TECNOLOGIA DA SOLDADURA FRANCISCO J. G. SILVA

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1 9 FRANCISCO J. G. SILVA TECNOLOGIA DA SOLDADURA Figura 9 - Representação esquemática e nomenclatura referente a alguns dos tipos mais comuns de junta de soldadura. Atendendo à preparação que pode ser realizada, e que será tratada mais adiante, poderemos ainda ter diferentes tipos de junta, conforme o indicado na Figura 10.

2 TECNOLOGIA DA SOLDADURA 10 FRANCISCO J. G. SILVA Figura 10 - Nomenclatura usada nas juntas mais correntes (Adaptado de A nomenclatura presente nas Figura 9 e Figura 10 pode ainda ser complementada pela apresentada na Figura 11, onde é possível observar a aplicação das mesmas em termos mais práticos. Figura 11 - Representação esquemática e respetiva nomenclatura de algumas juntas em soldadura. A execução das juntas de soldadura também está subordinada a uma nomenclatura própria. A necessidade de efetuar cordões de soldadura em peças por vezes grandes, onde não é a peça que se move para ficar numa posição mais ergonómica ao soldador, mas sim o soldador que tem que se moldar às necessidades da peça, faz com que, por vezes, a soldadura se torne bastante mais complicada para o soldador, não só pela posição pouco ergonómica, mas também pelo facto do material fundido ceder à gravidade, e ter tendência a sair da junta, quando é necessário soldar em posições mais complicadas. Assim, soldar ao baixo é a posição mais cómoda e mais fácil para o soldador, pois a ação da gravidade não interfere de forma significativa na soldadura, sendo menos um item a controlar no processo. Já quando se solda na horizontal, pode até ser cómodo para o soldador, mas o material tem tendência a escorrer para fora da junta, por ação da gravidade, obrigando a aumentar a viscosidade do banho de fusão, para que o mesmo fique sob controlo na junta. A posição vertical poderá ser entendida de duas formas: ascendente ou descendente. Dependendo de muitos fatores, tais como o material de base, material de adição, processo e parâmetros usados, é normalmente mais fácil soldar no sentido

3 ascendente do que descendente. Tal como na posição vertical, o material tem igualmente tendência a escorrer, principal fator que contribui para a dificuldade imposta pelo processo. FRANCISCO J. G. SILVA 11 TECNOLOGIA DA SOLDADURA Figura 12 - Representação esquemática das principais posições de soldadura. A posição ao teto é, sem dúvida, aquela que apresenta maiores dificuldades de execução, exatamente pelos mesmos motivos que foram referidos anteriormente. A dificuldade é tão acentuada que existe uma certificação própria para soldadores capazes de efetuar soldaduras nesta posição, a qual é complementar a outra certificação válida para todas as outras posições. Convém aqui referir que esta posição, não sendo extremamente comum, poderá ter que ser utilizada em inúmeras situações, tais como: construção de navios, estruturas de edifícios, estruturas metálicas de grande porte para movimentação

4 de cargas em portos de mar, gruas de grandes dimensões, entre muitas outras. Na Figura 13 é mostrado um exemplo do trabalho nesta posição. TECNOLOGIA DA SOLDADURA 12 FRANCISCO J. G. SILVA Figura 13 - Exemplo das condições de operação na realização de uma junta na posição ao teto. Existem ainda outros conceitos que deverão ficar desde já explicados, com vista a uma melhor relação com o tema. Ainda relativamente ao próprio cordão, e no que se refere à sua geometria após execução, tanto em juntas topo-a-topo como em juntas de canto, existe terminologia própria para nos referirmos a cada zona do cordão. Este, logo à partida, poderá ser liso, côncavo ou convexo (o mais comum). Depois, deverá ainda ser caracterizado em termos de altura, largura e penetração. Neste sentido, deverá ser observada a Figura 14 onde poderá ser observada a relação existente entre a geometria do cordão e os termos normalmente utilizados para a definição de cada um dos seus parâmetros geométricos. Figura 14 - Nomenclatura relacionada com a geometria dos cordões de soldadura (Fonte: Modenesi).

