Soldagem por Arco Submerso: Uma Abordagem Completa, Notas de estudo de Tecnologia de Soldagem

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Apostila de

Arco Submerso

INTRODUÇÃO........................................................................................................................................................ 3

DESCRIÇÃO GERAL DA SOLDAGEM POR ARCO SUBMERSO ................................................................................. 4

SELEÇÃO DO ARAME E DO FLUXO ........................................................................................................................ 8

PROJETO E PREPARAÇÃO DA JUNTA .................................................................................................................. 19

SOLDAGEM ......................................................................................................................................................... 39

PROCEDIMENTOS E DICAS OPERACIONAIS ........................................................................................................ 59

BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................................................... 82

Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes – Engenheiro Metalúrgico, M.Sc. Assistência Técnica Consumíveis – ESAB BR Revisado por Welerson Araújo – Engenheiro Metalurgista, M.Sc. Desenvolvimento e Pesquisa – ESAB BR Última revisão em 24 de maio de 2004

Capítulo 1

DESCRIÇÃO GERAL DA SOLDAGEM POR ARCO

SUBMERSO

Definição

Soldagem por arco submerso é um método no qual o calor requerido para fundir o metal é gerado por um arco formado pela corrente elétrica passando entre o arame de soldagem e a peça de trabalho. A ponta do arame de soldagem, o arco elétrico e a peça de trabalho são cobertos por uma camada de um material mineral granulado conhecido por fluxo para soldagem por arco submerso. Não há arco visível nem faíscas, respingos ou fumos.

Escopo geral

• Corrente de soldagem — correntes até 2.000 A, CA ou CC, com um único arame.
• Espessuras — soldagem monopasse até 16 mm de espessura e soldagem multipasse sem limite de espessura.
• Velocidade de soldagem — até 400 cm/min com um único arame.
• Maiores velocidades podem ser alcançadas com vários arames na mesma poça de fusão.
• Posição — a alta corrente de soldagem aliada ao alto aporte térmico cria uma grande poça de fusão. Sob tais condições, as soldas devem ser mantidas na horizontal para evitar escorrer. Soldas com pequenas poças de fusão podem ser inclinadas por até 15° da horizontal sem grande dificuldade. Se o tamanho dos passes for limitado, soldas horizontais podem ser executadas em superfícies verticais, desde que seja providenciado um suporte adequado para o fluxo.

Vantagens do processo

• elevada velocidade de soldagem;
• maiores taxas de deposição;
• boa integridade do metal de solda;
• processo de fácil uso;
• melhor ambiente de trabalho e maior segurança para o operador.

Limitações do processo

O processo de soldagem por arco submerso é limitado às posições de soldagem plana e horizontal em ângulo.

Elementos da soldagem por arco submerso

Cinco elementos estão presentes na execução de uma solda por arco submerso:

• calor gerado pela passagem de uma corrente elétrica através de um arco;
• arame para soldagem — consumível;
• as peças a serem soldadas;
• fluxo para arco submerso - um composto mineral granulado para soldagem;
• o movimento relativo entre o cabeçote de soldagem e as peças de trabalho.

Seqüência geral de atividades Reduzindo a soldagem por arco submerso aos seus termos mais simples, considerando o equipamento já montado e em uso, a seqüência geral de atividades para fazer uma solda por arco submerso é a seguinte:

• Ajuste do equipamento de soldagem

• Para os detalhes descritos a seguir, veja a Figura 1.
• O cabeçote de soldagem deve ser montado em conformidade com as instruções fornecidas.
• O cabeçote, o painel de controle e o carretel são montados em um dispositivo móvel.
• O caminho a ser percorrido pelo equipamento deve estar livre e disponível.
• A fonte de soldagem é conectada à rede elétrica. São conectadas, através de cabos elétricos, a fonte de soldagem ao cabeçote e à peça de trabalho.

Figura 1 - Equipamento de soldagem

Preparação das peças de trabalho Para os detalhes descritos a seguir, veja a Figura 2.

• Determina-se o tipo de junta mais adequado para a solda a ser executada. Preparam-se e limpam-se as regiões a serem soldadas.
• Se aplicável, coloca-se o cobre-juntas.
• As peças a serem soldadas são colocadas em posição para soldagem. Normalmente elas são ponteadas ou presas por dispositivos auxiliares para mantê-las na posição desejada.

Figura 2 - Preparação das peças de trabalho

Preparação para a soldagem Para os detalhes descritos a seguir, veja a Figura 3.

