MAPEAMENTO DO PROCESSO MECANIZADO DE SOLDAGEM UNILATERAL FCAW COM BACKING

CERMICO APLICVEL NO PASSE DE RAIZ EM AO CARBONO.

AUTOR: SILVIO TRIVELLATO ANDRADE ORIENTADOR: ALEXANDRE QUEIROZ BRACARENSE, Dr.

Belo Horizonte, 29 de junho de 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM

ENGENHARIA MECNICA

Autor: Silvio Trivellato Andrade

DISSERTAO DE MESTRADO

MAPEAMENTO DO PROCESSO MECANIZADO DE SOLDAGEM UNILATERAL FCAW COM BACKING

CERMICO APLICVEL NO PASSE DE RAIZ EM AO CARBONO.

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito parcial obteno de

ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Curso: Mestrado em Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Processos de Fabricao Orientador: Alexandre Queiroz Bracarense, Dr.

Escola de Engenharia UFMG

Belo Horizonte, junho de 2007

Minas Gerais - Brasil

Dedicatria

minha mulher Rosana Torres

minha me Virginia Trivellato Andrade

Aos meus irmos e familiares

Em memria: Jos Penido Andrade (pai)

Agradecimentos

A minha mulher Rosana, por tornar mais brandas as dificuldades da superao

dos obstculos;

Aos meus irmos, cunhados e sobrinhos e minha me, pela fora e incentivo na

realizao desta importante etapa de vida;

Ao Prof. e Orientador Alexandre Queiroz Bracarense, pela confiana,

compreenso e apoio ao ingresso ao mestrado e durante a sua realizao;

A White Martins pela compreenso, apoio financeiro e estrutura fornecida;

Ao estudante do Curso de Enga. Mecnica da UFMG, Joo Paulo Messias pelo

valioso suporte na execuo da prtica laboratorial;

Aos colegas do Laboratrio Robtica e Simulao de Soldagem DEMEC-UFMG

pelas sugestes nas dvidas surgidas e convvio acadmico;

A Deus por ter me permitido realizar este trabalho com dignidade, persistncia e

humildade.

Meus sinceros agradecimentos.

RESUMO

Este trabalho tem por finalidade fazer o mapeamento da soldagem unilateral

mecanizada, utilizando o processo FCAW sob proteo gasosa com backing

cermico para o passe de raiz. Os testes foram realizados com rob da marca

KUKA KR-16, soldando na posio plana, com arame tubular AWS A5.20-79 E

71T-1 de dimetro 1,2 mm, em juntas de topo e chanfro tipo V em chapas de ao

ASTM A-36. As variveis analisadas foram corrente, tenso, velocidade de

soldagem, abertura da face de raiz, ngulo de chanfro e ngulo de inclinao da

tocha. Considera-se o aporte trmico fundamental, uma vez que ele constitui a

energia fornecida pela composio dos parmetros de corrente, tenso e

velocidade, associada aos materiais envolvidos como ao carbono e backing

cermico e, portanto, responsvel diretamente pela formao da poa de fuso.

Realizou-se a anlise dimensional da altura e largura do reforo da raiz. As

caractersticas de estabilidade do arco, em conjunto com o formato do reforo da

raiz, qualidade visual do cordo de solda e macrografias foram analisadas como

respostas para a solda com backing cermico. Foram caracterizadas doze curvas,

demonstrando a evoluo da altura e largura do reforo da raiz em funo da

corrente, da abertura da face de raiz, do ngulo do chanfro e do ngulo de

inclinao da tocha. Em funo dos resultados obtidos, estabeleceram-se as

melhores condies de ajustes na soldagem do passe de raiz na posio plana

que correspondem a corrente de 205A , a tenso de 26V, velocidade de

soldagem de 20cm/min, abertura da face de raiz de 3 e 5mm, ngulo de chanfro

de 40 e 60 e ngulo de inclinao da tocha de 15. De forma geral, este

trabalho demonstrou que a soldagem unilateral mecanizada FCAW com backing

cermico tecnicamente vivel.

v

ABSTRACT

This work aims to evaluate one-sided welding automatic using the flux cored arc

welding process with ceramic backing in the root bead. The tests were performed

using a KUKA KR-16, robot for welding in the flat position. The wire is the AWS

A5.20-79 E 71T-1, with 1.2 mm diameter, V-groove butt joints were design to be

used in steel plate ASTM A-36. The process variables analyzed were Current,

voltage, travel speed, root opening, groove geometry included angle and electrode

inclination. It heat input was considered essential. It is the energy supplied for the

composition of the parameters current, tension and speed, associated to the

involved materials, steel carbon and backing ceramic and therefore responsible

directly for the formation of the weld pool. The dimensional analysis considered

height and width of the root reinforcement. The arc stability associated with the

geometry of root reinforcement, visual quality of the bead, and macrographs were

analyzed as the response for the ceramic weld backing. Twelve curves were

elaborated, showing the relation of height and width root reinforcement with the

parameters variation of Current, root opening, groove geometry included angle and

electrode inclination.

The results allowed to establishing the best adjustment of the variables for root

bead welding in flat position, that were current 205A, voltage 26V, travel speed

20cm/min, root opening 3 e 5mm, V-groove angle 40o e 60o and electrode

inclination 15o, using ceramic backing with FCAW.

vi

SUMRIO

RESUMO ................ v

LISTA DE FIGURAS .................... ix

LISTA DE TABELA. ......................... xiv

SIMBOLOGIA E LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS................ xvi

LETRAS LATINAS xvi

LETRAS GREGAS xvii

1. INTRODUO E OBJETIVOS ....................................................... xviii

2. REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................... 22

2.1 Introduo soldagem .................................................................... 22

2.1.1 Definio de soldagem...................................................................... 22

2.1.2 Soldagem a arco eltrico................................................................... 24

2.1.3 Soldagem a arco eltrico com arame tubular (FCAW)............................. 29

2.2 Soldagem unilateral................ .................................................. 29

2.3 Backing usado na soldagem unilateral............................................. 32

2.3.1 Material cermico - Caractersticas e composio ................................ 33

2.3.2 Tipos de backing cermico usados na soldagem unilateral.................. 35

2.3.3 Backing cermico e suas formas de aplicao......................................... 39

2.4 Soldagem unilateral com backing cermico Caractersticas ............... 41

2.4.1 Defeitos ocorridos na FCAW com backing cermico-passe de raiz......... 47

2.4.2 Aplicaes da soldagem unilateral com backing cermico...................... 51

2.5 Soldagem unilateral FCAW sem backing cermico Caractersticas .... 54

3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL............................................................ 57

3.1 Equipamentos utilizados na soldagem................................................. 58

3.1.1 Sistema de soldagem e bancada de testes................................... 58

3.1.2 Sistema de medio de corrente e tenso de soldagem.............. 59

3.1.3 Mecanismos utilizados para a preparao das amostras.............. 60

3.2 Materiais utilizados na soldagem unilateral ............................................. 61

3.2.1 Material base ................................................................................ 61

vii

3.2.2 Arame eletrodo.............................................................................. 61

3.2.3 Gs de proteo ........................................................................... 62

3.2.4 Backing cermico........................................................................... 63

3.2.5 Amostras........................................................................................ 64

3.3 Avaliao visual e anlise macrogrfica do passe de raiz ..................... 66

3.4 Avaliao dimensional da altura e largura do reforo do passe de raiz . 67

4. RESULTADOS E DISCUSSES .............................................................. 68

4.1 - Testes exploratrios preliminares.......................................................... 69

4.1 - Testes definitivos e mapeamento dos resultados................................. 75

5. CONCLUSES................................................................................... 89

6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................ 90

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................. 91

APNDICE A TESTES PRELIMINARES....................................................... 94

APNDICE B TESTES DEFINITIVOS........................................................... 97

ANEXOS ........................................................................................................... 101

viii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 - Construo de Navio Estaleiro [Muller e Koczera, 2003]........... xviii

FIGURA 2.1 - Evoluo taxa deposio (Kg/h) funo da corrente, posio de

soldagem e dimetro do arame tubular ER70T, CO2 [Gasmaster, 1999]............ 26

FIGURA 2.2 - Evoluo do consumo anual de metal de solda no mundo, fonte

[ESAB, 2006] ...................................................................................................... 27

FIGURA 2.3 - Efeito da velocidade de fuso (w) dos arames tubulares com a

corrente (I) para diferentes gases de proteo,[Starling et all, 2004] 28

FIGURA 2.4 - Caractersticas das regies e dimenses do passe de raiz,

usadas neste trabalho, fonte [Malin, 2001].......................................................... 30

FIGURA 2.5 - Macrografia do cordo de solda unilateral SAW, espessuras de

A=9,5mm, B=17,5mm e C=25,4mm [Malin,2001] ............................................... 31

FIGURA 2.6 - Sistema de backing de cobre provisrio. Os anis de cobre so

posicionados dentro do tubo e suportam a poa de solda [Hahn, 2004]............. 32

