contudo, de adições capazes de estabilizar o arco possibilita a operação

com transferência não repulsiva com eletrodo negativo. Arames rutílicos operam

normalmente a altas correntes com uma transferência “spray” projetada não axial.

Arames básicos operam normalmente com transferência globular não axial a

correntes elevadas e curto-circuito para menores correntes. Em arames

autoprotegidos, as transferências por curtocircuito e globular repelida são típicas

(Modenesi, 2009).




43 2.4 Processo de Soldagem MIG/MAG Duplo Arame

O processo de soldagem MIG/MAG duplo arame tem sido comercialmente

aplicado e avaliado nos últimos anos. Conforme Michie et al (1999) in Groetelaars

(2005), somente com o advento de equipamentos de soldagem eletrônicos é que o

mesmo se tornou comercialmente disponível. Sendo introduzido no mercado no final

da década de 40 com o intuito de aumentar a produtividade e versatilidade dentre os

processos de soldagem de ligas ferrosas e não-ferrosas. Como o mercado industrial

é muito competitivo, o processo MIG/MAG convencional começou a não atender

mais a demanda das industriais no que diz respeito à produtividade (Ojo, 2005,

Groetelaars , 2007).

2.4.1 Características do processo

A soldagem MIG/MAG com dois arames é uma variante do processo

MIG/MAG e caracteriza-se pela formação de um par de arcos elétricos entre uma

única poça de fundida e dois eletrodos consumíveis continuamente alimentados,

ilustrado na Figura 2.12. Comparativamente à soldagem MIG/MAG convencional, o

duplo arame apresenta as seguintes características principais: maior taxa de

deposição de material, possibilidade de soldagens com velocidades de

deslocamento mais elevadas e o menor aporte térmico sobre a peça, este como

conseqüência da utilização de velocidades de soldagem mais altas. (Motta e Dutra,

2000, Li e Zhang, 2007 e Scotti e Ponomarev, 2008).




44

Figura 2.12 – Representação esquemática do processo MIG/MAG duplo arame.

(Groetelaars, 2005)

A soldagem MIG/MAG ou Gas Metal Arc Welding (GMAW) com dois arames

tem como característica básica a abertura de dois arcos elétricos entre uma única

poça de fusão e os dois eletrodos consumíveis. Os arcos e a poça de fusão são

protegidos por um gás que, em conjunto com os eletrodos, é selecionado de acordo

com o tipo de metal de base (Motta, 2000).

A energização dos dois arames-eletrodo pode ser feita por uma única fonte

(ou duas interligadas em paralelo) ou por duas fontes independentes, o que

caracteriza o processo como potencial único (DAPU) ou potencial isolado (DAPI),

respectivamente.

Como dois alimentadores de arame-eletrodo são utilizados, podem-se usar

diferentes composições químicas de arames e obter velocidades de alimentação

distintas. Como duas fontes podem opcionalmente ser usadas para comandar os

dois alimentadores, diferentes parâmetros elétricos podem ser impostos sobre cada

arame. Também pode-se variar a disposição (posicionamento), Figura 2.13, relativa

das pontas dos arames em relação à peça, ou seja, disposição em paralelo ou em

série (Groetelaars, 2005).




45

Figura 2.13 – (a) e (b) disposições em paralelo, (c) e (d) disposições em série.

(Groetelaars, 2005 e Scotti, 2008).

a) MIG/MAG Duplo Arame com Potencial Único

Nesse processo de soldagem, os eletrodos são fornecidos por

alimentadores de arames independentes havendo, portanto, a energização dos

arames através do bico de contato. Por isso, estão submetidos ao mesmo potencial

elétrico. Na outra extremidade podem estar conectados aos bornes de uma ou de

duas fontes de energia. No caso dos sistemas que empregam uma única fonte de

potência, Figura 2.14, esta deverá fornecer as correntes de soldagem com

intensidades suficientes para atender às altas taxas de fusão e deposição requeridas

pelo processo (Motta, 2002; Groetelaars, 2005). Uma vantagem desse processo de

soldagem em relação aos demais é o menor custo operacional, uma vez que o

número de equipamentos e acessórios necessários para a soldagem por esse

processo é, em geral, inferior em relação aos sistemas com potenciais isolados, que

serão caracterizados no próximo item.




46

Figura 2.14 - Representação esquemática do sistema com potencial único (Motta,

2002).

Uma característica do sistema com potencial único é a possibilidade da

construção de uma tocha mais compacta e mais leve (Figura 2.15). Um único bico

de contato facilita a limpeza automática do bocal, uma vez que ele usualmente é

cilíndrico e concêntrico ao bico de contato. Outra característica é que os arames

saem do bico de forma paralela. A distância entre os arames é geralmente menor

que nas tochas utilizadas para potencial isolado e, em algumas tochas comerciais,

pode chegar até a 4 mm. A tocha pode ser inclinada ou trabalhar

perpendicularmente à chapa.

Figura 2.15 - (a) Tocha de potencial único (modelo fabricado pela Abicor-Binzel); (b) detalhes do bocal/bico de contato (Groetelaars, 2005).




47

b) MIG/MAG duplo arame com potenciais isolados

No segundo sistema, Figura 2.16, os dois eletrodos são isolados

eletricamente e os arcos são mantidos por duas fontes de soldagem separadas. O

isolamento elétrico entre os eletrodos e a manutenção dos arcos por fontes de

soldagem separadas são as características que identificam este processo (Motta,

2002 e Groetelaars, 2005). Portanto, assim como no processo duplo arame com

potencial único os eletrodos são fornecidos por dois alimentadores de arames. Uma

vantagem deste sistema é a possibilidade de se atuar de forma independente sobre

a manipulação dos parâmetros de soldagem de cada arco elétrico, através de

ambas as fontes, conferindo-se funções distintas a cada um dos dois arcos.

Figura 2.16 - Representação esquemática dos sistemas com duplo arame

com potenciais isolados (Motta, 2002)

Sistemas com tochas acopladas por um suporte oferecem maior versatilidade,

uma vez que utilizam tochas convencionais (facilidade de reposição de peças), e

maior flexibilidade, porque permitem a variação da angulação entre as tochas.

Nesse último tipo de tocha, a distância entre eletrodos pode chegar até a 25 mm

(Kodama et al, 1997 in Groetelaars, 2005). Ainda deve-se lembrar a possibilidade de

soldar com a tocha inclinada ou perpendicularmente à chapa. Presume-se que a

utilização de tochas de potencial isolado, Figura 2.17, resulte em um maior consumo

de gás de proteção e dificuldade de acesso às juntas, já que essa tocha possui

maiores dimensões em se comparando com a tocha de potencial.




48

Figura 2.17 - Tochas de potencial isolado: a primeira é integrada, com arames

inclinados (modelo fabricado pela Closs); a outra apresenta detalhes do bocal/bico

de contato da tocha “c”. (Groetelaars, 2005).

2.4.2 Vantagens e Limitações

Motta (2002) cita que a aplicação do processo duplo arame tem aumentado

na indústria, principalmente, em atividades que solicitem um baixo aporte de energia

sobre as peças, permitindo a imposição de maior velocidade de deslocamento e

ainda proporcionar alta taxa de metal depositado. Além disto, outros autores citam

que estas são algumas das principais vantagens do processo com duplo arame em

relação ao processo de soldagem MIG/MAG e destacam, ainda, que os problemas

como falta de fusão, porosidade e mordedura são drasticamente reduzidas com a

aplicação do duplo arame na soldagem.

Além da capacidade de obter altas taxas de deposição e velocidade de

soldagem, Groetelaars (2007) cita que o processo duplo arame ainda possibilita

algumas outras vantagens como:




49

• Controlar a geometria do cordão de solda, através do posicionamento da

tocha (ângulos), do comprimento de arco e da corrente de cada arame,

apresentando-se como

uma solução na soldagem de juntas mal ajustadas;

• Utilizar eletrodos com diferentes diâmetros e diferentes composições

químicas;

• Alimentar arames com diferentes velocidades e diferentes intensidades de

corrente;

• Reduzir o nível de porosidade em altas velocidades devido ao aumento da

área da poça de fusão (maior o tempo para liberação dos gases dissolvidos

na poça de fusão);

• Extrema versatilidade e ampla faixa de aplicações, excelentes

características para robotização e pouca produção de escória (intrínsecas ao

processo MIG/MAG convencional).

Como desvantagem do processo duplo arame temos o custo dos

equipamentos e acessórios que compõe o sistema GMAW; os aspectos

relacionados com a segurança e saúde com a emissão de luzes ultravioletas por

parte do arco elétrico; a necessidade de treinamento de pessoal. Outras limitações

são apresentadas por Gonzáles (1999) no uso de duplo arame em MIG/MAG, ou

seja:

• As taxas de fusão são limitadas – devido principalmente às condições físicas

do arco em correntes elevadas;

• Interferência do campo magnético ou deflexão magnética devido à

proximidade dos arcos.

A esta lista de limitações citadas por Gonzáles ainda poderiam ser

acrescentados:

• Dificuldade na montagem e preparação da área de trabalho onde serão

realizadas as soldagens, acarretando em maior tempo de preparação e,




50

conseqüentemente, aumento dos custos do processo (aumento da

complexidade do sistema);

• A abertura dos arcos é mais complicada.

2.5 Considerações sobre o Processo de Soldagem com Adição de Arame Frio

Para Barrozo (2006), o processo de soldagem arame tubular na versão

FCAW-CW se refere à soldagem arame tubular com arame frio e consiste na

utilização do processo FCAW com a introdução de um arame frio na atmosfera do

arco voltaico gerado na ponta do arame eletrodo (arame energizado). Desta forma, o

arame frio se funde em decomposição simultânea com o arame eletrodo na

constituição do metal depositado, em coalescimento com o metal de base, para a

geração do metal de solda.

A concepção desta técnica de soldagem tem como objetivo principal

contribuir para o aumento da produtividade de processos de soldagem a arco

voltaico que utilizam alimentação contínua de um arame eletrodo até a poça de

fusão, ou seja, dos processos GMAW e FCAW (Bacelar e Ferraz, 2005; Barrozo,

2006; Sábio, 2007).

Estudos iniciais desenvolvidos por Bacelar e Ferraz (2005), apresentam a

soldagem GMAW com arame frio, utilizando arames de 1,2 mm, resultando numa

produção média de 70% acima da soldagem GMAW, com bons níveis de

estabilidade e qualidade superficial da união. Concluem em seu trabalho a

viabilidade operacional do processo, frente aos resultados obtido. Para a realização

dos experimentos iniciais, foi necessário o desenvolvimento de um suporte que

permitiria a condução do arame frio à poça, que vem inovando com as necessidades

de adaptação ao processo, conforme apresentam as literaturas Bacelar e Ferraz

(2005), Barrozo (2006) e Sábio (2007), respectivamente.




51

Em Bacelar e Ferraz (2005), o suporte desenvolvido pelo GETSOLDA e

inicialmente testado, apresentou bons resultados, a Figura 2.18, mostra o esquema

do 1º protótipo do suporte desenvolvido para o sistema arame frio.

Figura 2.18 – Modelo esquemático do 1º protótipo para soldagem arame frio

(Bacelar e Ferraz, 2005).

2.5.1 Caracteristicas do Processo Arame Frio

O processo de soldagem MAG-CW (CW – “Cold Wire”, Arame Frio)

demonstra melhor produção alcançada, em relação ao processo MAG convencional,

indicando boa performance no aumento das taxas de fusão e de deposição,

observando que a maior evidência no desempenho destas características

econômicas ocorreu em função da adição de arame frio, contribuindo na evolução

da quantidade de massa fundida dos arames que foi efetivamente incorporada ao

metal de solda por unidade de tempo (Sábio, 2007).

Segundo Sábio (2007), a transferência metálica no processo de soldagem

MAG-CW foi por curto-circuito, se comportou de forma estável em todas as

condições, conforme apresentado nos oscilogramas, entretanto, em Barrozo (2006)




52 e Mendonça (2007), os estudos de corrente e de tensão não apresentam curtos-

circuitos nas soldagens FCAW-CW, o que somado a regularidade e a facilidade das

transferências de cargas elétricas e de metal sugerem o modo de transferência do

tipo spray. O que confirma os modos de transferência previstos nas literaturas

pesquisadas para os modos convencionais.

A utilização do gás CO2 para as soldagens MAG-CW e FCAW-CW como gás

de proteção é justificada, primeiro por ter custo economicamente viável e segundo

por observações significantes na qualidade e desempenho do processo

apresentados nos trabalhos de Bacelar e Ferraz (2005), Barrozo (2006), Mendonça

(2007) e Sábio (2007).

Para Sábio (2004), as velocidades de alimentação de arame eletrodo e arame

frio devem apresentar a proporção de 2:1, admitindo que velocidades mais altas

podem exceder o limite tolerável e o arame não energizado pode ficar retido e

solidificado na poça de fusão, como conseqüência o travamento do sistema.

2.5.2 Sistema de Alimentação de Arame Frio.

Os experimentos empregando os processos Arame Frio, foram realizados em

uma bancada de soldagem, ajustada para operação automatizada, na posição

plana, com as técnicas operacionais puxando e empurrando o arco voltaico. O

suporte guia de alimentação do arame frio é acoplado a tocha de soldagem em

disposição geométrica transversal e posicionamento longitudinal.

No primeiro modelo desenvolvido no laboratório de soldagem da UFPA, foi

possível observar a operacionalidade do processo, como também da tocha com o

sistema de alimentação do arame frio. As Figuras 2.19 (a) e (b) mostram as

possibilidades de soldagem do novo sistema nas posições transversal e longitudinal,

respectivamente, pelo método automatizado (Bacelar e Ferraz, 2005).




53

Figura 2.19 – Disposição da alimentação de arame (a) na posição transversal, (b) na

posição longitudinal. (Bacelar & Ferraz, 2005).

Para alcançar um alto grau de liberdade para o posicionamento de entrada do

arame frio, foi possível também adicionar um transferidor ao protótipo (ver Figura

2.20), o que permite um controle apreciável do ângulo de adição do arame frio.

Assim desenvolveu-se o 2º suporte no modo automatizado para dos ensaios em

laboratório, Figura 2.21.

Figura 2.20 – Protótipo do 2º suporte de alimentação de arame frio. (Sábio,

2007).




54

Figura 2.21 – 2º suporte de alimentação de arame frio desenvolvido para o modo

automatizado com controle de ângulo: (a) disposição “transversal”, (b) disposição

“longitudinal” (Sábio, 2007).

Num terceiro momento foi possível reduzir dimensões e agregar uma

operacionalidade maior, tanto para a execução da soldagem manual, quanto para a

manipulação do sistema de adição do arame frio. A Figura 2.22 (a), (b) e (c) ilustra o

terceiro suporte desenvolvido pelo Grupo de Soldagem, GETSOLDA.




55

Figura 2.22 – 3º Suporte de alimentação de arame frio (a) protótipo, (b) modo

automatizado e (c) modo semiautomatizado. (GETSOLDA).

2.6 Soldabilidade dos Aços Estruturais.

2.6.1 Classificação dos aços

Existem diversos tipos de aços e inúmeras formas de classificá-los: aços

estruturais, fundidos, ferramentas, inoxidáveis, laminados a quente, microligados,

baixo carbono, ao níquel, cromo-molibidenio, C-1020, A36, temperado e revenido,

efervescentes, etc (Hume-Rothery, 1968, Chiaverini, 2002 e Modenesi, 2001). Um

sistema muito usado para a classificação de aços é a Designação numérica de Aços

Carbonos e Aços Ligados do Americam Iron and Steel Institute, sistema AISI ou

SAE, ver a Tabela 2.3, uma vez desenvolvido pela Society of Automotive Engineers,

e é adotado basicamente sem alterações pela Associação Brasileira de Normas

Técnicas ABNT.




56 Tabela 2.3 – Alguns exemplos de classificação usual dos aços.

Designação Tipos de Aços AISI-SAE UNS 10XX G10XXX Aços-carbono comuns 15XX G15XXX Aços-Mn com manganês acima de 1% 43XX G43XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e

0,2 a 0,3% de Mo. E51100 G51986 Aços-cromo (forno elétrico) com 1% de Cr. 50BXX G50XXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de

boro 51B60 G51601 Aços-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro

Fonte: Chiaverini, 2002.

Em Modenesi (2001) e pelo CIMM (Centro de Informações Metal Mecânica)

são apresentadas outras classificações de aços e ligas metálicas feita pela American

Society for Testing and Materials (ASTM), apresentados alguns exemplos na Tabela

2.4. Além das especificações usadas que são pela American Society of Machanical

Engineers (ASME), American Petroleum Institute (API) e o American Bureau of

Shipping (ABS), e outras organizações normalizadoras nacionais como British

Standard (BS) e a (DIN).