• Cada elemento da soldagem por arco submerso tem um efeito sobre a solda concluída. Os valores para a tensão e corrente de soldagem, a composição e o diâmetro do arame de soldagem para o tipo de junta escolhida e o material a ser soldado são determinados das tabelas aplicáveis. É responsabilidade do operador ajustar e verificar as condições adequadas de soldagem e ajustar o equipamento para manter as condições pré-ajustadas e produzir a solda.
• A bobina de arame de soldagem é instalada no carretel. A extremidade da bobina é inserida nas roldanas do dispositivo de alimentação de arame e alimentada até alcançar as peças de trabalho. O cabeçote de soldagem é então posicionado de forma que o arame fique pronto para iniciar a solda.
• O fluxo requerido é colocado no silo do cabeçote de soldagem. Uma quantidade do fluxo é depositada até cobrir a região de soldagem no ponto inicial da solda.
• Os controles são ajustados para estabelecer as condições adequadas de soldagem: corrente, tensão e velocidade de soldagem.

À medida que o cordão de solda é constituído, a parte fundida do fluxo se resfria e endurece, formando um material duro e vítreo, que protege a solda até seu resfriamento, sendo normal seu completo destacamento da solda.

Desde que adequadamente executadas, as soldas por arco submerso não apresentam fagulhas, tornando desnecessários equipamentos de proteção contra a radiação. Não há respingos a serem removidos.

Princípios básicos - teoria de controle de alimentação do arame de

soldagem

As altas velocidades de soldagem e altas taxas de deposição que são características do processo de soldagem por arco submerso requerem um controle automático do motor que alimenta o arame de soldagem à solda. Nenhuma mão de soldador seria capaz de alimentar suavemente o arame de soldagem a velocidades comparáveis às de uma máquina de soldagem por arco submerso. Tampouco ele poderia manter o controle preciso das mesmas condições de soldagem. O sistema de controle automático e a fonte de energia empregados na soldagem por arco submerso atuam para manter constantes a tensão e a corrente de soldagem.

Relação entre a tensão de soldagem e a distância entre o arame e a peça de trabalho A tensão de soldagem é proporcional ao comprimento do arco:

• se a distância entre o arame e a peça aumentar, a tensão de soldagem aumentará;
• se a distância entre o arame e a peça diminuir, a tensão de soldagem diminuirá;
• se a distância entre o arame e a peça se mantiver constante, a tensão de soldagem permanecerá constante;

Taxa de fusão versus taxa de alimentação do arame

Fonte de corrente constante

• se, por um curto período de tempo, a corrente fluindo através da região de soldagem fundir o arame a uma taxa maior que a de sua alimentação, a distância entre o arame e a peça aumentará e a tensão de soldagem aumentará;
• inversamente, se, por um curto período de tempo, o arame for alimentado mais rapidamente que sua taxa de fusão, a distância entre o arame e a peça diminuirá e a tensão de soldagem diminuirá;
• uma tensão de soldagem constante pode ser mantida se for empregada uma unidade de controle que automaticamente varie a taxa de alimentação do arame à medida que a tensão de soldagem se altere.

Fonte de tensão constante

• com uma fonte de tensão constante, a tensão do arco é mantida pela fonte. A corrente do arco é controlada pela velocidade de alimentação do arame, de modo que um aumento nesse parâmetro produzirá um aumento da corrente;
• portanto, o sistema de alimentação do arame é simplificado para um dispositivo de velocidade constante e o controle do arco é realizado pela fonte de energia.

Capítulo 2

SELEÇÃO DO ARAME E DO FLUXO

O processo de soldagem por arco submerso

Dois materiais devem ser escolhidos para a soldagem por arco submerso: o arame de soldagem e o fluxo, os quais devem satisfazer em termos de qualidade e de economia aos requisitos das soldas a serem executadas (veja a Figura 5).

Figura 5 - Seleção do arame e do fluxo

Dois fatores influenciam a escolha do fluxo:

• características de desempenho;
• propriedades mecânicas.

Para muitas soldas, as características de desempenho ditam que fluxos podem ser empregados. As características de desempenho incluem facilidade de remoção da escória, capacidade de remoção de óxidos e carepa, capacidade de condução de corrente elétrica, possibilidade de uso de vários arames e possibilidade de aplicação de corrente alternada.

As propriedades mecânicas são de importância primária para muitas aplicações críticas tais como vasos de pressão e serviços a baixas temperaturas. Para essas soldas, deve haver um compromisso das características de desempenho para satisfazer às propriedades mecânicas requeridas.

O principal fator que governa a escolha do arame de soldagem é sua influência na composição química e propriedades mecânicas da solda.

As propriedades mecânicas e químicas de uma solda por arco submerso são determinadas principalmente por quatro fatores:

• a composição do metal de base;
• a composição do arame empregado;
• o fluxo empregado
• as condições de soldagem.