FIGURA 2.7 - Aparncia mullita (A) e Aparncia Cordierita 20x20x15mm (B),

fonte: webmineral.com, foto de Jeff Weismann e John Betts, respectivamente.. 34

FIGURA 2.8 - Variedade de backing cermico fonte Folheto KATBAK1105. 36

FIGURA 2.9 Ilustrativo da variedade de aplicao do backing cermico,

marca LASCENTRUM, (A) cordo circular, (B) e (C) junta em ngulo, (D)posio horizontal, (E) posicionamento entre chapas de 90o, (F), (G) e (H)

posio plana, fonte Folheto HYUNDAI .............................................................. 36

ix

FIGURA 2.10 Geometria e tipos de backing cermico [Muir, 1985] ................ 37

FIGURA 2.11 Backing cermico aplicado a soldagem FCAW sulco retangular

- KATBAK ........................................................................................ 38

FIGURA 2.12 Backing cermico aplicado no GMAW, MCAW e FCAW sulco

cncavo - KATBAK .......................................................................................... 38

FIGURA 2.13 Esquemtico da fixao do backing cermico com fita adesiva

de alumnio ......................................................................................................... 39

FIGURA 2.14 Esquemtico da fixao do backing cermico com cabo de

ao........................................................................................................................ 40

FIGURA 2.15 Esquemtico do backing cermico suportado por base

metlica tipo trilho................................................................................................. 40

FIGURA 2.16 - Esquemtico dos componentes do backing cermico com fita

adesiva de alumnio para fixao......................................................................... 41

FIGURA 2.17 Efeito da corrente na geometria do reforo da raiz. Altura do

reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001] ................. 44

FIGURA 2.18 Efeito da abertura da junta na geometria do reforo da raiz,

altura do reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001] ... 45

FIGURA 2.19 Efeito da inclinao da tocha (a=0o e 15o ) na geometria do

reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), SAW [Malin, 2001]..................................................................................................................... 46

x

FIGURA 2.20 Efeito da abertura da junta () associada a corrente na geometria do reforo da raiz, altura reforo (hrr) e largura reforo (wrr), SAW [Malin, 2001] ........................................................................................................

47

FIGURA 2.21 Efeito da tcnica de soldagem no contorno do passe de raiz,

arame ER70T-1, Chanfro tipo V 60o, 240 A e 25 V Mistura 75% Ar + 25%

CO2, [Cantrell, 1982] ........................................................................................... 48

FIGURA 2.22 Defeito da porosidade vermiforme, no sentido lateral e tubular

no centro da solda. Passe de raiz, FCAW com backing cermico....................... 49

FIGURA 2.23 Mecanismo da formao da porosidade vermiforme e tubular

[Cantrell, 1982]..................................................................................................... 50

FIGURA 2.24 Mecanismo de rebaixamento metal de solda na FCAW,

posio horizontal [Cantrell, 1982] ...................................................................... 51

FIGURA 2.25 - Macrografias de cordes de solda com fuso lateral na regio

da raiz, gonte [Oliveira, 2002] .............................................................................. 55

FIGURA 2.26 - Comparao entre cordes GMAW (esquerda) e FCAW

(direita) Oliveira, 2002] ........................................................................................ 55

FIGURA 2.27 ilustrao com diagrama da formao da onda da corrente e

srie de fotos de alta velocidade da soldagem GMAW (MIG) da ponta do

arame, fonte [KEMPPI, 2007] .............................................................................. 56

FIGURA 3.1 - Esquema das caractersticas do reforo do passe de raiz

considerado aceitvel .......................................................................................... 57

FIGURA 3.2 - Fotografia do rob (a) Tocha(b) Mquina Solmig 403 CV (c) ....... 58

xi

FIGURA 3.3 Fotografia do sistema de fixao por grampos para

posicionamento do corpo de prova a ser soldado................................................

59

FIGURA 3.4 Fotografia maleta SAP-1 para aquisio de dados de soldagem. 59

FIGURA 3.5 Ilustrao do transdutor tipo turbina(esquerda) usado no

medidor MVG-2 (direita) ...................................................................................... 63

FIGURA 3.6 Caractersticas do backing cermico [Termari, 2006] .................. 63

FIGURA 3.7 Esquemtico do mdulo de 500 mm - backing cermico ............ 64

FIGURA 3.8 Foto da amostra preparada para a soldagem unilateral FCAW

do passe de raiz .................................................................................................. 65

FIGURA 3.9 Ilustrao da forma de medio da altura(A) e largura(B) do

reforo do passe de raiz ...................................................................................... 67

FIGURA 4.1 Macrografias do passe de raiz com fuso lateral da junta na

regio da raiz ....................................................................................................... 70

FIGURA 4.2 Macrografia do rebaixamento lateral do reforo da raiz, FCAW

posio plana. ...................................................................................................... 71

FIGURA 4.3 Macrografia da altura do reforo do passe de raiz insuficiente.... 73

FIGURA 4.4 - Esquema da inclinao da tocha em relao a direo de

soldagem ............................................................................................................. 75

FIGURA 4.5 - Amostras com solda do passe de raiz desqualificado. Excesso

de reforo da raiz ................................................................................................. 77

xii

FIGURA 4.6 - Efeito da corrente de soldagem (I) na geometria do reforo do

passe de raiz largura (wrr) e altura (hrr): ngulo chanfro =60, RO=5mm, a=15. Amostras 6T5X......................................................................................... 78

FIGURA 4.7 - Esquema do efeito da corrente de soldagem (I) na geometria do

reforo do passe de raiz. Em a,b e c tem-se que = 60 e RO = 5mm............... 79

FIGURA 4.8 Efeito Abertura face de raiz (RO) na geometria do reforo do

passe de raiz, largura (wrr) e altura (hrr), chanfro V(=40), a=15, amostras 4TWB....................................................................................................................

80

FIGURA 4.9 - Esquema do efeito da abertura da face de raiz (RO), para

mesmo ngulo de chanfro (), na geometria do reforo do passe de raiz........... 81

FIGURA 4.10 Efeito da inclinao da tocha (a) na geometria do reforo da

raiz largura (wrr) e altura (hrr): chanfro V (=60), RO=5mm. Amostras 6T5X-YZ......................................................................................................................... 83

FIGURA 4.11 - Esquema do efeito da inclinao da tocha (a) na geometria do

passe de raiz. Em a e b tem-se RO = 5mm, =60 e corrente I = 210 A............. 83

FIGURA 4.12 Efeito da Abertura do ngulo de chanfro tipo V ( = 40 e 60), na geometria do reforo da raiz largura (wrr) e altura (hrr): RO=5mm, a =15.

Amostras 4T5X-YP e 6T5X-YP UT5X ................................................................. 85

FIGURA 4.13 - Esquema do efeito do ngulo chanfro () no passe de raiz. Em a e b tem-se que RO = 5mm e a corrente na faixa de I = 210 A ......................... 85

FIGURA 4.14 - Fotografia aspecto visual do acabamento do passe de raiz

(esquerda) e respectivo reforo (direita). Amostras 6T3B-10E e 4T5B-40P........ 88

xiii

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 Valores eficincia de deposio (tubular) do arame tubular, [Starling et al, 2004].............................................................................................. 27

TABELA 3.1 - Composio qumica mdia chapa de ao carbono ABNT 1020.. 60

TABELA 3.2 - Composio Qumica do arame ER71T-1 [Hyundai, 2001] ......... 61

TABELA 3.3 - Propriedades Fsicas do arame ER71T-1 [Hyundai, 2001] .......... 62

TABELA 3.4 - Propriedades Fsico-qumicas Dixido de carbono(CO2 ) [White

Martins, 2003] ...................................................................................................... 62

TABELA 3.5 - Descrio do cdigo de identificao dos corpos de prova ......... 65

TABELA 4.1 - Resultados dos experimentos, amostras do grupo 6T5X-YP........ 78

TABELA 4.2 - Resultados dos experimentos, amostras do grupo 4TWB-YP...... 80

TABELA 4.3 - Resultados dos experimentos para as amostras do grupo 6T5X-YP e 6T5X-YE...................................................................................................... 82

TABELA 4.4 - Resultados dos experimentos para as amostras do grupo 4T5X-YP e 6T5X-YP...................................................................................................... 84

TABELA A.1a - Seqncia com parmetros de corrente (I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), aspecto visual e macrografia do passe de raiz.

Testes preliminares. Amostras de 1 a 10 ............................................................ 94

xiv

TABELA A.1 Seqncia com parmetros de corrente(I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), aspecto visual e macrografia do passe de raiz..

Testes preliminares. Amostras de 11 a 20........................................................... 95

TABELA A.2 Seqncia parmetros de corrente (I), tenso (V) e velocidade

de soldagem (vs), largura (wrr) e altura (hrr).Testes preliminares. Amostras 1 a

25 ......................................................................................................................... 96

TABELA B.1a Seqncia com parmetros de corrente(I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), aspecto visual e macrografia do passe de raiz..

Testes definitivos. Amostras de 26 A 31.............................................................. 97

TABELA B.1b Seqncia com parmetros de corrente (I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), aspecto visual e macrografia do passe de raiz..

Testes definitivos. Amostras de 32 a 46............................................................... 98

TABELA B.1c Seqncia com parmetros de corrente (I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), aspecto visual e macrografia do passe de raiz..