5 Figura 32 - Exemplo da representação de uma junta soldada de ambos os lados, com representação da preparação e da profundidade de penetração, segundo a norma AWS a2.4. TECNOLOGIA DA SOLDADURA 24 FRANCISCO J. G. SILVA Observando a figura anterior, poderemos constatar que a junta deverá ser preparada em X, também designado por Duplo V, sendo simétrica de um lado e do outro do material de base. Possui ângulos de abertura dos chanfros de 60 o, os quais apresentam uma profundidade de preparação de 1/4 de polegada. Já a penetração de cada cordão é de 3/8 de polegada, para uma espessura total do material de base de 5/8 de polegada. Neste caso, trata-se de um cordão relativamente simples e comum. Vejamos seguidamente outro exemplo simples e relativamente frequente. Figura 33 - Representação da simbologia correspondente a uma soldadura em fillet, comparando as normas ISO 2553 e AWS a2.4 (Gregory and Armstrong, 2005). Na figura anterior poderá ver-se que, estando o cordão do lado para onde aponta a seta, a representação do fillet faz-se pela parte superior da linha no caso da norma ISO 2553 mas, pelo contrário, se faz pelo lado inferior no caso da norma AWS a2.4.

6 Figura 34 - Representação esquemática de um cordão interrompido e respetiva simbologia segundo as normas ISO 2553 e AWS a2.4 (Adaptado de Gregory and Armstrong, 2005). No caso dos cordões interrompidos, como o apresentado na figura anterior, a representação esquemática difere de forma significativa entre as normas consideradas. Logo à partida, no caso da norma ISO, a espessura do fillet pode ser expressa de duas formas: altura do fillet (medida na vertical entre o vértice e a base do triângulo), representada pela cota antecedida de um a, ou a medida dos catetos, com a cota antecedida por um z. Segundo a norma AWS, a espessura do fillet é sempre expressa como a altura do cateto, e expressa em polegadas. Depois, existem ainda diferenças na representação do comprimento e periodicidade dos cordões: enquanto na norma ISO se indica o número de cordões multiplicado pelo comprimento de cada um, remetendo-se o intervalo entre cordões para um número indicado entre parêntesis, na norma AWS, simplesmente se indica o comprimento de cada cordão e o passo entre cordões, não existindo qualquer referência ao número de cordões que é necessário produzir. Neste caso, quando necessário, é indicado o local de início da soldadura, ficando todo o resto definido por esta via. Atente-se agora ao que se passa no caso de existirem cordões nas duas faces de uma dada junta, e os mesmos estarem desfasados. FRANCISCO J. G. SILVA TECNOLOGIA DA SOLDADURA 25 Figura 35 - Representação da simbologia correspondente a uma junta de dupla face com cordões interrompidos e distribuídos assimetricamente (Gregory and Armstrong, 2005). Na figura anterior poderá verificar-se que a representação difere bastante entre normas. No caso da norma ISO, a assimetria dos cordões é representada por um Z que atravessa a linha da seta, enquanto na norma AWS a simbologia dos fillet é desfasada, bastando esta indicação para se fazer entender que os cordões deverão ser produzidos de forma assimétrica. A representação da espessura faz-se da forma já anteriormente descrita, assim como a indicação do número de cordões e respectivo comprimento. Já a distância entre cordões fica normalmente separada do comprimento, sendo relegada para depois do símbolo que indica o desfasamento. Na norma AWS, mantém-se tudo como foi já anteriormente descrito: comprimento de cada cordão e passo, entendendo-se por passo a distância compreendida entre dois pontos homólogos (início/início, centro/centro ou fim/fim) de dois cordões consecutivos. No intuito de melhorar o desempenho do leitor, é fortemente recomendada a consulta dos muitos exemplos expressos em ambas as normas, assim como a realização de exercícios.

7 TECNOLOGIA DA SOLDADURA 70 FRANCISCO J. G. SILVA Figura 70 - Diagrama esquemático da ponta de uma tocha MIG-MAG, com a indicação das distâncias a ter em consideração neste processo. Um dos parâmetros importantes neste processo é exatamente a extensão livre do elétrodo, pois interfere na resistência que o fio irá oferecer à passagem da corrente elétrica. Quanto maior for esta extensão, maior será a resistência o que, atendendo à Lei de Joule, irá permitir utilizar uma intensidade de corrente mais baixa para a mesma taxa de deposição, ou melhorar a taxa de deposição para uma mesma intensidade de corrente. Isso mesmo poderá ser observado na figura que se segue. A extensão livre do elétrodo poderá ser definida como a distância entre o último ponto de contacto elétrico na tocha e a extremidade do fio de material de adição. Esta distância poderá ainda ser decomposta em duas outras distâncias: o setback, distância livre do elétrodo que fica no interior do bocal da tocha, e o stick-out, distância livre no exterior do bocal da tocha. Outra distância importante, embora não tanto quanto a extensão livre do elétrodo, é a distância de trabalho, a qual se refere à distância entre a extremidade do tubo de contacto elétrico e a superfície do material de base a soldar. Figura 71 - Influência mútua dos parâmetros reguláveis no processo MIG-MAG.