Tabela 2.4 – Algumas classificações realizadas pela ASTM.

Designação ASTM Tipo Especificado

A36/ A36M Aço estrutural A131/ A131M Aço estrutural para embarcações A242/ A242 M Aço estrutural de alta resistência e baixa liga

A709 Aço estrutural para pontes Fonte: ASM Metals Handbook, 1990 and CIMM – Centro de Informações Metal

Mecânica.




57 2.6.1.1 Influencia dos elementos de ligas.

Ainda de acordo com a ABNT, os aços-liga são os que possuem outros

elementos de liga, não se considerando como tais os, elementos adicionados para

melhorar sua usinabilidade. A soma de todos esses elementos, inclusive carbono,

silício, manganês, fósforo e enxofre não deve ultrapassar 6%. No caso do silício,

manganês e alumínio, sempre presentes nos aços-carbono, os aços serão

considerados ligados quando seus teores ultrapassarem 0,6%, 1,65% e 0,1%

respectivamente. (Chiaverini, 1977 e Brown, 2000).

A soldabilidade é outra característica muito importante para este tipo de

material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é comum. Os

aços-carbono comuns também satisfazem plenamente este requisito, pois podem

ser soldados sem alteração da estrutura. E pode ser estimada através da utilização

de uma das expressões desenvolvidas para essa finalidade. Em Modenesi (2004) e

Brandi (1995), uma das mais conhecidas é o efeito da composição química expressa

em termos de fórmulas de carbono-equivalente, apresentada na Equação 2.1,

quanto maior for o carbono equivalente, menor será a soldabilidade do aço, e mais

lentamente deverá ser feito o resfriamento. As temperaturas de pré-aquecimento e

interpasses deverão ser maiores e o controle do hidrogênio também deverá ser

maior (Kou, 2002).

1556

%% CuNiVMoCrMnCCeq Equação 2.1

2.6.1.2 Aços Carbono e de Baixa Liga

Aços carbono são ligas de ferro e carbono (até 2%C) contendo ainda, como

residuais (de matérias primas ou do processo de fabricação), outros elementos

como Mn, Si, S e P. Aços de baixo carbono têm um teor de carbono inferior a 0,15%

a 0,3%C. Aços de baixa liga têm uma quantidade total de liga inferior a 2%

(Smallman, 1999, Modenesi, 2001 e Fortes, 2004).




58

Aços de baixo carbono o teor varia entre 0,10 e 0,25%C, o Manganês entre

0,25 e 1,5%Mn, o fósforo máximo é de 0,4%P e de enxofre de 0,5%S, sendo

considerados elementos desoxidantes o Mn e o Si (Smallman, 1999 e Brown, 2000).

Estes são os aços mais comumente usados em fabricação e construção. São

materiais soldáveis por qualquer processo a arco, gás ou resistência. Os aços

resistentes ao tempo são aços de baixa liga que podem ser expostos ao ambiente

sem serem pintados, a sua resistência a corrosão é quatro vezes a de aços

estruturais ao carbono, e são especificados pela ASTM A242. (Modenesi, 2001 e

Gottardo, 2006).

2.7 Características Econômicas

As características econômicas do arame consumível são compostas através

do consumo, da produção e dos rendimentos de deposição. Para Mota (1998) um

dos fatores de grande importância na seleção de um arame consumível ou eletrodo

para soldagem é o seu desempenho econômico. No entanto, dentre as variáveis

capazes de interferir ou influenciar no desempenho do consumível destacam-se: a

composição química; o modo de transferência metálica; a natureza e o valor da

corrente e a polaridade; os valores da tensão e do comprimento da distância do

eletrodo (“stick-out”), além das perdas de metal por salpicagem. Deve-se considerar,

ainda, o diâmetro do arame consumível, o tipo de proteção e a fonte de energia,

bem como, as condutividades elétricas e térmicas do consumível que, juntamente

com as demais condições de soldagem, as quais interferem de maneira bastante

complexa no balanço energético do arco voltaico, responsável pela fusão do arame-

eletrodo.

Machado (1993) destaca que o comportamento das características

econômicas de um consumível para soldagem a arco voltaico é analisado através do

seu desempenho operacional e é representado por TF (taxa de fusão) que pode ser

estabelecida pelo seu consumo, TD (taxa de deposição) determinada pela produção.

O rendimento R(%) pode ser definido como rendimento de deposição real através da

razão entre a massa do consumível, incorporado ao metal de solda, e a massa de




59 arame consumida durante a operação de soldagem, na mesma unidade de tempo,

ou seja, o rendimento é a razão entre as taxas TD/TF adquiridas na soldagem.

2.8 Ensaios Não Destrutíveis (END)

Ensaios não destrutivos são realizados em algumas peças e não interferem

ou prejudicam o uso ou o processamento posterior das mesmas. Existe um grande

número de métodos de ensaio não destrutivo (END), vários dos quais têm aplicação

na inspeção de juntas e equipamentos soldados. Em geral, um END não mede

diretamente a propriedade de interesse, sendo o valor desta obtido por alguma

correlação entre essa e a propriedade realmente medida. Assim, por exemplo, na

inspeção por ultra-som, usualmente se mede a intensidade e tempo de retorno da

onda sonora refletida pela descontinuidade, sendo esta informação usada para

localizar e dimensionar esta descontinuidade. Assim, a confiabilidade de um END

depende da unicidade e precisão da correlação entre a propriedade medida e a de

interesse (Modenesi, 2001).

2.8.1 Ensaio de Sanidade do cordão de solda

O ensaio de Sanidade do cordão de solda ou ensaio visual é o método de

inspeção mais simples, o mais utilizado e, em geral, precede qualquer outro tipo de

ensaio. É usado na inspeção de superfícies externas para a determinação de

tamanho, forma, acabamento, existência de trincas, poros etc, que possam ser

observados ao longo do cordão de solda. Pode ser feito a olho nu ou com o uso de

instrumentos como microscópios, lupas, espelhos etc. Além disso, instrumentos

como réguas e gabaritos são comumente utilizados (Mendonça, 2007).




60 2.8.2 Ensaio por Líquidos Penetrantes

O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido especialmente

para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, e ainda que

estejam abertas na superfície do material (Andreucci, 2007).

O objetivo do Ensaio por Líquido Penetrante é assegurar a confiabilidade do

produto, por meio de:

a) Revelação da natureza da descontinuidade sem danificar a peça;

b) Obtenção de uma imagem visual, que revela a descontinuidade na

superfície da peça (mancha);

c) Separação das peças aceitáveis das não aceitáveis segundo o critério

estipulado.

A Figura 2.23 apresenta um resumo da seqüência do ensaio por líquidos

penetrantes.

Figura 2.23 – Resumo da seqüência do ensaio de LP (Andreucci, 2006).




61 2.9 Características geométricas

A avaliação da geometria da superfície plana do cordão de solda é realizada

pela análise dimensional de sua seção transversal. Segundo Mota (1998) e Braga

(1997), para o mesmo material e tipo de junta, a natureza do consumível, a corrente

de soldagem, o comprimento do eletrodo, a tensão e a velocidade de soldagem

interferem na geometria da solda. A geometria do cordão de solda tem influência

básica na resistência mecânica da junta soldada.

O esquema representativo do perfil geométrico do cordão de solda está

presente na Figura 2.24 e nela estão indicadas as principais grandezas que

caracterizam a geometria do cordão de solda: a penetração lateral (PL), o reforço

(R) e a largura (L).

Figura 2.24 - Esquema do perfil geométrico do cordão de solda.

A análise da geometria da solda é realizada pela avaliação dimensional da

seção transversal da Figura 2.24. As medidas de largura (L), reforço (R) e

penetração (PL), definem tais características geométricas do cordão de solda

depositado na superfície do chanfro das peças metálica. Portanto, a largura do

cordão de solda tem relação diretamente proporcional a corrente de soldagem, a

tensão do arco elétrico e ao diâmetro do consumível, porém, uma relação

inversamente proporcional com a velocidade de soldagem (Farias, 1993). O reforço

da solda tem relação direta com a corrente de soldagem e inversa com a tensão,

com o diâmetro do consumível e com a velocidade de soldagem. Entretanto, alguns

estudos com eletrodos revestidos, comprovam que a penetração da solda no metal




62 de base tem relação inversa com a velocidade de soldagem, com o diâmetro do

arame eletrodo e direta com a corrente de soldagem (Farias, 1993).

Em Figueiredo (2005) a composição química final da zona fundida depende

da intensidade nas interações das composições químicas do metal de base e da

adição e da participação relativa destes na formação da zona fundida. Esta

participação relativa é conhecida como “coeficiente de diluição” ou, simplesmente,

como “diluição” (δ), que pode ser expressa pela Equação 2.2, como definida abaixo:

%100.AB

B

Equação 2.2

A diluição pode ser medida em macrografias da seção transversal de soldas,

como mostra a Figura 2.25. Seu valor pode variar entre 100% (soldas sem metal de

adição) e 0% (brasagem).

Figura 2.25 – Esquema representativo da diluição medida na seção transversal da

solda (Figueiredo, 2005).

O controle da diluição é importante na soldagem de metais dissimilares, na

deposição de revestimentos especiais sobre uma superfície metálica, na soldagem

de metais de composição química desconhecida, caso muito comum em soldagem

de manutenção e na soldagem de materiais que tenham altos teores de elementos

prejudiciais à zona fundida, como o carbono e o enxofre (Figueiredo, 2005).




63 2.10 Caracterização Microestrutural

A estrutura de uma liga é, invariavelmente, constituída de unidades

denominadas elementos estruturais ou microconstituintes. O ramo da tecnologia que

estuda e interpreta essas estruturas é chamado metalografia, processo que, além

das informações sobre o comportamento da estrutura íntima da liga metálica,

fornece subsídios complementares, indicando a linha de direção de muitas das

características importantes orientando, assim, sobre as condições de aplicação

tecnológica do produto. A compreensão e interpretação da estrutura de um material

exige uma gama muito grande de conhecimentos teóricos e práticos.

O estudo da estrutura interna dos metais e suas ligas é uma valiosa

ferramenta, tanto para o trabalho de pesquisa como para o industrial, fazendo com

que a implantação de um sistema de controle metalográfico racional e organizado,

ou seja, a perfeita interação analista / metodologia analítico - estrutural, traga

grandes benefícios de ordem técnica e comercial devido à sua versatilidade, rapidez

e economia de execução.

2.10.1 Microestrutura da Zona Fundida do Aço Baixo Carbono e Baixa liga

Para os aços com baixo teor de carbono e baixa liga, a poça de fusão

solidifica-se inicialmente como ferrita, podendo sofrer uma reação peritética com a

formação de austenita. Durante o resfriamento, a ferrita remanescente transforma-se

em austenita. Esta, em função das elevadas temperaturas, sofre um grande

crescimento de grão, tendendo a apresentar uma estrutura de grãos colunares e

grosseiros, similar à estrutura original de fusão da zona de fusão. Em temperaturas

mais baixas, inferiores a 900°C, a austenita se decompõe, resultando em diferentes

produtos ou constituintes. Assim, a microestrutura da zona fundida do metal de solda

baixo carbono e baixa liga é resultado do crescimento epitaxial colunar do metal de

solda solidificado, sendo influenciada pelo estado inicial da austenita (composição,

tamanho de grão, micro-segregações e estado de deformações), das condições de




64 aquecimento e resfriamento, bem como do efeito dos elementos de liga (Modenesi,

2004).

As fases resultantes da decomposição da austenita são basicamente: ferrita,

cementita e martensita. Além destas, pequenas quantidades de austenita podem

permanecer inalteradas (austenita retida) e diferentes precipitados (outros

carbonetos, nitretos, etc.) e inclusões podem existir (Nascimento, 2005). O Instituto

Internacional de Soldagem (IIW) desenvolveu um sistema de classificação para os

constituintes do metal de solda, baseado na sua observação com o microscópio

ótico, que se tornou o mais aceito atualmente. Segundo este sistema, os

constituintes mais comuns da zona fundida podem ser classificados como:

Ferrita de Contorno de Grão – PF(G).

Ferrita Poligonal Intragranular – PF(I).

Ferrita com Segunda Fase Alinhada - FS(A).

Ferrita com Segunda Fase Não Alinhada – FS(NA).

Ferrita Acicular – FA.

Agregado ferrita-carboneto - FC

Martensita – M.

A Tabela 2.5 resume as características destes constituintes segundo o

sistema de classificação do IIW e as Figuras 2.26 e 2.27 ilustram este sistema.

Normalmente, em estudos que envolve a correlação entre a microestrutura e as

propriedades do metal de solda, é necessário realizar metalografia quantitativa no

metal de solda, determinando-se a fração ou predominância de seus diferentes

constituintes. Serão discutidas abaixo, de forma bem geral, as características gerais

destes diferentes elementos estruturais (Modenesi, 2004).




65

Tabela 2.5 – Constituintes da zona fundida de aços ferriticos observados ao

microscópio ótico, segundo o sistema IIW (in Modenesi, 2004).

Constituintes Código Descrição

- Ferrita Primária

- de Contorno de Grão PF(G)

Veios de grãos poligonais associados com os contornos de austeníticos prévios.

- Poligonal Intragranular PF(I)

Grãos de ferrita usualmente poligonais, localizados dentro dos grãos austeníticos prévios e mais 3 vezes maiores do que os grãos ou lâminas adjacentes de ferrita.

- Ferrita Acircular AF

Grãos de ferrita pequenos e não alinhados localizados no interior dos grãos austeníticos prévios. Uma região de AF comumente inclui placas isoladas de grande razão de forma (relação entre o maior e o menor eixo).

- Ferrita com Segunda Fase Alinhada FS(A)

Duas ou mais placas paralelas de ferrita. No caso de apenas duas placas, a razão de forma deve ser maior do que 4:1. Se o operador tiver segurança, este constituinte pode ser subclassificado como placa lateral de ferrita, bainita superior ou inferior, FS(SP), FS(UB) ou FS(LB).

- Ferrita com Segunda Fase Não Alinhada FS(NA)

Ferrita envolvendo completamente ou (i) “microfases” aproximadamente equiaxiais ou distribuídas aleatoriamente ou (ii) lâminas isoladas de AF.

- Agregado Ferrita Carboneto FC

Estruturas finas de ferrita e carboneto, incluindo ferrita com carbonetos “interfásicos” e perlita. Se o agregado é claramente identificado como perlita, ele deve ser designado como FC(P). Se o agregado for menor que as lâminas adjacentes dentro do grão austenítico prévio, ele deve ser desprezado.

- Martensita M

Colônias de martensita maiores que as lâminas adjacentes de ferrita. Se o operador estiver seguro, o constituinte pode ser classificado como martensita laminar ou maclada, M(L) ou M(T).

Fonte: Modenesi, 2004.




66

Figura 2.26 - Representação esquemática de constituintes microestruturais (IIW).

Onde:

a)- Fronteira imaginária entre PF(G) e FS.

bi)- Ferrita sob o retículo <3x a largura média da ripas de ferrita que a

circundam.

bii)- Ferrita sob o retículo >3x a largura média da ripas de ferrita que a

circundam.

ci)- Duas ou mais ripas paralelas e relação comprimento/largura > 4/1.

cii)- Duas ripas com relação comprimento/largura <4/1 ou ripas não alinhadas

ou ripas isoladas de alta relação comprimento/largura.




67

di)- Área da colônia FC sob o retículo < área individual das ripas de ferrita.

dii)- Área da colônia FC sob o retículo > área individual das ripas de ferrita.

- Ferrita Primária (PF) – Este constituinte pelo seu aspecto claro e liso pode ocorrer

sob duas formas e computadas como constituintes distintos, se o observador estiver

confiante que a sua diferença é clara:

• Ferrita de Contorno de Grão PF(G) – Constituída por veios de ferrita

associados a contorno de grãos austeníticos. É o constituinte de

mais fácil identificação no metal de solda pelo seu aspecto claro e

liso. Costuma adotar a forma de veios, delineando o contorno de

grão colunar da austenita prévia. Isto se deve ao fato que sua

nucleação e crescimento ocorrem nestes contornos, conferindo-lhes

assim uma forma alongada, Figura 2.26-a.

• Ferrita Poligonal Intragranular PF(I) – Caracteriza-se como grãos de

ferrita normalmente poligonais, encontradas no interior dos grãos da

Austenita Prévia, mas que apresentam dimensões superiores ao

triplo da largura média das ripas da Ferrita Acicular ou da Ferrita

com Segunda Fase, que as circundam, Figuras 2.26-bii.

