SOLDAGEM PELO PROCESSO ELETRODO TUBULAR DE JUNTAS DE TOPOO COM CHANFRO ESTREITO

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1 SOLDAGEM PELO PROCESSO ELETRODO TUBULAR DE JUNTAS DE TOPOO COM CHANFRO ESTREITO Amanda Figueira Tavares, 1 Augusto Gutierres, 1 Gabriel Botelho 1 Daniel Souza, danielsouza@furg.br 1 1 Universidade Federal do Rio Grande, Escola de Engenharia, Av. Itália km 8, Campus Carreiros, Rio Grande-RS Resumo: O processo Eletrodo Tubular é reconhecido pela sua versatilidade na deposição de elementos de liga no cordão de solda e alta capacidade de produção, porém apresenta alguns problemas de descontinuidades na soldagem de juntas de difícil acesso. A soldagem em chanfros estreitos é uma técnica utilizada com propósito de soldagem de chapas de grande espessura com juntas de topo paralelas ou com ângulos menores do que 10º. As principais vantagens deste tipo de junta é a economia de material depositado e a significativa redução na distorção angular das chapas soldadas. No presente estudo foram realizadas soldagens em juntas de topo de chapas de 9,5 e 16 mm com cobrejunta. Pequenas alterações nos parâmetros e condições de soldagem e na geometria da junta foram feitas para que os cordões de solda ficassem isentos de descontinuidades. O objetivo do presente trabalho é avaliar o uso do processo Eletrodo Tubular na soldagem deste tipo de junta proposta. Os resultadoss obtidos mostram que o comprimento de arco deve ser curto e a velocidade de soldagem influencia para que o cordão fique isento de descontinuidades. Além disso, pequenas modificações na geometria da junta possibilitam melhora substancial nas descontinuidades ocorridas. Palavras-chave: Soldagem, Eletrodo Tubular, FCAW, Chanfro Estreito, Narrow Gap. 1. INTRODUÇÃO Soldagens de chapas de grande espessura são frequentemente realizadas no setor da indústria pesada. A soldagem destas chapas espessas na condição de juntas de topo com chanfros convencionais (ângulo de abertura de 60º) demandam muito material de adição e sofrem grandes distorções angulares. Com intuito de se minimizar a quantidade de material depositado e as distorções, podem-se utilizar chanfros estreitos (narrow gap ou narrow groove). Segundo Norrish (1992), o termo chanfro estreito é usado para descrever o desenvolvimento de processos especificamente projetados para reduzir o volume de metal de adição em juntas de topo. Na Fig. 1 é possível observar o efeito da preparação do chanfro em juntas de topo na área de seção transversal da junta. Nesta fig. pode verificar que quanto maior a espessura do material maior será a vantagem da utilização do chanfro estreito em relação à preparação convencional. Área da seção transversal (mm²) Espessura (mm) Chanfro paralelo com abertura de 10 mm Chanfro paralelo com abertura de 20 mm Chanfro com ângulo de 60º Figura 1. Área do chanfro em função da espessura do material 1 (modificado NORRISH, 1992). 1 Considera-se neste trabalho que chanfro é a preparação realizada na junta (região do material que será soldada). Assim, podem-se ter chanfros com ângulos ou sem (de forma que as faces fiquem paralelas) também chamados de juntas sem preparação, pois considerou-se que mesmo as juntas sem ângulo de chanfro tiveram que ser preparadas (usinadas).

2 Ainda segundo Norrish (1992), as preparações de junta mais utilizadas são mostradas na Fig. 2. O tipo de preparação e a abertura do chanfro (distância entre as faces) são determinados em função da espessura do material, processo e técnica de soldagem. Em juntas de maior espessura, naturalmente utiliza-se aberturas maiores. No processo arco submerso se utiliza maiores aberturas do que no processo TIG, por exemplo. Também há diferenças na técnica de soldagem. Se no processo MIG/MAG ou Eletrodo Tubular (FCAW) a tocha for especial e puder ser inserida dentro do chanfro, podem-se soldar chapas mais espessas (chanfros mais profundos), ao contrário da condição onde somente o arame é inserido ficando o bocal fora da junta. faces paralelas com cobrejunta preparação em U preparação em U com faces paralelas Figura 2. Exemplos de preparação de chanfros estreitos (modificado NORRISH, 1992). Um dos processos de soldagem mais utilizados atualmente no Brasil para produção de grandes estruturas é o processo Eletrodo Tubular. Ele tem como vantagens, altas taxas de produção e deposiçãoo de elementos de ligas no cordão de solda, entre outras. Porém, apresenta problemas de inclusão de escória em soldagens em juntas com restrição de acesso, caso das juntas com chanfro estreito. Guo et al. (9) mostraram o aparecimento de inclusão de escória entre passes em juntas de topo com chanfro estreito em soldagens na posição horizontal (Fig. 3). Estes autores utilizaram uma técnica de rotação mecânica do arco e produziram soldagens multipasses sem descontinuidades. Desta forma, fica evidente que utilização de arames tubulares em chanfros estreitos não é trivial e a literatura carece de estudos sobre o assunto. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a soldagem de chanfros estreitos utilizando o processo Eletrodo Tubular, sem a utilização de técnicas ou tochas especiais, por meio da variação de parâmetros de soldagem e pequenas modificações na geometria da junta. (a) (b) Figura 3. Inclusão de escória ocorrida entre passes (a) detalhe da inclusão (b) (GUO ET AL, 9).