8 Na figura seguinte poderá ser observada uma tocha completa para soldadura MIG-MAG. A extremidade oposta ao bocal irá ser conetada à fonte de alimentação, através de um euroconetor, padronizado, e que permite que uma tocha de qualquer marca possa ser ligada a qualquer aparelho de marca igual ou diferente. FRANCISCO J. G. SILVA 71 TECNOLOGIA DA SOLDADURA Figura 72 - Diagrama esquemático de uma tocha completa para soldadura MIG-MAG. Dependendo da intensidade de corrente para a qual se destinam, as tochas poderão ser refrigeradas a ar, quando a sua utilização está referenciada para intensidades que não ultrapassam os 400 Ampere, ou refrigeradas a água quando se destinam a intensidades superiores a 400 Ampere. As tochas refrigeradas a água possibilitam uma maior dissipação do calor gerado na tocha, mas são de manipulação bem mais difícil para o soldador, devido ao seu peso superior e à presença dos tubos de água fria e quente no conjunto de tubos que liga a tocha à máquina de soldadura. Este aspeto tem sido cuidado pelos fabricantes, existindo atualmente tochas bastante leves e ergonómicas, mesmo quando refrigeradas a água. Figura 73 - Tochas para soldadura MIG-MAG refrigeradas a ar. Figura 74 - Tochas para soldadura MIG- MAG refrigeradas a água.

9 Incremento da produtividade resultante da utilização de um fio contínuo (ausência de paragens para substituição do elétrodo); Utilização de maiores densidades de energia, as quais vão beneficiar a taxa de deposição e a penetração, reduzindo as possibilidades de ocorrência de defeitos de fusão; Possibilidade de correção da composição química do banho, pela adição de elementos de liga no fluxo contido no interior do fio/elétrodo. As figuras seguintes mostram, de forma esquemática, o princípio do processo, considerando a necessidade de proteção gasosa adicional e o fio autoprotegido. TECNOLOGIA DA SOLDADURA 100 FRANCISCO J. G. SILVA Figura Representação esquemática da soldadura por arco elétrico com fio fluxado e proteção gasosa adicional (ESAB). Figura Representação esquemática da soldadura por arco elétrico com fio fluxado autoprotegido, sem proteção gasosa adicional (ESAB).

10 Equipamento próprio do sistema de soldadura com fios fluxados De uma forma geral, o equipamento é idêntico ao utilizado pelos sistemas MIG-MAG, sendo o fio maciço substituído pelo fio fluxado. O fluxo gasoso adicional só é utilizado quando o fio não é autoprotegido. 101 TECNOLOGIA DA SOLDADURA Figura Layout característico de uma instalação para soldadura com fio fluxado. Nos locais onde já é utilizado correntemente arame sólido, a migração para arame tubular pode envolver apenas a troca de alguns acessórios, como roldanas e alguns materiais de desgaste rápido da tocha. No entanto, é conveniente usar sistemas de arrefecimento a água da tocha, pois a quantidade de calor transmitida pela mesma é maior, e a dissipação nem sempre é a mais eficaz, pelo que o arrefecimento natural a ar não é normalmente a melhor solução. FRANCISCO J. G. SILVA Parâmetros do processo No essencial, a soldadura com fios fluxados assenta no mesmo conjunto de parâmetros que rege a soldadura MIG-MAG. São, no entanto, indicadas algumas relações que, sendo idênticas às do processo MIG-MAG, deverão mais uma vez ser recordadas: O incremento da intensidade de corrente provoca um aumento da taxa de fusão, do tamanho do banho de fusão e da penetração; Intensidades de corrente exageradas poderão provocar cordões de soldadura convexos e com mau aspeto; Intensidade de corrente demasiado baixa poderá provocar uma transferência de gotas de grande volume, originando assim a possibilidade de surgirem um grande número de projeções (salpicos); Também um excesso da tensão de alimentação poderá provocar o mesmo efeito (salpicos e forma irregular do cordão), para além de poder estar na origem do aparecimento de porosidades; Tensões de alimentação demasiado baixas poderão também provocar falhas de penetração; Quando são utilizados fios fluxados autoprotegidos, a utilização de gamas de intensidade de corrente demasiado baixas poderá provocar o aparecimento de porosidades e excesso de nitretos no cordão depositado;

