Centro Federal De Educao Tecnolgica De Minas Gerais

Dissertao de Mestrado

Autor: Eucldes Gonalves Martins Filho

ESTUDO DA INFLUNCIA RELATIVA DAS VARIVEIS DO PROCESSO DE SOLDAGEM MIG-MAG (GMAW) NO PASSE DE RAIZ

Belo Horizonte

Novembro de 2012

Eucldes Gonalves Martins Filho

ESTUDO DA INFLUNCIA RELATIVA DAS VARIVEIS DO PROCESSO DE SOLDAGEM MIG-MAG (GMAW) NO PASSE DE RAIZ

Dissertao de mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Materiais do CEFET-MG, na rea de concentrao de Cincia e Desenvolvimento de Materiais, na linha de Pesquisa em Seleo, Processamento e Caracterizao, como parte integrante dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia de Materiais.

Orientadora: Profa. Maria Celeste Monteiro de Souza Costa, Dra. Co-orientador: Prof. Joel Romano Brando, Msc.

Belo Horizonte

Novembro de 2012

Martins Filho, Euclides Gonalves. Estudo da influncia relativa das variveis do processo de soldagem MIG-MAG (GMAW) / Euclides Gonalves Martins Filho. - 2012.

86 f. : il., tabs., grafs., fotos. - Orientadora: Maria Celeste Monteiro de Souza Costa. Co-orientador: Joel Romano Brando . Dissertao (mestrado) Centro Federal de Educao Tecnolgica

de Minas Gerais, Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Materiais, Belo Horizonte, 2012.

Bibliografia. 1. Soldagem. 2. Processo de fabricao. I. Costa, Maria Celeste

Monteiro de Souza. II. Brando, Joel Romano. II. Ttulo. CDD: 671.52

AGRADECIMENTOS

A Deus, pelo dom da vida e pela famlia que me concedeu, meus pais, irmos e filhos que me fazem perseverar com dedicao e carinho.

A minha orientadora, Profa. Maria Celeste Monteiro de Souza Costa com sua pacincia e boa vontade no delineamento e verificao das fases a serem cumpridas durante o desenvolvimento da pesquisa.

Ao Prof. Joel Romano Brando, meu co-orientador, pela ajuda imprescindvel na montagem e calibrao dos equipamentos para soldagem dos corpos de prova e preparao para as macrografias.

Aos colegas que lecionam a disciplina de desenho assistido por computador, Profa, Camila Gonalves Castro e Prof. Claudinei Alfredo do Nascimento pela ajuda nas medies dos corpos de prova com o programa AUTOCAD.

Ao Tcnico de laboratrio da Pontifcia Universidade Catlica de Contagem Sr. Claus Higor dos Santos Silva que disponibilizou os equipamentos e acompanhou as medies de microdureza nos corpos de prova.

A minha esposa com sua pacincia e tolerncia me estimulando para concretizar este trabalho.

A todos aqueles que direta ou indiretamente contriburam para a realizao deste trabalho, meu sincero reconhecimento e agradecimento.

RESUMO

Com os equipamentos atuais no mercado, o passe de raiz feito manualmente utilizando os processos de soldagem SMAW, SAW, GMAW e GTAW. Destes quatro processos, aqueles que empregam eletrodos revestidos (SMAW) e o eletrodo de tungstnio (GTAW) so os processos mais difundidos para a execuo do passe de raiz devido a sua versatilidade e facilidade operacional, porm apresentam algumas limitaes como baixas taxas de deposio e alto fator de ocupao do soldador se comparado com o processo GMAW que consiste em um processo de operao semi-automtica que pode ser conferido a este caractersticas como facilidade para a sua automao, elevada taxa de deposio alm de uma solda de boa qualidade. Em funo do exposto acima este trabalho teve como objetivo geral avaliar a utilizao do processo GMAW na execuo do passe de raiz e como objetivo especfico estudar a influncia das variveis do processo de soldagem GMAW (corrente, tenso e velocidade de soldagem) nas caractersticas geomtricas do cordo do passe de raiz. De acordo os resultados obtidos pode-se verificar que processo MIG-MAG pode ser um processo promissor na execuo do passe de raiz em funo dos parmetros testados

Palavras chave: Soldagem, GMAW, Passe de raiz, Parmetros de soldagem.

ABSTRACT

With the current equipment available on the market, the root pass is done manually when using welding processes SMAW, SAW, GMAW and GTAW. Among these four processes, those who employ coated electrodes (SMAW) and tungsten electrodes (GTAW) are the most widely used processes for execution of the root pass due to their versatility and easy operation, but they have some limitations such as low deposition rates and high occupancy time of welder compared with the GMAW process, consisting of one semi-automatic process whose operation can yield features as facilities for automation, high deposition rate and a good quality of welding. This study aimed to evaluate the use of GMAW in the execution of the root pass. Moreover as specific aim is suggested to study the influence of process parameters of GMAW welding (current, voltage and welding speed) on geometric characteristics of the cord root pass. According the results can be verified that the MIG-MAG may be a promising process in the execution of the root pass considering the parameters tested.

Key - words: Welding, GMAW, Pass root, welding parameters.

i

SUMRIO

CAPTULO 1 - INTRODUO 11

CAPTULO 2 - OBJETIVO DA PESQUISA 13

CAPTULO 3 - REVISO BIBLIOGRFICA 14

3.1 - Soldagem 14

3.2 - Passe de raiz 15

3.3 - Descontinuidades apresentados em passe de raiz 17

3.4 - Processos de soldagem utilizados em passe de raiz 18

3.5 - Processo de soldagem GMAW ou MIG/MAG 21

3.6 - Transferncia metlica 22

3.7 - Classificao dos modos de transferncia metlica 23

3.8 - Tipos de transferncia de metal no processo GMAW 24

3.9 - Estabilidade operacional do processo de soldagem 31

3.10 - Estabilidade operacional no processo GMAW 32

3. 11 - Variveis do processo de soldagem GMAW 33

3.12 - Geometria do cordo de solda 38

3.13 - Efeitos das variveis de soldagem na geometria do cordo de solda 39

3.14 - Descontinuidades em juntas soldadas 42 3.14.1 - Caracterizao das descontinuidades 43

CAPTULO 4 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL 50

4.1 - Caracterizao do material 51

4.2 - Preparao dos corpos de prova (cp) 51 4.3 - Definio dos parmetros de soldagem 53

4.4 - Soldagem dos corpos de prova 54

ii

4.5 - Preparao dos corpos de prova para anlise metalogrfica 55

4.6 - Anlise macrogrfica dos cordes do passe de raiz 57 4.7 - Ensaio de microdureza Vickers 57

5 - RESULTADOS E DISCUSSES 59

5.1 - Resultado da composio qumica do metal de base 59

5.2 - Resultados dos testes de soldagem 59

5.2.1 - Aspecto do cordo 59 5.2.2 - Anlise da influncia da intensidade da corrente, DBCP e ngulo do

chanfro sobre os parmetros de soldagem do passe de raiz 64

5.3 - Resultados do teste de microdureza 70

6 - CONCLUSES 75

7 - SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS 76

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 77

ANEXO I 82

ANEXO II 83

ANEXO III 85

ANEXO IV 86

iii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1 Representao esquemtica de uma soldagem por fuso e macrografia

de uma junta soldada 14

FIGURA 3.2 Elementos de um chanfro () ngulo do chanfro; () ngulo slido ou

do bisel; (g) afastamento da junta; (s) face da raiz) 15

FIGURA 3.3 Passe de raiz em chanfro, foto retirada do artigo 16

FIGURA 3.4 Caractersticas das regies do passe de raiz 16

FIGURA 3.5 Efeito da tcnica de soldagem no reforo da raiz 17

FIGURA 3.6 Efeito da corrente na geometria do reforo da raiz, altura do reforo

(hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW 19

FIGURA 3.7 Efeito da abertura da junta na geometria do reforo da raiz, altura do

reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW 20

FIGURA 3.8 Processo de soldagem GMAW 22

FIGURA 3.9 Modos de transferncia de acordo com a classificao do IIW 25

FIGURA 3.10 Condies de corrente e tenso para as diferentes formas de

transferncia para a soldagem MIG/MAG com um gs de proteo a base de argnio

25

FIGURA 3.11a Oscilogramas de tenso e corrente de um processo com transferncia

Globular. Arame ER 70S6 de 1,2 mm de dimetro, Gs CO2 26

FIGURA 3.11b Caracterstica da transferncia metlica globular filmada em alta

velocidade 27

FIGURA 3.12 Transferncia por Curto-Circuito 28

FIGURA 3.13 Imagens obtidas a partir de filmagem de alta velocidade da

transferncia por curto-circuito 28

FIGURA 3.14 Oscilograma da transferncia por curto-circuito para um arame de ao

inoxidvel (AWS E308) de 1,0 mm de dimetro. Gs: Ar-2%O2 29

FIGURA 3.15 Faixa de transio entre a transferncia spray e globular 30

FIGURA 3.16 Velocidade de fuso para arame-eletrodo de 1,2 mm 34

FIGURA 3.17 Distncia Bico de Contato Pea DBCP 35

iv

FIGURA 3.18 Fora repulsiva que atua sobre a gota metlica em corrente contnua e

polaridade negativa 36

FIGURA 3.19 Caracterstica do arco eltrico em corrente contnua e polaridade

positiva (CC+) e polaridade negativa (CC-) 36

FIGURA 3.20 Mudana no aumento da corrente devido indutncia 38

FIGURA 3.21 Formatos de poa de fuso (a) elptica e (b) em gota 39

FIGURA 3.22 Relao entre a penetrao e as variveis primrias de soldagem 40

FIGURA 3.23 Relao entre a largura e as variveis primrias de soldagem 41

FIGURA 3.24 Relao entre o reforo do cordo e as variveis primrias 41

FIGURA 3.25 Caractersticas geomtricas de um cordo de solda: p penetrao

r - reforo, l - largura, Ad - rea depositada, Af - rea fundida 42

FIGURA 3.26 Representao da seo transversal de cordes de solda depositados

por SAW 42

FIGURA 3.27 Regies encontradas em uma junta soldada 44

FIGURA 3.28 Concavidade na raiz (a) central e (b) lateral 44

FIGURA 3.29 Desenho esquemtico (a) da Falta de fuso na lateral da raiz e (b)

falta de fuso na zona de ligao da raiz 45

FIGURA 3.30 Falta de penetrao 45

FIGURA 3.31 Mordedura na raiz 45

FIGURA 3.32 Desenho esquemtico de uma penetrao excessiva na raiz 45

FIGURA 3.33 Desenho esquemtico de porosidade na raiz 46

FIGURA 3.34 Desenho esquemtico de trinca na raiz da solda 46

FIGURA 4.1 Gabarito no metal base para a realizao do corte 51

FIGURA 4.2 Preparao do bisel com ngulo de 30 graus em relao a

perpendicular 52

FIGURA 4.3 Montagem dos corpos de prova 53

FIGURA 4.4 Montagem do apndice no corpo de prova 53

FIGURA 4.5 Montagem experimental utilizada para a realizao dos testes de

soldagem 54

v

FIGURA 4.6 Corte longitudinal ao passe de raiz efetivado na serra de fita

refrigerada 56

FIGURA 4.7 Exemplo de corpo de prova gerado aps todos os cortes na serra de

fita 56

FIGURA 4.8 Representao esquemtica dos parmetros geomtricos considerados

para a anlise dos cordes de solda 57

FIGURA 4.9 Aparelho utilizado para medio da microdureza 58

FIGURA 4.10 (a) Sequncia dos pontos no cp(3)f1_140A para o teste de

microdureza Vickers. (b) indentao gerada no referido corpo de prova

58

FIGURA 5.1 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 120 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 60