Testes definitivos. Amostras de 47 a 53. ............................................................. 99

TABELA B.2 Seqncia com parmetros de corrente (I), tenso (V) e

velocidade de soldagem (vs), largura (wrr) e altura (hrr). Testes definitivos.

Amostras 26 a 53 .................................................................................................100

xv

SIMBOLOGIA E LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

LETRAS LATINAS

a ngulo de inclinao da tocha.

Ar Gs Argnio.

ASME American Society of Mechanical Engineers.

AWS American Welding Society.

CC Curto-circuito.

C25 Mistura 75%Argnio+25% CO2.

CO2 Gs Dixido de Carbono.

d Dimetro do arame mm

DBCP Distncia bico de contato pea. E Espessura mm

END Ensaios No Destrutivos.

HI Heat Input Kj/cm

hrr Altura do reforo da raiz.

wrr Largura do reforo da raiz.

FIG Figura.

FCAW Flux Cored Arc Welding.

GMAW Gas Metal Arc Welding.

GTAW Gas Tungsten Arc Welding.

H2 Gs Hidrognio.

I Corrente de soldagem A

Im Corrente mdia A

Ic Corrente crtica A

L Comprimento do arame mm

MAG Metal Active Gas.

MCAW Metal Cored Arc Welding.

MIG Metal Inert Gas.

xvi

xvi

N Nmero de testes -

PETROBRAS Petrleo Brasileiro S.A.

R Rendimento %

Re Resistncia eltrica RO Abertura da raiz.

SMAW Shield Metal Arc Welding.

SAW Submerged Arc Welding.

Stick out Distncia bico de contato-pea.

t Tempo de soldagem s

TAB Tabela.

TD Taxa de deposio kg/h

TRANSPETRO Petrobras transportes S.A.

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais.

UNIFEI Universidade Federal de Itajub.

V Tenso Volts

vs Velocidade de soldagem cm/min

w Velocidade de fuso de arame m/min

ZTA Zona Termicamente Afetada.

LETRAS GREGAS

ngulo do chanfro tipo V

Mdia da amostra; -

Eficincia de deposio %

xvii

1 - INTRODUO E OBJETIVOS

Sabe-se que na indstria metal-mecnica constante a busca por maior qualidade

do produto e competitividade, ancoradas no binmio produtividade e reduo de

custos. Observa-se a necessidade de melhor conhecimento dos processos de

fabricao aplicveis na produo de peas e equipamentos e entre os processos

existentes destaca-se o da soldagem a arco eltrico.

Os ramos de atividade que utilizam processos de soldagem a arco eltrico, em

especial os de construo de navios, como mostrado na FIG 1.1, e de caldeiraria

em geral, tm contribudo intensamente para a melhoria da qualidade e

competitividade, muito em parte pela exigncia de integridade mecnica da junta

soldada, otimizao do uso de mo de obra e principalmente pela mecanizao do

processo de soldagem.

FIGURA 1.1 - Construo de Navio Estaleiro [Fonte: Mller & Koczera,2003]

xviii

A indstria naval brasileira inicia uma nova realidade com o atual aquecimento da

produo ocorrido, j que foi o segundo maior fabricante de navios do mundo na

dcada de 70, perdendo apenas para o Japo. A PETROBRAS (empresa

brasileira estatal de petrleo) tem papel importante nesta retomada de produo,

quando encomenda ao mercado interno a construo de embarcaes de grande

porte (26 navios, sendo dez do tipo "Suezmarx capaz de transportar 160 mil

toneladas) e de plataformas petrolferas, conforme notcias veiculadas pelos meios

de comunicao [Gazeta Mercantil, 2007 e Folha de Pernambuco, 2007]

Esse crescimento da produo propicia aumento na demanda dos processos de

soldagem na linha de fabricao de painis, oficinas de montagem de costados

curvos e estruturas metlicas de grande porte. O custo de construo do navio

consiste de aproximadamente 5% na fabricao do casco, 48 a 50% na montagem

e elevao, 30 a 35% no setor de despesas de instalao, de 9 a 12% na pintura e

em torno de 3% em outras operaes. A soldagem representa aproximadamente

25 a 28% de toda a operao [Millar, 2000].

Tendo em vista o relevante papel desempenhado pela soldagem, no ramo de

construo naval, tanto em termos de tecnologia adquirida, como na avaliao do

custo do produto final, torna-se imperativo o desenvolvimento de procedimentos

de soldagem que aliem baixo custo e alta qualidade [Macedo e Pereira, 1985].

Reside-se neste binmio - baixo custo e alta qualidade - a grande dificuldade da

escolha de um processo de soldagem que encaixe neste propsito.

A existncia de diferentes tipos de junta e posies de soldagem das mais

variadas, nem sempre permite a soldagem dos dois lados da pea. H situaes

em que a soldagem tem que ser realizada no equipamento j montado e a

movimentao deste, para encontrar a melhor posio de soldagem, pode

inviabilizar a sua fabricao. Alm disso, existem outras situaes em que se

perde produtividade, tendo que girar a pea para acessar o outro lado e finalizar a

soldagem j iniciada de um lado. Nestes casos torna-se uma opo atrativa a

19

utilizao da chamada soldagem unilateral, que a unio aplicada apenas em um

lado de duas chapas metlicas posicionadas e preparadas com junta adequada.

Existe na soldagem unilateral a presena de um cobre junta. O cobre junta, na

maioria das vezes, denominado pelo termo original do idioma Ingls de backing

e ser este o termo usado para designar este componente presente na soldagem

unilateral.

A soldagem unilateral com backing pode ser realizada de forma manual (SMAW e

GTAW), semi-mecanizada (GMAW/FCAW) e mecanizada (SAW e FCAW/GMAW).

A forma mecanizada sem dvida a forma direta de alcanar baixo custo e alta

qualidade e, normalmente, vem sendo utilizada com o processo SAW, quando se

aplica o backing metlico ou cermico e fluxos modificados. Um trabalho amplo

sobre este processo foi realizado por Malin [2001].

Entretanto, a indstria metal-mecnica percebe que existindo a viabilidade tcnica

e econmica, ocorre a substituio da soldagem SAW pela soldagem FCAW ou

GMAW mecanizada, fato motivado pelo inconveniente do manuseio de fluxo e

pelo maior investimento em equipamentos presentes na soldagem a arco

submerso.

Na soldagem unilateral FCAW ou SAW torna-se necessria a escolha do material

cermico ou metlico para exercer a funo de cobre junta, denominado backing

cermico e backing metlico respectivamente, aplicado no passe de raiz da junta

soldada.

Este trabalho objetiva o mapeamento da soldagem unilateral mecanizada usando

o processo FCAW com backing cermico, aplicvel ao passe de raiz em chapas

de ao carbono unidas por uma junta de topo chanfrada. A produo de amostras

proporciona as condies de anlise e parametrizao das grandezas envolvidas

na formatao do passe de raiz.

20

Para dar suporte a este objetivo que est sendo proposto, realizado no captulo

2 a reviso bibliogrfica que mostra, de forma sucinta, as restritas informaes

colhidas na bibliografia nacional e internacional consultada, abrangendo, alm do

assunto soldagem unilateral, os aspectos relativos ao backing cermico.

No captulo 3, apresentada a Metodologia aplicada nos experimentos, a

identificao das amostras, o detalhamento de todos os materiais e equipamentos

utilizados, bem como as avaliaes realizadas.

Aps realizadas as soldagens das amostras e suas alternativas, foi elaborado o

captulo 4, com os resultados obtidos e as respectivas discusses, a partir das

evidncias e dos dados colhidos durante o processo experimental.

O captulo 5 traz a concluso deste trabalho, baseada nos resultados obtidos e na

anlise da bibliografia consultada.

Tendo em vista o vasto campo de pesquisa e aplicao da soldagem unilateral, no

captulo 6 esto apresentadas as sugestes para trabalhos futuros sobre o

assunto.

21

2 - REVISO BIBLIOGRFICA

Esta reviso tem o objetivo de apresentar sucintamente o resultado da anlise da

bibliografia tcnica consultada, evidenciando os principais aspectos do material

consumvel e dos processos envolvidos na realizao deste trabalho. Sero

apresentadas informaes sobre a soldagem em geral, a soldagem a arco eltrico,

o backing cermico, o backing metlico, a soldagem unilateral com e sem backing

cermico e suas respectivas aplicaes.

Direcionou-se a reviso para a busca de material bibliogrfico de trabalhos

prticos, apesar da pequena disponibilidade sobre o assunto. Com relao s

informaes conceituais dos processos de soldagem e suas caractersticas,

facilmente encontradas na literatura acadmica, considerou-se desnecessrio

inserir nesta reviso, uma vez que j requisito preliminar o seu conhecimento

para desenvolvimento do trabalho prtico.

2.1 - Introduo Soldagem

Um grande nmero de processos utilizados na fabricao e recuperao de

peas, equipamentos e estruturas so abrangidos pelo termo "Soldagem".

Classicamente a soldagem considerada como um processo de unio, porm, na

atualidade, muitos processos de soldagem ou variaes destes so usados para a

deposio de material sobre uma superfcie, visando a recuperao ou o

revestimento com caractersticas especiais.