- Ferrita com Segunda Fase (FS) – Pode ocorrer em duas formas computadas como

constituintes distintos, se o observador estiver seguro que a distinção é clara.

• Ferrita com Segunda Fase Alinhada FS(A) – Duas ou mais ripas de

ferritas paralelas. Quando existirem somente duas ripas, deve-se

classificar como Ferrita com Segunda Fase Alinhada somente se

sua razão de aspecto for maior que 4:1. Caso isto não se verifique,

o constituinte deverá ser classificado como Ferrita Acicular ou

Ferrita Poligonal, Figuras 2.26-ci.




68

• Ferrita com Segunda Fase não Alinhada FS(NA) – Ferrita circundante

(completamente) às microfases ou às ripas de Ferrita Acicular.

- Ferrita Acicular (AF) – Constituinte intragranular de grão fino, com uma morfologia

emaranhada em grãos se entrecruzando no interior do grão da austenita prévia,

separados por contornos de alto ângulo e razão de aspecto variando de 3:1 até 10:1.

Pode incluir ainda ripas isoladas de elevada razão de aspecto. Uma região de AF

freqüentemente apresenta a morfologia de uma estrutura de Widmanstatten, mas

também inclui ripas isoladas de comprimento superior a largura, Figuras 2.26-bi,2.

26-cii e 2.26-di.

- Martensita (M) – É o micro constituinte que se forma como produto final de

transformação, ocorrendo freqüentemente em soldagens com baixo aporte térmico.

Colônias de martensita maiores que as ripas de ferrita dentro dos grãos austeníticos

prévios adjacentes. Colônias menores devem ser tratadas como microfases. É o

constituinte que se forma como produto final de transformação.

- Agregados Ferrita e Carbetos (FC) – São constituídos por uma estrutura fina de

ferrita e carbetos, incluindo perlita e ferrita com carbetos interfásicos. Constituinte

formado fora do contorno de grão da austenita. Apresenta uma estrutura interna cuja

resolução fica abaixo da obtida por microscopia ótica, formando áreas escurecidas.




69

Figura 2.27- Microestrutura do metal depositado com indicação dos diferentes constituintes (MO) (Modenesi, 2004 e Nascimento, 2005).




70 3. MATERIAIS E MÉTODOS

Neste item será apresentada a especificação e a descrição dos materiais e

equipamentos utilizados, assim como, a metodologia experimental empregada para

os processos de soldagem FCAW (convencional) e FCAW-CW (arame frio),

englobando as analises de avaliação propostas.

3.1 Materiais Utilizados

3.1.1 Consumíveis

A seleção dos tipos de consumíveis estão relacionadas as suas

características de elevada produção, facilidade de manutenção da estabilidade do

arco e de facilidade de aplicação da técnica de soldagem.

3.1.1.1 Arame Eletrodo

Foi utilizado como arame eletrodo o arame tubular da classe AWS E71T-1 de

diâmetro de 1,2 mm, conforme a classificação AWS 5.20. Este consumível

energizado será responsável pelo estabelecimento e manutenção do arco voltaico.

Esse arame contem fluxo rutílico para soldagem em passe único ou passes

múltiplos, natureza e polaridade da corrente CC+, e pode ser aplicado em todas as

posições. Apresenta uma ampla faixa de parâmetros operacionais, baixo índice de

respingos e facilidade para remoção de escória. Pode ter como gás de proteção CO2

ou mistura gasosa. Destinado a soldagem de aços de baixo e médio teor de

carbono. Aplicado em soldagem estrutural e construção pesada em geral. Com

composição química presente na Tabela 3.1;

Tabela 3.1 – Composição química do arame tubular E71T-1.

Elemento C Si Mn S P

(%) 0,05 0,50 1,20 0,012 0,015 Fonte: ESAB, 2008.




71 3.1.1.2 Arame Frio ou Não-Energizado

Os arames não-energizados utilizados foram os arames solido “maciço” da

classe AWS ER70S-6 nos diâmetros de 0,8 e 1,0 mm, conforme a classificação

AWS 5.18. O arame frio sendo o consumível não energizado é responsável pela

adição suplementar de massa metálica na composição do metal de solda.

É um arame sólido de aço carbono com manganês e silício, cobreado,

destinado à soldagem MIG/MAG de aços não ligados para construção em geral.

Este arame é recomendado para soldagem tanto em passe único como em múltiplos

passes, em CC+, pode ser aplicado com CO2 ou mistura onde se requer um melhor

acabamento do cordão de solda e redução do nível de respingo. Devido ao fato de

possuir em sua composição química um maior teor de elementos desoxidantes

(Silício e Manganês), é a opção mais adequada para ser aplicada sobre a superfície

de chapas que tenham moderada quantidade de oxidação (aços patináveis), além

de não produzir escória. Na tabela 3.2 esta apresentado a composição química do

arame AWS ER70S-6.

Tabela 3.2 – Composição química do arame maciço ER70S-6.

Elemento C Si Mn P S (%) 0,07 0,80 1,20 0,025 0,035

Fonte: ESAB, 2008. 3.1.1.3 Gás de Proteção

Como proteção gasosa foi utilizada neste trabalho o dióxido de carbono (CO2)

comercialmente puro. O qual selecionado por ser bastante utilizado na indústria de

transformação mecânica, na soldagem de aços carbono e de baixa liga pelo

processo de soldagem GMAW. Seus fatores determinantes são o seu baixo custo

em relação a outros gases de proteção e suas características físico-químicas que

proporcionam vantagens operacionais em aplicações ligadas à soldagem de

estruturas em aço.

A utilização do gás CO2 no processo de soldagem FCAW-CW como gás de

proteção é por ter custo economicamente viável e por observações significantes na

qualidade e desempenho do processo quando foram utilizadas em práticas




72 desenvolvidas em trabalhos experimentais no Labsolda da UFPA, segundo a norma

AWS A5.18 recomenda a utilização de CO2 para a soldagem MAG.

3.1.2 Metal de Base

O Aço ASTM A-131 Grau A foi selecionado como o metal de base para a

soldagem das amostras devido a sua ampla utilização na indústria naval. É um aço

estrutural da classe dos aços com baixo teor de carbono e baixa liga, destinado a

construção de estruturas navias ou off-shore, apresenta maior resistência a corrosão

e sua composição química é apresentada na Tabela 3.3. O material de base

empregado foi fornecido pelo Estaleiro Rio Maguari em peças, nas dimensões de 9,5

mm de espessura, 150 mm de largura e 300 mm de comprimento, conforme a Figura

3.1, seguindo a usinagem, pesagem e montagem para a formação da junta a ser

soldada.

Tabela 3.3 – Composição química do aço ASTM A-131 Grau A.

Elementos Químicos Determinados (%) C Si Mnmin P S Cr Mo Ni Cu Vmin**

0.21* 0,5 2,5 x C 0,035 0,035 ≤ 0,02 0,030 Fonte: ASTM A131, Standard Specification for Structural Steel for Ships, Vol

03.01, 2001.p.03. (Obs:* o Maximo de aceitável até 0,23% de carbono para o Grau

A; ** a percentagem de vanádio a ser encontrada será de no mínimo de 0,030% e

esta relacionado ao Niobio e ao Aluminio).




73

Figura 3.1 – Esquema representativo da peça nas dimensões 9.5 mm, 150 mm e

300 mm (E x L x C) a formar a junta a ser soldada.

3.2 Equipamentos Utilizados

Estão dispostos neste item as descrições dos equipamentos e acessórios

utilizados no decorrer da execução de cada fase deste trabalho. É pertinente

informar que devido às soldas serem realizadas em ambiente industrial, as fontes de

soldagem e os sistemas de alimentação de arame foram fornecidos pelo Estaleiro

Rio Maguari, ou seja, são equipamentos de linha de produção.

3.2.1 Bancada de Soldagem

A bancada de ensaio para a realização deste trabalho foi constituída pelos

seguintes equipamentos:

• Uma central de soldagem;

• Uma fonte de energia auxiliar;

• Dois sistemas de alimentação de arame;

• Uma pistola de soldagem;

• Uma balança digital;

• Um sistema de medição das velocidades dos arames;




74

• Uma placa de aquisição e de processamento de dados;

• Microcomputador;

• Programas computacionais;

• Material de ensaio líquido penetrante;

• Equipamentos auxiliares de metalografia;

• Sistema de Aquisição Óptico Computadorizado

Os equipamentos utilizados são descritos a seguir: 3.2.1.1 Central de Soldagem Múltiplos Processos

A fonte de soldagem utilizada é multiprocessos, optando-se pelo processo

FCAW, conforme empregado na linha de produção, no modo ajuste da fonte em

tensão constante, natureza de corrente e polaridade CC+.

Tipo: Fonte eletrônica tiristorizada.

Modelo: LAI 550.

Fabricante: ESAB.

Tensão de alimentação: 220, 380, ou 440 V, trifásico, 60Hz.

Tensão em vazio: 17 a 55 V.

Potência aparente nominal: 22,5 KVA.

Compensação de parâmetros: ± 10% de variação da rede elétrica.

3.2.1.2 Sistema de Alimentação de Arame Eletrodo

O sistema de alimentação de arame eletrodo é composto por um cabeçote,

Modelo: MEF 30.

Fabricante: ESAB.

Faixa de velocidade do arame: 1,5 – 22 m/min.

Sistema de 04 roldanas.

Alimentação elétrica: 42 VCA.




75 3.2.1.3 Sistema de Alimentação de Arame Frio

O sistema de alimentação de arame frio é composto por um cabeçote similar ao alimentador de arame eletrodo, sem a energização do arame.

Modelo: MEF 30.

Fabricante: ESAB.

Faixa de velocidade do arame: 1,5 – 22 m/min.

Sistema de 04 roldanas.

Alimentação elétrica: 42 VCA.

3.2.1.4 Pistola de Soldagem com Suporte Auxiliar de Alimentação de Arame Frio

A pistola de soldagem utilizada foi do tipo “push”, conforme especificações e

características apresentadas a seguir. Na Figura 3.2, apresenta-se o detalhe da

pistola com o sistema auxiliar de alimentação de arame frio acoplado.

Fabricante: Oximig.

Modelo: Tocha PLUS 500.

Figura 3.2 – Pistola de soldagem com o sistema auxiliar de alimentação de

arame não energizado acoplado.




76

Suporte de Alimentação de Arame Frio: na Figura 3.3, é

apresentado o esquema ilustrativo do protótipo guia de alimentação de arame frio

desenvolvido no laboratório destinado a aplicação no modo semi-automático em

ambiente industrial. Nota-se a fácil adaptação do suporte e manuseio do mesmo ao

processo de soldagem proposto.

Figura 3.3 – Protótipo do suporte auxiliar de alimentação de arame não-energizado.

a) Montado e pronto a ser adaptado; b) Desmontado em peças.

3.2.1.5 Balança Digital

A balança digital foi utilizada para a pesagem dos corpos de prova, antes e

após a deposição do metal de solda, apresenta as seguintes especificações e

características a seguir.

Modelo: MARK 5000.

Fabricante: MARK.

Valor máximo: 5000g.

Valor mínimo: 2g.

Resolução: 0,1g.

Erro: 0,1g.




77 3.2.1.6 Suporte de Atracação

Suporte de atracação, Figura 3.4, para evitar distorções na junta soldada. Em

ensaios preliminares, sem o uso deste dispositivo, foram observados grandes

distorções nos corpos de prova.

Figura 3.4 – Suporte de atracação.

3.2.1.7 Sistema de Aquisição e Processamento de Dados.

Equipamentos utilizados para aquisição e aferição de dados em tempo real,

tais como, vazão de gás, tensão, corrente e velocidade de alimentação de arame.

a) Sistema e Placa de aquisição e processamento de dados

Modelo: INTERDATA, freqüência de aquisição de 100 kHz por canal

Fabricante: IMC/LABSOLDA - UFSC

b) Medição de velocidade e metragem de arame.

Este sistema de medição é responsável para medir as velocidades de

alimentação de arame eletrodo e do arame frio. Dois sistemas de medição foram




78 utilizados, um para o arame energizado e outro para o arame frio. Este sistema é

acoplado ao arame na entrada do cabeçote e tem a função de medir a velocidade de

alimentação de arame e a metragem de arame consumível para o cálculo das

características econômicas.

Modelo: MVA – 2.

Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC

c) Microcomputador

Modelo: Pentium 133 MHz

Fabricante: Intel

d) Programas Computacionais

Oscilos.SAP – Utilizado na aquisição dos dados instantâneos da tensão e da

corrente durante a soldagem.

Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC

Origin 6.0 – Programa computacional utilizado na geração de gráficos para

análise de resultados.

Fabricante: Microcal

Programa para análise gráfica - empregado na geração de gráficos.

AutoCAD 2009 – Fabricante Microsoft. Programa comercial de computação

gráfica usado na modelagem de sólidos 3D e na medição da geometria das

amostras soldadas.

3.2.1.8 Material para Ensaio de Liquido Penetrante

Material utilizado no ensaio por líquidos penetrantes para a detecção de

descontinuidades essencialmente superficiais.




79

Dados técnicos:

a) Penetrante: VP-30 lavável a água N° 02

Fabricante: MetaL-Chek

b) Revelador: D-70 N° 03


c) Removedor: E–59


3.2.1.9 Equipamentos para ensaios metalográficos 3.2.1.9.1 Serra de fita.

Máquina automática de serrar,responsável pelo corte dos corpos de prova.

Modelo: FM18

Fabricante: FRANHO - Máquinas e Equipamentos S/A

3.2.1.9.2 Embutimento dos Corpos de Prova

Realizado após o corte, os corpos de prova foram embutidos por resina

acrílica, kit de embutimento a frio da AROTEC, contendo o desmoldante D-30, a

resina acrílica e o liquido auto-polimerizante A2.

3.2.1.9.3 Lixadeira/Politriz

Utilizada para lixar e polir os corpos de prova após o corte.

Modelo: DPU-10

Fabricante: Panambra S/A




80 3.2.1.9.4 Sistema de aquisição óptico computadorizado – Analisador de imagens.

Modelo: Leica DMR, equipado com câmera digital JVC-TK 138 OU e

microcomputador Q 550 IW1 com programa de análise de imagens “Leica QWIN”.

Fabricante: Leica

Resolução: 50 a 500X

3.3 Planejamento Experimental

O planejamento experimental será dividido em 04 (quatro) etapas: 1ª: escolha

dos parâmetros operacionais de soldagem, FCAW convencional e FCAW-CW com

adição de arame não energizado, e preparação da bancada e dos corpos de prova;

2ª: adequação dos processos de soldagem e ensaios preliminares em ambiente

industrial; 3ª: aplicação dos métodos de soldagem e obtenção das variáveis de

respostas (tensão, corrente e características econômicas); 4ª: concerne das

avaliações superficiais e por liquido penetrante, e retirada das amostras para

determinação e avaliação das características geométricas, quimicas e metalúrgicas.

Estas etapas objetivam o estudo da viabilidade do processo de soldagem

FCAW com adição de arame frio ou não-energizado, avaliando as condições de

aplicação dos processos realizados na industria sobre as variações provocadas

pelas velocidades de soldagem e pela introdução de arame frio à atmosfera do

arame eletrodo.

Avaliar o processo de soldagem FCAW e FCAW-CW em três níveis de

velocidade de alimentação de arame eletrodo e o aporte térmico sobre a geometria

do cordão de solda (largura, reforço e penetração), e sobre os parâmetros

econômicos (consumo, produção e rendimento), sobre os aspectos metalúrgicos

(fases presentes). Os fatores e níveis estudados estão apresentados na Tabela 3.4

e os resultados serão processados e avaliados para a obtenções de resultados.




81

Tabela 3.4 – Planejamento experimental dos ensaios.

Planejamento dos Ensaios Nº de ensaios com o processo FCAW 03

Nº de réplicas 02 Sub-Total 06

Nº de ensaios com o processo FCAW-CW 06

Nº de réplicas 03 Sub-Total 18

Total de Ensaios a Executar 24

Todas as soldagens foram realizadas em ambiente industrial, no Estaleiro Rio

Maguari SA, localizado no município de Belém as margens do Rio Maguari no

distrito de Icoaraci, da própria empresa, pelo modo semiautomatico de linha de

produção, na posição plana utilizando uma fonte eletrônica ajustada em tensão

constante e polaridade positiva.

