XLI CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem 12 a 15 de Outubro de 2015 Salvador-BA, Brasil.

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1 XLI CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem 12 a 15 de Outubro de 2015 Salvador-BA, Brasil. Soldagem de tanques de estocagem de líquidos criogênicos com arame tubular com pó metálico (GMAW-C) (Welding of Cryogenic Liquid Reservoir with Metal Cored Wires (GMAW-C) Marcos Müller Lobato 1, Katarina Costa Fernandes 2 1 White Martins Gases Industriais Ltda., Laboratório de Soldagem/CTR, Duque de Caxias, Rio de Janeiro, Brasil, marcos_lobato@praxair.com 2 White Martins Gases Industriais Ltda., Engenharia Soldagem/Fábrica de Equipamentos Criogênicos, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, katarina_fernandes@praxair.com Resumo Os arames tubulares com pó metálico, conhecidos como arames compósitos ou popularmente metal cored, detém características de processo semiautomático que superam a maior ou, até mesmo, a única desvantagem do uso deste consumível, que é o alto investimento inicial. A reduzida emissão de fumos e alta taxa de deposição associada à pequena quantidade de respingos e mínima formação de escória garantem ao consumível do tipo metal cored a característica mais procurada pelas empresas, a alta produtividade. O desenvolvimento de procedimentos de soldagem para uso na construção do casco externo de tanques de estocagem de aço carbono ASTM A36 revelou a viabilidade do uso do metal cored na soldagem com transferência metálica do tipo curto-circuito em chapas de 6mm com chanfro em V, capaz de garantir qualidade da junta soldada e aumento de produtividade quando comparado com arames tubulares com fluxo. Os resultados exibem a viabilidade de usar o arame tubular com pó metálico como uma frente de maior produtividade quando comparado aos consumíveis de soldagem tradicionais. Palavras-Chave: Metal Cored. Curtocircuito Convencional. Tanques de Estocagem. Soldagem Semiautomática. Aço carbono. Abstract: The metal cored wires holds semi-automatic process features that surpass most or even the only disadvantage of using this consumable, which is the high cost. The low fumes generation and high deposition rate associated with the small amount of spatter and minimal silicates guarantee the type of consumable metal cored feature most sought by companies, high productivity. The development of welding procedures for use in the construction of the outer hull carbon steel storage tanks ASTM A36 showed the feasibility of the use of metal-cored welding with metal transfer short circuit type of 6mm sheet with V joint capable of ensure quality of the weld and increased productivity when compared with flux cored wires. The results show the feasibility to use of metal cored as a front higher productivity compared to traditional welding consumables. Key Words: Metal Cored Wire. Short-Circuit Transfer. Liquid Reservoir. Semi-automatic Welding. Mild Steel 1. Introdução O foco dos mais variados setores da economia é o mesmo: produzir mais com o menor preço e o menor tempo sem abrir mão da qualidade. No setor da soldagem não é diferente, e neste sentido, o arame tubular com pó metálico tem encontrado consumidores dispostos a explorar suas características que prometem elevar a produtividade. Com eficiência de deposição de cerca de 96%, baixa emissão de fumos e respingos, o consumível do tipo metal cored reduz efetivamente os gastos homem/hora devido à pouca ou até mesmo nenhuma limpeza entre os passes nas soldas multipasses e as altas velocidades de soldagem possíveis de serem alcançadas. Tanto o flux cored quanto o metal cored são reportados pela AWS A5.36:2012 porém cada um classificado dentro de um processo, o primeiro como FCAW-G e o segundo como GMAW-C. [1]