2.1.1 - Definio de soldagem

Na literatura encontram-se algumas tentativas de definio de soldagem:

22

"Processo de unio de metais por fuso. Cabe ressaltar que no apenas os

metais so soldveis e que possvel se soldar sem fuso [Gasmaster, 1999].

"Operao que visa obter a unio de duas ou mais peas, assegurando na junta a

continuidade das propriedades fsicas e qumicas" [Gasmaster, 1999].

"Processo de unio de materiais usado para obter a coalescncia (unio)

localizada de metais e no-metais, produzida por aquecimento at uma

temperatura adequada, com ou sem a utilizao de presso e/ou material de

adio". Esta definio adotada pela AWS meramente operacional e nada

apresenta do ponto de vista conceitual [Gasmaster, 1999].

Assim, embora muito estudada e utilizada, a soldagem no foi ainda precisamente

definida. Pode-se dizer que existem atualmente em utilizao comercial cerca de

cinqenta processos de soldagem, aplicveis em quase a totalidade dos materiais

metlicos e at alguns no metlicos. Isso confere a soldagem um campo

infindvel de pesquisa e desenvolvimento, no s dos processos existentes

separadamente ou em conjunto (processos hbridos), como das novas

descobertas.

Uma das formas de classificao dos processos de soldagem segundo o tipo da

fonte de energia empregada, na qual se destacam os que utilizam eletricidade,

fontes qumicas, energia mecnica, entre outros.

Este trabalho ser focado nos processos de soldagem a arco eltrico, que utilizam

fonte de energia que empregam a eletricidade, e na busca de informaes sobre o

cenrio atual onde se encontram as aplicaes direcionadas para o tema principal:

soldagem unilateral.

23

2.1.2 - Soldagem a arco eltrico

Os processos de soldagem a arco eltrico, aplicado aos metais ferrosos ou no,

buscam manter a integridade mecnica e para tal utilizam a converso da energia

do arco eltrico em calor suficiente para a unio que se prope.

importante salientar que o desenvolvimento tecnolgico aplicado na indstria em

geral, observado no decorrer de dcadas, mostra que a soldagem tem

acompanhado esta evoluo. A soldagem obteve vrios avanos com nfase no

desenvolvimento do processo de soldagem a arco eltrico. A seguir sero listados

alguns considerados importantes e/ou com maior aplicao comercial:

SMAW, com sua versatilidade de materiais a serem soldados; GTAW, com seu controle de energia do arco; GMAW, com a sua alta produtividade a baixo custo; FCAW, com sua alta taxa de deposio e timo acabamento superficial do

cordo de solda;

SAW, com sua elevada taxa de deposio e exigncia de mecanizao; PAW (soldagem plasma), com sua densidade de energia concentrada no arco.

Mais recentemente vem sendo desenvolvido e aplicado os processos hbridos,

como por exemplo, o processo que utiliza as caractersticas do processo GMAW

associadas ao PAW, sendo denominados com Plasma-MIG, e para tal se faz

necessrio o uso de tocha especfica. Essa associao busca aumentar a taxa de

deposio com o aumento do aporte trmico proveniente das fontes de energia

dos dois processos e, por conseguinte, aumentar a produtividade.

Entre os processos de soldagem a arco eltrico, a utilizao dos processos semi-

mecanizados torna-se hoje mais que uma tendncia, devido grande necessidade

de incrementar a produtividade e a reduo de custos na indstria da construo

de estruturas soldadas de ao [Paula, 1987].

24

A tendncia natural que se desenvolvam dispositivos para viabilizar a

mecanizao destes processos, sendo que a soldagem FCAW surge como

excelente alternativa e ser o processo escolhido neste trabalho.

2.1.3 Soldagem a arco eltrico com arame tubular (FCAW)

A soldagem FCAW, tambm conhecida como soldagem com arame tubular, foi

introduzida no incio dos anos 50 e basicamente o processo GMAW no qual

empregado um eletrodo/arame tubular contendo fluxo. O fluxo pode ser metlico,

quando denominado MCAW (Metal Cored Arc Welding) ou no. O equipamento

empregado para o processo GMAW pode ser tambm utilizado para o processo

FCAW, apenas com adequao no sistema de trao do alimentador de arame.

O processo FCAW possui duas variantes, se utilizado com um gs de proteo

ou no. No caso de usar sem o gs, denominado autoprotegido, o fluxo dentro do

arame metlico tubular, ao queimar produz o gs que protege o metal fundido e

tambm proporciona antioxidantes, ionizantes, agentes purificantes e, se

necessrio, elementos de liga. O fluxo no metal fundido, aps a solidificao,

resulta na formao de uma escria vtrea, que proporciona uma fina camada

protetora no cordo de solda, o diferenciando do processo GMAW que no produz

esta camada.

A soldagem a arco com arame tubular (FCAW) um processo que acumula as

principais vantagens da soldagem com arame macio GMAW [Starling, 2004].

Inclui tambm as vantagens da soldagem SMAW, como alta versatilidade,

possibilidade de ajustes da composio qumica e facilidade de operao no

campo. Na verdade apresenta caractersticas em termos de flexibilidade e

produtividade superiores s soldagens com SMAW e GMAW [Marques, 2007].

Na maioria das aplicaes de soldagem com o processo GMAW pode-se tambm

usar o FCAW, isso exige uma profunda anlise para definir o processo mais vivel

25

tcnica e economicamente. Entretanto o maior benefcio do FCAW o seu

desempenho em termos de produtividade, caractersticas de acabamento da

soldagem e integridade da junta soldada. Este melhor desempenho do FCAW em

relao ao GMAW se deve as seguintes caractersticas do arame tubular:

Alta taxa de deposio, conforme mostrado na FIG. 2.1; Menor incidncia de respingos, at mesmo com o uso do gs proteo CO2

(um dos principais causadores de respingos no GMAW); Melhor acabamento superficial do cordo de solda; Elevada penetrao.

Portanto, grande a importncia que vem sendo dada ao processo FCAW por

parte da indstria de fabricao de estruturas metlicas em geral. Um dos fatores

determinantes para a definio do uso do FCAW o preo do arame, que j foi

cerca de trs vezes o preo do arame macio para o mesmo tipo de material e

classe. A proporo de preo vem diminuindo e atualmente esta na ordem de uma

e meia vezes, tornando-se atrativo o uso do arame tubular. Este binmio, preo e

26

FIGURA 2.1 - Evoluo da taxa deposio (Kg/h) em funo da corrente, posio de soldagem e dimetro do arame tubular ER70T-1, gs de proteo CO2 [Fonte: Gasmaster 2,1999]

qualidade, propiciam o aumento no consumo atual e projeo anual continua

crescente, como visto na FIG 2.2.

FIGURA 2.2 - Evoluo do consumo anual de metal de solda no mundo [fonte: ESAB, 2006].

Na aplicao do processo FCAW normalmente indicado, pelos fabricantes de

arame tubular, o uso de dois gases de proteo: o CO2 puro e a mistura de 75%

Argnio + 25% CO2. No estudo realizado por Starling et al [2004] o FCAW com o

gs mistura (75%Ar+25%CO2) propicia maior eficincia de deposio (tubular), mostrado na TAB 2.1 .

TABELA 2.1 - Valores eficincia de deposio (tubular) do arame tubular [Starling et al, 2004] Arame Tubular Rutlico ER71T-1

Condio Avaliada tubular 75% Ar 25% CO2, DBCP = 16,05 mm 0,8541

75% Ar 25% CO2, DBCP = 16,05 mm 0,8565

100% CO2, DBCP = 16,05 mm 0,8250

Eletrodo Arame slido Arame arco submerso Arame tubular

Mil toneladas

27

Ainda de acordo com Starling et al [2004] os gases proteo no exercem maior

efeito sobre velocidade de fuso de arame-w (m/min), mostrado na FIG 2.3.

FIGURA 2.3 - Efeito dos gases sobre velocidade de fuso(w), arame ER71T-1 [Starling et al, 2004]

Na soldagem FCAW com backing cermico recomendado algumas precaues

sobre o uso com a mistura (75%Ar+25%CO2) ou 100% CO2, conforme ser

descrito a seguir sendo relacionadas as letras a-b-d-e para a posio plana, as

letras a-b-c-d-e para a posio horizontal e as letras a-b para a posio vertical:

a) Realizar limpeza da superfcie de contato do backing com o mnimo

necessrio para o adesivo fixar bem;

b) Pode ser necessrio estocagem em local seco ou aquecido;

c) Deve ser considerada a possibilidade de mordedura no cordo de solda;

d) Movimentar o ngulo de 30-40 graus com o arco direcionado entre o centro e a

borda da poa, para minimizar a possibilidade de porosidade vermiforme;

e) Deve ser considerado o processo de exame volumtrico do cordo para

assegurar a integridade [Cantrell,1982].

Cantrell [1982] ainda alerta que na soldagem FCAW na posio plana tambm

pode ocorrer o aparecimento do defeito da porosidade conhecida como

vermiforme, que ser descrita posteriormente.