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia adotada foi a de utilizar arcos muito curtos e variar a velocidade de soldagem, velocidade de alimentação e geometria da junta, com objetivo de produzir um passe de raiz com penetração total no centro e lateral da junta. Foram realizados testes preliminares sobre chapa diminuindo-se gradativamente a tensão de soldagem até que o arco ficasse o mais curto possível, porém sem a ocorrência predominante de curtos circuitos (muitos respingos e arco instável). Esta abordagem foi utilizadaa pois sabe-se que se o comprimento do arco estiver longo o mesmo terá a tendência de agir nas paredes da junta. Para realização das soldagens foi utilizada uma fonte eletrônica do tipo inversora regulada para operar no modo de tensão constante. Para movimentação da tocha foi usado um robô com seis graus de liberdade. O arame eletrodo usado foi o E71T-1C de 1,2 mm de diâmetro. O gás de proteção utilizado foi o Ar + 25%CO 2. A vazão do gás de proteção foi medida no bocal da tocha com auxílio de um fluxômetro e ajustada em 14 l/min. Para a medição dos valores médios dos parâmetros de soldagem, foi utilizado um equipamento eletrônico de monitoramento (sistema de aquisição). O sistema de aquisição possibilita medir os valores da corrente e tensão com taxa de aquisição dos sinais de 5 khz. As placas de teste, com dimensõess de x mm com espessura de 9,5 mm e 16 mm, foram confeccionadas a partir de chapas de aço comum ao carbono. A geometria das juntas utilizadas no estudo são apresentadas na Fig. 4. α a a = abertura de raiz α= ângulo do chanfro a Figura 4. Geometria das juntas utilizadas. 3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Para encontrar os parâmetros iniciais foram realizados testes do tipo cordão sobre chapa com o objetivo de se utilizar o menor comprimento de arco possível sem que a transferência metálica seja predominantemente por curto circuito. A Fig. 5 apresenta as curvas de corrente em função do tempo mostrando o aumento do número de curtos circuitos com a redução da tensão. Considerou-se tensão de 21 V como a tensão limite para ocorrência da transferência por curto circuito, sendo este então considerado o menor comprimento de arco aceitável. Os testes em juntas foram realizados em juntas de topo utilizando um cobrejunta permanente e os parâmetros de regulagem são mostrados na Tab U = 23 V U = 21 V Figura 5. Curvas de corrente de soldagem em função do tempo.

4 Tabela 1. Parâmetros regulados e de geometria da junta. Teste Ur (V) Ângulo Inclinação Espessura Valim Vsold DBCP Abertura de chanfro da tocha da placa de (m/min) (cm/min) (mm) raiz (mm) (º) ( ) teste (mm) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0 Ur=tensão de referência; Valim=velocidade de alimentação de arame; DBCP=Distância bico de contato-peça 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tab. 2 mostra os valores de tensão e corrente de soldagem monitorados enquanto a Fig. 6 apresenta as macrografias da seção transversal dos cordões de solda dos testes realizados. Tabela 2. Valores médios monitorados. Teste Um Im (V) (A) 4 21, ,5 7 21, , , , , , , , , , , , , , , , ,7 184