FIGURA 5.2 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 140 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 61

FIGURA 5.3 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 150 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 61

FIGURA 5.4 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 160 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 61

FIGURA 5.5 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 170 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 62

FIGURA 5.6 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 180 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 62

FIGURA 5.7 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 190 A,

16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o 62

FIGURA 5.8 Aparncia do perfil de solda para cada corrente de soldagem com

tenso de 16V, DBCP de 16 mm e ngulo de soldagem 60o 63

FIGURA 5.9 Influncia da corrente de soldagem na largura do cordo do passe de

raiz 65

FIGURA 5.10 Influncia da corrente de soldagem na altura do cordo do passe de

raiz 65

FIGURA 5.11 Influncia da corrente de soldagem na rea do cordo do passe de raiz 65

FIGURA 5.12 Influncia da DBCP na largura do cordo do passe de raiz 66

FIGURA 5.13 Influncia da DBCP na altura do cordo do passe de raiz 67

vi

FIGURA 5.14 Influncia da DBCP na rea depositada do passe de raiz 67

FIGURA 5.15 Influncia do ngulo do chanfro na largura do cordo do passe de raiz 69

FIGURA 5.16 Influncia do ngulo do chanfro na altura do cordo do passe de raiz 69

FIGURA 5.17 Influncia do ngulo do chanfro na rea depositado do passe de raiz 69

FIGURA 5.18 Distribuio da microdureza no metal de base 70

FIGURA 5.19 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 120 A 71

FIGURA 5.20 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 140 A 71

FIGURA 5.21 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 150 A 71

FIGURA 5.22 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 160 72

FIGURA 5.23 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 170 A 72

FIGURA 5.24 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 170 A 72

FIGURA 5.25 Distribuio da microdureza no corpo de prova com intensidade de

corrente de 170 A 73

FIGURA 5.26 Microdureza mdia dos corpos de prova com alterao da intensidade

da corrente de soldagem 73

vii

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1 Formas usuais de transferncia metlica de acordo com o IIW 24

TABELA 4.1 Composio qumica prevista para ao ABNT 1020 51

TABELA 4.2 Parmetros operacionais de soldagem 55

TABELA 5.1 Composio qumica real ao ABNT 1020 utilizado neste trabalho 59

TABELA 5.2 Falta de penetrao por grupo de estudo 60

TABELA 6.1 Resumo dos parmetros geomtricos com a variao da DBCP 67

TABELA 6.2 Resumo dos parmetros geomtricos com a variao do ngulo do

chanfro. 70

viii

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 Falta de fuso e falta de penetrao: Causas e possveis solues 46

QUADRO 2 Mordedura na raiz - Causas e possveis solues 47

QUADRO 3 Penetrao excessiva - Causas e possveis solues 48

QUADRO 4 Porosidade - Causas e possveis solues 48

ix

LISTA SMBOLOS E ABREVIATURAS

A

Ampre

Ad

rea depositada Af

rea fundida Atotal rea total AW

rea da seo transversal do eletrodo CA

Corrente alternada

CC-

Corrente contnua e polaridade negativa ou eletrodo ligado ao polo negativo

CC+

Corrente contnua polaridade inversa ou corrente contnua e polaridade positiva

CP Corpo de prova

DBCP

Distncia bico de contato pea

f

Velocidade de alimentao

F

Quociente da carga aplicada

Fcc

Fator de curto circuito

g Abertura de raiz ou folga ou aresta ou afastamento da junta GMAW

Gs metal arc welding

GMAW-VP

Variable Polarity Gas Metal Arc Welding ou processo de soldagem GMAW com corrente alternada

GTAW

Gs tungsten arc welding

hrr Altura do reforo da raiz

HV

Dureza Vickers

I Corrente

Ic Corrente de transio

x

Icr Corrente crtica

IIW

International Institute of Welding

kg/h

Taxa de deposio

l

Largura

MB Metal de base

MIG/MAG Metal Inert Gas e Metal Active Gas

P

Penetrao

r

Reforo

RO Abertura da raiz

S Face da raiz

SAW Processo de soldagem por arco submerso

SMAW

Shielded metal arc welding

T

Perodo de transferncia de metal

tcc

Tempo de durao de curto circuito

V

Tenso

v

Velocidade de soldagem

Wrr Largura do reforo da raiz

ZF

Zona fundida

ZTA

Zona termicamente afetada

ngulo do chanfro

ngulo de abertura da junta ou ngulo de bisel ou ngulo slido ou do bisel

Eficincia de deposio

11

CAPTULO 1

INTRODUO

Sabe-se que na indstria metal-mecnica constante a busca por melhor qualidade do produto e competitividade, ancoradas no binmio produtividade e reduo de custos. Dentre os diferentes processos de fabricao utilizados para a unio de materiais metlicos e no metlicos nesta indstria, a soldagem atualmente o processo mais empregado para a unio permanente destes materiais.

Entre os vrios processos de soldagem empregados para fabricao de componentes metlicos, aqueles que empregam o arco eltrico combinam uma concentrao tima de energia para fuso localizada com o custo relativamente baixo da energia eltrica e do equipamento, alm de riscos aceitveis sade humana, durante a operao. (Modenesi, 2009).

Na soldagem multipasses com arco eltrico, as etapas que compem a execuo do processo so: passe de raiz, passes de enchimento e passes de acabamento. Formam-se assim camadas superpostas, que gradativamente preenchem a abertura do chanfro definido pela montagem dos dois metais de base previamente preparados.

O passe de raiz o passe realizado na regio mais profunda do cordo de solda e para sua execuo podem ser empregados vrios processos de soldagem tais como: SMAW (Shielded Metal Arc Welding), GMAW (Gs Metal Arc Welding) e o GTAW (Gs Tungsten Arc Welding).(Silva, 2005).

O processo de soldagem GMAW (MIG/MAG abreviatura de Metal Inert Gas e Metal Active Gas) proporciona muitas vantagens para a soldagem em aplicaes de alta e baixa produo. As vantagens do processo GMAW sobre os processos eletrodo revestido e TIG so: modo de execuo semi-automtico, mecanizado ou automtico o que o torna mais verstil na produo; no h necessidade de remoo de escria; apresenta alta taxa de deposio do metal de solda; tempo total de execuo de soldas de cerca da metade do tempo para o processo SMAW; altas velocidades de soldagem o que minimiza distores nas peas

12

soldadas; alimentao contnua do arame eletrodo evitando paradas frequentes para troca do eletrodo (SMAW) e vareta de soldagem (GTAW).

Diante das vantagens do GMAW seu uso vem se disseminando na indstria apesar de algumas limitaes inerentes prpria configurao do processo, tais como: suscetibilidade de contaminao da atmosfera protetora em trabalhos no campo, maior sensibilidade variao dos parmetros eltricos do arco de soldagem pela forte interdependncia destes durante a operao. (Villani, 2005).

O presente trabalho visa inicialmente discutir os parmetros do processo de soldagem GMAW mecanizado com fontes de energia de potencial constante com transferncia metlica curto-circuito bem como avaliar, segundo normas tcnicas de ensaios no-destrutivos, caractersticas geomtricas dentro dos limites propostos, para os cordes de solda executados e posteriormente, demonstrar que possvel empregar o processo de soldagem GMAW mecanizado na execuo do passe de raiz com penetrao total, sem a necessidade da operao de goivagem. (remoo da solda ou parte dela por meio mecnico ou trmico) pois, a operao de goivagem gera retrabalho e custos adicionais de produo.

13

CAPTULO 2

OBJETIVO DA PESQUISA

Este trabalho tem como objetivo geral avaliar a utilizao do processo GMAW na execuo do passe de raiz e como objetivo especfico estudar a influncia das variveis do processo de soldagem GMAW (corrente, tenso e velocidade de soldagem) nas caractersticas geomtricas do cordo do passe de raiz.

14

CAPTULO 3

REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 - SOLDAGEM

Um grande nmero de diferentes processos utilizados na fabricao e recuperao de peas, equipamentos e estruturas abrangido pelo termo soldagem. Classicamente, a soldagem considerada como um mtodo de unio, porm, muitos processos de soldagem ou variaes destes so usados para a deposio de material sobre uma superfcie, visando a recuperao de peas desgastadas ou para a formao de um revestimento com caractersticas especiais (Modenesi, 2009).

De acordo com a American Welding Society (AWS, 1991) a definio de soldagem a operao que visa obter a coalescncia localizada produzida pelo aquecimento at uma temperatura adequada, com ou sem a aplicao de presso e de metal de adio. Logo, o resultado desta operao o que se chama de solda. A FIG.3.1 mostra de forma esquemtica uma solda.

FIG.3.1 - Representao esquemtica de uma soldagem por fuso (a), macrografia de uma junta soldada (b) (Modenesi, 2009)

possvel observar na FIG. 3.1 que para realizar uma solda necessrio fazer a preparao do metal a ser soldado, pois nem sempre possvel fundir a espessura total das peas, quando

15

as faces da junta esto paralelas entre si. Esta preparao realizada por meio da confeco de chanfros.

O tipo e as dimenses de um chanfro so escolhidos de forma a atender os requisitos do projeto e, em particular, permitir um fcil acesso at o fundo da junta, minimizando, assim, a quantidade de metal de adio necessria para o enchimento da junta.

Na FIG. 3.2 possvel verificar as caractersticas dimensionais de um chanfro. A face de raiz ou nariz (S) a parte no chanfrada de um componente da junta, ou seja, a regio mais estreita da junta. Esta regio tende, portanto, a ser uma regio na qual a soldagem mais difcil, mais propensa formao de descontinuidades, pois durante a soldagem, concentra-se um razovel aporte trmico ao longo da junta apresentando pequeno volume comparativamente ao volume total a ser soldado. A abertura de raiz ou folga ou aresta (g) a menor distncia entre as peas a soldar. O ngulo de abertura da junta ou ngulo de bisel () aquele executado na extremidade do metal de base antes da montagem final dos componentes. Por fim, o ngulo do chanfro () o ngulo gerado durante a montagem dos metais de base, ou seja, a soma dos ngulos de bisel dos componentes da junta.

FIG.3.2 Elementos de um chanfro: () ngulo do chanfro; () ngulo slido ou do bisel; (g) afastamento da junta; (s) face da raiz) (MODENESI, 2009)

3.2 PASSE DE RAIZ

O passe de raiz o primeiro cordo de solda a ser realizado na raiz do chanfro (FIG. 3.3). importante ressaltar que na execuo de soldas de qualidade o passe de raiz tem significado

16

especial por representar, na construo mecnica soldada, o alicerce ou fundao na edificao da estrutura metalrgica bsica que sustentar os cordes posteriores.