28

2.2 Soldagem Unilateral

O termo soldagem unilateral tem atrelado o conceito da unio de juntas metlicas

que exigem penetrao total, com a soldagem apenas de um lado da pea, e

quando executada com um ou vrios passes (raiz, enchimento e acabamento)

na formao do cordo de solda em chapas de espessura acima de 4 mm.

Apesar da existncia de vrias aplicaes com a soldagem de um lado s, a

aplicao do termo unilateral se justifica quando h necessidade de penetrao

total da junta soldada. Contudo, quando h exigncia de penetrao total,

observado na prtica que a soldagem realizada dos dois lados da pea, como

mostrado na FIG 2.4 e descrito nas etapas seguintes:

a) Preparao da junta a ser soldada;

b) Passe de raiz de um lado da pea, na base do chanfro;

c) Passe de enchimento do chanfro, de um lado;

d) Passes de acabamento da solda, na sequncia do enchimento de um lado;

e) Giro da pea, para acessar o lado oposto ao incio da solda na etapa 2;

f) Realizao da goivagem ou esmerilhamento do passe de raiz executado

anteriomente, retirando os defeitos inerentes e igualando a superfcie do cordo

de solda para receber o prximo passe;

g) Finalizao da soldagem atravs da realizao, em cima do passe de raiz

corrigido, do novo passe de acabamento do outro lado.

FIGURA 2.4 Soldagem dois lados (esquerda) e Soldagem Unilateral (direita)

Diante das etapas descritas acima se entende que a soldagem unilateral, tem um

atrativo campo de aplicao, pois evitado a execuo das etapas e, f e g, vindo

29

a reduzir custos operacionais e aumentar produtividade. De acordo com Muir

[1985] obtm-se os seguintes benefcios potenciais:

Reduo dos ensaios no destrutivos (END) e dos reparos, comparado com a soldagem de duas passagens;

Poucos passes de solda durante a manufatura do painel tendo como resultado a reduo na distoro e nos custos;

Reduo na quantidade de exames radiogrficos devido a preveno do defeito da falta de fuso;

Para se alcanar os benefcios citados anteriormente 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 unilateral com qualidade.

De acordo com Malin [2001] necessrio indicar algumas caractersticas

geomtricas pertinentes ao passe de raiz, como mostrado na FIG 2.4. Estas

caractersticas merecem ser avaliadas no s nos estudos sobre o assunto, como

tambm durante a aplicao do processo na produo industrial.

FIGURA 2.4 - Caractersticas das regies do passe de raiz utilizadas neste trabalho [Malin, 2001].

30

Penetrao do Passe de Raiz

Superfcie do Passe de Raiz

RO = Abertura da face da Raiz

wrr = Largura do Reforo da Raiz

rea fuso do Passe de Raiz

hrr = Altura do Reforo da Raiz

Reforo da Raiz

= ngulo Abertura da junta

Quando o assunto produo industrial, conforme j foi dito na introduo, os

setores que tem maior benefcio com a aplicao deste processo, so os da

indstria naval, da caldeiraria em geral e da soldagem de tubulao. Mesmo com

estes benefcios, a soldagem unilateral no vem sendo muito difundida na

construo naval de pases, fora o Japo e Coria considerados os gigantes deste

setor, como por exemplo, a Inglaterra, os Estados Unidos [Muir, J, 1985] e o

Brasil. Este cenrio tende a mudar com o crescimento do setor naval no Brasil,

conforme dito anteriormente.

Uma caracterstica que diferencia a soldagem unilateral da soldagem convencional

(dois lados) a presena do backing tipo metlico (ao ou cobre) ou tipo

cermico, na junta a ser soldada.

Com a evoluo da engenharia cermica, a aplicao do backing cermico se

tornou uma opo bastante vivel. Vrios grupos de tecnologia e pesquisa, dos

pases com indstria naval ativa, tm estudado a soldagem unilateral com backing

cermico. Esta variao tem sido aplicada na linha de fabricao de plataformas e

costados de navios (painis), contribuindo assim para o aumento da participao

deste processo com melhorias operacionais e de qualidade da solda produzida,

conforme mostrado na FIG 2.5 [Malin,2001]

FIGURA 2.5- Macrografia do cordo de solda unilateral SAW nas chapas de vrias espessuras (E) com abertura de raiz(RO). (A): E = 9,5mm e RO = 4,8mm; (B): E = 17,5mm e RO = 6,4 mm e (C): E

= 25,4mm e RO = 6,4 mm. (escala 1 diviso = 1.6mm) [Malin,2001]

31

2.3 - Backing usado na soldagem unilateral

O backing definido como o material colocado na raiz da junta de solda com a

finalidade de suportar o metal fundido durante a soldagem. Sua funo facilitar a

penetrao total da junta. A FIG 2.6 representa um sistema do backing de cobre.

FIGURA 2.6 Sistema de backing de cobre provisrio. Os anis de cobre so posicionados dentro do tubo e suportam a poa de solda [Hahn, 2004].

Pode-se classificar o backing em dois grupos distintos: permanente e provisrio.

O backing permanente pode ser de material similar quele que est sendo

soldado, como por exemplo, ao carbono para a chapa de ao carbono, e

consequentemente torna-se parte integrante da junta porque fundido junto com o

passe de raiz da solda e, portanto, no necessita ser removido. O backing

provisrio deve ser de material dissimilar ao metal base e pode ser de cobre ou de

material cermico, o qual no se torna parte fundida ao passe de raiz. Como

removido quando a soldagem terminada, este tipo de backing tambm referido

como backing removvel.

Para a qualificao do procedimento de soldagem algumas normas classificam o

backing como varivel essencial, mas outras normas no. Para a qualificao do

soldador, o backing classificado como varivel essencial.

32

H o consenso de que se o sistema de backing evoluir ao ponto que permita a

penetrao total na soldagem unilateral com altas taxas de deposio

provenientes dos processos de soldagem, que seja bastante aceitvel para

absorver tolerncias da construo e montagem, que seja relativamente fcil de

usar, e que tenha o custo eficaz no ambiente de produo, a indstria da

soldagem comear ento uma nova era de eficincia [Cantrell, 1982].

Neste trabalho ser usado o backing provisrio e removvel do tipo cermico,

denominado pelo termo backing cermico, que ser detalhado posteriormente.

2.3.1 - Material cermico - caractersticas e composio

As cermicas so formadas por uma diversidade enorme de materiais, os quais

pertencem os segmentos tradicionais (como as louas/cermicas e os refratrios)

e os produzidos pela moderna engenharia cermica (como a alumina e Nitrato de

Slicio) encontrada nos dispositivos eletrnicos, componentes aeroespaciais,

ferramentas de corte e na soldagem.

As cermicas apresentam uma fortssima ligao inica e/ou covalente, mais forte

do que a ligao metlica, que confere as propriedades geralmente associadas s

cermicas como: dureza elevada, fora de compresso elevada, baixa

condutividade trmica e eltrica e quimicamente inerte. Com estas propriedades

podem ser usadas em alta temperatura, como isolante trmico, e aplicaes de

atmosfera corrosiva. Esta ligao forte tambm explica as propriedades menos

atrativas das cermicas, tais como a baixa dutilidade e a baixa resistncia a

trao. [Taylor, 2001].

A grande preocupao com o material cermico a sua composio qumica.

Ainda segundo Taylor [2001], os principais grupos dos componentes cermicos

so basicamente os xidos, os nitretos e os carbetos. O xido de alumnio,

33

Alumina (Al2O3) um dos mais usados na engenharia cermica nos grupos dos

xidos, muito devido disponibilidade de matria-prima e o baixo custo. O Nitreto

de silcio (Si3N4), e o nitreto de alumnio (AlN4) so a principal evoluo da

engenharia cermica na categoria dos nitretos. O Carbeto de Silcio (SiC) muito

usado devido a sua baixa condutividade trmica, resistncia corroso e dureza.

De acordo com Lima et al [1998] materiais cermicos constitudos por xidos

multielementares representam uma parcela significativa das cermicas com

aplicao tecnolgica bem estabelecida, sendo mullita (3Al2O3.2SiO2) e cordierita

(5SiO2.2Al2O3.2MgO), mostradas nas FIG 2.7 (A) e (B) respectivamente, bastante

representativas desse grupo.

FIGURA 2.7 - Aparncia Mullita (A) e Aparncia Cordierita 20x20x15mm (B), fonte:

webmineral.com, foto de Jeff Weismann e John Betts, respectivamente

A preparao da mulita, a partir da mistura de Al2O3 e SiO2 com partculas de

dimenses coloidais, acontece por volta de 1200oC e semelhante a preparao

da cordierita (Al2O3 e SiO2 e MgO). As reaes entre ps reativos ainda so muito

utilizadas na preparao de material cermico como a mulita e a cordierita.

Entretanto o processo sol-gel tem apresentado resultados promissores. O

processo sol-gel diferenciado dos demais pela possibilidade de preparao de

gis com o mesmo grau de homogeneidade da soluo inicial, facilidade de

modelar os gis e com a obteno de corpos cermicos com formato pr-definido

[Lima et al,1998].