11 Modo de operação O processo de soldadura por plasma pode ser operado de forma manual ou usando sistemas mecanizados, quer através de automatização, quer de robotização. No entanto, no caso concreto da soldadura por plasma, existe ainda uma técnica de soldadura muito própria, designada por keyhole, que, dadas as suas especificidades, será tratada num subcapítulo destinado exclusivamente a este tema. TECNOLOGIA DA SOLDADURA 144 FRANCISCO J. G. SILVA Figura Operação de soldadura por plasma efetuada manualmente (FRONIUS) Técnica Keyhole Figura Operação de soldadura por plasma efetuada através de sistemas mecanizados (FRONIUS). Na soldadura por plasma, para certas espessuras de material de base, é possível encontrar uma combinação adequada de parâmetros, que passam pelo fluxo de gás de plasma, intensidade de corrente e velocidade de soldadura, pelos quais é possível obter um banho de fusão relativamente pequeno com penetração completa, através de toda a espessura do material de base. A técnica keyhole é realizada principalmente na posição ao baixo, em chapas com espessuras compreendidas entre 1.6 e 9.5 mm. Todavia, selecionando o conjunto de parâmetros mais adequado, esta técnica poderá ser usada em qualquer posição. Nesta técnica operatória, o plasma cria um furo na zona central onde se vai formar posteriormente o cordão e origina um turbilhão em redor desse furo através do fluxo de plasma, o qual vai fazer subir o metal fundido até à superfície do cordão em formação. Este processo vai ocorrendo à medida que a tocha se vai deslocando, fazendo passar da frente para trás o metal fundido e aglomerando-o na retaguarda sob a ação do turbilhão causado pelo plasma, conforme se poderá ver na figura esquemática seguinte. Na retaguarda, o metal aglomerado vai solidificando, à medida que vai perdendo calor, já sob a forma do cordão final. Uma das grandes vantagens deste processo é que efetua a soldadura em espessuras já significativas numa única passagem. Outra vantagem apresentada pelo processo é que, através do furo criado no metal de base, auxilia o escape de impurezas e gases que acabam por vir ter à superfície, permitindo que sejam expelidos antes da solidificação, minimizando assim alguns defeitos característicos dos processos de soldadura. A largura, tanto da superfície superior do cordão como da raiz, está largamente dependente da relação entre as forças resultantes das tensões superficiais do metal fundido, da corrente de plasma e da velocidade dos gases ionizados na saída do orifício do bocal.

12 Figura 151 Diagrama esquemático da técnica operatória Keyhole na soldadura por plasma (AWS Welding Processes, Vol. 2, ISF Aachen). Com base no anteriormente exposto, fácil será depreender que esta técnica atua no limiar das condições usadas para o corte por plasma. Desta forma, poderemos também facilmente perceber que é crítico o controlo de determinadas variáveis do processo, tais como o diâmetro do orifício do bocal e o fluxo de gás, que não deverá ultrapassar os 0.12 L/min. FRANCISCO J. G. SILVA TECNOLOGIA DA SOLDADURA 145 Figura Representação esquemática dos três modos de operação no processo de soldadura por plasma ( A gama de operação, em termos de espessura dos materiais mais comuns na soldadura por plasma, poderá ser observada na figura seguinte.

13 TECNOLOGIA DA SOLDADURA 166 FRANCISCO J. G. SILVA Figura Representação esquemática da forma como a soldadura por resistência/roletes é realizada. Na soldadura por projeção, por sua vez, as peças necessitam ser previamente deformadas por conformação plástica, para estabelecerem de forma muito objetiva quais serão os pontos de contacto com a outra peça, melhorando de forma significativa a estética da soldadura, que se resumirá a uma depressão perfeitamente delimitada na superfície, ao contrário da marca bastante significativa deixada pela extremidade dos elétrodos utilizados na soldadura por pontos. Figura Forma como a depressão é gerada para a soldadura por resistência/projeção (Fonte: RUUKKI).

14 Figura Forma como o fluxo de corrente atravessa uma junta de soldadura por resistência/projeção. FRANCISCO J. G. SILVA 167 TECNOLOGIA DA SOLDADURA Figura Princípio da soldadura por resistência/projeção (Fase 1: Posicionamento, Fase 2: Fim da soldadura). Figura Diversas formas possíveis para efetuar a soldadura por resistência, (a) através de bossas pré-efetuadas, (b) por contacto pontual ou linear ou ainda (c) por maquinagem ou conformação de zonas pontuais de contacto.