Os metais de adição utilizados serão os arames compostos da classe AWS

E71T-1 de 1,2 mm de diâmetro como o arame energizado e os da classe AWS

ER70S-6 com 0.8 mm e 1.0 mm de diâmetro como os arames não energizados ou

arame frio. Serão mantidos constantes: o ângulo de inclinação da tocha com o bico

de alimentação de arame frio, com vazão de gás em 15 L/min para dióxido de

carbono CO2 comercialmente puro.

A alimentação do arame energizado será realizada através da tocha de

soldagem e a adição do arame frio por meio do suporte guia, suporte auxiliar.

Utilizando o arame tubular como o arame energizado, FCAW, e adicionando o

arame frio ao processo. Um dos maiores motivos para o uso dessa técnica recai no

aumento da produtividade, uma vez empregado dois arames simultaneamente. O

suporte serve de guia para o arame frio e como tal foi desenvolvido para este fim,

em trabalhos anteriores do laboratório de soldagem do GETSOLDA da

FEM/ITEC/UFPA.

Durante as soldagens, os valores instantâneos da corrente e tensão de

soldagem serão lidos e armazenados através da placa de aquisição de dados

referentes ao arame eletrodo. O programa de aquisição de dados fornece os

oscilogramas de tensão e de corrente de soldagem e realiza a aquisição dos pontos

corrente-tempo e tensão-tempo a cada 25 ms (milisegundos). Como o tempo de




82 aquisição de um segundo, acarretará no fornecimento de um universo de 4000

pontos para cada ensaio, suficiente para a análise pretendida.

Os cordões de solda foram realizados em quatro passes, primeiro o de raiz

em seguida no reverso do cordão, com parâmetros determinados em campo, em

terceiro o passe de enchimento e reforço, que procederá em duas etapas, para o

FCAW convencional e FCAW-CW com adição de arame frio.

Ao processo convencional serão variadas as velocidades de alimentação de

arame eletrodo (classe AWS E71T-1 com diâmetro de 1,2 mm) em três níveis 6, 8 e

10 m/min. O processo FCAW-CW será realizado em dois momentos, o primeiro com

adição de arame frio (classe AWS ER70S-6) de diâmetro de 0.8 mm e o segundo

com o de 1.0 mm de diâmetro, as variáveis de velocidade de alimentação de arame

eletrodo serão as mesmas do modo convencional sendo essas relacionadas as

velocidade de alimentação de arame frio na seguinte proporção: 6/2, 8/3 e 10/4

m/min. Esses parâmetros utilizados estão dispostos na Tabela 3.5 e obtidos de

trabalhos anteriores e adaptados a linha de produção, com vazão de gás de

proteção no valor de 15 L/min, e tensão e corrente ajustadas em 30 V e 190 A.

Tabela 3.5 – Parâmetros variáveis dos processos de soldagem FCAW e FCAW-CW.

Fator de Velocidade de Alimentação Nível Arame Eletrodo, (m/min), FCAW - Ø=1.2 mm 6,0 8,0 10,0 Arame Frio, (m/min), FCAW-CW - Ø=0.8 mm 2 3 4 Arame Frio, (m/min), FCAW-CW - Ø=1.0 mm 2 3 4

Nos passes de enchimento, serão avaliados o efeito dos três níveis de

velocidade e da introdução de um arame não energizado a atmosfera do arco nas

características de estabilidade de arco, econômicas, geométricas e metalúrgicos do

processo, assim como, será avaliado as características superficiais do cordão de

solda. Etapas essas necessárias para viabilização da análise e comparação dos

resultados obtidos para os dois processos de soldagem.

3.3.1 - Metodologia Experimental

Neste tópico é apresentada a metodologia experimental empregada para a

execução de cada uma das etapas propostas: a determinação de parâmetros de




83 soldagem do passe de raiz utilizados em aplicação industrial, a realização das

soldagens pelos FCAW convencional e FCAW-CW com adição de arame não

energizado, a obtenção das características econômicas (taxa de fusão, taxa de

deposição e rendimento), das características geometricas do cordão de solda

(largura, reforço e penetração lateral) e características metalúrgicas (fases

presentes).

Conforme a 1ª etapa do planejamento, temos:

a) Usinagem dos chanfros conforme modelo utilizado na industria. Peças de

aço ASTM A131 Grau A, nas medidas de 300 x 150 x 9,5 mm, neste caso

o ângulo de bisel de 22.5° usinado em uma das arestas maiores e sem

nariz, ver detalhe da Figura 3.5;

b) Montagem dos corpos de prova com abertura de raiz de 3.0 mm, chanfro

de 45º, sem nariz, conforme especificações sugeridas pelo Estaleiro,

apresentado na Figura 3.5. Seguindo para limpeza e pesagem dos

mesmos;

Figura 3.5 – Representação esquemática do corpo de prova (duas peças) nas

medidas de 300 x 300 x 9,5 mm; no detalhe o diâmetro, o ângulo de bisel de 22,5º e

abertura de fresta de 3.0 mm.

c) Passe de raiz e no reverso – para estes passes será utilizado o processo

convencional, FCAW com o mesmo arame eletrodo da classe E71T-1, nas




84

condições operacionais mais adequadas ao soldador, pois não se objetiva

analisar estes passes. Condição a ser apresentada durante os ensaios

preliminares;

d) Passe de enchimento – serão realizados dois passes para o

preenchimento total do chanfro, utilizando o FCAW convencional e com a

adição de arame frio para comparação. Com a adição de arame não

energizado será utilizado dois diâmetros de arame de 0.8 e 1.0 mm da

classe AWS ER70S-6. Durante estes passes será feita a aquisição de

dados de corrente e tensão de soldagem.

3.3.1.1 Ensaios preliminares

Para o passe de enchimento dos processos de soldagens propostos, teve de

ser determinado os parâmetros operacionais do passe de raiz, apresentado na

Tabela 3.6, os quais foram obtidos pelo método de tentativas, até a melhor aplicação

do mesmo, apresentando boas qualidades superficiais e geométricas.

Tabela 3.6 – Parâmetros operacionais do passe de raiz.

Fatores Nivel Velocidade Arame Tubular (AWS E71T-1), Ø = 1,2 mm 8,5 m/min

Vazão do Gás de Proteção (CO2 100%) 15 L/min Tensão (U) 30 V Corrente (I) 190 A

Técnica Operacional Empurrando Modo Operacional Semiautomatico

Após a determinação dos parâmetros de soldagem do passe de raiz através

dos ensaios preliminares, foi iniciado a aplicação desse em todas as juntas

montadas conforme apresentada na Figura 3.6, na qual observa-se que a abertura

de raiz foi reduzida de 3.0 mm para 2.4 mm, para eliminar o passe no reverso,

reduzindo o numero de passes totais de quatro (4) para três (3) com aplicado na

indústria. Esta otimização e utilização deste passe de raiz ao processo, representa

aumento da produtividade em termos de tempo e custos ao Estaleiro.




85

Figura 3.6 - Esquema representativo da abertura de raiz otimizada, de 3.0

para 2.4 mm, para o passes de raiz sem o passe no reverso do cordão.

Estando prontos os corpos de provas e realizado o passe de raiz, inicia-se a

aplicação dos passes de enchimento pelos métodos de soldagem FCAW

convencional e FCAW-CW com adição de arame frio, conforme o planejamento

experimental proposto neste trabalho. 3.3.1.2 Ensaios experimentais

As soldagens pelo processos FCAW convencional foram variadas em três

níveis de velocidade de alimentação de arame 6, 8 e 10 m/min pelo método

semiautomático no sentido empurrando a tocha por simples deposição, e foram

coletados os tempos da soldagem realizada pelo soldador através de um

cronometro. Neste caso, foi possível a redução do passe de enchimento passando

de dois (2) para um (1), configurando o processo total em dois passes, um de raiz e

um de enchimento, que passou a ser adotado aos demais processos.

Nos processos FCAW-CW com adição de arame frio, segue a seqüência de

velocidade do arame eletrodo (tubular) nas seguintes proporções máximas de 2/1

com o arame não energizado: 6/2, 8/3 e 10/4 m/min.

A técnica experimental empregando a soldagem semiautomática aos

processos de soldagem, observadas na Figura 3.7, foram iniciadas através de uma

seqüência padronizada de operações. Inicialmente a tocha de soldagem foi

posicionada, na “orelha” ou “cão”, a 20 mm após a borda da junta a soldar no

sentido da soldagem no chanfro, como no detalhe da Figura 3.7. A abertura do arco




86 elétrico é iniciada com alimentação do arame-eletrodo e somente decorridos dois

segundos (2s) de soldagem entra em ação a alimentação do arame frio na operação

caracterizando o processo FCAW-CW e após a estabilização do arco, a deposição

do metal de solda segue para o corpo-de-prova e iniciada a contagem pelo

cronometro a dois segundos (2s) do momento que a poça entrar no chanfro. A

soldagem foi finalizada após a saída da poça de fusão do chanfro e interrupção da

alimentação do arame frio, cinco segundos (5s) na “orelha”, para que o processo

conclua o passe de solda e o fechamento do arco elétrico, nesta ordem. No entanto,

quando a incidência de arame frio fora ou as margens da poça de fusão, o calor

gerado pelo arco funde parcialmente provocando a fixação do arame não energizado

no cordão de solda interrompendo o processo. Com a intenção de eliminar este fato,

o ângulo de 50° apresenta melhor disposição durante a soldagem FCAW-CW. A

diferença de tempo na entrada e saída da alimentação dos arames foi essencial

para a operacionalização do processo. Estes resultados foram obtidos dos ensaios

preliminares, conforme proposto.

Figura 3.7 – Aplicação em campo da técnica de soldagem FCAW-CW com adição de

arame frio, caracterizando o modo semiautomatico. Soldador no momento do passe

de enchimento; no detalhe o ponto de inicio da abertura do arco e ângulo entre os

arames.




87

Durante as operações de soldagem, a aquisição dos dados de corrente e da

tensão de soldagem foram obtidas através de uma placa de aquisição de dados em

alta freqüência, instalada em um computador Pentium 133 MHz (SAP – sistema de

aquisição portátil). O programa OSCILOS SAP de aquisição de dados que fornece

os oscilogramas de tensão e de corrente de soldagem e realiza a aquisição dos

pontos a cada vinte e cinco milisegundos (25 ms). O tempo de aquisição utilizado foi

de um segundo (1s) e acarretará no fornecimento de 4000 pontos para cada ensaio,

o que será suficiente para a análise pretendida. Esta aquisição será realizada a

partir do terço médio (1/3) do corpo de prova em um único ponto, no qual pode ser

considerado o momento que o arco encontra-se mais estabilizado, conforme

também proposto pelas literaturas pesquisadas. Foram realizadas duas repetições

dos ensaios com aquisição dos dados de corrente e tensão para cada experimento

dos processos FCAW e FCAW-CW. 3.3.1.3 Sanidade Superficial

3.3.1.3.1 Aspecto superficial do metal depositado

A análise do aspecto superficial do metal depositado tem por objetivo verificar

a qualidade da superfície do cordão de solda, a qual depende das condições

operacionais de soldagem estabelecidas. O aspecto superficial do metal depositado

foi avaliado através de inspeção visual, sem auxilio de qualquer equipamento de

precisão, com base na regularidade geométrica da deposição de metal de adição,

largura e altura do reforço ao longo do seu comprimento, além da presença de

descontinuidades tais como, trincas, porosidade, respingos, mordeduras, deposição

insuficiente, abertura de arco, etc, em comparação o FCAW convencional com os

FCAW-CW arame frio.

3.3.1.3.2 - Ensaio por Líquidos Penetrantes

Os ensaios por líquido penetrante foram efetuados em todas as amostras dos

experimentos, sendo, 6 (seis) amostras do processo FCAW convencional e 18




88 (dezoito) amostras do processo FCAW-CW. Também foi realizado o mesmo ensaio

para a avaliação dos passe de raiz na superfície inversa a solda em todas as

amostras soldadas.

A superfície de cada amostra soldada, incluindo a raiz no reverso, foram

inicialmente limpa e seca para que não houvesse a presença de contaminantes, pois

a ocorrência destes, torna o ensaio não confiável. O ensaio foi iniciado através da

aplicação do líquido penetrante até formar um filme sobre a superfície da chapa de

aço. Em seguida foi determinado um tempo de 10 min, conforme a norma Petrobrás

N-1596, para ocorrer o fenômeno da capilaridade e completa penetração do líquido.

Após o tempo especificado, foram removidos da superfície o excesso de líquido

penetrante e aplicado o revelador, que consiste de um pó fino e branco. Logo em

seguida, novamente foram dado um tempo de 10 min para que o líquido penetrante

fosse absorvido pelas descontinuidades, revelando-as. A avaliação das indicações

os resultados foram registrados em imagens. As amostras foram limpas para depois

ser efetuado o corte individual. A avaliação das indicações foi efetuada com a

inspeção dos corpos de prova soldados, através da técnica visual sobre as

superfícies atacadas.

3.3.1.4 Estabilidade de Arco

A avaliação do arco voltaico visa a observação dos oscilogramas de tensão e

corrente para a soldagem, que envolvem a transferência metálica, para fins de

comparação de resultados entre os processos de soldagem empregados.

Para a avaliação do comportamento dinâmico do arco voltaico, inicialmente,

foram realizadas a seleção de parâmetros operacionais preliminares da soldagem.

Esta seleção de parâmetros preliminares se baseou em dados de trabalhos

experimentais anteriores realizados a partir de experimentos desenvolvidos pelo

GETSOLDA, sob condições operacionais de soldagem equivalentes, conforme já

discutido.

Os sinais obtidos durante os processos de soldagem foram monitorados

pelo programa computacional oscilos. Este programa avaliou a dinâmica operacional

através da interpretação de oscilogramas de tensão e de corrente em função do

tempo de soldagem. Os dados instantâneos da corrente e da tensão de soldagem




89 foram obtidos por programas computacionais adequados que, em seguida, foram

processados para a geração de oscilogramas.

Os oscilogramas de corrente e de tensão de soldagem foram tratados por

meio de um programa computacional gráfico, que permite a traçagem de todas as

curvas tempo x tensão de soldagem (txU) e tempo x corrente de soldagem (txI),

através dos dados obtidos pela placa de aquisição durante toda a experiência, cuja

finalidade é realizar a aquisição de dados em tempo real, armazenar e processar os

dados instantâneos da corrente e da tensão de soldagem, tempo e quantidade de

ocorrências de picos ou sinais de queda.

3.3.1.5 Características Econômicas 3.3.1.5.1 Equações convencionais

Para avaliar as características econômicas os valores da taxa de fusão (TF),

da taxa de deposição (TD) e do rendimento de deposição (R), foram obtidos, para

um arame ou modo FCAW convencional, a partir da utilização das Equações 3.1, 3.2

e 3.3, respectivamente.

A taxa de fusão (TF), Equação 3.1, representa a quantidade de material

(massa) do eletrodo ou arame consumível que é fundida por unidade de tempo. Esta

taxa representa a produção em tempo gasto para a realização da soldagem. A taxa

de deposição (TD) é definida como a massa fundida do arame-eletrodo depositada e

realmente incorporada ao metal de solda, por unidade de tempo, Equação 3.2. e

está relacionada ao custo total da operação de soldagem. O rendimento de

deposição real (R) é a razão entre a massa do consumível incorporada ao metal de

solda e a massa de arame consumida durante a operação de soldagem, na mesma

unidade de tempo (Braga, 1998 e Mota, 1996), Equação 3.3.

Taxa de Fusão (TF) – Consumo:

l KgTF = 3,6. ρ ht Equação 3.1




90 Sendo,

l - Comprimento do arame consumido (m);

ρ - Densidade linear do arame (g/m);

t- Tempo de soldagem (s)

Taxa de Deposição (TD) - Produção:

mf -mi KgTD = 3,6. ht

Equação 3.2

Sendo,

mf - massa final da junta depois da soldagem (g);

mi - massa inicial da junta antes da soldagem (g)

Rendimento de Deposição:

TDR = x100TF

[%] Equação 3.3

Sendo,

TD - taxa de deposição (kg/h);

TF - Taxa de fusão (kg/h)

3.3.1.5.2 Equações modificadas

A avaliação das características econômicas foram realizadas com a finalidade

de comparar a produção dos processos de soldagem FCAW e FCAW-CW

estudados. Para trabalhar com dois arames sólidos na experiência foram

indispensável à utilização de dois tempos de soldagem, sendo: t1 - tempo de

soldagem relativo à execução da soldagem com o arame-eletrodo; t2 - tempo de

soldagem relativo à execução da soldagem com o arame frio. Sendo, estes tempos

t1 e t2 iguais para o processo FCAW-CW, ao iniciar a soldagem com o arame

eletrodo, somente após 1 a 2 s iniciava-se a injeção de arame frio ao arco elétrico,




91 no entanto, a contagem do tempo de soldagem foi realizada nos momentos de

entrada e saída da poça de fusão no chanfro.