34

(A) (B)

Devido as suas propriedades termo-mecnicas excelentes, estes materiais (mullita

e cordierita) podem ser utilizados como os auxiliares removveis que suportam o

metal fundido nos processos de soldagem [Tardei, 2004], conhecidos como

backing cermico.

Assim sendo, a cermica um material ideal para exercer a funo de cobre junta

no processo de soldagem unilateral, tendo a possibilidade de ser produzido vrios

formatos e de adaptar as diversas situaes que surgem no ambiente de trabalho

das indstrias.

2.3.2 - Tipos de backing cermico usados na soldagem unilateral

Tendo em vista que na soldagem unilateral existe uma diversidade enorme de

situaes de fabricao durante a produo de peas e equipamentos, como

posio de soldagem, tipo de junta, tipo de chanfro, alinhamento/desalinhamento

da junta, juntas dissimilares, peas de formato reto ou curvado e processo de

soldagem aplicvel, exigido que o backing cermico se adapte as situaes e,

por conseguinte, possua diversas formas e dimenses.

Existem diversos fabricantes de backing cermicos, sendo que os maiores esto

presentes nos pases que possuem um parque industrial naval desenvolvido

como: Singapura, Coria do Norte e Sul e Japo, alm dos Estados Unidos.

Normalmente fornecem o produto com as mesmas caractersticas e formatos, as

pequenas variaes e opes entre eles ocorrem devido demanda pelo

atendimento as aplicaes especficas. A variedade das configuraes permitidas

encontra-se na FIG 2.8. As opes com relao aos tipos de junta e posies de

soldagem so mostradas na FIG 2.9.

35

FIGURA 2.8 - Variedade de backing cermico KATBAK [KATBAK 2005]

FIGURA 2.9 Ilustrativo da variedade de aplicao do backing cermico, marca LASCENTRUM: (A) cordo circular, (B) e (C) chanfro tipo K e X, (D) posio horizontal, (E) posicionamento entre chapas de 90o, (F), (G) e (H) posio plana e vertical, Folheto HYUNDAI

Para melhor avaliao e definio de qual tipo de backing cermico usar, devem

ser consultados folhetos tcnicos dos fabricantes, contendo as dimenses, o tipo

de processo e posio de soldagem, entre outras caractersticas. Uma relao

parcial dos tipos de backing encontra-se no ANEXO 1a e no ANEXO 1b.

A B C D

HGFE

36

Alguns artigos avaliam o desempenho da soldagem com vrios tipos de backing.

Muir [1985] usou trs tipos com geometria e/ou composio diferentes, como

mostrado na FIG 2.10.

FIGURA 2.10 Geometria e tipos de backing cermico [Muir, 1985]

O Formato da extremidade, arredondado e encaixvel, do tipo C seria considerado

sem vantagens, mas para a soldagem de superfcie irregular e curvadas devem

propiciar melhora no encaixe e minimizar o risco de perda do arco. Por causa do

sulco menor no backing tipo A, comparado ao tipo C, foi possvel obter um perfil

aceitvel do reforo da raiz com energia mais baixa do arco eltrico. O backing

tipo B, com as mesmas dimenses que o tipo A, mas composio diferente

(esteatita), apresentou acmulo excessivo no perfil da superfcie do cordo e

muitas falhas na raiz. Consequemente o backing tipo A (Cordierita) foi utilizado em

todo o trabalho futuro [Muir,1985].

Quando se trata de backing cermico aplicado na soldagem FCAW nas posies

plana e vertical com junta de topo chanfrada, alguns fornecedores oferecem duas

opes com relao ao formato do rebaixo central denominado sulco: retangular

ou cncavo. Segundo informao colhida com o fornecedor Gullco - KATBAK, baseado em observaes prticas no ambiente de trabalho, o sulco retangular

mais indicado para arames tubulares (FCAW), pois propicia maior espao lateral

para a escria fluir acarretando bom reforo da raiz, como mostrado na FIG 2.11.

37

Tipo A ..... Cordierita e B ..... Esteatita C ..... Esteatita

FIGURA 2.11 - Backing cermico aplicado a soldagem FCAW sulco retangular [KATBAK 2005]

O formato cncavo pode tambm ser usado, mas produzir reforo da raiz menor.

Este formato mais indicado para a soldagem GMAW e MCAW, como mostrado

na FIG. 2.12.

FIGURA 2.12 - Backing cermico aplicado no GMAW, MCAW e FCAW sulco cncavo

[KATBAK 2005]

Em consulta feita junto ao fornecedor da marca KATBAK, verificou-se que a indstria naval demonstra certa preferncia pelo uso do backing com sulco

retangular na soldagem FCAW.

Pol. / mm

Pol. / mm

6,3 22,2-25,4

25,4

4,0 1,6 4,8r

11,1

6,3 25,4

25,4

7,2 11,1 1,6

4,8r

38

2.3.3 - Backing cermico e suas formas de aplicao

Atravs dos anos, numerosos sistemas de backing tipo cermico (recipientes do

fluxo, fitas adesivas de fibra de vidro, fitas adesivas com fluxos, telhas cermicas,

as sapatas de cobre, etc..) foram introduzidos e resistiram com variao nos nveis

de sucesso e de adaptabilidade. Ainda assim, nenhum sistema encontrou a

aceitao geral. Mesmo que o backing cermico, por si s, no seja novidade,

existe um interesse e um entusiasmo renovados entre comerciantes deste

consumvel [Cantrell, 1982].

Uma das principais caractersticas que permite o uso do backing cermico em

situaes vantajosas, em comparao ao backing metlico, a possibilidade de

fixao direto na junta (chapa) a ser soldada e sua posterior remoo.

Os vrios tipos existentes de backing cermico possibilitam variadas formas de

executar a fixao e de acordo com Cantrell [1982] destacam-se as seguintes:

a) Fixao com fita adesiva de alumnio, conforme mostrado na FIG 2.13;

b) Fixao com cordo de fio de ao, conforme mostrado na FIG 2.14;

c) Fixao com o auxlio de uma base metlica tipo trilho, mostrado na FIG 2.15;

d) Fixao com a aplicao de uma base ou dispositivos magnticos e

e) Fixao com auxlio de grampo mola.

FIGURA 2.13 Esquema de fixao do backing cermico com fita adesiva alumnio.

39

FIGURA 2.14 Esquema de fixao do backing cermico com cabo de ao.

FIGURA 2.15 Esquema do backing cermico suportado por base metlica tipo trilho.

Normalmente o backing Cermico utilizado uma nica vez, ou seja, aceita

apenas a realizao de um passe de solda e deve ser descartado. Esta

caracterstica consumvel o diferencia do backing de ligas de cobre, que pode ser

usado inmeras vezes. O sistema de fixao que mais adequado a atender esta

caracterstica o com a fita adesiva de alumnio. Este tipo o preferido nas atuais

aplicaes industriais da soldagem unilateral. Suas particularidades encontram-se

na FIG 2.16.

40

FIGURA 2.16 - Esquema dos componentes do backing cermico com fita adesiva de alumnio.

2.4 - Soldagem unilateral com backing cermico - caractersticas

Tradicionalmente, a soldagem unilateral tem sido executada com backing metlico

tendo a preferncia quando se trata de fabricao de peas que no alteram

consideravelmente as dimenses, produzidas em grande escala e, por

conseguinte, utilizando dispositivos dedicados.

Entretanto, no segmento de caldeiraria pesada (indstria naval e estruturas

metlicas), um equipamento formado por um conjunto de peas com

caractersticas dimensionais e de construo distintas as quais exigem

versatilidade, agilidade na montagem e concluso da junta evitando retrabalho

[Muir, 1985]. Nessa condio, o backing cermico apresenta vantagens em

relao ao backing metlico.

41

A maioria dos trabalhos existentes sobre soldagem unilateral diz respeito ao

processo SAW. Contudo a crescente aplicao do processo FCAW, cada vez mais

presente na construo naval e na calderaria pesada, leva alguns autores a se

interessarem em apresentar os aspectos envolvidos neste processo de soldagem,

considerando a semelhana da junta soldada produzida por ambos os processos,

ou seja, penetrao total.

O FCAW considerado um processo originalmente semi-mecanizado, assim o

grande desafio conseguir a soldagem unilateral com backing cermico de forma

mecanizada. A automatizao no simplesmente uma questo de fazer com que

a tocha de soldagem siga uma determinada trajetria independentemente de um

soldador, mas tambm uma questo de como fazer uma escolha adequada de

parmetros de soldagem a fim de que o primeiro intento seja possvel [Dutra et al,

1987].

Na forma mecanizada ou semi-mecanizada com o FCAW, uma das grandes

dificuldades da soldagem unilateral com backing cermico a execuo do passe

de raiz. Na busca pela superao desta dificuldade, so conjugados 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.

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;

42

Espessura da chapa = 17,5 mm; Junta de topo; Chanfro: tipo V simples; Arame/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 neste trabalho, 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 mostrado na FIG 2.17.

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 600 A a 1000 A, a largura do reforo (wrr) foi independente da corrente e variou muito pouco (entre 14,1 13,0 mm).

43

FIGURA 2.17 Efeito da corrente na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001]

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 2.18. 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.