A composição do metal de base é o fator mais importante em quatro a cinco passes, já que a razão entre o metal de base fundido e o metal de adição pode ser tão alta como 2:1 (veja a Figura 6). Na maioria dos outros processos de soldagem por fusão, os procedimentos de soldagem multipasse

Figura 8 - Fábrica de fluxos aglomerados

Figura 9 - Fluxograma de fabricação de fluxos aglomerados

Como as partículas dos fluxos aglomerados não são quimicamente homogêneas, a remoção de finos pode alterar a composição química do metal depositado e conseqüentemente suas propriedades mecânicas.

Fluxos fundidos Os fluxos fundidos são fabricados através da mistura seca de seus ingredientes, que são então fundidos em um forno elétrico (veja a Figura 10). O banho é vazado e sofre um choque térmico, que reduz o fluxo a partículas de tamanhos variados (veja a Figura 11), que são peneiradas e classificadas para obter (veja a Figura 12):

• composição química apropriada (requerida);
• material (produto) homogêneo;
• custo de fabricação elevado;
• não higroscópico (não contém água quimicamente ligada);
• soldas mais consistentes com menor risco de trincas por hidrogênio;
• maior estabilidade do arco, mesmo em correntes elevadas;
• maiores velocidades de soldagem e possibilidade de reciclagem.

Figura 10 - Forno elétrico para a fabricação de fluxos fundidos

Figura 11 - Forno elétrico e mesa resfriadora empregados na fabricação de fluxos fundidos

Figura 12 - Aspecto dos grãos de fluxos fundidos

Classificação quanto à neutralidade

Os fluxos aglomerados fabricados pela ESAB são classificados quanto à neutralidade conforme a Tabela I:

FLUXO NEUTRALIDADE

OK 10.35H

LIGADO

OK 10.

OK 10.

OK 10.81W

OK 10.92 B

OK 10.61B

NEUTRO

OK 10.62B

OK 10.70B

OK 10.

OK 429

OK 10.81W

OK 10.81B ATIVO

OK 10.82B

OK 350

Tabela I - Classificação de fluxos OK quanto à neutralidade

Classificação quanto à basicidade

Índice de basicidade (IB) Os fluxos também são classificados pelo IIW (International Institute of Welding) quanto à composição química pelo índice de basicidade, calculado pela Equação [1]

𝐶𝐶𝐶 + 𝐶𝐶𝐹 2 + 𝑀𝑀𝐶 + 𝐼𝐶𝐶 + 𝑆𝑆𝐶 + 𝐿𝑆 2 𝐶 + 𝐾 2 𝐶 + 𝑁𝐶 2 +^1 � 1 (𝑀𝑀𝐶 + 𝐹𝐹𝐶)

𝑆𝑆𝐶 2 +^1 � 2 (𝐴𝐴 2 𝐶 3 + 𝑇𝑆𝐶 2 + 𝑍𝑍𝐶 2 )

• fluxos ácidos: IB < 1,
• fluxos semi-básicos: 1,0 £ IB < 1,
• fluxos básicos: IB ³ 1,

ATENÇÃO:

Todas as recomendações de seleção de consumíveis são baseadas em uma avaliação de propriedades mecânicas, parâmetros típicos de procedimento e na experiência. É responsabilidade do usuário determinar a adequação dos consumíveis à sua aplicação, considerando os procedimentos particulares a serem aplicados e os requisitos do trabalho específico.

Arames de soldagem

Uma vez que o fluxo foi escolhido por suas características de desempenho, pode ser selecionado um arame de soldagem para obtenção das propriedades mecânicas requeridas para a solda.

Para algumas aplicações críticas as propriedades mecânicas governam a escolha do par arame- fluxo. A seleção da combinação correta pode determinar apenas um arame e um fluxo que atendam a todas as necessidades. A Tabela II mostra a composição química típica e as especificações aplicáveis dos arames ESAB.

Arame AWS C Si Mn Cr Ni Mo Cu V Nb N OK Autrod 12.10 EL12 1,10 0,04 0,44 0, 12.20 EM12K 0,11 0,26 0,95 0,

OK Tubrodur 35 - 0,10 0,80 2,00 0,20 0,20 0, 40 - 0,12 0,40 2,90 3,00 0, 410 NiMo - 0,06 0,40 1,00 13,00 4,50 1, 410 M - 0,12 0,45 1,25 12,00 2,30 1,25 0,25 0, 412 N - 0,05 0,50 1,30 12,00 4,50 1,00 0,08 0,08 0, 420 - 0,23 0,50 1,25 12,50 0,

OK Tubrod B2 - 0,13 0,40 1,00 1,40 0, B2 M - 0,08 0,50 1,10 1,10 1,20 0,50 0, WS ECW 0,06 0,40 1,00 0,55 0,65 0, M2 ECM2 0,075 0,45 1,40 0,35 1,90 0, 316 L - 0,03 0,50 0,90 18,50 11,50 2, 430 S - 0,05 0,50 1,20 16,

Nota: arames tubulares - composição química do metal depositado com a aplicação do fluxo OK 10.61B.