FIGURA 3.3 - Passe de raiz em chanfro, foto retirada do artigo (Barbosa, 2011)

Para obter-se uma solda de qualidade vrios autores de trabalhos tcnicos, (Malin, 2001; Macedo, 1985; Muir, 1985 e Cantrell, 1982) destacam a importncia da execuo do passe de raiz na soldagem com qualidade. De acordo com Malin (2001), necessrio indicar algumas caractersticas geomtricas pertinentes ao passe de raiz, como mostra a FIG. 3.4. Estas caractersticas merecem ser avaliadas no s nos estudos sobre o assunto, como tambm durante a aplicao do processo na produo industrial.

FIGURA 3.4 - Caractersticas das regies do passe de raiz (Malin, 2001)

17

3.3 DESCONTINUIDADES APRESENTADOS EM PASSE DE RAIZ

Como anteriormente mencionado, a soldagem de passe de raiz de fundamental importncia para o sucesso da solda final. Passes de enchimento e acabamento so tambm relevantes, contudo, no so normalmente abordados nos trabalhos uma vez que as caractersticas presentes nestes passes so inerentes boa execuo do processo de soldagem no passe de raiz (Jnior, 2010).

Descontinuidades relativas ao formato da penetrao da raiz decorrem, dentre outros, dos fatores presentes na soldagem como: abertura da junta, ngulo do chanfro, dimenses da face (nariz) da raiz, ngulo da tocha em relao direo de soldagem, velocidade de soldagem, aporte trmico, manejo da tocha, instabilidade do arco, falta de proteo gasosa, desempenho inadequado dos equipamentos, entre outros (Cantrell, 1982).

Cantrell (1982) obteve alguns formatos do reforo da raiz, atuando no manejo da tocha com e sem tecimento, conforme comparao mostrada na FIG 3.5. A velocidade de soldagem alta causa o efeito de desvio do arco em direo borda da poa de fuso e provoca pouca penetrao da raiz. Baixa velocidade elimina este efeito de desvio do arco, com excesso de contorno do reforo da raiz.

FIGURA 3.5 - Efeito da tcnica de soldagem no reforo da raiz, arame ER70T-1 dimetro 1,6 mm, posio plana, Chanfro tipo V 60 , 240 A e 25 V Mistura 75% Ar

+ 25% CO2, sem face de raiz, abertura raiz aprox. 2,4 mm. (Cantrell, 1982)

18

3.4 PROCESSOS DE SOLDAGEM UTILIZADOS EM PASSE DE RAIZ

Com os equipamentos atuais no mercado, o passe de raiz feito manualmente utilizando os processos de soldagem SMAW, SAW, GMAW e GTAW. Destes quatro processos, aquele que emprega eletrodos revestidos (SMAW) o processo mais difundido para a execuo do passe de raiz devido a sua versatilidade e facilidade operacional porm, apresenta algumas limitaes como baixa taxa de deposio que gira em torno de 1,0 a 2,6 kg/h e fator de ocupao do soldador geralmente inferior a 40 % (Villani, 2005).

Malin (2001), com o uso do processo SAW, analisa de maneira bastante abrangente a influncia das variveis de soldagem e da geometria da junta envolvidas na formatao do passe de raiz. A soldagem foi realizada nas seguintes condies: Material da chapa: ao carbono; Espessura da chapa: 17,5 mm; Junta de topo; Chanfro: tipo V simples; Eletrodo com dimetro de 4,0 mm; Posio de soldagem: Plana; Desalinhamento: 0 (zero) mm; Polaridade eletrodo: Corrente contnua eletrodo negativo; Altura da face de raiz: 0 (zero) mm; Distncia bico contato pea: 41 +/- 3 mm.

Foram elaborados grficos relacionando as variveis de soldagem com a geometria do reforo da raiz, entre outras caractersticas, a altura (hrr) e largura (wrr). Os efeitos causados pelas variveis, estudadas Malin (2001), sero descritos a seguir:

a) A corrente produz efeito na geometria da raiz, devido a sua influncia na taxa de deposio e penetrao do arco conforme mostra a FIG. 3.6. O efeito da corrente na altura do reforo da raiz (hrr) complexo. At corrente (I) menor que a crtica I < Icr (600 A) o arco no penetrou o suficiente (ou inadequadamente) para o reforo da raiz ser formado (considerado igual a Zero). Com a I = Icr, o arco penetrou atravs das bordas da raiz e propiciou um desenvolvimento total da altura, com o mximo do hrr = 1,7 mm. Ento hrr, diminuiu quando a corrente foi aumentada acima da ICr , at que hrr = 0,8 mm para corrente de 1000 A. Com relao largura do reforo (wrr), com I < Icr (600 A), o reforo da raiz formou-se inadequado (considerado Zero). Em I = Icr (600 A), o arco penetrou nas bordas da raiz e formou um reforo da raiz com a largura total (wrr = 14,1 mm). Com a corrente sendo aumentada de 600A a 1000A, a largura do reforo (wrr) foi independente da corrente e variou muito pouco (entre 13,0 - 14,1 mm).

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b) O efeito da variao da abertura da raiz (RO), mantendo-se a corrente (I = 700 A) e abertura da junta ( = 30o) fixas, mostrado na FIG 3.7. Observa-se que a hrr aumentou proporcionalmente a abertura da raiz. Este aumento benfico. Na RO menor que 2,4 mm, as bordas da raiz no foram fundidas suficientemente e no se formou o reforo da raiz. Um reforo pequeno apareceu em RO = 2.4 mm. Um aumento gradual nas aberturas da raiz de 2,4 a 7,2 mm resultou no aumento da hrr, uma tendncia oposta corrente, discutida anteriormente, Assim, a hrr melhora devido ao aumento da abertura da raiz e deteriora devido ao aumento da corrente. Com relao largura do reforo da raiz (Wrr), tambm aumenta quando a RO aumenta. Para o exemplo apresentado, o aumento da abertura da raiz de 2,4 para 7,2 mm resultou em um acrscimo do Wrr (51%). Esta tendncia difere daquela produzida quando se aumenta a corrente acima da Icr pois, conforme visto anteriormente, a Wrr no mudou muito.

FIGURA 3.6 Efeito da corrente na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (Wrr), processo SAW (Malin, 2001)

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FIGURA 3.7 Efeito da abertura da junta na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (Wrr), processo SAW (Malin, 2001)

Nos tempos atuais j existe no mercado fontes de alimentao para soldagem GMAW semi-mecanizada que produzem um cordo suficientemente largo para preencher completamente a raiz da junta sem a necessidade de um passe posterior (Weldreality, 2009). Porm para conseguir este cordo importante fazer a escolha adequada dos parmetros de soldagem a fim de que o intento seja possvel (Dutra et al,1987). importante conjugar os parmetros de corrente, tenso, velocidade de soldagem, para manter a estabilidade do arco e produzir um passe de raiz com o formato que atenda as exigncias de resistncia mecnica da junta soldada. A realizao do passe de raiz sem defeitos influenciar na consistncia dos passes restantes, de enchimento e acabamento e, consequentemente, na obteno de uma solda mecanicamente ntegra, que a meta de todo processo de fabricao.

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3.5 - PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW OU MIG/MAG

O processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding) tambm conhecido como GMAW foi desenvolvido por volta de 1940, para a soldagem de alumnio, magnsio e suas ligas, com a finalidade de substituir o uso de fluxos slidos, que geravam problemas de corroso no cordo de solda. Como o processo demonstrou ser muito eficiente na proteo da zona de fuso contra a contaminao atmosfrica, ele foi gradativamente substituindo os outros processos e atualmente aplicado na soldagem da maioria dos metais (AWS, 1991; Cary, 1998).

A soldagem GMAW um processo que utiliza um arco eltrico estabelecido entre um eletrodo n consumvel continuamente alimentado e o metal que se deseja soldar. Este processo utiliza um gs ou mistura de gases que protege o arco e o metal de solda fundido contra a contaminao da solda pelo oxignio, nitrognio e hidrognio provenientes da atmosfera, alm de prover um arco com caractersticas relacionadas, por exemplo, com sua estabilidade, modo de transferncia metlica, etc. Se este gs inerte (Ar/He), o processo chamado de MIG - Metal Inert Gas, pois estes gases no reagem metalurgicamente com a gota metlica ou com a poa de fuso, atuando apenas na proteo destas regies, auxiliando na formao e manuteno do arco. Por outro lado, se o gs for ativo (CO2 ou misturas de Ar / O2 / CO2), o processo chamado alternativamente de MAG - Metal Active Gas. Neste caso, alm das funes j citadas, o gs reage metalurgicamente com a gota e com a poa de fuso (AWS, 1991).

No processo GMAW a fuso localizada e a unio das peas conseguida pelo calor gerado por um arco eltrico estabelecido atravs do contato eltrico entre um eletrodo contnuo e macio (arame) e a pea de trabalho. No incio do processo, um curto-circuito entre o eletrodo e a pea produz a passagem inicial de uma elevada corrente, provocando um aquecimento ao longo do eletrodo e na regio de contato com a pea. Com este aquecimento e a ruptura do curto-circuito, ocasionada pela fuso ocorrida em alguma parte do eletrodo, o arco se estabelece. Com o surgimento do arco, o arame, continuamente fornecido, transformado em gotas de metal fundido, as quais so transferidas para a poa de fuso, formando o cordo de solda. Nesse processo, uma parte da energia responsvel pela fuso do eletrodo devida ao efeito Joule, gerado pela passagem da corrente eltrica atravs do arame na regio que fica entre o bico de contato e o arco. O gs ou mistura de gases protege o arco e o metal de solda

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fundido contra a contaminao pela atmosfera. A FIG. 3.8 mostra, de forma esquemtica, o processo de soldagem GMAW.

FIGURA 3.8 Processo de soldagem GMAW (AWS, 1991)

O processo GMAW normalmente operado de forma semi-automtica, podendo ser tambm mecanizado ou automatizado. Convencionalmente, utilizada no processo GMAW uma fonte retificadora de tenso constante, regulvel entre 15 e 50 V, e um alimentador de arame com velocidade regulvel entre cerca de 1 e 18 m/min, que permite um auto ajuste do comprimento do arco, mantendo-o relativamente constante.

As principais vantagens da utilizao do processo GMAW so sua alta produtividade (quando comparado com processos GTAW e SMAW), sua versatilidade, quanto aos tipos de aos e espessuras, e sua menor exigncia quanto habilidade do operador. Este ltimo fato deve-se capacidade do processo em manter o comprimento do arco aproximadamente constante. Uma importante limitao deste processo a sua grande sensibilidade aos parmetros eltricos de operao, alm da grande interdependncia entre estes parmetros, os quais tm influncia direta nas caractersticas do cordo de solda depositado e na estabilidade do processo (Marques et al, 2005).

3.6 - TRANSFERNCIA METLICA

Nos processos de soldagem em que h o uso de um metal de adio, a forma como se d a transferncia deste metal para a pea constitui um fator importante do processo,

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principalmente nos seus aspectos operacionais, em particular, o nvel de respingos e fumos, a capacidade do processo ser utilizado fora da posio plana, o formato dos cordes e, enfim, a estabilidade e o desempenho operacional (Modenesi, 2009).