Altu

ra d

o re

for

o da

raiz

hrr (m

m)

Larg

ura

do re

for

o da

raiz

wrr (m

m)

Corrente - I (A)

44

FIGURA 2.18 Efeito da abertura da junta na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e

largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001] c) A inclinao da tocha (a) em relao direo de soldagem, mantida fixa a

abertura da junta () e variando a corrente, influencia diretamente na altura (hrr) e na largura do reforo da raiz (wrr), como mostrado na FIG 2.19.

O grfico mostra que, para a = 0o e a = 15o, a inclinao da curva muda de

positiva para negativa, no ponto em que a corrente atinge 700 A (a corrente variou

de 600 a 900 A). O efeito da inclinao da tocha, no formato do reforo da raiz

favorvel para a = 15o. A altura do reforo da raiz (hrr) aumentou consideravelmente com a = 15o, em comparao com a = 0o, quando a corrente

ultrapassa 600 A. Este aumento particularmente favorvel porque a hrr tipicamente raso em correntes elevadas. A largura do reforo da raiz (wrr) ficou ligeiramente maior em a = 15o em todas as correntes usadas.

Abertura da raiz-RO ( mm )

Larg

ura

do re

for

o da

raiz

wrr (

mm

)

Altu

ra d

o re

for

o da

raiz

hrr (

mm

)

45

FIGURA 2.19 Efeito da inclinao da tocha (a=0o e 15o ) na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001]

d) O efeito da abertura da junta () na altura do reforo da raiz (hrr) e largura do

reforo da raiz (wrr), mantendo fixa a abertura da raiz (RO= 6,4mm) e variando a corrente, ilustrado na FIG 2.20.

A altura do reforo depende tambm da corrente. Em 600 A, a hrr foi maior em 45o do que em 30o, porque um ngulo maior fornece uma penetrao mais profunda

da borda da raiz. Entretanto, em 700 A e = 30o foram melhores os valores de hrr e wrr. Na realidade, o mximo da hrr foi alcanado em 700 A e = 30o. Com o aumento da corrente, hrr diminuiu em ambos os ngulos estudados. Entretanto, permaneceu aceitvel dentro da escala explorada da corrente (600-900 A). A

largura do reforo da raiz (wrr) no se alterou muito com o aumento da corrente em ambos os ngulos de 45o e 30o, embora tenha ficado ligeiramente mais larga

em 30o.

Corrente - I (A)A

ltura

do

refo

ro

da ra

iz h

rr (m

m)

Larg

ura

do re

for

o da

raiz

wrr (m

m)

46

FIGURA 2.20 Efeito da abertura da junta () associada a corrente na geometria do reforo da raiz, altura do reforo (hrr) e largura do reforo (wrr), processo SAW [Malin, 2001]

Portanto, com o conhecimento adquirido em trabalhos direcionados para a

realizao da soldagem unilateral com backing cermico, possvel associar as

caractersticas comuns aos processos aplicveis e cada vez mais desenvolver

tcnicas de utilizao que permitam a soldagem de qualidade.

Entretanto, at se conseguir o domnio das variveis envolvidas no processo, os

defeitos da soldagem so inevitveis, como os que ocorrem na soldagem

unilateral FCAW com backing cermico.

2.4.1 - Defeitos ocorridos na FCAW com backing cermico - passe de raiz

Conforme dito anteriormente, na soldagem unilateral FCAW com backing cermico

dada uma ateno especial ao passe de raiz, pois dele depende todo o sucesso

47

Corrente - I (A)A

ltura

do

refo

ro

da ra

iz h

rr (m

m)

Larg

ura

do re

for

o da

raiz

wrr (m

m)

da solda com penetrao total. Os passes de enchimento e acabamento so

tambm importantes contudo, no so normalmente abordados nos trabalhos uma

vez que as caractersticas presentes nestes passes so inerentes boa execuo

do processo de soldagem, sem que tenham relao com o backing cermico.

Os defeitos relativos ao formato do reforo da raiz decorrem, dentre outros, dos

fatores presentes na soldagem como: abertura de junta, ngulo de chanfro,

dimenso da face (nariz) da raiz, ngulo da tocha em relao direo de

soldagem, velocidade de soldagem, aporte trmico, manejo da tocha.

Cantrell [1982] obteve alguns formatos do reforo da raiz, atuando no manejo da

tocha com e sem tecimento, conforme comparao mostrada na FIG 2.22. 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 2.21 Efeito da tcnica de soldagem no reforo da raiz, arame ER70T-1 dimetro 1,6

mm, posio plana, Chanfro tipo V 60o, 240 A e 25 V Mistura 75% Ar + 25% CO2, sem face de raiz, abertura raiz aprox. 2,4 mm. [Cantrell, 1982]

48

Teste 1 Cordo enfileirado aprox. 23 cm/minArco na direo da borda da poa

Teste 2 Tecimento do cordo aprox. 15 cm/min Arco na direo do centro da poa

Teste 3 Tecimento do cordo aprox. 23 cm/minArco na direo da borda da poa

Teste 4 Cordo enfileirado aprox. 15 cm/min Arco na direo do centro da poa

O uso do backing cermico com FCAW foi prejudicado ocasionalmente pela

porosidade interna descrita geralmente como porosidade vermiforme, uma vez

que a forma e o arranjo das falhas ou vazios so semelhantes ao rastro deixado

pelo verme. Quando isto ocorre, os pontos caractersticos da porosidade

vermiforme apontam no sentido da soldagem e surgem sozinhos ou como

depresso tubular na rea da linha central da solda [Cantrell, 1982]. A FIG 2.23

ilustra um exemplo deste defeito, ocorrido durante a soldagem de uma amostra

neste trabalho.

FIGURA 2.22 Defeito da porosidade vermiforme, no sentido lateral e tubular no centro da solda.

Passe de raiz, FCAW com backing cermico

As superfcies internas do defeito vermiforme so lisas e se apresentam na cor

cinza metlico com formato do caminho de minhoca (wormhole). De acordo com

Cantrell [1982], as porosidades vermiforme e tubular ocorrem na soldagem pelo

FCAW com backing cermico nas posies plana e horizontal. Diversas fontes de

gases, que causam porosidade, raramente podem ser originadas do backing

cermico. Existe a possibilidade de absoro da umidade, presente no ambiente,

por parte dos cermicos. A absoro da umidade mais elevada na cordierita.

Entretanto, para os cermicos secos, as porosidades vermiforme e tubular

ocorrem na mesma freqncia com a cordierita e esteatita.

49

Vermiforme

Tubular

10 mm

Outra fonte de gs pode ser devido s quantidades residuais de pasta orgnica

usada para aglomerar o p cermico durante sua formao e que pode

permanecer no cermico aps o seu aquecimento. Em temperaturas de soldagem,

estes residuais orgnicos liberariam CO2 e H2O. Tudo isso contribui para a

porosidade. O mecanismo de formao do defeito descrito e ilustrado na FIG

2.24.

FIGURA 2.23 Mecanismo da formao da porosidade tubular e vermiforme [Cantrell, 1982].

Existe ainda a possibilidade de alguma presena de Alumina (xido de alumnio -

Al2O3) no cordo de solda, proveniente dos constituintes do backing cermico. A

alumina o constituinte mais utilizado, devido a facilidade em termos de

disponibilidade de matria prima e de custo [Taylor, 2002]. Entretanto, com a

evoluo da engenharia cermica associada ao melhor conhecimento e domnio

dos parmetros envolvidos na soldagem com backing cermico, esta possibilidade

praticamente eliminada. No foi encontrada na literatura referncia sobre a

presena de alumina no passe de raiz.

50

1- A alta viscosidade sob a regio central causa o contorno nico da poa. Indicada na regio destacada da ilustrao. A viscosidade presente varia continuamente.

2- Dependendo da localizao, tempo, etc, a nucleao da bolha na regio de baixa viscosidade pode no penetrar na regio de alta viscosidade e escapar pela poa.

3- Quantidade subsequente de gs, proveniente da bolha induzida, causa expanso prxima a regio de menor resistncia, i.e. prximo da regio mais fluda da poa, mais aquecida. As estrias so devido abrupta mudana na taxa de gasagem.

4 - Se o gs ainda liberado na linha central da poa, a tubular ocorre com vermiformes. Se bolhas no so nucleadas e induzidas at que a poa quase solidificada, a porosidade tubular ocorre sozinha.

1

34 2

Outra defeito o rechupe das bordas do passe de raiz da junta com profundo

efeito no seu formato, tambm denominado rebaixamento. O mecanismo para a

ocorrncia do rechupe envolve a natureza refratria do backing cermico. O fluxo

de calor no metal da poa de fuso muito mais lento no backing cermico do que

atravs do backing metlico. O Calor, que fluiria normalmente da poa de fuso

atravs do backing metlico, propaga preferencialmente para o metal base quando

a soldagem executada sobre o backing cermico. Adicionalmente, h

provavelmente uma densidade de corrente um tanto mais elevada na regio da

raiz desde que um material no condutor (backing cermico) foi introduzido em

parte do trajeto original da corrente. Este fluxo de calor concentrado funde as

bordas do material base junto ao backing cermico a uma profundidade muito

maior do que em uma junta correspondente, quando se emprega o backing

metlico. O rechupe facilmente evidenciado nas macrografias das soldagens

feitas pelo processo FCAW com backing cermico [Cantrell, 1982]. O mecanismo

de formao do rechupe relacionando o backing cermico e o backing metlico, na

posio horizontal, mostrado na FIG 2.25.