Tabela II - Composição química de arames OK

Escolha de combinações arame-fluxo

Arames para soldagem por arco submerso são escolhidos primeiramente por sua influência nas propriedades mecânicas e/ou na composição química requerida para o metal depositado. Carbono e manganês são os elementos de liga mais comuns, com adições de Si, Mo, Ni, Cr, Cu e outros elementos adicionados para aumentar a resistência mecânica e controlar as propriedades mecânicas a altas ou baixas temperaturas. Adições de manganês e silício também auxiliam na eliminação da porosidade gerada pelo gás CO.

Os fluxos para soldagem por arco submerso são escolhidos para satisfazer aos requisitos de propriedades mecânicas em conjunto com um arame particular e também para atender às necessidades de desempenho de cada aplicação.

FXXX - ECXXXN - XN

Exemplo: F9P0-Eb3-B3 é uma designação completa. Refere-se a um fluxo que produzirá um metal de solda que, na condição de tratado termicamente pós-soldagem, terá uma resistência à tração superior a 90 ksi (ou 620 MPa) e uma propriedade de impacto de pelo menos 20 lb.ft (ou 27 J) a 0°F (ou -18°C) quando depositado com um arame sólido EB3 sob as condições estabelecidas na norma AWS / ASME. A composição do metal de solda será EB3.

Efeito da diluição da solda e dos parâmetros de soldagem

Para atender aos requisitos de uma norma de fabricação, as propriedades mecânicas mínimas dos consumíveis são usualmente bem definidas. No entanto, quando é exigida uma conformidade com uma norma específica como, por exemplo a AWS D1.1 Structural Code, as listas de conformidade dos produtos ESAB devem ser estudadas.

Quando sua aplicação diferir das condições do corpo de prova em itens como aporte térmico, diluição (veja a Figura 14), espessura da peça ou tratamento térmico, seus efeitos nas propriedades mecânicas podem ser estimados. Como uma regra geral, quando o aporte térmico ultrapassa o valor de 2,3 kJ/mm empregado nos testes conforme a norma AWS, a tenacidade e a resistência da solda ficarão menores que os valores publicados nos catálogos. Quando são empregadas altas correntes, o aumento da diluição do metal de base em mais de 20% também diminuirá a tenacidade da solda relativamente aos dados de catálogo.

Figura 14 - Diluição

• Indica fluxo
• Indica a resistência mecânica mínima do metal de solda depositado em unidades de 10 ksi com o fluxo e alguma classificação específica do arame de acordo com as condições de soldagem especificadas. Dois dígitos são usados quando a resistência ultrapassar 100 ksi.
• Designa a condição de tratamento térmico na qual os testes foram conduzidos. "A" - como soldado e "P" - tratamento térmico pós- soldagem.
• Indica a menor temperatura à qual as propriedades de impacto do metal depositado satisfazem ao mínimo de 27 J.
• Indica eletrodo (arame)
• Indica arame tubular. Na sua ausência, indica um sólido.
• Classificação do arame usado na deposição do metal de solda.
• Indica a composição química do metal depositado. Uma ou mais letras ou dígitos são usados.

O comprimento do cordão e a taxa de resfriamento, medidos através do aporte térmico definido pela Equação [2],

[ 2 ] (^) 𝐴𝐴𝐴𝑍𝐴𝐹𝑇é𝑍𝑟𝑆𝑟𝐴 �

𝑇𝐹𝑀𝑇ã𝐴 𝑑𝐴 𝐴𝑍𝑟𝐴 𝑥 𝐶𝐴𝑍𝑍𝐹𝑀𝐴𝐹 𝑥 60 𝑉𝐹𝐴𝐴𝑟𝑆𝑑𝐶𝑑𝐹 𝑑𝐹𝑆𝐴𝐴𝑑𝐶𝑀𝐹𝑟(𝑟𝑟/𝑟𝑆𝑀) 𝑥 1000

têm um efeito maior nas propriedades mecânicas. Em aplicações críticas, portanto, é normalmente necessário avaliar o desempenho do material, empregando a condição de soldagem em serviço ou através de um teste de um procedimento de soldagem previamente executado.