Este assunto tem sido estudado desde a introduo dos processos de soldagem com eletrodos consumveis. O fenmeno da transferncia metlica em soldagem a arco e especialmente os mecanismos que governaram receberam considervel ateno entre as dcadas de 1950 e 1960, quando tcnicas de filmagem de alta velocidade foram usadas para investigar o arco eltrico do processo GMAW (Blsamo, 2000).

Lesnewich (1958) mostrou que o modo da transferncia metlica depende das variveis operacionais, principalmente do valor da corrente de soldagem e de sua polaridade, da extenso e dimetro do eletrodo e da composio do gs de proteo.

A transferncia metlica se processa em qualquer polaridade, com corrente contnua ou alternada e at mesmo contra a ao da gravidade, como o caso da soldagem sobre cabea. Isto indica que podem existir foras atuando constantemente na direo da poa de fuso, as quais so no mnimo, iguais s foras de gravidade.

As teorias mais usadas para o estudo da transferncia metlica em GMAW so baseadas no balano esttico de foras na gota formada na ponta do eletrodo ou no estudo de instabilidades que podem ocorrer em cilindros lquidos percorridos por corrente eltrica, Pinch Instability Theory (Lancaster, 1987).

3.7 - CLASSIFICAO DOS MODOS DE TRANSFERNCIA METLICA

Diversas formas de transferncia de metal podem ser observadas nos diversos processos de soldagem. De acordo com a nomenclatura do International Institute of Welding (IIW) (Lancaster, 1986), a transferncia metlica pode ser classificada em trs grupos principais: Free-flight transfer ou transferncia por vo livre, Bridging transfer ou transferncia por contato e Slag-protected transfer ou transferncia protegida por escria, conforme esquematizado na TAB. 3.1 e ilustrado na FIG.3.9.

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Tabela 3.1 Formas usuais de transferncia metlica de acordo com o IIW. TIPO DE TRANSFERNCIA EXEMPLO DE PROCESSO DE SOLDAGEM

1 TRANSFERNCIA POR VO LIVRE 1.1 Globular 1.1.1 Gota (Drop) GMAW - Baixa corrente 1.1.2 Repelida (Repelled) GMAW com proteo de CO2 1.2 Spray 1.2.1 Projetada (Projected) GMAW - Corrente intermediria 1.2.2 Spray em Fluxo (Streaming) GMAW - Corrente mdia 1.2.3 Rotacional (Rotating) GMAW - Corrente elevada 1.3 Explosiva SMAW 2 TRANSFERNCIA POR PONTE 2.1 Curto-Circuito (Short-Circuiting) GMAW - Arco curto 2.2 - Sem Interrupo (Without Interruption) GTAW com alimentao contnua 3 TRANSFERNCIA PROTEGIDA POR ESCRIA 3.1 - Fluxo Guiado (Flux-Wall Guided) SAW 3.2 Outros modos SMAW, FCAW, ESW, etc.

Fonte: Lancaster, 1986.

Na literatura (Liu, 1989), a transferncia metlica tem sido descrita principalmente atravs dos termos de transferncia por curto-circuito, transferncia globular e transferncia por spray. Cada transferncia possui sua faixa de tenso e corrente de soldagem, taxa de deposio e tcnicas de manipulao especficas.

A qualidade da solda est intimamente ligada ao modo de transferncia metlica. A escolha dos gases de proteo e dos parmetros de soldagem envolvidos influencia fortemente no tipo de transferncia.

3.8 - TIPOS DE TRANSFERNCIA DE METAL NO PROCESSO GMAW

Para o processo GMAW convencional, com eletrodo positivo e gs de proteo a base de argnio, distingem-se trs modos de transferncia bsicos, isto : (a) transferncia globular, (b) transferncia por curto-circuito e (c) transferncia por spray ou aerossol.

A FIG. 3.10 mostra, esquematicamente, os campos operacionais das formas principais de transferncia em funo da corrente e da tenso na soldagem GMAW convencional com a utilizao de gs de proteo a base de argnio.

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Na regio indicada como instvel, que ocorre para valores de tenso bem baixos, tipicamente inferiores a 15 Volts, um grande volume de respingos gerado e muito pouco calor transferido ao metal de base, no permitindo a fuso adequada deste e do arame. Limites superiores de tenso e corrente, obviamente, tambm existem, em funo de restries prticas. Deve-se notar, ainda, que a transio entre alguns destes modos de transferncia ocorre dentro de uma certa faixa, que pode ser relativamente grande, de tenso e corrente, ou seja, de uma forma mais ou menos gradual (Silva, 1995).

FIGURA 3.9 Modos de transferncia de acordo com a classificao do IIW (Lancaster, 1986).

FIGURA 3.10 Condies de corrente e tenso para as diferentes forma de transferncia para a soldagem GMAW. com um gs de proteo a base de argnio

(desenho esquemtico) (Modenesi 2009)

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a) Transferncia Globular

A transferncia globular caracterizada pela formao de grandes gotas de metal fundido (cujo dimetro tipicamente superior ao dimetro do eletrodo) que se transferem para poa de fuso a uma baixa freqncia (10-1 a 100 gotas/s).

Na transferncia globular, o metal lquido forma-se na ponta do arame pela sua fuso e mantm-se preso a este por ao da tenso superficial. Com o aumento do volume da gota, o seu peso aumenta e acaba por ocasionar a sua separao do arame e a gota do metal lquido se transfere para a poa de fuso por ao da gravidade. Oscilogramas tpicos de corrente e tenso de soldagem para a transferncia globular no processo GMAW so mostrados na FIG. 3.11a (Modenesi, 2009) e a FIG. 3.11b apresenta a caracterstica da transferncia metlica globular filmada em alta velocidade (Jones et al., 1998).

A transferncia globular ocorre quando se utiliza argnio puro ou misturas a base deste gs, para valores elevados de tenso e densidade de corrente relativamente baixa, isto , abaixo daqueles de transio globular / spray, FIG.3.10.

Para outros gases, sobretudo misturas a base de hlio ou dixido de carbono, este tipo de transferncia tambm predominantemente para nveis relativamente elevados de corrente. No caso de dixido de carbono, a transferncia globular pode ser repulsiva com grande gerao de respingos. Para misturas a base de argnio, a transferncia globular ocorre de forma relativamente estvel.

Tempo (ms) FIGURA 3.11a Oscilogramas de tenso e corrente de um processo com transferncia

Globular. Arame ER 70S6 de 1,2 mm de dimetro, Gs CO2 (Modenesi, 2005).

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FIGURA 3.11b - Caracterstica da transferncia metlica globular filmada em alta velocidade (Jones et al., 1998b).

b) Transferncia por curto-circuito

Na transferncia por curto-circuito, o comprimento do arco diminudo de forma que a gota formada na ponta do arame toca a poa de fuso da solda antes que seja destacada pela ao da gravidade como no modo globular. Com isto, ocorre um curto-circuito eltrico e o arco extinto. Com o curto-circuito, a corrente tende a se elevar rapidamente, aumentando a fuso do eletrodo por efeito Joule (RI2) e, ao mesmo tempo, o metal fundido tende a se transferir para a poa de fuso por ao da tenso superficial e de foras de origem magntica. Com isto, o curto-circuito rompido, o arco restabelecido e este processo repetido ciclicamente (FIG. 3.12). Em condies normais de operao deste tipo de transferncia, aproximadamente 20 a 200 curtos podem ocorrer em um segundo (Smith, 1962).

Assim, neste modo de transferncia, o processo alterna entre condies de arco, no qual h formao da gota na ponta do arame e fuso do metal de base (formao da poa de fuso), e condies de curto-circuito, quando a gota efetivamente transferida do arame para a poa, A FIG.3.13 mostra uma filmagem do processo GMAW operando com o modo de transferncia por curto-circuito.

Durante o curto-circuito, devido alta corrente presente, o processo de transferncia da gota pode se dar de forma mais ou menos explosiva, tendendo a gerar um elevado nvel de respingos. Por outro lado, se a corrente elevada de forma muito lenta, o arame slido pode acabar por mergulhar na poa de fuso antes da ruptura da ponte lquida e o processo ser interrompido com o arame superaquecido formando um emaranhado no fundido sobre o metal de base (Modenesi, 2009).

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FIGURA 3.12 Transferncia por Curto-Circuito (Modenesi, 2009).

FIGURA 3.13 Imagens obtidas a partir de filmagem de alta velocidade da transferncia por curto-circuito (Modenesi, 2009)

Durante um curto-circuito, a intensidade de energia cedida pea relativamente baixa e, portanto, a soldagem com este tipo de transferncia tende a produzir pouca fuso do metal de base. Em materiais de grande espessura ou elevada condutividade trmica, isto pode favorecer

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a ocorrncia de falta de fuso, contudo, na soldagem de peas de pequenas espessuras, esta caracterstica pode, por outro lado, ser vantajosa (Silva, 1995).

As condies operacionais da soldagem com transferncia por curto-circuito podem ser caracterizadas tambm atravs do estudo de oscilogramas de corrente e tenso do processo conforme apresentado na FIG. 3.14.

FIGURA 3.14 Oscilograma da transferncia por curto-circuito para um arame de ao inoxidvel (AWS E308) de 1,0 mm de dimetro. Gs: Ar-2%O2 (Modenesi, 2009).

Alguns parmetros derivados destes oscilogramas e que podem ser utilizados para essa finalidade so o perodo de transferncia de metal (T), o tempo de durao de curto-circuito (tcc) e o fator de curto-circuito (Fcc). Essas variveis esto ligadas pela equao Eq. 3.1.

Eq. 3.1

O fator de curto-circuito indica, em porcentual, a frao do tempo durante a soldagem em que o arame est em contato com a poa de fuso, isto , em curto-circuito.

c) Transferncia spray ou aerossol

O modo de transferncia spray ou aerossol ocorre para correntes acima da chamada corrente de transio (Ic) e tenses do mesmo nvel, ou superiores, s usadas no modo globular. Nestas

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condies, o arco eltrico envolve completamente a gota na ponta do eletrodo e h uma queda no dimetro destas e, conseqentemente, um aumento na freqncia de transferncia. Tipicamente, as gotas transferidas so de dimetro menor que do arame eletrodo, sendo a condio de igualdade entre o dimetro da gota e do arame usada para definir a corrente de transio (Kim e Eagar, 1993).

A corrente de transio depende de inmeros fatores, particularmente, da composio e do dimetro do eletrodo alm do seu comprimento energizado e do tipo de gs de proteo. A FIG. 3.15 mostra esquematicamente a faixa de transio entre a transferncia spray e globular.

A transferncia spray ocorre usualmente de forma muito estvel, com mnimas perturbaes do arco e poucos respingos. Acredita-se que a fora principal responsvel pela transferncia spray seja magntica, de origem similar associada com a formao do jato de plasma (Modenesi, 2009).

Na soldagem GMAW, a transferncia spray ocorre basicamente com gases de proteo base de argnio e com eletrodo positivo.

FIGURA 3.15 Faixa de transio entre a transferncia spray e globular (Cary, 1989).