Para o cálculo da taxa de fusão se faz necessário o valor da densidade linear

do arame tubular, da classe E71T-1, e do arame maciço, da classe ER70S-6,

empregado nas soldagens com dois diâmetros (0.8 e 1.0 mm). Sendo assim, o valor

da densidade foi obtido experimentalmente a partir de dez verificações, com

amostras retiradas aleatoriamente, cujo valor médio encontrado para a densidade

linear dos arames citados estão dispostas na Tabela 3.7.

Tabela 3.7 – Densidade linear dos arames utilizados

E71T-1, densid. Linear (g/m), Ø = 1,2mm 6,867 ER70S-6, densid. Linear (g/m), Ø = 0,8mm 3,802 ER70S-6, densid. Linear (g/m), Ø = 1,0mm 5,965

As Equações 3.4 e 3.5 são referentes a taxa de fusão e a taxa de deposição

para dois arames. Logo, estas equações foram modificadas tomando como base as

equações 3.1 e 3.2 para atender as necessidades implementadas ao processo

FCAW-CW. No entanto, a equação 3.3 referente ao rendimento de deposição não foi

alterada.

Taxa de Fusão

1 2

1 21 2

l l KgTF = 3,6. ρ +ρ ht t Equação 3.4

Sendo,

t1 - tempo do arame-eletrodo (s);

t2 - tempo do arame frio (s);

ρ1- densidade linear do arame-eletrodo (g/m);

ρ 2- densidade linear do arame-frio (g/m);

l1 - comprimento linear do arame-eletrodo (m);

l2 - comprimento linear do arame-frio (m).




92 Taxa de Deposição

M

1 2M

mf -mi KgTD = 3,6. htt + tt =

2

Equação 3.5

Sendo,

tM - tempo médio de soldagem dos arames (s)

mf - massa final da junta depois da soldagem (g)

mi - massa inicial da junta antes da soldagem (g)

3.3.1.6 Obtenção das amostras

As amostras dos corpos de prova são necessárias para a análise geométrica

do cordão de solda e foram obtidas através da máquina automática de serrar,

embutimento, lixamento e polimento. O critério utilizado para a posição do corte da

amostra foi a de seccioná-la na região central, que se julgava a região do cordão

onde o arco, bem como, a transferência metálica estivesse mais estável. De cada

experimento, foram retiradas uma (1) amostra do modo convencional FCAW, e duas

(2) amostras do processo FCAW-CW.

A Figura 3.8 apresenta o desenho esquemático do seccionamento transversal

das soldas experimentais dos corpos de prova, detalhando o corte para a remoção

das amostras.




93

Figura 3.8 – Esquema do corte para obtenção das amostras.

3.3.1.7 Características Geométricas da Solda

A avaliação da geometria do cordão de solda foi realizada pela análise

dimensional de sua seção transversal em três amostras do FCAW, uma de cada

velocidade de alimentação de arame, e em doze amostras do FCAW-CW, duas para

cada parâmetro de velocidade, totalizando quinze (15) amostras dos experimentos.

Em cada uma dos corpos de prova soldados (em simples deposição) foi efetuado

cortes transversais ao cordão de solda a uma distância mediana, conforme a Figura

3.9, a fim de obter as amostras para caracterização geométrica.

As superfícies das seções transversais das amostras foram lixadas por via

úmida e atacadas com um reagente químico para posteriormente experimentar o

ensaio macrográfico.

A preparação da superfície foi executada através do lixamento iniciado com a

lixa número 100, em direção normal aos riscos já existentes, passando-se

sucessivamente para lixas de granulação mais fina. Em todo o caso, para cada

seqüência de lixamento foi mudada a direção de lixamento em 90º. Entretanto, após

cada série de lixamento a superfície foi cuidadosamente limpa a fim de que o novo

lixamento não fosse contaminado com resíduos da operação anterior. Finalmente, a

preparação da superfície é concluída com a lixa de granulometria 600 mesh.




94

De posse da superfície da amostra limpa, lixada e seca efetuou-se o ataque

químico, sendo a composição química do reagente: ácido nítrico comercial com

concentração de 2% em etanol (NITAL 2%). Portanto, o ataque químico foi realizado

com reagente por imersão durante 15 segundos, em seguida a superfície lavada

com álcool etílico hidratado para cessar a reação, e finalmente seca.

A superfície lixada da amostra foi imediatamente escaneada e a imagem

gerada transferida ao computador. Em seguida, os parâmetros largura (L), reforço

(R) e a Penetração Lateral da solda (PL) e a Diluição (δ), ilustrados na Figura 3.9,

foram medidos na seção transversal ao cordão de solda com o auxílio do programa

comercial de computação gráfica AutoCAD definindo as características geométricas

do material depositado.

Figura 3.9 – Esquema do perfil geométrico do cordão de solda.

3.3.1.8 Caracteristicas Quimicas

Nesta etapa, foram realizadas as analises químicas do metal de base e dos

cordões de solda depositados. Os resultados destes exames foram determinados

por espectometria de massa, que tem por princípio a queima localizada do material a

ser analisado, e este libera um gás o qual processado corresponde a sinais que

pode ser interpretados como a composição química ou elementos presentes do

material metálico, dados em percentagem, informando também o carbono

equivalente. Foram realizadas três (3) queima em cada amostra, e retirada a média

dos valores encontrados.




95 3.3.1.9 Características Metalúrgicas

O exame metalográfico consistiu na análise macrografias e micrografias e foi

realizado nas seções transversais das soldas. Foram analisados o metal de solda de

todas as amostras utilizadas na caracterização geometrica. O objetivo deste exame

é identificar nas soldas o tipo de microestruturas presentes. Além disso, verificar em

cada região as fases presentes predominantes. A Figura 3.10 apresenta o “lay-out”

dos pontos analisados em cada amostra da junta soldada para a realização de

exames metalográficos.

Figura 3.10 – Representação esquemática da analise geométrica e dos

pontos para a analise micrografica.

3.3.1.9.1 Macrografia e Micrografia

A análise macrográfica foi realizada na seção transversal das soldas em

chanfro com o objetivo de caracterizar o perfil macroestrutural nesta seção em três

níveis de aumento, 100X, 400X e 800X. Foram verificadas a incidência de

porosidade, a falta de penetração e de fusão, ocorrência de inclusões, etc. A

preparação da superfície consistiu em lixamento até a granulometria de 500, 600,

800, 1200 e 1500 mesh, seguido de polimento com pasta de diamente de 3 µm e

pano de polimento adequado, e na sequencia o ataque químico com solução de nital

2%, pelo método de imersão e lavagem com etanol hidratado.

O objetivo de uma análise micrográfica em uniões soldadas é de avaliar a

microestrutura do metal de solda e da zona termicamente afetada. As observações e

as análises serão realizadas com o auxilio de um microscópio ótico de marca Leica,

e de fotomicrografias de pontos selecionados na superfície observada conforme a




96 Figura 3.10. Para a identificação dos principais microconstituintes será adotada a

terminologia de padronização proposta na “revisão bibliográfica”, item 2.10-

Microestruturas, deste trabalho.




97 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Resultados dos Ensaios Preliminares

Nesta primeira avaliação dos resultados, ensaios preliminares, consistiu em

observações das melhores condições de soldagem e do treinamento do soldador na

aplicação da técnica para todos os processo de soldagem abordados FCAW

convencional e FCAW-CW com adição de um arame frio de 0.8 e 1.0 mm de

diâmetro. Os principais resultados mostraram que o soldador apresentou-se

capacitado as variações dos processos de campo, após os treinamentos e

orientações adequadas.

Durante os ensaios de aplicação do passe de raiz, com o arame

convencional, observou-se a possibilidade de otimização deste processo a partir da

eliminação do passe no reverso do cordão. Baseado em observações, analises e

ensaios experimentais, foi possível estabelecer parâmetros de soldagem que, de

modo geral, se mostraram satisfatório, ou seja, a solda apresentou homogeneidade,

reforço mediano e sem descontinuidades aparentes na geometria do cordão no

reverso, na aplicação do passe de raiz em uma única etapa, o que consistiu na

redução da abertura de raiz de 3.0 mm para 2.4 mm e na determinação da

velocidade de alimentação de arame em 8.5 m/min.

Ainda durante os ensaios preliminares de soldagem, observou-se que ocorria

uma pequena oscilação na saída do arame do dispositivo de alimentação de arame

frio. Este fato motivou um novo ajuste no dispositivo e na melhor condição de

colocação deste à tocha, culminando no sentido empurrando e com a entrada do

arame frio a frente da poça de fusão. A Figura 4.1 ilustra esquematicamente a

técnica adotada em todos os ensaios, e a Figura 3.7 (pag.83) mostra o soldador

executando a soldagem.




98

Figura 4.1 - Desenho esquemático do processo de soldagem com adição de arame

frio. Apresentando a técnica de soldagem no sentido empurrando, com arame não

energizado disposto e introduzido a frente da poça de fusão.

Nos ensaios de soldagem com os parâmetros planejados ao processo,

observou-se que para o processo de soldagem FCAW-CW com o arame não

energizado de 0.8 mm de diâmetro na velocidade de 6 m/min do arame eletrodo,

não foi possível realizar as soldagens, devido à excessivos respingos, explosões e

descontinuidades, resultando na mudança da velocidade de alimentação de arame

frio de 2.0 para 2.5 m/min, gerando uma nova condição de soldagem 6/2.5 m/min. A

tabela 4.1 apresenta o novo resultado (anterior Tabela 3.5)para as condições de

soldagem.

Tabela 4.1 – Parâmetros variáveis retificados dos processos de soldagem.

Fator de Velocidade de Alimentação Nível Arame Eletrodo, (m/min), FCAW - Ø=1.2 mm 6,0 8,0 10,0 Arame Frio, (m/min), FCAW-CW - Ø=0.8 mm 2.5 3 4 Arame Frio, (m/min), FCAW-CW - Ø=1.0 mm 2 3 4




99 4.2 Resultados dos Ensaios de Sanidade Superficial 4.2.1 Ensaio Visual

As Figuras 4.2, 4.3 e 4.4 mostram o aspecto superficial das soldas

depositadas pelo processo FCAW convencional, nas velocidades 6, 8 e 10 m/min

(ou V6, V8 e V10) do arame eletrodo.

As Figuras 4.2, 4.3 e 4.4 mostram que as soldas FCAW, modo convencional

foram relativamente equivalentes quanto ao aspecto superficial, nas três condições

de velocidade do arame eletrodo (AWS E71T-1 de Ф=1.2 mm). A incidência de

respingos não foi observada durante este processo, muito provavelmente, devido a

uma boa transferência da gota, associada a parâmetros operacionais mais

adequados. A regularidade geométrica na largura do depósito se mantém uniforme

ao longo do comprimento em cada condição de soldagem.

Através da análise visual, dentro da faixa de trabalho, nota-se que o aumento

na velocidade do arame eletrodo não alterou significativamente a largura da solda,

reduzindo o reforço sem o surgimento de descontinuidades. Não foram observados

a presença de defeitos, tais como, trincas ou deposição insuficiente.

Figura 4.2 – Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW convencional,

com velocidade de alimentação de arame de 6 m/min ou V6.






100



As Figuras 4.5, 4.6 e 4.7, apresentam o aspecto superficial das soldas

depositadas pelo processo de soldagem FCAW-CW (0.8 mm) com arame frio de 0.8

mm de diâmetro, nas velocidades de alimentação do arame eletrodo/ arame não

energizado: 6/2.5, 8/3, 10/4 m/min., respectivamente; e as Figuras 4.8, 4.9 e 4.10,

estão os cordões de solda do processo FCAW-CW (1.0 mm) com arame frio de 1.0

mm de diametro, nas seguintes velocidades de alimentação de arame eletrodo/

arame frio: 6/2, 8/3 e 10/4 m/min.

Nos processos representados pelas Figuras 4.5, 4.6 e 4.7, as quais se

observa o aspecto superficial das soldas, FCAW–CW com adição de arame frio de

diâmetro de 0.8 mm, nos três níveis da velocidades de alimentação do arames

eletrodo/frio, 6/2.5, 8/3 e 10/4 m/min., as qualidades superficiais desses cordões de

soldas se mantiveram equivalente à qualidade das soldas no modo FCAW

convencional, não apresentado quaisquer descontinuidade que compromete-se o

cordão de solda, para os mesmos níveis de velocidades de alimentação. Entretanto,

a introdução de um arame não energizado a atmosfera do arco voltaico e o aumento

da velocidade de alimentação geram um aumento na largura, redução no reforço e

maior incidência de respingos, além de ser observado o desalinhamento do cordão e

ondulações superficiais irregulares, provocadas possivelmente por procedimentos

incorretos de operação da soldagem conforme é discutido em Braga (2008, p. 04).

Comportamento semelhante foi verificado para as demais condições de alimentação

do arame frio, na soldagem FCAW–CW com arame não energizado de diâmetro de

1.0 mm, conforme pode ser verificado pela analise das figuras 4.8, 4.9 e 4.10.




101

Figura 4.5 – Aspecto superficial do cordão de solda. Processo FCAW-CW com

adição de arame frio de 0.8 de diametro, com velocidade de alimentação de arames

eletrodo/frio igual a 6/2,5 m/min.


adição de arame frio de 0.8 de diâmetro, com velocidade de alimentação de arames

eletrodo/ frio igual a 8/3 m/min.







102










As maiores incidências de respingos são verificadas sobre as soldas

depositadas pelo processo FCAW-CW, nas maiores velocidades de alimentação de

arame frio, e está relacionada à instabilidade do processo provocada pela vibração

do arame frio, que entra em contato a poça de fusão e ao arame eletrodo (arame

energizado), causando interferências na transferência metálica. Segundo Mendonça




103 (2007, p. 37), o ruído decorrente deste instante de instabilidade sugere que a carga

energética do arco voltaico não é suficiente para fundir completamente o arame frio.

Neste caso o arame frio passa livremente através do arco voltaico e atinge

abruptamente a poça de fusão onde se energiza momentaneamente provocando

turbulências e níveis diferentes de respingos de parte do metal fundido, igualmente

observado durante as deposições dos cordões de solda para o processo FCAW-CW.

Passe De Raiz:

O passe de raiz também foi inspecionado quanto ao seu aspecto superficial

no reverso da solda. Sendo considerado o primeiro passe a ser aplicado e utilizado

como um dos pré-requisitos a aplicação do enchimento pelos processos FCAW e

FCAW-CW. Na Figura 4.11, pode-se observar o passe de raiz no reverso do cordão

de solda, o qual apresenta as mesmas características de um processo de soldagem

simples, incluindo altura e reforço, não apresentando quaisquer descontinuidades ao

longo do cordão. As etapas de enchimento foram somente realizadas sobre os

passes de raiz que apresentaram boa qualidade superficial.

Figura 4.11 - Aspecto superficial do cordão de solda no reverso. Passe de raiz com

arame tubular de 1.2 mm de diâmetro, com velocidade de alimentação de 8,5 m/min.

Detalhe o cordão de solda no reverso em perfil.

4.2.2 Ensaio por Liquido Penetrante

As Figuras 4.12, 4.13 e 4.14 mostram a qualidade superficial das soldas

depositadas pelo processo FCAW, nas velocidades de alimentação do arame

eletrodo de 6, 8 e 10 m/min, respectivamente. Observa-se, não haver nenhum caso




104 de descontinuidade ao longo dos cordões de solda que possa ser revelada pela

técnica.

Figura 4.12 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo

FCAW com velocidade de alimentação de arame de 6 m/min.





As Figuras 4.15, 4.16 e 4.17, apresentam a qualidade superficial das soldas

depositadas pelo processo de soldagem FCAW-CW (0.8) com adição de arame frio

de 0.8 mm de diâmetro, respectivamente, nas velocidades de alimentação do arame:

6/2.5, 8/3 e 10/4 m/min.; E as figuras 4.18, 4.19 e 4.20, representam as soldas pelo

processo FCAW-CW (1.0) com arame de 1.0 mm de diâmetro, apresentando as

seguintes velocidades de alimentação: 6/2, 8/3 e 10/4 m/min.




105

Figura 4.15 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-

CW com adição de arame frio de 0.8 mm de diâmetro, com velocidades de

alimentação de arames de 6/2.5 m/min.



alimentação de arames de 8/3 m/min.