2 Os arames tubulares com pó metálico requerem uma mistura de proteção gasosa rica em argônio, o que comparado com os arames tubulares do tipo flux cored torna-se uma desvantagem, pois o CO 2 comumente utilizado para proteção da poça de soldagem é mais barato. Além do custo do gás de proteção, o arame tubular com pó metálico possui um valor de aquisição mais alto que os demais acima citados devido a sua pouca utilização no mercado. Vale ressaltar que apesar do CO 2 ser muito utilizado para tubulares com fluxo, uma mistura com argônio traria benefícios ao processo de soldagem. No estudo da produtividade é preciso olhar tanto para as vantagens quanto para as desvantagens, e se possível, colocar em ação toda teoria e realizar um estudo prático nas mais exatas condições em que serão realizadas as soldas em questão, como a posição de soldagem, material de base, chanfro, metal de adição, gás de proteção e soldadores. O presente trabalho é um estudo prático para a análise de produtividade da substituição do consumível, até então utilizado, arame tubular do tipo flux cored para o arame tubular do tipo metal cored. Buscou-se ganhar velocidade sem perda das propriedades mecânicas, testadas conforme requisitos do código ASME IX. Os resultados mostram que para as condições impostas de soldagem do aço carbono ASME A36 com 6mm de espessura, na posição 2G, numa junta com chanfro em V e solda multipasses é possível ter além de um excelente aspecto visual da junta soldada ganhos de produtividade devido a velocidade do processo e o mínimo tempo de limpeza entre os passes. A Figura 1 apresenta o exemplo de um tanque criogênico estacionário com capacidade de armazenar grande volume de gás, Nitrogênio ou Oxigênio, denominado comercialmente como Liquid Reservoir (LR). Figura 1 Exemplo de tanque do tipo LR [2] 2. Materiais e Métodos As maiores extensões dos cordões de solda em um tanque de armazenamento criogênico estão na posição horizontal (AWS 2G), isso ocorre devido ao tamanho das chapas utilizadas na confecção do vaso de pressão. [3] As chapas possuem comprimento de 12 metros e largura de 2,3 metros. O comprimento das chapas é disposto na posição horizontal e dessa forma as maiores extensões dos cordões de soldagem estão nessa posição. Dessa forma foi realizado um comparativo de produtividade e de custos entre os processos FCAW-G e GMAW-C na posição horizontal para contribuir na tomada de decisão do melhor processo de soldagem a ser utilizado. O presente trabalho realizou a qualificação de procedimento de soldagem segundo requisitos do código ASME, Seção IX de [4] Para monitoramento dos dados de cada processo, foi utilizado o Sistema de Aquisição de Dados Portátil (SAP-1) da empresa IMC. As variáveis mensuradas foram:

3 Tempo de Arco Aberto (segundos) Quantidade de arame utilizado (metros) Corrente média de soldagem (Ampere) Tensão do arco elétrico (Volts) As massas dos corpos de prova antes e após a soldagem foram mensurados com balança digital de alta precisão da marca O-HAUS, com sensibilidade de 0,1 grama. O equipamento de soldagem utilizado no trabalho foi um PipeWorx 400 do fabricante Miller. Esse equipamento possibilitou a utilização de diversas transferências metálicas: Curtocircuito convencional, Curtocircuito Controlado (RMD), Globular e Pulsado O metal de base utilizado foi o ASTM A36 com espessura de 6,35 mm. As chapas foram biseladas em 30 graus, e o corpo de prova utilizado nos testes ficou com a seguinte configuração: Chanfro: 60 graus Abertura: 3,0 mm Nariz: 0,0 mm A montagem final dos corpos de prova antes de serem soldados pode ser observado na Figura 2. Figura 2 Montagem final dos corpos de prova a serem ensaiados Foi utilizado backing cerâmico para evitar o procedimento de contra solda. O backing escolhido foi o Concavo 9 da ESAB, que possui largura de 9,0mm na largura do cordão de solda. Essa cerâmica pode ser observada na Figura 3. Figura 3 Backing cerâmico utilizado no trabalho

4 Os metais de adição utilizados foram o AWS E71T-1C/M e o AWS E70C-6M ambos do fabricante ESAB e com diâmetro de 1,2mm. Os gases de proteção utilizados foram o dióxido de carbono, denominado C1 pela AWS, com o processo FCAW-G e uma mistura binária de Argônio e CO 2 com o processo GMAW-C, denominada ArC-8 pela AWS. [5] O presente estudo apresenta os resultados de 03 configurações distintas, são elas: Configuração 1: o Processo de soldagem: FCAW-G o Metal de Adição: AWS E71T-1C/M o Gás de Proteção: 100% CO 2 (AWS C1) o Transferência metálica: Globular o Backing cerâmico: Sim Configuração 2: o Processo de soldagem: GMAW-C o Metal de Adição: AWS E70C-6M o Gás de Proteção: AWS ArC-8 o Transferência metálica: Curto-circuito tradicional o Backing cerâmico: Sim Configuração 3: o Processo de soldagem: GMAW-C o Metal de Adição: AWS E70C-6M o o Gás de Proteção: AWS ArC-8 Transferência metálica: Passe de raiz: Curto-circuito controlado (RMD) Enchimento/Acabamento: Pulsado o Backing cerâmico: Não Os corpos de prova após a soldagem foram radiografados para verificação da presença de descontinuidades na junta soldada. 3. Resultados e Discussões O processo de soldagem FCAW-G possui uma maior geração de fumos metálicos quando comparado com o processo GMAW-C. Para a execução da soldagem em ambiente externo, o excesso de fumos não é considerado uma desvantagem, porém a soldagem FCAW-G em ambientes confinados ou galpões com pouca circulação de ar isso requer um sistema de exaustão com uma alta potência além da manutenção constante para a troca de filtros. Figura 4 Geração de fumos metálicos durante a soldagem com o processo FCAW-G