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3.9 - ESTABILIDADE OPERACIONAL DO PROCESSO DE SOLDAGEM

De acordo com Costa (2006) em processos de soldagem com transferncia metlica, a estabilidade do prprio arco e da transferncia de metal atravs deste de vital importncia na estabilidade geral do processo, pois estes dois fenmenos so interligados de modo que a instabilidade no comportamento de um deles provoca, em geral, a instabilidade no outro e de todo o processo.

A estabilidade, em seu significado fsico, uma propriedade geral de sistemas mecnicos, eltricos e aerodinmicos, pela qual o sistema retorna ao estado de equilbrio aps sofrer uma perturbao (Meriam, 1999). J o termo estabilidade operacional usado na soldagem para designar genericamente condies de bom ou mal funcionamento da operao (Dutra,1989).

No existe uma metodologia nica para avaliao da estabilidade de processos de soldagem, pois ela afetada pela maioria das variveis de soldagem (Machado, 1996; Suban e Tusek, 2003). H algum tempo, a estabilidade era tratada apenas qualitativamente, devido principalmente falta de recursos tecnolgico para quantific-la. Ela era determinada pelo soldador atravs do rudo que se gerava, ou pela quantidade de respingos, de acordo com sua experincia (Mita, 1988; Vaidya, 2002). Atualmente, com o auxlio de diferentes equipamentos e programas, a avaliao da estabilidade do processo feita, em geral, com base nas variaes dinmicas dos sinais eltricos, sonoros e luminosos emitidos pelo arco (Lucas, 1994) e, tambm, por filmagens de alta velocidade da transferncia metlica, a qual pode ser sincronizada com os sinais de corrente e tenso (Blsamo et al.2000a; Vilarinho, 2000)

De acordo com Suban (2003), a estabilidade do processo de soldagem a propria estabilidade do arco e este autor ainda afirma que uma operao de soldagem a arco s estvel se o comprimento do arco for constante, se a transferncia de metal for uniforme e sem presena de respingos. Porm, o conceito de estabilidade definido distintamente por diferentes autores, podendo ser associada, por exemplo, ao equilbrio entre a velocidade de alimentao do arame e a sua velocidade de fuso; formato regular do cordo; grau de rigidez do arco durante a soldagem e freqncia de oscilao da poa de fuso (Amin, 1983, Scotti, 1998, Den Ouden e Hemans, 1999, Vaidya, 2002). Estas abordagens podem ser, em alguns casos,

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complementares, mas no traduzem o sucesso de uma solda. Aps analisar todos estes conceitos, o autor deste trabalho constatou que a estabilidade de um processo de soldagem se d quando o resultado alcanado uma operao com regularidade na transferncia metlica, independente do tipo, produzindo o mnimo de respingos.

3.10 - ESTABILIDADE OPERACIONAL NO PROCESSO GMAW

Na soldagem com eletrodo consumvel, particularmente na soldagem GMAW, o comportamento da raiz do arco tem um efeito significativo na estabilidade do processo. Na soldagem dos aos, em geral, quando pequenas adies de gases oxidantes so feitas em uma proteo gasosa inicialmente inerte, observa-se uma reduo da mobilidade da raiz do arco, o que melhora a estabilidade do processo (Hilton e Norrish, 1988). Este efeito associado com a recomposio da camada de xido prxima da raiz do arco que continuamente destruda pela emisso de eltrons para o arco (Pattee et al. 1968b). Mas no s o comportamento da raiz do arco afeta a estabilidade, a transferncia de metal de adio pode exercer uma influncia importante no comportamento do arco. Logo, A estabilidade do processo de soldagem GMAW pode ser avaliada por trs fatores: estabilidade do arco, regularidade da transferncia metlica e o comportamento operacional do processo de soldagem, os quais se relacionam de forma muito prxima e complicada (Ponomarev, 2010).

Como j citado no item 3.6, dentre os modos de transferncia metlica presentes no processo GMAW, nota-se que, de uma forma geral, em termos operacionais (sobretudo em relao aos nveis de respingos e fumos), para misturas de proteo a base de argnio, que a transferncia spray bastante estvel e a transferncia globular e por curto-circuito tende a ser mais instvel, tendendo a gerar o maior nvel de respingos. Sob este aspecto, portanto, a transferncia spray seria a preferencialmente usada.

As diferenas de estabilidade, associadas com os diferentes modos de transferncia, podem ser visualizadas nos oscilogramas de tenso e corrente tpicos de cada modo. Na transferncia globular ou spray, os sinais de tenso e corrente so relativamente constantes com uma pequena disperso em torno dos valores mdios. No modo de transferncia globular, em funo do maior tamanho das gotas, esta disperso geralmente maior que em spray. J no modo curto-circuito, as ocorrncias dos curtos causam variaes drsticas nos sinais de tenso de soldagem. Estas diferenas de comportamento entre cada modo podem fornecer uma base

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para controle em tempo real do modo de transferncia. Estudos com este mtodo indireto de anlise permitem avaliar a estabilidade operacional do processo e, consequentemente, auxiliar na determinao de condies timas de soldagem.

3. 11 - VARIVEIS DO PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW

Durante a soldagem existem muitas variveis que precisam ser controladas. As variveis de soldagem so fatores que podem ser ajustados para se controlar diversas caractersticas das soldas que se deseja produzir, como por exemplo: a penetrao, a largura, a altura e o aspecto visual do cordo soldado.

A seleo dessas variveis, para uma determinada aplicao, inclui a disponibilidade de equipamentos e materiais, consideraes metalrgicas e econmicas de modo a garantir um nvel operacional adequado qualidade exigida pelo cliente. Estas variveis no agem especificamente de forma independente e comumente h forte interao entre elas.

As principais variveis que afetam as caractersticas da solda na soldagem GMAW so: tenso do arco, corrente de soldagem, velocidade de soldagem, distncia entre o bico de contato e a pea de trabalho (DBCP) alm da polaridade da corrente (Lincoln, 1973). Algumas das principais variveis e seus efeitos esto descritos a seguir.

a) Efeito da tenso do arco A tenso do arco de soldagem, ou seja, a diferena de potencial estabelecida entre o eletrodo e a pea de trabalho durante a soldagem, est intimamente ligada ao comprimento do arco.

Mantendo as demais variveis constantes (corrente, velocidade de soldagem, DBCP, etc), um acrscimo na tenso do arco resulta em um aumento do comprimento do arco. No entanto, o mesmo comprimento do arco poder ser relacionado com diferentes tenses, dependendo da corrente, do gs de proteo e do DBCP.

Em termos de controle, apesar da importncia do comprimento do arco, utiliza-se a tenso do arco justamente pela maior facilidade de monitorao. Um aumento da tenso tende a ocasionar cordes mais planos e com maior largura na zona de fuso (ASM, 1993).

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b) Efeito da corrente de soldagem A velocidade de alimentao do arame ou taxa de fuso a varivel que controla a corrente de soldagem e vice-versa. Um acrscimo na velocidade de alimentao do arame, com todos os outros parmetros constantes, resulta em mais eletrodo para ser fundido na mesma unidade de tempo. Maior quantidade de corrente automaticamente fornecida pela fonte, implicando no aumento da taxa de deposio (kg/h). Maior quantidade de calor e de metal de solda so aplicados no metal de base por unidade de comprimento de solda, resultando em penetrao mais profunda e cordes de solda maiores (altura e largura) e vice-versa. A FIG. 3.16 ilustra o efeito da intensidade da corrente sobre a velocidade de fuso para um eletrodo slido.

FIGURA 3.16 - Velocidade de fuso para arame-eletrodo de 1,2 mm (adaptado de Cary, 1994)

c) Efeito da velocidade de soldagem Velocidade de soldagem a velocidade relativa entre a tocha e a superfcie de trabalho, e tem um efeito marcante na penetrao e aparncia do cordo de solda, pois medida que a velocidade de soldagem aumenta, o cordo se torna menor e a penetrao decresce, devido menor quantidade de calor fornecida ao metal de base por unidade de comprimento soldado. Por outro lado, velocidades de soldagem mais baixas, geralmente proporcionam cordes de solda mais largos, altos e com maior aporte trmico. O tempo maior de aquecimento do metal de base aumenta a penetrao e aumenta o depsito de solda por unidade de comprimento.

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d) Efeito da distncia bico de contato pea de trabalho (DBCP) A distncia entre o bico de contato e pea de trabalho (DBCP) determina o valor da resistncia eltrica e subsequentemente a quantidade de pr-aquecimento do eletrodo que fica livremente entre o bico de contato e o arco (stickout). O DBCP mostrado na FIG.3.17 e tem influncia na penetrao, estabilidade do arco, taxa de deposio e na qualidade da solda. Uma DBCP curto resultar em baixa resistncia do eletrodo, causando pouco pr-aquecimento do mesmo. A medida que a DBCP aumentada, mantendo-se a velocidade do arame e demais parmetros constantes, a quantidade de calor gerado por efeito Joule aumenta e a corrente de soldagem necessria para fundir o arame diminuda. Controlar a extenso da DBCP, portanto, muito importante. DBCP longas resultam em metal de solda com pouco calor, formatos irregulares e pouca penetrao. Alm disso, um aumento excessivo tornar tambm o arco instvel, com salpicos, levando a uma proteo insuficiente do arco.

FIGURA 3.17 Distncia Bico de Contato Pea DBCP (Modenesi,2009)

e) Efeito da polaridade do eletrodo A soldagem pelo processo GMAW convencional normalmente realizada com corrente contnua polaridade inversa (CC+), isto , o eletrodo conectado ao polo positivo e a pea ligada ao polo negativo. Segundo Souza, 2009, esta configurao permite maior penetrao, melhor estabilidade do arco e da transferncia metlica, menor quantidade de respingos alm de possibilitar diferentes modos de transferncias tais como: curto-circuito, globular, e vrias formas de transferncia goticular (Spray).

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A soldagem com o eletrodo ligado ao polo negativo (CC-) limitada geralmente transferncia globular e na posio plana, pois a gravidade tem um efeito marcante neste tipo de transferncia e por isto, tem pouca aplicao prtica porque o arco resultante instvel e os respingos produzidos so indesejveis (Talkington, 1998). Segundo este pesquisador e Costa, 2006, o maior problema inerente soldagem em CC- a fora catdica repulsiva que atua na extremidade fundida do eletrodo, j que os eltrons so emitidos por ele (FIG. 3.18).

Figura 3.18 Fora repulsiva que atua sobre a gota metlica em corrente contnua e polaridade negativa, (Talkington, 1998).

De acordo com Mulligan (2003), o processo de soldagem GMAW com corrente alternada (GMAW-VP) combina as vantagens da soldagem MIG convencional (eletrodo positivo) com o aumento na taxa de deposio e reduo do aporte trmico que ocorre quando o processo operado com o eletrodo no polo negativo (eletrodo negativo). A FIG.3.19 apresenta as caractersticas fundamentais do arco eltrico em ambas as polaridades

Figura 3.19 Caracterstica do arco eltrico em corrente contnua e polaridade positiva (CC+) e polaridade negativa (CC-)

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A soldagem com polaridade negativa ou combinao de polaridades usada com sucesso em processos de soldagem que utilizam fluxo, como o processo eletrodo revestido (SMAW), arame tubular (FCAW) e o arco submerso (SAW). Neste caso a adio de elementos ionizantes no revestimento ou no fluxo facilita a abertura e manuteno do arco eltrico em CC- ou CA.