Escolhendo arames e fluxos para usos específicos

Quando se escolhe uma combinação arame-fluxo para uma determinada aplicação, as características de desempenho desejadas devem ser atendidas:

• facilidade de remoção da escória;
• capacidade de soldar sobre óxidos e carepa;
• possibilidade de soldar a altas velocidades;
• desempenho com vários arames;
• preço e consumo de fluxo com as propriedades mecânicas necessárias.

Em muitos casos, deve existir um compromisso — a combinação arame-fluxo que atenderá às propriedades mecânicas requeridas com o melhor desempenho possível na soldagem. Essa é a razão pela qual a combinação de catorze fluxos e catorze arames da ESAB pode tornar esse compromisso o mais aceitável!

A combinação do desempenho com a maioria das propriedades mecânicas abrangendo a maior parte das indústrias, tais como caldeiraria, naval, e automotiva, pode ser simplificada. O exemplo seguinte ilustra o que pode ser feito com a pré-seleção de combinações simplificadas de arame- fluxo.

Seleção simplificada de arame-fluxo

3 fluxos + 1 arame

Figura 15 - Consumíveis OK para a soldagem por arco submerso

Capítulo 3

PROJETO E PREPARAÇÃO DA JUNTA

O projeto e a preparação da junta são dois dos fatores mais importantes na execução de uma solda por arco submerso. Para usufruir totalmente das vantagens da soldagem por arco submerso, a junta deve ser adequadamente projetada e preparada e deve estar razoavelmente uniforme ao longo dos cordões de solda. Caso contrário, o operador de solda terá que fazer tentativas para compensar as irregularidades.

O tempo despendido na preparação adequada da junta é mais que compensado pelas maiores velocidades de soldagem e soldas de melhor qualidade.

Definição de termos

Penetração da junta é a profundidade de fusão medida da superfície original do metal de base (veja a Figura 19). É algumas vezes expressa como um percentual da espessura da junta.

Figura 19 - Penetração da junta

Reforço da solda é o metal de solda excedendo a quantidade necessária para o preenchimento da junta soldada (veja a Figura 20).

Figura 20 - Reforço da junta

Linha de fusão é a junção do metal de solda com o metal de base (veja a Figura 21).

Figura 21 - Linha de fusão

Zona termicamente afetada é uma parte do metal de base adjacente à solda que não foi fundido, porém teve sua microestrutura ou suas propriedades mecânicas alteradas devido ao calor (veja a Figura 22).

Figura 22 - Zona termicamente afetada

Suporte para o metal de solda fundido

Necessidade de suporte para o metal de solda fundido A soldagem por arco submerso forma um grande volume de metal fundido que permanece fluido por um período de tempo considerável.

É essencial que esse metal fundido seja suportado e contido até sua completa solidificação.

Uso de cobre-juntas para assegurar o suporte ao metal fundido Existem cinco modos comumente empregados para suportar o metal de solda fundido:

• cobre-juntas não consumível;
• cama de fluxo;
• junta sem abertura de raiz;
• passe de selagem;
• cobre-juntas metálico consumível.

Os dois primeiros empregam cobre-juntas temporários que são removidos após o término da soldagem. Nos outros três, o cobrejuntas torna-se parte integrante da junta soldada.

Cobre-juntas não consumível O cobre-juntas de cobre é freqüentemente utilizado como cobrejuntas não consumível na soldagem dos aços. É empregado quando o metal de base não tem massa suficiente para prover um suporte adequado ao metal de solda ou quando deve ser obtida uma penetração completa em apenas um passe. O cobre-juntas de cobre é particularmente útil na soldagem de peças de pequena espessura. Vários tipos de cobre-juntas de cobre são mostrados na Figura 23.

Figura 23 - Diversos tipos de cobre-juntas não consumíveis de cobre

Como o cobre é um excelente condutor de calor, ele resfria rapidamente o metal de solda fundido, fornecendo ao metal de solda o suporte necessário sem ser fundido por ele. Foram feitas algumas tentativas para substituir o cobre por ligas de cobre e por alumínio e suas ligas, porém os resultados não foram satisfatórios tanto no aspecto econômico quanto na qualidade do metal de solda produzido.

Esse insucesso resulta da condutibilidade térmica apreciavelmente menor e também do menor calor latente de fusão das ligas alternativas em relação ao cobre. Por isso as ligas de cobre e o alumínio e suas ligas não conseguem suportar as altas temperaturas de soldagem e se deterioram rapidamente em serviço, mesmo que possuam inicialmente uma resistência à abrasão maior.