5 Na Figura 5 é apresentada a relação dos oscilogramas de Tensão e de Corrente referentes ao arco elétrico de cada uma das três configurações e o respectivo aspecto visual do passe de acabamento soldados conforme parâmetros da Tabela 1. A aquisição dos oscilogramas foi realizada através Sistema de Aquisição de Dados Portátil (SAP-1) ligadas à fonte e ao alimentador de soldagem durante a execução dos passes. O oscilograma da Figura 5 (a) representa bem as instabilidades provocadas pelo uso de 100% CO 2 como gás de proteção. Essas oscilações também podem ser percebidas no acabamento do cordão de solda como a variação do volume de solda ao longo do comprimento do cordão. Já o oscilograma da Figura 5 (b) mostra um arco bem mais estável, sem grandes variações da corrente de soldagem, consequentemente o acabamento do cordão de solda é mais uniforme. Na Figura 5 (c) e 5 (d) o sinergismo impõe o seu ritmo e a regularidade é observada nos oscilogramas, no passe de raíz com processo de curto circuito controlado e no acabamento do cordão de solda no modo de transferência pulsado. (a) (b) (c) (d) Figura 5 Oscilogramas de corrente versus tempo e corrente versus tempo com respectivo aspecto visual do cordão de solda para a (a) confiração de soldagem 1, (b) configuração de soldagem 2, (c) e (d) configuração de soldagem 3.

6 A estabilidade do arco de soldagem observada através dos oscilogramas deixa clara a sua relação com o aspecto visual do passe de acabamento da junta soldada. Observa-se que na Figura 5 (a) que a instabilidade do arco resultou num aspecto visual, comparativamente, de menor qualidade, para a junta soldada com arame tubular FCAW-G e gás de proteção 100% CO 2 em relação aos corpos de provas soldados com GMAW-C e mistura rica em argônio, gás fundamental para garantir estabilidade de arco. A configuração 3 promoveu, conforme apresentam as Figura 5 (c) e 5 (d), um aspecto visual superior as demais configurações soldadas, porém é válido ressaltar a necessidade de um maquinário mais sofisticado para execução da soldagem por curtocircuito controlado e por arco pulsado. Os valores médios de corrente e tensão das três configurações utilizadas na execução dos passes podem ser observados na Tabela 1. O uso da mistura rica em Argônio proporcionou aumento dos valores de corrente de soldagem e diminuição dos valores da tensão do arco elétrico. A razão entre o valor da corrente de soldagem e da tensão do arco elétrico (I/U) com o processo GMAW-C foi de 10,31 com a transferência tradicional e de 8,00 com a transferência do tipo RMD / pulsado. No curto-circuito tradicional os parâmetros foram selecionados de forma independente, e a razão foi a mais alta das três configurações. No caso de curvas sinérgicas, o equipamento de soldagem impõe uma condição predeterminada e autocorrige com as variações da distância bico de contato peça (DBCP), dessa forma a razão I/U foi inferior à primeira configuração. [6] Já o processo FCAW-G apresentou uma razão de 6,16 A/V, o que é uma característica quando é utilizado uma proteção gasosa com 100% de CO 2, devido ao maior potencial de ionização do dióxido de carbono. [7] Tabela 1. Média dos Parâmetros de Soldagem. Parâmetros Configuração 1 Configuração 2 Configuração 3 Processo de Soldagem FCAW-G GMAW-C GMAW-C Tensão do Arco (V) 21,6 16,0 18,5 Corrente Média (A) Gás de Proteção C1 ArC-8 ArC-8 Vazão de gás (l/min) A Tabela 2 apresenta o tempo monitorado para execução do corpo de prova, divindo em tempo de arco aberto, que é o tempo que o soldador ficou efetivamente soldando e o tempo de limpeza que foi utilizado para retirada da escória, escovamento e retirada de respingos. Tabela 2. Informações coletadas durante o processo de soldagem. Configuração 1 Configuração 2 Configuração 3 Processo FCAW-G GMAW-C GMAW-C Tempo de Arco Aberto (s) Tempo de Limpeza (s) Ciclo de Trabalho (%) 44,7 81,4 77,7 Comprimento da Junta (mm) Número de Cordões A Tabela 2 indica que o tempo de arco aberto na soldagem do corpo de prova com processo FCAW-G é inferior aos demais cerca de 60%. Em contra partida, o tempo gasto com a limpeza da junta entre os passes e acabamento final, é superior aos processo GMAW-C em mais de 300%. Esse comparativo mostra que apesar do tempo de arco aberto para execução da soldagem ser relativimente menor para o processo FCAW-G em comparação com os processo GMAW-C, o tempo gasto com processo de limpeza da junta é excessivamente maior. Em uma análise apenas dos processos com arame tubular do tipo metal cored, observa-se que a configuração 3, apresenta um tempo de arco aberto para soldagem do corpo de prova menor que a soldagem por modo de transferência por curto-circuito tradicional em cerca de 4%, porém, similar a comparação anterior, o tempo gasto para limpeza da junta no processo por curto-circuito controlado (RMD) no passe de raíz e com modo de transferência pulsada no acabamento, é superior aproximadamente 12%. A Figura 6 apresenta a estimativa do custo de soldagem de cada um dos três processos analisados nesse estudo. O gráfico está considerando a quantidade necessária de reais para a execução de 01 metro linear de solda