5 Teste Um Im (V) (A) 58 25, , , ,9 264 Um=tensão média; Im=corrente média 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação Teste 4 Teste 6 Teste 7 Teste 9 Teste 13, 16 e 17 Teste Teste Teste 37 Teste Teste Figura 6. Macrografias da seção transversal dos cordões de solda. No Teste 4 a abertura de 3 mm mostrou-se muito pequena e o arco agiu nas laterais do chanfro, não alcançando a raiz da junta. No Teste 6, aumentou-se a abertura do chanfro para não proporcionar a abertura do arco no topo da junta, com abertura de 4,6 mm, o arco agiu na raiz, mas observa uma descontinuidade por toda extensão do cordão de solda. Devido à aparência da descontinuidade, por hipótese, supôs-se que poderia ser devido à insuficiência de gás de proteção provavelmente pela pequena dimensão da abertura do chanfro. No Teste 7 foi usado um ângulo de chanfro de 10º com intuito de facilitar a penetração do gás de proteção, resolvendo o problema de insuficiência de gás, mas houve pouca penetração e falta de fusão. Para aumentar a penetração do este anterior aumentou-se a velocidade de alimentação e consequentemente a corrente de soldagem (Tab. 2, Teste 9) ). A Fig. 7a mostra a curva da corrente em função do tempo do Teste 8 no qual somente a velocidade de alimentação foi aumentada. Percebe-se que o aumento da velocidade de alimentação provocou uma grande quantidade de curto circuitos, por isto realizou-se o Teste 9 regulando-se um valor maior de tensão para redução da quantidade de curto circuitos, como mostra a Fig. 7b. Neste teste alcançou-se um passe de raiz com penetração adequada e sem descontinuidades Teste 8 - Um=21 V (a) Teste 9 - Um=22 V (b) Figura 7. Curva da corrente em função do tempo. Os Testes 13, 16 e 17 foram realizados para preenchimento total da junta. No Teste 13 usou-se os mesmos parâmetros do Teste 9 para o passe de raiz, para o Teste 16 foi reduzida a velocidade de soldagem para o aumento da

6 taxa deposição e no Teste 17, para o preenchimento da junta, foi utilizado os mesmos parâmetros do Teste 13 para não ocasionar um excessivo reforço. Entre os Testes 13 e 16 observou-se uma inclusão de escória, provavelmente devido à interposição da poça que teve sua alturaa aumentada em função da diminuição da velocidade de soldagem. Esta possível interposição da poça impediu que o arco agisse sobre o passe do Teste 13 (passe de raiz) ocasionando, assim, a inclusão de escória pela falta de penetração. Para resolver o problema propôs-se inclinar a tocha em 20 puxando e aumentar a velocidade do 2 passe (Teste 16), utilizando ambas as abordagens com objetivo de se aumentar a penetração e prevenir a inclusão de escória. Desta forma, foram realizados os Testes 20 ao 22. No Teste 22 (passe de acabamento) foi reduzida a velocidade de soldagem, como uma tentativa de realizar o preenchimento total da junta com o aumento de material depositado no último passe, porém não se obteve o resultado esperado, pois a altura de reforço foi muito pequena. Nos Testes 23 ao 25 foram mantidos os mesmos parâmetros dos Testes 20 ao 22, exceto pelos parâmetros do passe de acabamento (Teste 25). Neste, para se obter o preenchimento esperado da junta, a velocidade de alimentação foi aumentada para o aumento da taxa de deposição e aumento da corrente. Então, obteve-se a quantidade esperada de material depositado para o preenchimento da junta com o reforço adequado. No caso do Teste 25 não foi utilizada a abordagem da diminuição de velocidade de soldagem para aumento da taxa de deposição para prevenir o efeito de interposição da poça e degradação da penetração causando a inclusão de escória. Utilizou-se a metodologia de aumento da velocidade de alimentação para que houvesse também um aumento de corrente juntamente como aumento da interposição da poça. Neste caso, o aumento da corrente, e consequente aumento do poder de penetração, anulou o efeito de interposição da poça. No Teste 37, e a partir deste, foi utilizada a placa de teste de 16 mm de espessura. No Teste 37 manteve-se a geometria de chanfro dos testes anteriores e os parâmetros utilizados foram os mesmos do Teste 23, exceto pela DBCP que foi aumentada para 24 mm, devido esta ser a altura mínima para que o bocal não toque a superfície da junta. Porém, com abertura de raiz utilizada (4,7 mm) ), o arco agiu na raiz, mas ocorreram descontinuidades visíveis na superfície do cordão (Fig. 8) compatíveis com problema de proteção insuficiente pelo gás de proteção. Por hipótese, como em teste anterior, atribui-se a descontinuidade à insuficiência de gás de proteção provavelmente pela pequena dimensão da abertura do chanfro em relação à sua profundidade. Figura 8. Superficie do cordão de solda do Teste 37. No Teste 53, e a partir deste, a abertura de raiz foi alterada para 6 mm. Os parâmetros utilizados nos Testes 53 e 54 foram os mesmos utilizados no passe de raiz do Teste 37. No Teste 55, passe de preenchimento, houve redução da DBCP para 20 mm (com intuito de voltar a DBCP originalmente utilizada) e aumento da velocidade de alimentação para 12 m/min para aumento da taxa de deposição. Todavia foi observada uma descontinuidade por toda extensão da superfície do cordão com características compatíveis com descontinuidades provocadas por proteção insuficiente pelo gás de proteção (Fig. 9). Provavelmente tal descontinuidade não ocorreu pela restrição à penetração do gás devido à abertura muito pequena. Assim, supostamente atribuiu-se o problema à redução da DBCP, que por aproximar muito o bocal da superfície da placa de teste, pode ter imposto uma turbulência ao gás de proteção causando a falha na proteção neste caso especificamente. Os Testes 56 ao 61 foram realizados todos com a DBCP de 24 mm para tentar evitar o problema de porosidade ocorrida nos testes anteriores. Nos Testes 56 e 57 foram utilizados novamente os parâmetros do passe de raiz do teste 37. No Teste 58 foram mantidos os mesmos parâmetros do Teste 55 sem a redução da DBCP e com aumento da tensão para 25 V. A Fig. 10 mostra que neste caso não houve descontinuidades como no Teste 55, mas apenas pequenas descontinuidades superficiais. O aumento da tensão foi realizado, pois se verificou que no Teste 55, devido ao aumento da velocidade de alimentação de arame, o arco ficou excessivamente curto e ocorreram muitos curtos circuitos. A Fig. 11 mostra, comparativamente, as curvas de corrente em função do tempo do Teste 55 e 58, onde pode se verificar a diminuição dos curtos circuitos. Depois foram realizados os Testes 59 ao 61 com os mesmos parâmetros do Teste 58 para preenchimento total da junta.