Segundo Mulligan apud Nascimento (2006, pag 2) o processo de soldagem GMAW com corrente alternada (GMAW-VP Variable Polarity Gas Metal Arc Welding) combina as vantagens da soldagem MIG convencional (eletrodo positivo) com o aumento na taxa de deposio e reduo do aporte trmico que ocorre quando o processo operado com o eletrodo no polo negativo.

Para superar os problemas de reignio do arco na mudana de polaridade em CA (forma de onda senoidal), altos picos de tenso so aplicados para manter a ionizao na coluna de arco, o que facilita a reignio. Entretanto, esta elevao da tenso, gera uma preocupao com a segurana do soldador (Talkington, 1998).

Com os avanos da eletrnica os problemas de reignio do arco foram eliminados com a forma de onda retangular, que reduz o tempo que a corrente est no ou prxima do zero permitindo ao processo GMAW-CA uma transferncia metlica basicamente globular pulsada onde o tamanho da gota pode ser controlado, e tipicamente 1,5 a 3 vezes o dimetro do eletrodo, permitindo soldagem estvel em baixo aporte trmico. Em transferncia pulsada convencional, o tamanho da gota tipicamente 0,8 1,0 vezes o dimetro do eletrodo (Mulligan apud Nascimento, 2006).

f) Efeito da indutncia A indutncia uma importante caracterstica dinmica deste processo e permite regular a taxa de variao da corrente eltrica no decorrer da soldagem, pois possibilita o controle do efeito de constrio (efeito pinch) do eletrodo durante o aumento da corrente eltrica no instante do curto-circuito. A taxa de variao da corrente deve ser alta o suficiente para causar a transferncia da gota e baixa o bastante para minimizar os respingos e melhorar a estabilidade. (KANG, 2003; MIRANDA, 1998).

Acredita-se que o controle da indutncia pode minimizar ou maximizar as perturbaes geradas no arco, pois atua diretamente na cintica das foras que atuam na transferncia. A

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maioria das fontes de energia empregada no processo GMAW possue esta regulagem, sendo ela mais relevante com a transferncia por curto-circuito (Dobiginies, 2008). A FIG. 3.20 ilustra as alteraes da corrente com a indutncia.

FIGURA 3.20 - Mudana no aumento da corrente devido indutncia (AWS, 1991)

Alm disso, a adio de indutncia causa na soldagem, um acrscimo na transferncia de curto-circuito no tempo de abertura de arco e de curto-circuito, resultando em menos curtos-circuitos por segundo. Uma reduo na frequncia de curto-circuito (tempo de arco maior) gera mais calor na solda, o que pode alterar o rendimento e as caractersticas geomtricas da solda (AWS 1991).

Segundo Scotti, et al (2008), operacionalmente, o controle da indutncia otimiza muito mais do que apenas a reduo de respingos. Na verdade homogeiniza termicamente a poa de fuso com maior controle sobre a sua formao, facilitando assim a confeco do passe de raiz e a soldagem de chapas finas ou fora da posio plana.

3.12 - GEOMETRIA DO CORDO DE SOLDA

Muitos fatores podem influenciar na geometria do cordo de solda, dentre eles esto os parmetros de soldagem como: corrente, tenso, velocidade de soldagem, tipo e vazo do gs de proteo, o metal de adio, a espessura e o tipo de junta. A composio qumica da liga influencia as suas propriedades fsicas e qumicas e tambm interfere na interao entre arco e poa de fuso e, consequentemente, no formato do cordo. Segundo Campbell (1992), a

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presena de enxofre e oxignio promove a formao de escria que gera instabilidade no arco e maior agitao na poa de fuso. Outra teoria bem aceita se baseia na influncia do gradiente de tenses superficiais (causado pela temperatura e concentrao de solutos), no sentido do movimento do metal lquido na poa de fuso, fenmeno conhecido como efeito Marangoni (Witz et al, 2005). O formato da poa determina, em grande parte, o formato do cordo e a resistncia mecnica da solda.

Uma varivel importante e que influencia fortemente na solidificao da poa de fuso, por meio da geometria da mesma, a velocidade de soldagem. Para velocidades de soldagem mais baixas o formato da poa de fuso elptico ao passo que para velocidades maiores a poa de fuso passa a ter um formato de gota. Esta mudana no formato da poa de fuso modifica o resultado final da solidificao. A FIG. 3.21 mostra as poas de fuso elptica e em gota e o consequente resultado na estrutura de solidificao. Segundo Davies & Garland (1975) e Solomon (1992), uma poa de fuso em gota aumenta a possibilidade de formao de trinca a quente devido segregao de soluto no centro do cordo. Alm disso, os gros colunares so menores em uma poa de fuso elptica, assim o formato da poa em gota deve ser evitado sempre que possvel.

FIGURA 3.21 Formatos de poa de fuso (a) elptica e (b) em gota (Solomon, 1992).

3.13 - EFEITOS DAS VARIVEIS DE SOLDAGEM NA GEOMETRIA DO CORDO DE SOLDA

As FIGs 3.22, 3.23 e 3.24 mostram, de forma qualitativa, a influncia da corrente, tenso e velocidade de soldagem na penetrao, largura e altura do reforo (FIG. 3.25) do cordo de solda. Pode-se afirmar que a corrente tem uma influncia marcante na penetrao do cordo (maior corrente maior penetrao) e a tenso na sua largura (maior tenso cordo mais largo) (Modenesi, 2009). O efeito da corrente no reforo pode ser analisado considerando-se a sua forte influncia da velocidade de fuso do arame e, desta forma, na quantidade de material

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depositado. Como a tenso tem um efeito menor na velocidade de fuso do arame, mas aumenta significativamente largura do cordo, o reforo tende a ser reduzido com o aumento da tenso (isto , a rea depositada, Ad, tende a permanecer constante, mas como, a largura aumenta, o reforo fica menor quando a tenso de soldagem elevada).

A reduo da largura e penetrao do cordo com a velocidade de soldagem est associada com a diminuio da quantidade de energia fornecida por unidade de comprimento da junta, FIGs. 3.22 e 3.23. A influncia no reforo do cordo, ou melhor na rea depositada (Ad, FIG. 3.25 ), est associada com a reduo da quantidade de material de adio que fornecido solda com o aumento da velocidade de soldagem (v). Um balano de massa simples (Eq.3.2) mostra que:

Eq. 3.2

onde AW a rea da seo transversal do eletrodo, a eficincia de deposio e f a velocidade de alimentao. A FIG. 3.26 ilustra a seo transversal de cordes de solda SAW depositados sobre chapas de ao carbono, o efeito da corrente, tenso e velocidade de soldagem no formato do cordo.

FIGURA 3.22 - Relao entre a penetrao e as variveis primrias de soldagem (esquemtica) ABS 1990

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FIGURA 3.23 - Relao entre a largura e as variveis primrias de soldagem (esquemtica) ABS 1990

FIGURA 3.24 - Relao entre o reforo do cordo e as variveis primrias (esquemtica) ABS 1990

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FIGURA 3.25 - Caractersticas geomtricas de um cordo de solda: p penetrao r - reforo, l - largura, Ad - rea depositada, Af - rea fundida (Modenesi, 2009).

FIGURA 3.26 Representao da seo transversal de cordes de solda depositados por SAW em chapas de ao carbono mostrando a influncia da corrente, tenso e velocidade

de soldagem no formato do cordo (adaptado do AWS Welding Handbook Vol. 1)

3.14 DESCONTINUIDADES EM JUNTAS SOLDADAS

Designa-se como descontinuidade a qualquer interrupo da estrutura tpica de uma junta soldada. Neste sentido, pode-se considerar como descontinuidade a falta de homogeneidade nas caractersticas fsicas, mecnicas ou metalrgicas do metal de solda.

De acordo com Novais, 2010 as descontinuidades geralmente so geradas por desvio do processo, falha operacional, falhas dos equipamentos ou acessrios. Esses desvios podem

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surgir de forma isolada ou combinada, pois os processos de soldagem possuem caractersticas diferenciadas, com suas vantagens, aplicabilidade e limitaes inerentes a cada um deles.

As descontinuidades podem ser classificadas quanto origem e a forma. Com relao a sua origem, as descontinuidades podem ser:

Geomtricas So aquelas geradas na etapa de montagem e de soldagem. Os exemplos mais comuns so: a falta de fuso, a falta de penetrao, a mordedura, o desalinhamento, a superposio, e a deposio insuficiente.

Metalrgicas So aquelas originadas por fenmenos metalrgicos presentes na poa de fuso como o refino, a desoxidao, a desgaseificao e as transformaes de fases no estado slido, estas tanto na zona fundida (ZF) quanto na zona termicamente afetada (ZTA).

Com relao a sua forma, as descontinuidades podem ser classificadas em:

Planas So as que apresentam praticamente duas dimenses: o caso das trincas de solidificao e das trincas introduzidas por hidrognio, da falta de fuso e penetrao. Essas descontinuidades geram uma concentrao de tenso muito elevada nas suas extremidades e geralmente devem ser reparadas.

Volumtricas - So as que apresentam trs dimenses: poros, incluses de escria e incluses de tungstnio, no caso do processo TIG (GTAW). Elas acarretam concentrao de tenso bem menor que as descontinuidades planas e, por isso, so menos crticas que aquelas.

3.14.1 - Caracterizao das descontinuidades

As descontinuidades podem ser externas, isto , alcanam a superfcie visvel da solda, ou podem ser totalmente internas, no sendo, nesse caso detectveis por inspeo superficial da solda. Podem estar localizadas na Zona Fundida (ZF), na Zona Termicamente Afetada (ZTA), no metal de solda e no metal base. A FIG 3.27 apresenta as regies encontradas em uma junta soldada.

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FIGURA 3.27 Regies encontradas em uma junta soldada: (a) Zona fundida, (b) Zona de ligao, (c) Zona termicamente afetada, (d) Metal base e (e) Cobre junta

(NOVAIS, 2010).

De acordo com Novais, 2010, a correta escolha do processo de soldagem, bem como conhecer e diferenciar as possveis descontinuidades e a forma de minimiz-las uma importante ferramenta gerencial no controle de custos, na segurana da estrutura e do pessoal e garantia da qualidade do produto, independentemente do ramo de atividade que a empresa desenvolva na rea mecnica.

O foco principal desta pesquisa recai nas descontinuidades geradas com o processo a arco eltrico com proteo gasosa e alimentao contnua do eletrodo (GMAW). A possvel causa para estas descontinuidades e como minimiza-las estao descritas nos quadros 1, 2, 3 e 4 a seguir para facilitar a visualizao e poder servir de orientao para correo dos problemas.

As principais descontinuidades que podem estar presentes no passe de raiz de uma junta soldada so apresentadas a seguir e identificadas conforme nomenclatura da norma N-1738 da Petrobrs (2003).

a) Concavidade - Reentrncia na raiz da solda, podendo ser: (a) central, situada ao longo do centro da raiz; (b) lateral, situada nas laterais da raiz (FIG. 3.28).