7 na posição de soldagem horizontal. Tal posição é a que possui maior volume na soldagem de tanques de armazenamento do tipo LR que possuem diâmetro superior à altura do vaso de pressão. O processo FCAW-G foi o que apresentou o maior custo de soldagem com um valor de R$141,72 para cada metro linear de junta soldada. O processo GMAW-C sinérgico ficou em segundo lugar com um valor de R$ 118,98. Nesse custo não foi computado a amortização do investimento em um equipamento de soldagem com alta tecnologia que é essencial para a sua utilização. Os outros dois processos podem utilizar equipamentos do tipo convencionais. A configuração que apresentou o menor custo foi com o processo GMAW-C e a transferência do tipo curtocircuito tradicional, com um valor de R$105,49 para cada metro linear soldado na posição horizontal. R$/kg metal depositado R$ 160,00 R$ 140,00 R$ 120,00 R$ 100,00 R$ 80,00 R$ 60,00 R$ 40,00 R$ 20,00 R$ 0,00 10,00 10,75 10,31 Custo do metal de adição 16,96 Custo de Soldagem 11,65 0,00 Custo do backing 113,59 81,60 106,80 Custo da mão-de-obra 0,75 0,91 1,15 Custo de energia elétrica FCAW GMAW-C GMAW-C (RMD) 0,42 0,58 0,72 Custo dos gases 141,72 105,49 118,98 Custo Total Figura 6 Comparação entre os custos de soldagem dos processos de soldagem testados O processo GMAW-C apresentou uma redução percentual de 26% em relação ao processo arame tubular (FCAW) que é tradicionalmente utilizado nesse tipo de obra. Já na comparação entre as duas configurações do processo GMAW-C, o curtocircuito tradicional obteve um desempenho econômico superior de 11%. A Figura 7 apresenta a distribuição dos custos com o processo FCAW-G. O custo de mão de obra foi o com maior impacto, como já era esperado. [8] Energia Elétrica 1% FCAW-G Gas 0% metal de adição 7% Backing 12% mão-de-obra 80% Figura 7 Distribuição dos custos de soldagem com o processo FCAW-G

8 A Figura 8 apresenta a distribuição dos custos com o processo GMAW-C e a distribuição é bem similar ao do processo FCAW-G. A mão de obra diminuiu o seu impacto em 3%, tal fato está relacionado com o maior ciclo de trabalho observado na Tabela 2. A participação do metal de adição no custo total aumentou em 3% quando comparado com o processo arame tubular, a razão dessa diferença é por causa do maior preço de compra que o arame do tipo Metal Cored ainda possui em relação ao arame com fluxo. A diferença do preço de compra entre esses arames chega a ser de 30%, mas devido ao melhor aproveitamento do arame do tipo Metal Cored a diferença final entre eles não é tão significativa. Cabe destacar a grande parcela de custo com a utilização de backing cerâmico que chega a ser superior ao do metal de adição. O preço do backing poderá ser melhor diluído nos custos quando o mesmo for utilizado em chapas com espessuras maiores. Nesse estudo o impacto do gás foi minimizado devido ao fornecimento de produto ser realizado na fase líquida. Energia Elétrica 1% GMAW-C Gas 1% metal de adição 10% Backing 11% mão-de-obra 77% Figura 8 Distribuição dos custos de soldagem com o processo GMAW-C A Tabela 3 apresenta a diferença percentual entre os processos FCAW-G e GMAW-C com curtocircuito convencional, assim como os valores de eficiência de deposição e a taxa de deposição efetiva. A maior eficiência do processo GMAW-C está relacionada com o fato de não produzir escória protetora sobre o cordão de solda como é observado no processo FCAW-G, o que torna o uso do consumível mais racional. Outro ponto importante é a taxa de deposição efetiva, que é bem superior com o processo metal cored frente ao arame tubular. O motivo é a soma da melhor eficiência de deposição e do melhor ciclo de trabalho, resultando em desempenho superior. Tabela 3. Informações coletadas durante o processo de soldagem. Configuração 1 Configuração 2 Processo FCAW-G GMAW-C Número de Passes 2 2 Eficiência de Deposição (%) Taxa de Deposição Efetiva (kg/h) 1,16 1,62 Custo Total (R$) 141,72 105,49 Diferença entre os processos % Os corpos de prova das configurações 1 e 2 foram radiografados e os mesmos não apresentaram nenhuma descontinuidade acima do limite da norma ASME, e dessa forma foram aprovados.