106







Figura 4.20 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo FCAW-



Pelos resultados deste ensaio, nota-se que não surgiram descontinuidades ao

longo das soldas. Observa-se que as maiores incidências de defeitos revelados

foram os respingos, o que não influenciaram na regularidade dos cordões, este fato,

muito provavelmente, se deve aos procedimentos de soldagem aliados a técnica

operacional do soldador.




107

Passe de raiz:

A Figura 4.21, apresenta a qualidade superficial do passe de raiz no reverso

do cordão de solda, no qual não foi observado em todos as aplicações qualquer tipo

de descontinuidade ao longo do cordão, esta associada a boa habilidade do

soldador.

Figura 4.21 - Qualidade superficial no reverso dos cordões depositados pelo passe

de raiz. Realizado com o processo FCAW com o mesmo arame eletrodo, e

velocidades de alimentação de 8.5 m/min.

4.3 Resultados das Características da Estabilidade de Arco.

A analise da estabilidade de arco pode ser representada pelas Figuras 4.22 à

4.32, ilustram o comportamento gráfico do arco voltaico e os oscilogramas de

tensão/tempo e de corrente/tempo para a faixa dos parâmetros operacionais de

soldagem adotados. A Tabela 4.2, apresenta os dados obtidos para a corrente e

tensão durante os experimentos. Observa-se, de modo geral, o aumento da

velocidade de alimentação de arame de 6 para 8 e à 10 m/min, nesta seqüencia,

houve o aumento dos valores médios de corrente e tensão de soldagem, situação

natural, ja que a fonte precisa equilibrar a potência do arco, para fundir uma

quantidade maior de arame por unidade de tempo.




108

Tabela 4.2 – Parametros de soldagem obtidos de Im e Um.

Processo de Soldagem

Vel. Arame Eletrodo (m/min)

Vel. Arame Frio (m/min)

Parâmetros Obtidos

Im (A) Um (V)

FCAW Ф=1.2 mm

6 - 131 28,6 8 - 148 29,1 10 - 163 31,0

FCAW-CW Ф=1.2 e 0.8

mm

6 2.5 181 29,7 8 3 242 28,5 10 4 212 29,2

FCAW-CW Ф=1.2 e 1.0

mm

6 2 165 28,1 8 3 191 36,1 10 4 226 34,6

Para uma melhor visualização dos dados da Tabela 4.2 do comportamento da

corrente e tensão com a mudança de velocidade de alimentação de arame, foram

elaborados os gráficos da Figura 4.22. Por estes gráficos nota-se o perfil de

aumento da corrente e tensão com o aumento da velocidade de alimentação de

arame para os dois processos empregados.

Os oscilogramas das Figuras 4.22 a 4.24 apresentam o comportamento do

arco voltaico para o processo FCAW no modo convencional nas velocidades de 6, 8

e 10 m/min, respectivamente, os quais registros de sinais apresentam variações, em

nível ou em natureza, capazes de estabelecer uma regularidade na transferência de

carga elétrica ou na transferência de metal através da coluna do arco voltaico. O

registro de curtos-circuitos, são pouco evidenciados pela queda na tensão do arco

quando se utiliza gás ativo como proteção gasosa ao processo arame tubular. A

maior velocidade de alimentação do arame eletrodo, V10, Figura 4.22,

correspondente a maior corrente média (163 A), produz, também, maior correlação

entre as força atuantes no arco voltaico e da transferência de metal. No entanto,

este fato não significa que ocorreu instabilidade de arco neste nível de velocidade do

arame eletrodo, conforme observados nos trabalhos desenvolvidos por Barrozo

(2006) e Mendonça (2007), os quais obtiveram resultados semelhantes para os

mesmos processos com parâmetros iguais.




109

Figura 4.22 – Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW a 6 m/min a

velocidade de alimentação de arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x

tempo.

A)

B)




110



tempo.

A)

B)




111



tempo.

A)

B)




112

As Figuras 4.25, 4.26 e 4.27,se referem aos oscilogramas obtidos para as

velocidades de alimentação do arame eletrodo V6, V8 e V10 com arame frio de 0.8

mm de diâmetro. Pelas figuras, nota-se o comportamento dinâmico de arco voltaico

obtido, não alterado significativamente pela introdução do arame frio durante a

soldagem FCAW–CW (0.8 mm), entretanto os valores médios de corrente

aumentaram de V6 (181 A) a V8 (242 A) e tendeu a baixar de V8 (242 A) para V10

(212 A), devido a fatores operacionais de soldagem, pois a medida que a velocidade

de alimentação aumenta o operador também aumenta a velocidade de

deslocamento da tocha de soldagem, comportamento relacionado ao processo semi-

automático. Neste processo, se observa que foram mantidos os valores médios da

tensão como forma a compensar as variações de corrente e manter a regularidade

do arco voltaico regular. Estes valores médios de tensão e corrente são obtidos por

intermédio do programa oscilos, que dispõem de cursores que possibilitam de forma

empírica determinar este valor, ou seja, não é um valor que se obtém de forma

automática, mas é um valor aproximado.




113

Figura 4.25 – Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW (diametro

do arame frio de 0.8 mm) e 6 m/min a velocidade de alimentação de arame eletrodo:

(A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo.

A)

B)




114




A)

B)




115


do arame frio de 0.8 mm) e 10 m/min a velocidade de alimentação de arame

eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo.

Os oscilogramas seguintes das Figuras 4.28, 4.29 e 4.30, apresentam os

registros das ocorrências do comportamento dinâmico do arco voltaico durante a

soldagem FCAW-CW com a introdução do arame frio de 1.0 mm de diametro. Na

Tabela 4.2, o desempenho da corrente média obtido nas velocidades de alimentação

A)

B)




116 do arame eletrodo, se apresentou equivalente à soldagem FCAW quanto à dinâmica

das transferências de carga elétrica, portanto, sem alterações significativas na

estabilidade do arco voltaico. Entretanto, os valores médios da tensão e da corrente

de soldagem tenderam a se maior, por decorrência da maior velocidade de

alimentação de arame eletrodo com arame frio na atmosfera do arco voltaico.

(A)

(B)




117 Figura 4.28 – Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW (diametro



Figura 4.29 – Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW

(diametro do arame frio de 1.0 mm) e 8 m/min a velocidade de alimentação de

arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo.

(A)

(B)




118

Figura 4.30 – Oscilogramas de corrente e tensão do processo FCAW-CW

(diametro do arame frio de 1.0 mm) e 10 m/min a velocidade de alimentação de

arame eletrodo: (A) corrente x tempo e (B) tensão x tempo.

Pelas interpretações dos oscilogramas de corrente e de tensão de soldagem

apresentados, os processos FCAW-CW (0.8 mm e 1.0 mm) nas três velocidades de

alimentação de arame eletrodo apresentaram um comportamento dinâmico regular

comparando o processo convencional ao processo arame frio. A introdução do

(A)

(B)




119 arame frio na atmosfera do arco voltaico da soldagem FCAW-CW, não promoveu

perturbações de natureza significativa capaz de alterar a regularidade do arco

relativa da soldagem FCAW, ao se variar a velocidade de alimentação de arames.

Portanto, os oscilogramos são característicos de transferência metálica

provavelmente por spray, conforme observado também por Barrozo (2006, p.26), o

qual afirma a presença de curtos-circuitos de pequena duração sem a transferência

de metal e não promovendo perturbações à estabilidade do arco, e se manteve em

todos os experimentos mesmo com a adição do arame não energizado, nas faixa de

corrente e tensão de trabalho.

Pela Figura 4.31, o gráfico apresenta a influencia da velocidade de

soldagem dos três processos estudados em relação a corrente media obtida.

Observou-se uma tendência de maiores níveis de corrente para as maiores

velocidade de arame eletrodo ao analisar cada processo individualmente. Ao

comparar os métodos de soldagem FCAW-CW (0.8 e 1.0 mm) ao FCAW

convencional, observamos a mesma tendência do aumento dos níveis de corrente,

observado também quando se confronta os processos FCAW-CW nas velocidades

de 6, 8 e 10 m/min. Resultado não apresentado para o FCAW-CW (0.8 mm) na

velocidade de 10 m/min, isto, provavelmente se deve pelo processo apresentar

maiores níveis de salpicagem e velocidade de soldagem não compensado pela taxa

de fusão, ao contrario do FCAW-CW (1.0 mm) para a mesma velocidade.




120

Figura 4.31 – Representação gráfica do comportamento da (A) corrente média e (B)

tensão média, para os processos FCAW e FCAW-CW com arame frio de 0.8 e 1.0

mm de diâmetro.

A utilização de valores de tensão alta, para este arame eletrodo, é

recomendada pelo fabricante e esta de acordo a trabalhos ja realizados, Barrozo

(A)

(B)




121 (2006) e Mendonça (2007), nos quais apresentaram comportamento satisfatorio para

a aplicação da tecnica FCAW com a adição de um arame não energizado, ou seja,

FCAW-CW, com a adição de arame eletrodo de diametro maior ma proporção

máxima de velocidade de alimentação de arames de 2:1 (eletrodo:frio), promovendo

energia suficiente a coalescer o arame adicional a poça de fusão sem comprometer

a qualidade superficial do cordão para os parametros pré-determinados.

Os indicativos de instabilidade na operação de soldagem FCAW e FCAW-

CW (0.8 e 1.0 mm) são de fácil percepção e registro, por afetarem os aspectos

geométricos do cordão de solda, observado no exame de sanidade superficial, que

representa a qualidade do produto soldado e, relacionado, a superfície da junta,

sendo apresentados nestes casos o surgimento de salpicos (quentes) nas

adjacências da união o que exige, em muitas situações, e mais evidenciado nas

soldagens FCAW-CW em especial no processo FCAW-CW (1.0 mm) na velocidade

de alimentação de arame eletrodo de 10 m/min, resultando numa menor taxa de

deposição de metal de adição, podendo ser indicado pela leitura dos oscilosgramos.

4.4 Resultado das Características Econômicas.

Neste item são apresentados os resultados das características econômicas

para as diferentes condições de soldagem estabelecidas. O desempenho destas

caracteristicas foram calculados utilizando as Equações 3.1, 3.2 e 3.3, para o

processo FCAW convencional, e as Equações 3.3, 3.4 e 3.5, para os processos

FCAW-CW (0.8 e 1.0 mm) com adição de arame frio.

A Tabela 4.3 apresenta os valores médios da taxa de fusão (TF), taxa de

deposição (TD) e do rendimento de deposição (R), obtidos para os processos

FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm) nos três níveis de velocidade de

alimentação de arame eletrodo (6, 8 e 10 m/min). Observamos, em negrito, que os

maiores valores das taxas de fusão e deposição, não necessariamente representam

maiores rendimentos para os processos em estudo, pois não há como comparar

processos com parametros diferentes nesta análise.




122 Tabela 4.3 – Resultado das características econômicas. Soldagem FCAW, FCAW-

CW(0.8 mm) e FCAW-CW(1.0 mm).

Processo Velocidade do arame eletrodo

(m/min)

Velocidade do arame frio

(m/min)

Características econômicas TF

(kg/h) TD

(kg/h) R

(TD/TF)

FCAW 6 - 5,95 4,04 67,80 8 - 6,78 6,30 82,89 10 - 7,60 6,06 83,00

FCAW-CW (0.8 mm)

6 2.5 6,65 5,54 84,99 8 3 7,46 6,23 83,26 10 4 8,51 7,25 85,18

FCAW-CW (1.0 mm)

6 2 6,67 4,56 68,80 8 3 7,86 6,20 78,98 10 4 9,03 6,66 73,77

Os resultados desta tabela, 4.3, mostram que o rendimento de deposição

apresentou valores abaixo do recomendado pelo fabricante do arame eletrodo, com

variação em torno de 67,80 a 85,18%, para o processo FCAW convencional,

segundo o catálogo do arame eletrodo utilizado E71T-1, o rendimento deveria ficar

em torno de 87%. Este fato pode ser explicado devido se trabalhar fora dos valores

recomendados pelo fabricante, que indica uma tensão de 28V e corrente de 150A

para se alcançar o valor de rendimento já citado, lembrando que foi utilizado uma

tensão média inicial de 32 V e corrente inicial em 190A , ou seja, a diferença no valor

de tensão pode ser a resposta para o valor de rendimento abaixo do obtido pelo

fabricante.

Notou-se também, que de modo geral, as taxas de fusão e a taxa de

deposição, tenderam a crescer com o aumento da massa adicionada, devido seus

valores crescentes com o aumento da velocidade de alimentação de arame para

cada processo. Esta caracteristica de crescimento, observada na taxa de deposição,

se faz presente mesmo devido a variação de velocidade (6 8 10 m/min) em

cada processo apresentarem niveis de respingos maiores, conforme observado na

Tabela 4.3.

Os valores das Taxas de Fusão (TF) e Taxas de Deposição (TD), não

necessáriamente representam maiores valores de produção. Neste trabalho

observamos que as taxas TF e TD para os processos FCAW-CW devem ser

analisadas separadamentes e considerados o consumo de material e a produção

obtida na realização do cordão de solda, ou seja, o quanto de material é consumido

e o quanto foi depositado na junta de cada processo de soldagem proposto.




123

A taxa de fusão (TF), apresentada no gráfico da Figura 4.32, relaciona a

influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo em cada processo.

Analisando o modo FCAW, observamos que houve um aumento percentual de 14%

de 6 para 8 m/min, e de 28% de 6 para 10 m/min. Em FCAW-CW(0.8), observa-se

também um crescimento de 12% na velocidade de 6 a 8 m/min, e mais acentuado

ao passar de 6 para 10 m/min, com valor de 28%. No FCAW-CW(1.0),

comportamento semelhante foi observado, com 18% de 6 à 8 m/min e 35% de 6

para 10 m/min. Resultados estes, comprovam que a TF cresce proporcionalmente

com o aumento da velocidade de alimentação de arame eletrodo.

Ainda analisando a TF, notou-se que para a velocidade de 6 m/min em

FCAW com 5,95 Kg/h, houve um crescimento de 11,76% e 12,10% nesta taxa

quando se muda de tecnica de soldagem de FCAW FCAW-CW(0.8) FCAW-

CW(1.0), respectivamente. Em 8 m/min apresentando 6,78 Kg/h para FCAW, na

mesma sequencia anterior, observamos os valores de 10% (FCAW FCAW-

CW(0.8)) e 16% (FCAW FCAW-CW(1.0)), e na velocidade de alimentação de

arame de 10 m/min esse percentual aumentou para 12% em FCAW-CW(0.8) e para

19% de FCAW à FCAW-CW(1.0). Observou-se ainda, entre os processos, um

aumento da taxa de fusão quando da mudança do modo convencional para o modo

com a adição de arame frio, com maior crescimento quando do uso do arame de

diâmetro de 1,0 mm, independente da velocidade de alimentação de arame, pois

adiciona-se maior quantidade de massa ao sistema.




124

Figura 4.32 - Efeito da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a taxa de

fusão. Soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm).

A Figura 4.33 mostra a variação da taxa de deposição – TD em relação a

variação das velocidades de alimentação de arame. Por esta Figura nota-se um

crescimento progressivo quando do aumento das velocidades de alimentação de

arame. Nas condições de FCAW, de 6 m/min para 8 m/min, observa-se um aumento

de 56% em TD, já na variação de 6 à 10 m/min, ocorreu um crescimento de 50%. No

processo FCAW-CW(0.8), adicionando o arame frio de 0.8 mm, ao variar a

velocidade de alimentação de arame energizado de 6 para 8 m/min, observa-se

ganhos de 12% e de 30%, quando a velocidade variou de 6 para 10 m/min. Ao

adicionar o arame frio de 1.0 mm de diametro, os valores creceram em 36% na

variação de alimentação de arame eletrodo de 6 para 8 m/min, e de 46% ao passar

de 6 para 10 m/min.

Com relação as influencias da adição de arame frio na TD, conforme

apresentado na Figura 4.33, foram observados que o processo FCAW ao passar

para o FCAW-CW(0.8), apresentou um crescimento significativo de 37%, e que de

FCAW para FCAW-CW(1.0) essa percentagem decai para 13%, na mesma

velocidade de 6 m/min. Relação semelhante na velocidade de 10 m/min, com 19,6%

do modo convencional para FCAW-CW(0.8) mm e redução para 10% em FCAW-




125 CW(1.0). Razões estas, devido a incidência de maiores niveis de respingos quando

se introduz um arame maciço na atmosfera de arco do arame tubular. Esses

salpicos, podem ser considerados como a massa do metal de adição que não foram

incorporada na poça de fusão. Entretanto, percebemos que na velocidade 8 m/min,

os valores encontrados são considerados semelhantes ou estável, mesmo alterando

o processo de soldagem ou o diametro do arame frio. Observou-se ainda que, de

modo geral, os processos de soldagem com adição de arame frio apresentaram bom

desempenho em termos de taxa de deposição em relação ao processo

convencional.