(a) (b) FIGURA 3.28 Concavidade na raiz (a) central e (b) lateral (Petrobras, N 1738).

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b) Falta de fuso - Fuso incompleta entre a zona fundida e o metal de base ou entre passes da zona fundida, podendo estar localizada: na zona de ligao, entre os passes ou na raiz da solda FIG. 3.29.

FIGURA 3.29 - Desenho esquemtico (a) da Falta de fuso na lateral da raiz e (b) falta de fuso na zona de ligao da raiz (Petrobras, N 1738).

c) Falta de penetrao - Insuficincia de metal na raiz da solda FIG. 3.30.

FIGURA 3.30 - Falta de penetrao (Petrobras, N 1738).

d) Mordedura na raiz - Depresso sob a forma de entalhe, no metal de base localizada na margem da raiz da solda FIG. 3.31.

FIGURA 3.31 Mordedura na raiz (Petrobras, N 1738)

e) Penetrao excessiva - Metal da zona fundida em excesso na raiz da solda FIG. 3.32.

FIGURA 3.32 Desenho esquemtico de uma penetrao excessiva na raiz (Petrobras, N 1738)

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f) Porosidade - Conjunto de poros causado pela reteno de gases durante a solidificao FIG.3.33.

FIGURA 3.33 - Desenho esquemtico de porosidade na raiz (Petrobras, N 1738)

g) Trinca na raiz - Trinca que se inicia na raiz da solda, podendo estar localizada: a) na zona fundida e (b) na zona afetada termicamente FIG. 3.34.

FIGURA 3.34 Desenho esquemtico de trinca na raiz da solda (a) na zona fundida e (b) na zona termicamente afetada (Petrobras, N 1738)

QUADRO 1 - Falta de fuso e falta de penetrao: Causas e possveis solues (Novais, 2010)

Causas Possveis solues

Parmetros inadequados de soldagem

Aumentar a tenso e a velocidade de alimentao do arame-eletrodo.

Reduzir a velocidade de soldagem. Diminuir a distncia bico de contato pea. Reduzir o dimetro do arame. Reduzir quando possvel a dimenso de cada

cordo

Arco instvel

Mau contato eltrico entre a fonte de energia e o metal base ou a tocha.

Melhorar a limpeza do metal base. Polaridade incorreta do eletrodo. Bico de contato desgastado. Ajustar adequadamente a distncia entre o bocal

e o metal base.

Tocha descentralizada em relao ao chanfro no passe raiz.

Alinhar a tocha com o eixo da solda. Distribuir o calor uniformemente em ambas s

faces do chanfro.

Inclinao excessiva da tocha.

Manter a inclinao correta da tocha.

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QUADRO 1 Continuao Causas Possveis solues

Dificuldade de acesso raiz da junta. Alterar o projeto da junta. Alterar a sequncia de montagem ou soldagem. Usar se possvel, um bocal menor.

ngulo pequeno do chanfro Aumentar o afastamento da junta.

Face da raiz (nariz) muito grande. Reduzir o nariz. Aumentar ngulo do chanfro.

Desalinhamento dos metais base durante a montagem.

Reduzir o desalinhamento na montagem da junta.

Compensar o desalinhamento alterando o ngulo da tocha durante a soldagem.

A poa de fuso se adianta em relao ao arco e impede a correta fuso das bodas.

Reduzir a dimenso de cada cordo individual.

Velocidade de soldagem inadequada. Ajustar uma velocidade de soldagem adequada para a situao vigente. Taxa de deposio muito alta na posio vertical descendente.

Diminuir a velocidade de alimentao do arame na posio vertical descendente.

QUADRO 2 - Mordedura na raiz - Causas e possveis solues (Novais, 2010) Causas Possveis solues

Manipulao inadequada da tocha ou eletrodo:

Distribuir o calor do arco em ambas s faces do chanfro.

Tocha descentralizada no chanfro durante a execuo do passe de raiz. Centralizar a tocha corretamente no chanfro.

Inclinao excessiva da tocha para o lado. Corrigir a inclinao da tocha

Falta de acesso ao chanfro. Alterar o projeto da junta Alterar a sequncia de montagem, Usar um bocal menor.

Tenso / Corrente muito alta tipo de transferncia

Ajustar Tenso Corrente evitar a transferncia Globular.

Velocidade de soldagem muito alta Diminuir a velocidade de soldagem. Ajustar aporte de calor a velocidade de

soldagem

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QUADRO 3 - Penetrao excessiva - Causas e possveis solues (Novais, 2010) Causa Possveis solues

Excesso de corrente para a combinao eletrodo e gs de proteo.

Ajustar corretamente a intensidade da corrente e/ou alterar o dimetro do eletrodo.

Face da raiz e afastamento da junta inadequado para a combinao eletrodo e gs de proteo.

Alterar desenho da junta ou ajustar convenientemente os parmetros de soldagem durante a operao.

Comprimento livre do eletrodo (stickout) inadequado para o afastamento existente.

Compensar adequadamente o stickout durante a soldagem.

Velocidade de soldagem inadequada para os parmetros de soldagem ajustados.

Ajustar convenientemente a velocidade de soldagem e ngulo da tocha durante a soldagem.

QUADRO 4 - Porosidade causas e possveis solues (Novais, 2010) Causas Possveis solues

Pequena vazo do gs de proteo. Aumentar a vazo do gs de proteo. Obstruo da sada do gs devido a quantidade de respingo no bocal. Limpar o bocal regularmente. Turbulncia devido a vazo excessiva do gs de proteo. Reduzir a vazo do gs de proteo.

Vento no local de soldagem. Proteger adequadamente a regio de soldagem. Arame-eletrodo oxidado ou sujo. Usar apenas arame-eletrodo limpo e seco. Elevada velocidade de soldagem provocando proteo insuficiente. Reduzir a velocidade de soldagem.

Tocha muito afastada do metal base. Aproximar a tocha do metal base e, ao final do

cordo, mant-la sobre a poa de fuso at que solidifique.

ngulo de deslocamento da tocha excessivo Diminuir convenientemente o ngulo.

Metal base contaminado (oxidao, graxa, leo ou tinta). Aprimorar a limpeza do metal base. Ajuste tenso e corrente inadequados (tenso elevada / corrente baixa).

Ajustar convenientemente a tenso e a corrente de soldagem.

Contaminao do gs de proteo. Verificar periodicamente a vedao do sistema

de gs de proteo e a qualidade do gs empregado.

Classe do arame-eletrodo inadequada para o tipo de gs de proteo empregado.

Utilizar arame-eletrodo adequado ao tipo de gs empregado na soldagem.

Metal base com teor de S > 0,05% ou com alta quantidade de incluses

Utilizar metal base com teor de S < 0,05% e com pouca quantidade de incluses.

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importante ressaltar que a existncia de descontinuidades em uma junta no significa necessariamente que a mesma seja defeituosa. Esta condio depende da aplicao a que se destina o componente e em geral caracterizado pela comparao das descontinuidades observadas ou propriedade medida com nveis estabelecidos em um cdigo, projeto ou contrato pertinente. Assim, so considerados defeitos em uma junta soldada aquela que apresenta descontinuidades ou propriedades que no atendam ao exigido pelas normas vigentes. Juntas defeituosas, em geral, precisam ser reparadas ou mesmo substitudas (Modenesi 2001).

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4 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL

O trabalho experimental, conforme fluxograma mostrado abaixo e desenvolvido nesta pesquisa, foi dividido em seis etapas. A primeira etapa refere-se caracterizao do metal de base. A segunda etapa refere-se preparao dos chanfros dos corpos-de-prova. A terceira etapa refere - se a soldagem dos corpos-de-prova a quarta etapa refere-se preparao dos corpos de prova para e realizao da anlise metalogrfica e a quinta refere-se ao ensaio de microdureza e ltima etapa refere - se a anlise dos dados.

Os corpos-de-prova foram separados em 3 grupos sendo que o primeiro grupo foi para alterar a corrente de soldagem, no segundo grupo foi a alterao do DBCP (distncia bico de contato pea) e no terceiro grupo foi feita a alterao do ngulo do chanfro. Para o primeiro grupo foram utilizados 7 nveis de corrente, para cada nvel de corrente foram feitas 5 rplicas. Para o segundo grupo foram feitos 4 DBCPs diferentes e para cada DBCP foram feitos 3 rplicas. Para o terceiro e ltimo grupo foram considerados 5 ngulos diferentes e para cada ngulo foram feitas 3 rplicas.

Fluxograma experimental da pesquisa

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4.1 CARACTERIZAO DO MATERIAL

O metal de base utilizado neste trabalho foi o ao ABNT 1020 laminado a quente. Este um ao de baixo teor de carbono que possui boa resistncia mecnica, boa ductilidade e apresenta boa soldabilidade, ou seja, na execuo da solda, a fuso do material no causa transformao considervel de sua estrutura cristalina, motivo pelo qual muito utilizado na indstria mecnica. A composio qumica especificada para o ao ABNT 1020 est apresentada na TAB. 4.1 (NBR 6006).

Tabela 4.1 Composio qumica prevista para ao ABNT 1020 Elemento Carbono (C) Mangans (Mn) Silcio (Si) Fsforo (P) Enxofre(S)

% min 0,18 0,30 0,30 - - % max 0,23 0,60 0,60 0,030 0,050

Fonte: NBR 6006

4.2 - PREPARAO DOS CORPOS DE PROVA (Cp)

- Corte da barra Os corpos de prova para soldagem foram retirados das barras de ao empregando-se o processo oxi-corte mecanizado com o auxlio de um gabarito apoiado no metal de base de modo a garantir o ngulo 60 graus com a caneta de corte (FIG.4.1).

FIGURA 4.1 Gabarito no metal base para a realizao do corte.

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Posteriormente ao corte, s faces dos biseis foram esmerilhadas com a utilizao de uma esmerilhadeira manual. Durante esta etapa os ngulos dos biseis foram sendo ajustados e verificados com o auxlio de um transferidor simples de resoluo de um grau. FIG.4.2.

FIGURA 4.2 Preparao do bisel com ngulo de 30 graus em relao a perpendicular

- Montagem dos corpos de prova para soldagem Para a montagem dos corpos de prova de soldagem foram utilizadas duas chapas com o bisel de 30 graus cada uma, chapas estas preparadas conforme descrito no item anterior. Estas duas chapas foram ponteadas nas extremidades com o processo de eletrodo revestido, mantendo-se um afastamento de 0,9 mm, conforme mostra a FIG. 4.3. Este ponteamento foi feito com o objetivo de iniciar e terminar a solda fora da chapa de teste, mantendo assim constante a abertura da raiz durante a soldagem e manuseio. O afastamento de 0,9 mm foi definido na fase dos testes preliminares por ser o que apresentou os melhores resultados de penetrao.

Os corpos de prova para a soldagem final ficaram com as dimenses de 12,7 x 80 x 100 mm.

Com o objetivo de melhorar o contato eltrico com o cabo de retorno e garantir o no rompimento do ponteamento durante a soldagem, foi soldado em ambas as extremidades um apndice com material similar ao metal de base a ser soldado.