7 Figura 9. Superficie do cordão de solda do Teste 55. Figura 10. Superficie do cordão de solda do Teste CONCLUSÕES Teste 55 Um=222 V Teste 58 Um= =25 V Figura 11. Curvas de corrente em função do tempo. Para os materiais, parâmetros e condições de soldagem utilizados neste trabalho, pode-se concluir que: Em juntas com chanfros paralelos com aberturas de raiz muito pequenas, comparadas à espessura da junta, aparecem descontinuidades supostamente atribuidas a dificuldade de penetração do gás de proteção na mesma; A utilização de um ângulo de chanfro de 10º parece ser suficiente para facilitar a entrada do gás de proteção na junta; A redução da velocidadee de soldagem para proporcionar altas taxas de deposição nos passes de preenchimento provocou inclusão de escória por falta de penetração entre passes devido ao volume excessivo da poça de fusão; Na junta com 16 mm de espessura o uso do bocal muito próximo à supercífie da junta pode ter ocasionado a turbulência do gás de proteção deteriorando sua função. 6. AGRADECIMENTOS Os autores do trabalho gostariam de agradecer à FURG (Universidade Federal do Rio Grande) pela concessão das bolsas de estudo, à Escola de Engenharia da FURG pelo financiamento para apresentação do presente trabalho e ao LAPES/FURG (Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem) pela disponibilização da infraestrutura laboratorial.

8 7. REFERÊNCIAS Guo, N; Lin, B. S.; Gao, C.; Fan, C. L.; Yang, C. L. 9. Study of Elimination of Interlayer Defects in Horizontal Joints Made by Rotation Arc Narrow Gap Welding. Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 14, Nº 6, pp Norrish, J Advanced Welding Process. Institute of Physics Publishing, Bristol, 499 p. 8. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso neste trabalho. FLUX CORE ARC WELDING NARROW GAP BUTTT JOINTS Amanda Figueira Tavares, 1 Augusto Gutierres, 1 Gabriel Botelho 1 Daniel Souza, danielsouza@furg.br 1 1 Federal University of Rio Grande, Engineering School, Av. Itália km 8, Campus Carreiros, Rio Grande-RS Abstract: Flux Core Arc Welding process is recognized for its versatility in the deposition of alloying elements in the weld beads and high production capacity, but has some problems of discontinuities in the welding joints with difficult access. The narrow gap welding process is a technique used for the purpose of welding thick plate with parallel narrow gap butt joints or with angles smaller than 10. The main advantages of this type of joint is the deposited material economy and the significant reduction in angular distortion of welded plates. Were carried out in welding butt joints plates of 9.5 and 16.0 mm using backing. Small changes in the parameters and welding conditions and the geometry of the joint were made to the weld beads stay free of discontinuities. The aim of this study is to evaluate the use Flux Core Arc Welding on narrow gap butt joints. The results show that the arc length should be short and the travel welding influences the weld bead to be free from discontinuities. In addition, small changes in joint geometry enable substantial improvement in discontinuities occurred. Key words: Welding, FCAW, Narrow Gap. COPYRIGHT The authors are the one responsible for the content of the printed material in this work.