Figura 4.33 - Efeito da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a taxa de

deposição. Soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm).

A Figura 4.34 mostra a variação do rendimento em relação a variação da

velocidade de alimentação de arame nos diversos modelos utilizados. Por esta

Figura, observamos que para a velocidade de 6 m/min com 67,80% em FCAW, há

tendência de crescimento da produtividade em 22% quando o rendimento chega a

82,89% em 8 m/min, e a 22,5% de ganho em 10 m/min. O processo FCAW-CW (0.8)




126 na velocidade de 6 m/min com rendimento de 85% não sofreu variações

significativas nas velocidades de 8 e 10 m/min, podendo ser considerado com

rendimento médio em 84,47% estável nestas condições. No FCAW-CW(1.0), os

rendimentos foram mais significativos com o aumento de velocidade de arame, os

quais apresentaram os seguintes resultados: de 6 à 8 m/min com aumento em 15%;

e de 7% ao passar de 6 para 10 m/min.

Continuando a analise da Figura 4.34, ao analisarmos o comportamento do

rendimento na velocidade de alimentação de arame de 6 m/min, ocorreu um

crescimento de 25% ao mudarmos do modo convencional para o modo com adição

de arame de 0,8mm e de 1,5% do FCAW para FCAW-CW (1.0). Na velocidade de 8

m/min, do processo FCAW para FCAW-CW(0.8), o rendimento se manteve estável,

no entanto, ocorreu um decréscimo de 5% entre o modo convencional e o FCAW-

CW(1.0). Situação semelhante a anterior, ocorreu para a velocidade de 10 m/min,

com aumento de 3% de FCAW para FCAW-CW(0.8) e decréscimo de 11% do

convencional para FCAW-CW (1.0). Resultados similares para o comportamento

crescente da taxa de fusão (TF), taxa de deposição (TD) e rendimento (R), no

processo arame tubular com adição de arame frio em comparação ao mesmo

processo convencional, foram encontrados nos trabalhos de Barrozo (2006) e Dias

(2003).

Figura 4.34 - Efeito dos parâmetros operacionais sobre o rendimento. Soldagem

FCAW, FCAW-CW (0.8 mm) e FCAW-CW (1.0 mm).




127 4.5 Resultados das Características Geométricas

As características geométricas do metal depositado pelos processos de

soldagem foram analisadas para as condições estabelecidas e apresentada nesta

seção. Na Tabela 4.4, estão expostos os resultados do desempenho das

características geométricas que são referentes aos efeitos da velocidade de

alimentação de arame eletrodo e frio, sobre a penetração lateral (PL), o reforço (R), a

largura (L) e a diluição (δ). Entretanto, para uma melhor compreensão, os resultados

da Tabela 4.4 serão discutidos e apresentados de maneira gráfica e as imagens das

secções transversais de alguns corpos-de-prova, para facilitar a percepção da

aplicação como resultado prático dos parâmetros operacionais.

Na analise dos resultados da Tabela 4.4, podemos observar que os valores

da largura tenderam a manter-se estabilizados em uma curta faixa de variação,

conforme a Figura 4.35, e foram estimadas médias, na qual o processo FCAW-CW

(0.8) apresentou valores acima da média. De modo geral, esses resultados foram

satisfatórios a todos os processos analisados.

Tabela 4.4 – Resultados das características geométricas.

Processo Veloc. arame

eletrodo (m/min)

Veloc. do

arame frio

(m/min)

Características Geometricas

Largura (L)

(mm)

Reforço (R)

(mm)

Penetração Lateral (PL)

(mm)

Diluição (δ) (%)

FCAW 6 - 14,43 2,10 0,44 9,24 8 - 13,08 0,89 0,42 12,62 10 - 13,77 0,97 0,37 12,80

FCAW-CW (0.8 mm)

6 2.5 15,39 2,12 0,64 11,30 8 3 13,98 1,63 0,64 12,31 10 4 16,60 2,08 1,01 17,20

FCAW-CW (1.0 mm)

6 2 14,19 1,53 0,72 10,00 8 3 13,55 1,85 0,65 9,89 10 4 14,54 0,67 0,75 14,28




128

Figura 4.35 - Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre o

Largura média.

Os reforços médio dos cordões de solda, foram observados os

comportamentos variados a medida que a velocidade de alimentação de arame

energizado aumentava, entretanto, o processo FCAW-CW (0.8) apresentou

superioridade no reforço em relação aos demais nas velocidade de alimentação de

arame eletrodo de 6 e 10 m/min, e para a velocidade de 8 m/min, seu valor ficou

abaixo do FCAW (1.0) na mesma velocidade, variações podendo ser melhor

observada na Figura 4.36. Fato este possível, devido ao melhor coalescimento do

arame frio na poça de fusão relacionado a velocidade e massa metálica a fundir,

promovendo maior deposição, não observado quando foram utilizados o FCAW-CW

com o arame frio de 1.0 mm de diametro.




129

Figura 4.36 – Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre o

Reforço médio.

Como podemos observar na Figura 4.37, a influencia da velocidade de

alimentação de arame eletrodo para o processo convencional, FCAW, promoveu um

decréscimo não significativo da penetração lateral nas três variáveis de velocidade.

Figura 4.37 – Influencia da velocidade de alimentação de arame eletrodo sobre a

Penetração Lateral média.




130

Ainda na Figura 4.37, para os dois processos FCAW-CW, os valores de

penetração lateral apresentados tenderam a crescer com o aumento da velocidade.

Valores estes com possíveis justificativas nas taxas de fusão e deposição dos

processos duplo arame. Os dados tabelados mostraram que com o aumento da

velocidade de alimentação de arame eletrodo, onde se comprova o efeito dos

parâmetros de entrada com suas respectivas respostas. Entretanto, quando são

comparados os resultados experimentais entre os processos de soldagem FCAW ao

FCAW-CW, observou-se que a penetração lateral média para o FCAW foi inferior

aos FCAW-CW (0.8 e 1.0 mm) em todos os níveis de velocidade, pois maior

diâmetro de arame representa maior corrente.

Durante os processo de soldagem, a diluição descreve a interação entre o

metal de base e o metal de adição, os valores médio determinados foram

apresentados na Figura 4.38. Neste gráfico, foram observados que a diluição tende

a aumentar com o aumento da velocidade. E que mesmo o perfil de crescimento da

diluição aos processos FCAW-CW serem semelhantes, o FCAW-CW (0.8)

apresentou valores superiores aos do FCAW-CW (1.0). Entretanto, na velocidade de

8 m/min, o processo FCAW convencional se comportou superior aos demais.

Figura 4.38 - Gráfico representativo da diluição média obtida dos processos de

soldagem.




131

As soldagens pelo método convencional, FCAW, apresentou as seguintes

características em relação as variáveis de velocidade de alimentação de arame: o

comportamento da largura não apresentou variações significativas a medida que a

velocidade de alimentação de arame aumenta; o reforço apresentou decréscimo

acentuado de 50%; a penetração também apresentou baixa, mas neste., não

ultrapassou os 15%; já a diluição obteve altas acima de 35%; todas esses resultados

foram relacionados as velocidades de alimentação de arame. Na Figura 4.39,

podemos observar como foram analisadas as características geométrica do cordão

de solda, nas quais, os valores observados estão também presentes na Tabela 4.4.

Figura 4.39 – Resultados das analises geométricas no processo FCAW, nos três

níveis de velocidade (V6, V8 e V10).

No processo FCAW-CW (0.8), os dados de largura (L) se mostraram superior

aos demais processos de soldagem, mas com o mesmo perfil gráfico, com

decréscimo de 9% de 6 m/min para 8 m/min, e aumento de 8% de 6 a 10 m/min,

neste caso. Já o reforço (R) apresentou as mesmas características de decréscimo

da primeira velocidade para a segunda, com elevação da primeira para a terceira. A

penetração lateral média (PL) manteve-se estável nas velocidades de 6 e 8 m/min e

com aumento de 57% em 10 m/min. Isto se deve pela quantidade de massa




132 adicional estar em seu valor de melhor aplicação aos processos duplo arame neste

trabalho. A Figura 4.40, estão presentes algumas imagens dos cordões de solda

utilizados na caracterização geométrica.

Figura 4.40 – Resultados das analises geométricas no processo FCAW-CW (0.8),

nos três níveis de velocidade (V6/2.5, V8/3 e V10/4).

O FCAW-CW (1.0), também apresentou resultados satisfatórios de largura do

cordão de solda, com comportamento similar aos FCAW-CW (0.8) e FCAW

convencional. No reforço, o perfil do gráfico foi da seguinte forma: acréscimo de 20%

de 6 a 8 m/min, com um decréscimo de 57% na velocidade de 6 a 10 m/min. Quanto

a penetração, a conduta foi semelhante ao FCAW-CW (0.8) em 6 e 8 m/min, mas em

10 m/min o valor subiu a 4%. Estes valores encontrados são reflexos da introdução

de um arame não energizado a atmosfera do arco voltaico, como conseqüência

temos baixas taxas de deposição, menores reforços, altos níveis de salpicos, neste

caso, e observados na Figura 4.41, das analises geometricas.




133

Figura 4.41 – Resultados das analises geométricas no processo FCAW-CW (1.0),

nos três níveis de velocidade (V6/2, V8/4 e V10/4).

Observa-se na analise comparativa dos processos estudados, que os dados

de largura não sofreram grandes alterações, entretanto, os valores de reforço e

penetração lateral foram bastantes dispersos, nos quais podemos indicar que na

soldagem pelo método FCAW-CW com o arame frio de 0.8 mm de diâmetro foi o que

apresentou melhor desempenho durante a aplicação em campo, comprovado pelas

características geométricas das Figuras 4.39, 4.40 e 4.41. A diluição média, Figura

4.38, obtida dos processos, apresentaram uma tendência de aumento juntamente

com o avanço da velocidade para cada técnica de soldagem.

Nas imagens da Figura 4.42, são apresentadas as características

macrográficas pela diferenciação das áreas presentes distintas, podendo diferenciar

as regiões do metal de adição (MA), a zona afetada pelo calor (ZAC) e a parte

representada pelo metal de base (MB), além de possíveis identificações de

descontinuidades do cordão de solda. Neste caso, observamos as áreas bem

definidas, as quais estão tracejadas para melhor visualização do perfil do cordão,

juntamente com a sigla específica. Notou-se que na maioria dos casos de soldagem

pelo processo FCAW-CW, apresentaram inclusão de escória na área do cordão de

solda, a qual é determinante na qualidade do processo, entretanto, no modo FCAW-




134 CW(1.0) com alimentação de arame frio de 1.0 mm de diâmetro, nas velocidade de

alimentação de arame eletrodo de 6 e 8 m/min, esta descontinuidades não se fez

presente.

Figura 4.42 – Macrografia das secções transversais dos cordões de solda dos

processos de soldagem FCAW, FCAW-CW (0.8 e 1.0 mm), nos três níveis de

velocidade. No detalhe são evidenciados a inclusão de escoria.

Durante a investigação da qualidade do metal depositado no passe de

enchimento, foram observados o surgimento de uma descontinuidade na superfície

da secção transversal do cordão de solda, que foram destinadas a caracterização

geométrica macrográfica como mostra no detalhe da Figura 4.42. As

descontinuidades apresentadas originaram-se no metal de solda em função do

aprisionamento de material metálico e não metálico retido na zona fundida. Este

aprisionamento resulta do fato destas partículas desprendidas do eletrodo e escória

na superfície a ser soldada apresentarem elevado ponto de fusão. Estas

descontinuidades, assim como a porosidade, são consideradas prejudiciais por

servirem como redutores da área útil resistente e como concentradores de tensão

(Braga, 2008, p. 23).




135

Braga (2008, p. 24) cita que a origem das inclusões baseia-se no fato da

presença de partículas metálicas ou não metálicas (oriundas do eletrodo ou do

fluxo), com elevado ponto de fusão, dispersas na poça de fusão. Durante o processo

de solidificação estas inclusões ficam retidas no interior da zona fundida ou na

interface ZTA/zona fundida na soldagem multipasse. Os Fatores influentes na

formação das inclusões podem ser: a manipulação inadequada do eletrodo; a

remoção incompleta da escória na soldagem multipasse; o aporte de calor

insuficiente para refundir a escória; o contato da tocha ou eletrodo não consumível

com a poça de fusão (TIG, MIG/MAG e arame tubular); a limpeza inadequada da

superfície a ser soldada; o uso de cobre junta inadequado e o perfil inadequado do

cordão depositado.

As amostras que apresentaram essa descontinuidade foram todas do

processo FCAW-CW (0.8) e somente o FCAW-CW (1.0) na velocidade de 10 m/min,

fator este que inviabiliza as soldagens citadas. No entanto, os que não apresentam,

devem ser destacados como os de possíveis aplicações da técnica FCAW-CW com

a adição de um arame frio em ambiente industrial, que são os FCAW-CW (1.0) nas

velocidades de 6 e 8 m/min. Os quais apresentam vantagens de sanidade

superficial, econômicas com TD de 13% em 6 m/min, acima do modo convencional e

geométricos com valores satisfatórios de largura e reforço, diante ao FCAW, que

também, não apresentou descontinuidade.

4.6 Resultados da Caracterização Química

Nesta etapa, foram analisados a influencia de cada elemento quimico na

composição estrutural, presentes no material em estudo durante a aplicação do

cordão de solda. Foram obtidos pela norma do metal de base, as composições

quimicas bem como as caracteristicas físicas.

A composição determinada por espectometria de massa, realizadas em uma

empresa de fabricação de vergalões na Região, COPALA AS. São apresentados na

Tabela 4.5, os valores relativos ao aço analisado.




136

Tabela 4.5 – Composição Quimica Determinada para o Aço ASTM A 131.

Elementos Químicos Determinados (%) C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu V

0.2444 0,2272 0,7800 0,0129 0,0065 0,0244 0,0046 0,0105 0,0051 0,0010 Fonte: COPALA SA, 2010.

De acordo com os resultados encontrados da composição química fornecida

pela COPALA, na Tabela 4.5, podemos afirmar que o metal de base fornecido, esta

coerente a norma ASTM A131, para este material de estudo.

Conforme a equação do carbono equivalente (Ceq em %, Eq. 2.01), foram

determinados a temperatura de pré-aquecimento, caso necessário. A temperatura a

ser fornecida a um aço está relacionada ao seu teor de carbono acrescido dos

teores de certos elementos de ligas encontrados no material. Essa temperabilidade,

medidas pelo carbono equivalente, proporciona uma maior ou menor facilidade de

deposição de metal de adição na superfície do metal de base, como exemplo, temos

que a têmpera em aços desfavorece a taxa de deposição, e o pré-aquecimento do

material que receberá a solda, reduz este desfavorecimento.

O resultado do Ceq ( Ceq=0.3537) determinado experimentalmente e o

encontrado na norma ASTM (Ceqn=0.36), os quais são similares, ou seja, o valor

obtido esta coerente e com baixa variação. Em Fortes (2005, p.28), Modenesi (2001,

p.10) e Norma ASTM (2001, p.03) verificou-se que não há a necessidade de pré-

aquecimento, pois a espessura da chapa a ser soldada é menor que 25 mm, e não

haverá multipasses ou secções. Braga (2008, p.19) afirma que para Ceq <0,40, a

estrutura não apresentará trinca à quente, e cuidados especiais não serão

necessários.

4.7. Resultados das Caracteristicas Metalurgicas (Fases Presentes)

As Figuras 4.43 a 4.47 estão presentes a analise metalografica, ou

identificação das fases das estruturas formadas, pois estão relacionadas aos efeitos

sobre a resistência mecânica da estrutura. Este estudo, limitou-se a identificação

qualitativa dos microconstituintes que formam o metal de solda dos processos de

soldagem propostos FCAW-CW (0.8 e 1.0) e FCAW convencional, relacionados aos




137 parâmetros variaveis impostos as técnicas e ao estudo realizado nos itens 2.10 (pag.

39) e 3.3.1.9 (pag. 75).

Devido ao surgimento de inclusão de escória no cordão de solda na maioria

dos processos FCAW-CW com adição de arame frio, foram analisadas nesse item,

somente as amostras que não apresentaram essa descontinuidade durante a

caracterização geométrica. De acordo a normas AWS, materiais que apresentem tal

anomalia na sua geometria tornam o processo de soldagem inviável a aplicação.