De um lado da pea foi colocado um perfil com dimenses de 6,4 x 30 x 140 mm e do outro lado da pea foi colocado um ao trefilado com dimetro de 4 mm x 20 mm (FIG.4.4).

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FIGURA 4.3 Montagem dos corpos de prova

FIGURA 4.4 Montagem do apndice no corpo de prova

Antes de fazer a soldagem, a carepa foi removida da superfcie dos corpos de prova com auxlio de uma esmerilhadeira manual. Antes do incio da operao de soldagem, o corpo de prova foi limpo com uma escova de ao para a remoo de eventuais contaminantes existentes.

4.3 - DEFINIO DOS PARMETROS DE SOLDAGEM

Em funo da no disponibilidade de equipamentos especficos para a determinao precisa do modo de transferncia metlica em curto-circuito, uma srie de testes preliminares foram efetuados com a utilizao dos parmetros de soldagem da literatura, principalmente os

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parmetros do trabalho de Scotti (2009), com o intuito de se determinar as condies de soldagem deste trabalho tais como: corrente, tenso, velocidade de soldagem, velocidade de alimentao do arame, DBCP (distncia bico de contato pea). Esses parmetros deveriam atender aos requisitos de aspectos do cordo, de penetrao e de largura do mesmo.

Aps a definio dos parmetros de soldagem para este trabalho, os mesmos foram verificados atravs de um programa especfico desenvolvido por SANTANA, 2010 (Modelamento Matemtico do Processo de Soldagem GMAW) para validar o modo de transferncia metlica por curto-circuito (anexo I).

Todos os parmetros operacionais utilizados nas soldagens deste trabalho esto detalhados na TAB.4.2.

4.4 SOLDAGEM DOS CORPOS DE PROVA

A FIG. 4.5 mostra a montagem experimental utilizada para a realizao dos testes de soldagem. Com a utilizao desta montagem foi possvel manter constante a velocidade de soldagem e a distncia entre bico de contato e a pea de trabalho (DBCP) de acordo com cada grupo de soldagem. As soldas foram realizadas utilizando o processo de soldagem GMAW com a fonte de energia VI 475 da White Martins operando no modo tenso constante e alimentador de arame SWM-23.

FIGURA 4.5 Montagem experimental utilizada para a realizao dos testes de soldagem

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TABELA 4.2: Parmetros operacionais de soldagem

PARMETROS DE SOLDAGEM CONSTANTES PARA TODOS OS TESTES Metal de base ABNT 1020 Modo de operao Tenso Constante Velocidade de soldagem 240 mm/min Gs de proteo Ar + 25%CO2 Tenso em Vazio (mdia) 21 V Tenso de Soldagem 16 V Vazo do gs 15 l/min Tipo de arame ER 70S6 Dimetro do arame 1,2 mm Afastamento 0,9 mm

PARMETROS DE SOLDAGEM NOS TESTES VARIANDO A INTENSIDADE DE CORRENTE

190 A (3,50 m/min)

DBCP = 16 mm

180 A (3,40 m/min) 170 A (3,36 m/min) 160 A (3,27 m/min) 150 A (2,99 m/min) 140 A (2,69 m/min) 120 A (2,32 m/min)

PARMETROS DE SOLDAGEM NOS TESTE VARIANDO O NGULO DO CHANFRO

60

Corrente = 140 A DBCP = 16 mm

58 56 54 52

PARMETROS DE SOLDAGEM NOS TESTES VARIANDO O DBCP 14 mm

Corrente = 140 A

16 mm 18 mm 20 mm

4.5 - PREPARAO DOS CORPOS DE PROVA PARA ANLISE METALOGRFICA

Aps a soldagem dos corpos de prova, os cortes das amostras para a anlise metalogrfica foram realizados atravs do procedimento usual, isto , as mesmas foram cortadas com serra

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de fita refrigerada conforme mostra a FIG. 4.6. Nesta etapa foram efetuados quatro cortes, dois no sentido longidudinal e dois no sentido transversal ao passe de raiz.

O resultado dessas operaes gerou os corpos de prova com dimenses mdias de 40 x 22 x 13 mm conforme mostra a FIG 4.7

Posteriormente estes corpos de prova foram lixados com lixas de diferentes granulometrias (#150, #240, #320, #400, #600). O ataque qumico na superfcie do cordo de solda foi conduzido por imerso no reativo Nital 5%. Os principais equipamentos empregados nos procedimentos descritos anteriormente foram: serra fita e lixadeiras Struers.

FIGURA 4.6 Corte longitudinal ao passe de raiz efetivado na serra de fita refrigerada

FIGURA 4.7 Exemplo de corpo de prova gerado aps todos os cortes na serra de fita

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4.6 - ANLISE MACROGRFICA DOS CORDES DO PASSE DE RAIZ

Aps todas as amostras serem escaneadas as imagens geradas foram transferidas ao programa de computador CAD 2010 para as medies das dimenses lineares (altura e largura) dos cordes alm da rea total depositada. A FIG.4.8 mostra esquematicamente os parmetros medidos nas amostras com a utilizao do CAD.

H = Altura (mm) W = Largura (mm) Atotal = rea Total (mm2)

FIGURA 4.8 Representao esquemtica dos parmetros geomtricos considerados para a anlise dos cordes de solda

4.7 - ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS

A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prtico que o ensaio Vickers, s que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores to pequenos como 10g. A dureza Vickers se baseia na resistncia que o material oferece penetrao de uma pirmide de diamante de base quadrada e ngulo entre faces de 136, sob uma determinada carga. O valor de dureza Vickers (HV) o quociente da carga aplicada (F) pela rea de impresso (A) deixada no corpo ensaiado. Essa relao, expressa em linguagem matemtica HV = F/A. A dureza Vickers representada pelo valor de dureza, seguido do smbolo HV e de um nmero que indica o valor da carga aplicada. O tempo normal de aplicao da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a durao da aplicao da carga diferente, indica-se o tempo de aplicao aps a carga. Por exemplo, na representao: 440 HV 30/20, o primeiro nmero indica o valor da dureza, o segundo nmero indica a carga empregada e o ltimo nmero indica que a carga foi aplicada por 20 segundos (ASTM E92-82).

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Neste trabalho a avaliao da microdureza foi realizada em um corpo de prova para cada condio de soldagem (de 120 190 A) feita atravs do mtodo Vickers utilizando o aparelho Micro Hardness Tester HMV-2 da marca Shimadzu (FIG. 4.9) com carga de 200 g conforme recomenda a norma ASTM E92-82, aplicado na seo transversal da solda em 9 pontos (FIG 4.10a) desde o metal de base at o centro da solda com distncia entre medidas de 2,5 mm.

Com estas medidas foi possvel obter um perfil de dureza ao longo desta seo transversal. importante informar que para cada condio de soldagem foram conduzidos no mnimo trs testes conforme mostra a FIG 4.10b.

FIGURA 4.9 Aparelho utilizado para medio da microdureza

FIGURA 4.10 (a) Sequncia dos pontos no cp(3)f1_140A para o teste de microdureza Vickers. (b) indentao gerada no referido corpo de prova

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5 - RESULTADOS E DISCUSSES

Neste captulo sero apresentados os resultados, anlises e concluses dos testes de soldagem realizados neste trabalho.

5.1 RESULTADO DA COMPOSIO QUMICA DO METAL DE BASE

A anlise da composio qumica do material utilizado para a realizao dos testes deste trabalho mostrou que ele est de acordo com referncia tcnica (TAB. 4.1). Os valores reais apresentados na TAB 5.1 so valores aceitveis considerando os desvios-padro por estarem prximos ao valor estabelecido na norma.

Tabela 5.1 Composio qumica real ao ABNT 1020 utilizado neste trabalho Elemento Carbono (C) Mangans(Mn) Silcio(Si) Fsforo (P) Enxofre(S)

% real 0,15 0,60 0,16 0,012 0,042

5.2 RESULTADOS DOS TESTES DE SOLDAGEM

5.2.1 - Aspecto do cordo

Aps a soldagem, todos os corpos de prova foram avaliados visualmente quanto existncia de descontinuidades no passe de raiz segundo a norma N-1738 da Petrobrs. As descontinuidades foram identificadas e quantificadas dimensionalmente, conforme o grupo a que pertencem (variao da intensidade da corrente, variao da DBCP e variao do ngulo do chanfro).

Foram identificadas aps a inspeo visual as seguintes descontinuidades: falta de penetrao, falta de fuso e penetrao excessiva. Para simplificao do levantamento estatstico das descontinuidades encontradas nos corpos de prova, objeto do presente estudo, a falta de fuso foi computada como falta de penetrao em uma das extremidades do passe de raiz. A penetrao excessiva foi considerada uma penetrao completa. Os dados obtidos esto apresentados na TAB. 5.2

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TABELA 5.2 Falta de penetrao por grupo de estudo.

Grupo Corrente (Amperes) Falta de penetrao em 500 mm

de comprimento %

Variao da intensidade da

corrente (16 V)

190 35 mm 7 180 285 mm 57 170 208 mm 42 160 120 mm 24 150 39 mm 8 140 40 mm 8 120 183 mm 37

Variao da DBCP

(140 A e 16 V)

DBCP (mm)

Falta de penetrao em 300 mm de comprimento %

14 00 mm 0 16 40 mm 13 18 140 mm 47 20 29 mm 10

Variao do ngulo do chanfro

(140 A e 16 V)

ngulo (graus)

Falta de penetrao em 300 mm de comprimento %

60 25 mm 8 58 240 mm 80 56 175 mm 58 54 275 mm 92 52 262 mm 87

As FIGs. 5.1 5.7 mostram os aspectos dos cordes e do passe de raiz para cada uma das condies de soldagem apresentadas na TAB 4.2.

FIGURA 5.1 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 120 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

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FIGURA 5.2 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 140 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

FIGURA 5.3 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 150 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

FIGURA 5.4 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 160 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

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FIGURA 5.5 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 170 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

FIGURA 5.6 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 180 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

FIGURA 5.7 Aparncia do cordo de solda para a condio de soldagem: 190 A, 16V, DBCP de 16 mm, ngulo de soldagem 60o

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Aps a anlise visual dos cordes das FIGs. 5.1 5.7 as mesmas foram cortadas e preparadas conforme mostrado na FIG. 5.8 para que fosse feito as anlises metalogrficas do perfil do cordo de passe de raiz.

120 A 140 A

150 A 160 A

170 A 180 A

190 A FIGURA 5.8 Aparncia do perfil de solda para cada corrente de soldagem com tenso

de 16V, DBCP de 16 mm e ngulo de soldagem 60o

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Em funo dos resultados metalogrficos de todos os testes apresentados neste trabalho ficou definido que os testes feitos com os parmetros de soldagem (corrente de 140 A, ngulo de 60 graus, DBCP de 16 mm e velocidade de soldagem de 240 mm/min) apresentaram os cordes de melhor aparncia. O que confirma a anlise estatstica apresentada na TAB.5.2.

A partir deste resultado foram feitos novos testes com a corrente de 140 A, porm alterando o ngulo de soldagem e a