9 4. Conclusões O processo de soldagem GMAW-C apresentou um desempenho superior ao processo tradicional com arame tubular (FCAW-G). A taxa de deposição efetiva foi de 1,62 kg/h com o processo GMAW-C e do processo FCAW-G foi de apenas 1,16 kg/h, ou seja um ganho de aproximadamente 40% na produtividade. Além disso, o processo metal cored com curto-circuito tradicional apresentou um custo de soldagem inferior em 26% frente ao arame tubular. A limpeza da escória do arame tubular se torna mais difícil com a redução da energia de soldagem, o que ocorre principalmente na execução do passe de raiz. Esse processo de soldagem necessita de um nível de energia certo para que a escória possa ser retirada sem grandes dificuldades. Por causa disso, pode-se dizer que o processo seria mais indicado para a soldagem de chapas com espessuras maiores do que 10,0 mm. A utilização em chapas mais finas irá necessitar de menor nível de energia, e isso irá influenciar no processo de retirada da escória. A tecnologia do curto-circuito controlado (RMD) com o processo GMAW-C não se torna competitiva devido a sua baixa velocidade de deslocamento (soldagem), que está relacionada com o baixo valor da corrente de soldagem imposta pelo equipamento de soldagem para poder controlar o arco elétrico. A sua grande vantagem é o excelente controle do arco elétrico que o soldador observa e a eliminação do uso do backing cerâmico que possui grande impacto no custo de soldagem. O arco pulsado também não possibilita alta taxa de deposição, pois a corrente média é bem inferior a corrente de pico. Tal comportamento proporciona uma baixa taxa de deposição, mas com uma excelente estabilidade de arco e quase nenhuma geração de respingos. O aumento do consumo do arame metal cored pelo mercado brasileiro irá permitir a médio prazo um preço mais competitivo, tal comportamento já pode ser observado no mercado norte americano. A utilização de sistemas mecanizados de deslocamento da tocha de soldagem poderão aumentar ainda mais a produtividade da soldagem de reservatórios de grande diâmetro. 5. Agradecimentos A empresa White Martins Gases Industriais Ltda. pelo apoio profissional na realização dos experimentos. A empresa ITW pelo fornecimento do equipamento de soldagem. 6. Bibliografia [1] AWS. A5.36/A5.36M. (2012) [2] Google Imagens. Acesso em 26/07/2015, disponível em: &sa=x&ved=0cayq_auoawovchmipeps2_z5xgivrtgach006w5k#tbm=isch&q=cryogenic+liquid+reser voir&imgdii=jbldsdbhencz6m%3a%3bjbldsdbhencz6m%3a%3bqvvjsuikoknz6m%3a&imgrc=jbld SDBhenCz6M%3A [3] AWS. Welding Handbook (8th ed., Vol. I). (L. P. Connor, Ed.) Miami. [4] ASME IX (2013) [5] AWS. A5.32/A5.32M. (2011) [6] PEDROSA, M. F., LOBATO, M. M., & OLIVEIRA, C. R. (2012). Comparativo do Desempenho de Soldagem para o Processo MCAW com Fonte Pulsada e Gás de Proteção Rico em Argônio versus o Processo FCAW com proteção gasosa de CO 2. Ouro Preto: Associação Brasileira de Soldagem. [7] PRAXAIR Inc. (n.d.). Praxair Shielding Gas Selection Manual. Acesso em 05 30, 2013, disponível em: [8] BRITO, J. d., & PARANHOS, R. (2005). Como Determinar os Custos da Soldagem. Campos dos Goytacazes.