Neste sentido, foram analisadas todas as amostras do FCAW convencional e as

FCAW-CW (1.0) a 6 m/min e FCAW-CW (1.0) com 8 m/min de alimentação de

arame eletrodo, que não apresentaram essa quaisquer problema nas características

geométricas.

A Figura 4.43 apresenta a microestrutura do metal de base, o qual foram

identificadas as estruturas presentes mais prováveis. Neste material, observaram a

presença de fases de estruturas ferriticas com ilhas de perlita, característico para

aços baixa liga, conforme as literaturas consultadas, Figura 2.26 do Capítulo 2 na

página 75, ASM vol.6.

Figura 4.43 – Micrografia do metal de base ASTM A131 Grau A, apresentando grãos

equiaxias de Ferrita (F) orientados em bandas, com ilhas de Perlita (P) de cor

escura. Ataque nital 2%.




138

A Figura 4.44 apresenta a Microestrutura de uma chapa laminada de um aço

microligado mostrando grãos equiaxiais de ferrita orientados em bandas, do corpo

de prova sem ser soldado, imagem semelhante a observada em Metals Handbook,

vol.9 (2004, in Marinho, 2007). Nesta Figura, verificaram a presença dos

microconstituintes de ferrita (F), que possui uma morfologia de grãos poligonal, além

da presença de perlita (P) em formas escuras entre as estrutura matriz ferritica.

Essas estruturas estão relacionadas a composição química durante o

processo de solidificação. A partir destas informações foram investigadas as

estruturas e/ou as alterações provocadas pelo processo de soldagem FCAW-CW

com e sem a adição de arame frio, pois entende-se que este processo de

solidificação localizado, pode reorganizar as estruturas com adição de elementos de

liga na poça de fusão, alem de promover alterações microconstitucionais

identificadas na zona afetada pelo calor (ZAC). Foram também observados, os

aspectos das zonas identificadas das amostras avaliadas, e estabelecidos um

comparativo entre os processos. Entretanto, é apresentado os resultados da

microestruturas do cordão de solda (MA) e a identificação das fases presente.

A Figura 4.45 representa o cordão soldado pelo processo FCAW

convencional na velocidade de alimentação de arame de 6 m/min. Nesta Figura

podemos observar que houve a presença da ferrita acicular (AF), mas surgiram além

da AF, os microconstituintes ferrita primária (PF) e agregados de ferrita e carbetos

(FC). Esta última também é uma ferrita constituída por estrutura fina e carbetos,

formado fora dos contornos de grão de austenita.




139

Figura 4.44 – Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 6 m/min:

1- Agregados de Ferrita e Carbetos (FC), 2- Ferrita Acircular (AF) e 3 – Ferrita

Primária (PF). Ataque nital 2%.

A Figura 4.45 apresenta a microestrutura do metal de base do processo

FCAW a 8 m/min. Nesta Figura pode-se verificar a presença dos microconstituintes

ferrita acicular (AF) da ferrita poligonal (PG), alem de agregados de ferrita e carbetos

(FC).




140

Figura 4.45 - Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 8 m/min: 1-

Ferrita Acircular (AF), 2 – Ferrita Poligonal (PG) e 3 – Agregados de Ferrita e

Carbetos (FC). Ataque nital 2%.

A Figura 4.46 é correspondente às juntas soldadas pelo processo FCAW-

CW(1.0) com adição de arame frio de 1.0 mm, na velocidade de 6 m/min. Esta

microestrutura representa a região de grãos equiaxiais do cordão de solda e é

formada por microconstituintes do tipo ferrita acicular (AF) e ferrita com segunda

fase, aparentemente do tipo alinhada.




141

Figura 4.46 - Micrografia do cordão de solda do processo FCAW-CW(1.0) em 6

m/min: 1- Ferrita de Segunda Fase (FS), 2 – Ferrita Poligonal (PG(I)) e 3 – Ferrita

Acircular (AF). Ataque nital 2%.

A Figura 4.47 também é representativa das juntas soldadas do modo FCAW-

CW(1.0), mas neste caso na velocidade de arame eletrodo de 8 m/min. Nesta

micrografia, é evidente a presença de ferrita acircular (AF) e a presença de ferrita

primária aparentemente do tipo poligonal (PG).




142

Figura 4.47 - Micrografia do cordão de solda do processo FCAW em 8 m/min: Ferrita

Poligonal (PG) e Ferrita Acircular (AF). Ataque nital 2%.

De um modo geral, todas as micrografias dos corpos de prova apresentaram

semelhança quanto aos microconstituintes presentes, na região do cordão dos perfis

das amostras. Como o aspecto microestrutural de um metal de solda é fortemente

dependente da composição química e do ciclo térmico que o metal é submetido, a

constatação da aparente semelhança dos microconstituintes presentes nas várias

micrografias, pode ser atribuída ao fato das juntas soldadas terem sido preenchidas

com o mesmo número de passes e com praticamente a mesma energia de

soldagem e, conseqüentemente, pelo fato de ter sido utilizado um único tipo de

arame para a deposição do metal de solda no processo FCAW convencional (AWS

E71T-1) e para os processos FCAW-CW (1.0) com arame frio (AWS ER70S-6)

apresentarem composição química semelhantes, o que sugere a homogeneidade da

composição química do metal de adição.

A ferrita acicular (AF) que é vista como a microestrutura mais desejável para

cordões de solda, em virtude dos valores elevados de resistência mecânica e

tenacidade que possui, obteve formação comum em todas as micrografias

analisadas. Este fato pode ser justificado pela presença de elementos




143 estabilizadores e formadores de ferrita acicular, como o Mn, presente no material de

base e no material de solda.

Além da Ferrita Acicular (AF), o microconstituinte mais freqüente nas

micrografias foram a Ferrita Primaria aparentemente poligonal (PF ou PG), que nas

condições configurou como elemento secundário mais predominante.




144 5. CONCLUSÃO

Os ensaios preliminares foram determinantes no bom andamento dos

procedimentos de soldagem durante todo o trabalho. O treinamento do soldador,

agregado a ajustes durante a aplicação dos processos, garantiram o bom

desempenho dos experimentos durante suas execuções.

Na avaliação de sanidade superficial das juntas soldadas, foram observados o bom

aspecto visual das soldas em todos os processos, apresentando uma regularidade

na largura e reforço, sem apresentar qualquer descontinuidade ao longo do cordão.

Em todas as condições observadas, o processo de soldagem FCAW-CW apresentou

o modo de transferência metálica, muito provavelmente foi do tipo spray.

A adição de arame frio, independente do diâmetro do arame utilizado, proporcionou

aumento na taxa de fusão TF e taxa de deposição TD em comparação ao processo

convencional.

A taxa de fusão, de deposição e o rendimento tenderam a aumentar com o aumento

da velocidade de alimentação de arame eletrodo, independente do processo.

O processo de soldagem FCAW-CW proporcionou rendimentos superiores aos da

técnica FCAW convencional com os mesmos parâmetros de aplicação da indústria

naval da Região. As altas taxas de produção e de consumo, revelam que estas

evoluções dos processos convencionais são uma boa alternativa para as indústrias

locais aumentarem sua produtividade a baixo custo de investimento, sendo o FCAW-

CW de fácil adaptação a linha de produção.

A largura, reforço e penetração tenderam a se manterem numa faixa estável, com

baixas oscilações com o aumento da velocidade de alimentação de arame,

independente do processo utilizado. A diluição média, tendeu a aumentar com o

aumento da velocidade de alimentação.




145 Durante as analise metalográfica, por microscopia optica, foi observada inclusões de

escoria na maioria dos cordões de solda nos processos FCAW-CW, entretanto, nas

velocidades de alimentação de 6 e 8 m/min com arame frio de 1.0 mm de diâmetro,

essa descontinuidade não se fez presente, o que pode ser considerado um

parâmetro otimizado para a aplicação do processo FCAW-CW na industria.

Pela analise metalografica realizada nas soldas do processo FCAW-CW, não

observou-se diferenças significativas das fases presentes, em relação as soldas do

processo convencional.

5.1 Sugestões para trabalhos futuros

A continuação deste trabalho esta em desenvolvimento em dissertações

futuras as quais tem como metas:

Analise de microdureza das estruturas presentes e investigações

microestruturais por microscopia eleletronico de varedura (MEV);

Avaliar o comportamento mecânico das soldas depositadas por ambos os

processos;

Analisar a resistência à corrosão de soldas através de ensaios

eletroquímicos;

Realizar a soldagem FCAW-CW utilizando outros consumíveis, arame

eletrodo e/ou arame frio;

Avaliar o efeito do diâmetro do arame frio na operação de soldagem;

Adequar o processo a outras posições de soldagem de campo;

Capacitação e treinamento dos soldadores a realização de novos processos

de soldagem.




146 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

ANDREUCCI, R.; Líquidos Penetrantes. jan. 2006, apoio ABENDE. Disponível

em: http://www.infosolda.com.br/ andreucci ou http://www.abende.org.br. Acesso

em: fev. 2009.

ASM Handbook, ASM International, “Welding, Brazing and Soldering”, vol.6,

USA, 1993.

ASTM A131, Standard Specification for Structural Steel for Ships, Annual

Book of ASTM Standards, Vol 03.01. West Conshohocken, PA, USA, 2001.

BACELAR, A. R. C. & FERRAZ, A. C. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de um Arame Frio.

Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Mecânica, UFPA,

Belém, 2005.

BARROZO, T. S., Estudo da Soldagem FCAW com Arame Frio. Trabalho de

Conclusão de Curso, Curso de Engenharia Mecânica, UFPA, Belém, 2006.

BRACARENSE, A. Q., Processo de Soldagem por Arame Tubular – FCAW.

2000. Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia, disciplina

Processo de Soldagem, Belo Horizonte, 2000.

BRAGA, E. M., Soldagem a Arame Tubular Autoprotegido em Corrente Pulsada. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal do Pará, dezembro,

Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Belém, 1997.

BRAGA, E. M., Aspectos sobre Descontinuidades em Juntas Soldadas.

Apostila do Curso Metalurgia da Soldagem e em Tópicos em Processos de

Fabricação - Universidade Federal do Pará, Programa de Pós-graduação em

Engenharia Mecânica, Belém, 2008.




147

BROWN, J.R.; Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook, Livro, 2000.

CARVALHO, M. S. de; Orientações Práticas de Soldagem em Aço Inox,

Laudo Técnico, ACESITA, 1999.

CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo, Associação Brasileira de

Metais, 1977.

DIAS, A. C. D. Aspectos metalúrgicos da soldagem do aço USI-SAC 350 com

arame tubular, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Pará, 2003.

ESAB. OK Autrod 12.51 – Arame Sólido, Catálogo de Soldagem. Disponível

em: http://www.esab.com.br. Acesso em: jan. 2009.

ESAB. OK TUBROD WS Arame Tubular. Disponível em: http://

www.esab.com.br. Acesso em: jan. 2009.

FARIAS, J. P. Efeito dos parâmetros de soldagem sobre as características operacionais e econômicas de arame tubulares autoprotegidos. In: Encontro

Nacional de Tecnologia de Soldagem, XXII., 1996, Blumenau. Anais...Blumenau,

1997. p. 827-32.

FERREIRA FILHO, DEMOSTENES; Influencia do Gás de Proteção nas Soldagens GMAW do Aço Inoxidável Ferritico com Arames Ferriticos.

Dissertação, Universidade Federal Uberlandia, MG, 2007.

FIGUEIREDO, K.M; Tecnologia da Soldagem. Apostila, Centro Federal de

Educação Tecnológica do Maranhão, Departamento de Mecânica e Materiais,

São Luis, 2005.

FORTES, C. Arame Tubulares OK, Catálogo de Soldagem. ESAB, Maio/2004

Disponível em: http://www.esab.com.br. Acesso em: jan. de 2009.

FRENCH, I. E.; BOSWORTH, M. R. A Comparison of Pulsed and

Conventional Welding With Basic Flux Cored and Metal Cored Welding Wires. Welding Journal, June, 1995.




148

GONZÁLES, A. M. R., “Análise e Desenvolvimento do Processo MIG/MAG Duplo Arame com Potencial Único”. Dissertação de Mestrado em Engenharia

Mecânica – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa

Catarina, Florianópolis – SC, 1999.

GROETELAARS, P. J., “Influência da Variação de Parâmetros de Soldagem sobre a Transferência Metálica e Perfil do Cordão no Processo MIG/MAG

Duplo-Arame”. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal de Uberlândia,

Minas Gerais, 2005.

KOU, S., Welding Metallurgy, Edited by Wiley-Interscience publication, United

States of America, 2003.

MACHADO, I. G., “Soldagem e Técnicas Conexas – Processos”: Livro, Porto

Alegre, 1996.

MARQUES,P. V., Soldagem: Fundamentos e Tecnologia – Livro, Belo

Horizonte: Editora UFMG, p. 86, 2005.

MENDONÇA, N. B., “Uma Contribuição ao Estudo do Desenvolvimento da Soldagem FCAW com Arame Frio”: Trabalho de Conclusão de Curso - TCC,

UFPA, Belém-Pará, março, 2007

METALS HANDBOOK, Metallography and Microstructures. 1st ed., vol. 9,

Colorado: ASM, 2004.

METALS HANDBOOK, Properties and Selections: Iron, steels and High Performance Alloys. 10th ed., vol. 1, Colorado: ASM, 1990.

MIRANDA, H. C. Reconhecimento e Controle da Transferência Metálica no Processo MIG/MAG Pulsado. Tese de Doutorado - Universidade Federal de

Uberlândia, Minas Gerais, 2002.




149

MODENESI, P. J., Soldagem I – Descontinuidades e Inspeção em juntas Soldadas, Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia

Metalúrgica e de Materiais, Belo Horizonte, p. 9-10, nov. 2001.

MODENESI, P. J., e MARQUES, P.V., Soldagem I – Introdução aos Processos de Soldagem, Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Belo Horizonte, jan. 2005.

MODENESI, P. J.; “Técnica Operatória da Soldagem GMAW”, Disponível em

http://www.infosolda.com.br. Acesso em: setembro/2006.

MODENESI, P. J., MARQUES, P.V e SANTOS, D.B.; Introdução a Metalurgia da Soldagem, Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Belo Horizonte, mai. 2006.

MONDENESI, P. J.: Soldabilidade dos Aços Transformáveis, UFMG, Belo

Horizonte, MG, 2004. Disponível em: www.infosolda.com.br. Acesso em: mar/

2009.

MOTA, C. A. M. Níquel e Manganês como Controladores da Tenacidade na

Soldagem com Arames Tubulares Autoprotegidos. Tese de Doutorado -

Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1998.

MOTTA, M. F., “Aplicação do Processo MIG/MAG Pulsado com Duplo Arame e Potenciais Isolados em Soldagem de Revestimento”. Tese de Doutorado,

Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, UFSC, Florianópolis,

2002.

MOTTA, MARCELO FERREIRA; DUTRA, JAIR CARLOS: Efeitos das Variáveis do Processo MIG/MAG Duplo Arame com Potenciais Isolados nas Características Geométricas do Cordão de Solda. Soldagem & Inspeção, Vol.

10, Nº. 1, Jan/Mar 2005.




150

NASCIMENTO, A. S. Aspectos Operacionais e Metalúrgicos da Soldagem a Arame Tubular. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal do Pará,

UFPA, Pará, 2004.

OJO, E., MORAIS, C. M, SCOTTI, A; Influencia da Posição e Afastamento da Tocha na Geometria de Filetes pelo Processo MIG/MAG Duplo Arame Potencial Isolado, XII CREEM, Ilha Solteira, SP, 2005.

PETER JAN GROETELAARS, AMÉRICO SCOTTI. Influência do Teor de CO2 no Gás de Proteção sobre a Transferência Metálica no Processo MIG/MAG Duplo-Arame, Soldagem Insp., Vol. 12, No. 1, Jan/Mar 2007

QUITES, A. M.; Dutra, J. C., Tecnologia da Soldagem a Arco Voltaico: Livro,

EDEME, Florianópolis, 1979.

SÁBIO, A. D.; Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem

MAG com Alimentação Adicional de Arame Frio, Dissertação, Universidade

Federal do Pará, Belém, 2007.

SCOTTI, A., PONOMAREV, V.; Soldagem MIG/MAG, Livro, ArtLiber, 2008.




151 7. AGRADECIMENTOS

Ao nosso Louvado Deus;

Ao professor: Dr. Eduardo de Magalhães Braga;

Ao professor: Dr. José Maria do Vale Quaresma – GPEMAT-PA;

A coordenação e aos professores da Área de Materiais e Processos do PPGEM-PA.




estudo da viabilidade do processo de soldagem fcaw com … · instituto de tecnologia, universidade...

Documents