FIGURA 2.24 Mecanismo explicando o surgimento do rechupe no metal de solda em FCAW na

posio horizontal [Cantrell, 1982]

51

1- A borda da raiz funde com muito maior penetrao sobre a cermica do que no metal

2- A superfcie da poa de solda (passe de raiz) no to aderida na cermica como no metal

4 Contorno original cermico funde e ajusta ao contorno do metal lquido mais denso

BACKING CERMICO BACKING METLICO 3Dimenses da poa com volume largo e vertical, de cima para baixo, mais ausente da colagem que o permitido.

Outro situao muito comum que causa soldas defeituosas a perda de

estabilidade do arco, pois, caso o arame incida somente sobre o backing

cermico, que por si s no conduz eletricidade, o contato eltrico ser perdido.

Alm disso se a tolerncia da preparao, que depende da abertura entre as

placas, for muito maior do que o dimetro do arame, o contato eltrico pode ser

perdido [Muir, 1985].

Em todo processo de soldagem, os defeitos que surgem no ambiente de trabalho

so contornados e evitados com o uso do conhecimento dos fenmenos ocorridos

e o domnio dos parmetros envolvidos. Uma vez dominado, principalmente o

passe de raiz, no processo de soldagem unilateral FCAW com backing cermico,

existiro diversas aplicaes na indstria mecnica em geral.

2.4.2 - Aplicaes da soldagem unilateral com backing cermico

Produzir uma solda de raiz aceitvel a tarefa mais difcil e a chave do sucesso

em todo o mtodo de soldagem unilateral. Se uma solda de raiz aceitvel for

formada, o restante do chanfro pode ser preenchido usando-se o processo de

soldagem aplicvel sem maiores dificuldades [Malin, 2001].

A soldagem unilateral propiciar uma formao aceitvel do passe de raiz se

forem mantidas praticamente constantes a geometria do chanfro e as variveis de

soldagem. Entretanto muitas das vezes encontram-se situaes no ambiente do

cho de fbrica que prejudicam a aplicao da soldagem unilateral como:

Tolerncias de montagem muito frouxas; Grandes aberturas da raiz da junta; Desalinhamento significativo das chapas provocado por falha na montagem ou

por distoro da soldagem previamente realizadas em componentes na

estrutura;

Variaes no ngulo do chanfro e na face da raiz.

52

Uma vez controladas todas as etapas envolvidas na soldagem, o sistema de

backing cermico pode ser usado em diversos segmentos:

Construo de navios; Soldagem de tubulao; Calderaria em geral; Fbricas de estruturas metlicas; Bocas de visita em tanques.

Torna-se bastante atrativo o uso do processo FCAW na soldagem unilateral com

backing cermico em relao ao processo SAW, pois os equipamentos utilizados

para o FCAW tm custos reduzidos em relao ao SAW, alm dos transtornos

causados pela manipulao dos fluxos no SAW. Isto pode ser constatado

principalmente na indstria naval onde a participao do SAW ainda grande.

Com o aumento de consumo do backing cermico percebe-se a entrada no pas

de empresas que comercializam este consumvel, antes s adquirido pelos

usurios atravs de importao direta.

A soldagem unilateral FCAW com backing cermico normalmente executada de

forma semi-mecanizada, ou seja, necessita da mo do soldador para conduzir a

tocha de soldagem. Isto se explica devido dificuldade no controle da incidncia

do arame dentro da poa de fuso durante a execuo do passe de raiz. O

soldador poder compensar esta dificuldade, manipulando a tocha e mantendo o

arco estvel, ou seja, usando sua habilidade manual. Portanto o desafio

conseguir a soldagem unilateral FCAW com backing cermico de forma

mecanizada, sem interferncia da habilidade manual do soldador.

Alguns Pesquisadores estudaram a soldagem unilateral mecanizada com o

processo FCAW sem a utilizao do backing cermico e os resultados relatados

devem ser considerados para eventuais comparaes relacionadas aos benefcios

com o seu uso.

53

2.5 - Soldagem unilateral FCAW sem backing - caractersticas

Na busca do ideal aparece a soldagem unilateral sem backing, metlico ou

cermico, com o conceito de produtividade dos processos GMAW ou FCAW.

Entretanto ela normalmente vem sendo realizada com a utilizao dos processos

GTAW e SMAW na execuo do passe de raiz, com ou sem remoo posterior

(goivagem) e finalizao desta raiz. Desta forma perde-se em produtividade,

conforme visto anteriormente, contudo so considerados atualmente os processos

mais confiveis do ponto de vista da integridade mecnica da junta soldada.

Entre as vrias aplicaes com a ausncia do backing, destaca-se a soldagem de

tubulao, usadas em linha de gasodutos, minerodutos e liquedutos. A refereida

ausncia principalmente devida impossibilidade da aplicao do backing

durante a soldagem do passe de raiz, do que propriamente opo de seu uso.

Para adequar a soldagem unilateral sem backing a um processo de soldagem

mais produtivo, que os atualmente aplicados (GTAW e SMAW), alguns estudos

[Oliveira, 2002] e [Soraggi, 2004] foram realizados para viabilizar a soldagem com

arame tubular de forma mecanizada, utilizando-se fonte de energia convencional

(mquina de solda).

A dificuldade da aplicao do FCAW na soldagem sem backing, com mquina de

solda convencional, reside na ocorrncia de defeitos como fuso lateral, falta de

fuso e falta de penetrao na regio do passe de raiz, os quais influenciam para

a m formao deste. Pode ainda ocorrer o defeito de incluso de escria ao

longo do cordo de solda da junta chanfrada.

Quando da aplicao do FCAW na posio plana, foi observado por Oliveira

[2002] o efeito da fuso concentrada em um dos lados da raiz da junta, ficando o

outro lado inalterado. Este efeito ocorreu com ou sem aprisionamento de escria

do lado no fundido, como mostrado na FIG 2.26. Este efeito no foi observado

54

nas outras posies de soldagem, o que leva a acreditar tratar-se de um problema

exclusivo da posio plana [Oliveira, 2002].

FIGURA 2.25 - Macrografias de cordes de solda com fuso lateral na regio da raiz, Fonte

[Oliveira, 2002]

Para fins comparativos foram feitos testes com arame slido, processo GMAW, no

intuito de buscar condies mais prximas das empregadas com arame tubular. O

efeito da fuso lateral na regio da raiz no se manifestou em nenhuma das treze

soldas feitas pelo processo GMAW [Oliveira, 2002], como mostrado na FIG 2.27.

FIGURA 2.26 - Comparao entre cordes GMAW (esquerda) e FCAW(direita). [Oliveira, 2002]

A soldagem sem backing, aplicada principalmente em tubulao, vem sendo

desenvolvida com arame slido (GMAW), a partir da utilizao de fonte de energia

inversora eletrnica com tecnologia de transferncia metlica denominada curto

circuito controlado, apesar de ainda ter custo mais alto que as fontes de energia

convencionais.

55

As empresas fabricantes de mquina de solda desenvolvem programas que

controlam o curto circuito (CC), facilitando muito sua aplicao na soldagem do

passe de raiz, entre eles encontra-se o ilustrado na FIG. 2.28, que atua no

controle do arco eltrico como descrito a seguir:

Durante o perodo do CC, a energia funde a gota do arame de adio. Ocorre ento a transferncia do metal no ponto de baixa corrente propiciando o arco

livre de respingo;

Aps a transferncia do metal, inicia-se o perodo do arco com alta corrente (arco aberto). O arco aberto forma a poa de fuso e leva energia ao metal

base, propiciando a penetrao da solda;

O ciclo completo leva de 5,0 a 6,0 ms (perodo de curto circuito e arco aberto).

FIGURA 2.27 ilustrao com diagrama da formao da onda da corrente e srie de fotos de alta

velocidade da soldagem GMAW (MIG) da ponta do arame, fonte [KEMPPI, 2007]

Devido s vrias opes de soldagem do passe de raiz, o estudo que ser

mostrado a seguir torna-se importante por ser mais uma opo na tomada de

deciso na aplicao do processo de soldagem adequado s diversas situaes

encontradas no ambiente de produo e fabricao.

Perodo do curto circuito Perodo do arco

56

3 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Neste captulo sero apresentados os materiais de consumo e material base, a

descrio dos equipamentos e dos acessrios, a metodologia experimental, os

sistemas de medio e as diretrizes empregadas no estudo os quais permitiram o

mapeamento da soldagem FCAW com backing cermico em ao carbono do

passe de raiz, em junta de topo com chanfro tipo V e na posio plana.

Testes preliminares foram realizados para melhor adequao e conhecimento dos

efeitos das seis variveis envolvidas neste estudo: corrente, tenso, velocidade de

soldagem, abertura da face da raiz, ngulo do chanfro e inclinao da tocha. Alm

disso, a tcnica operatria permitiu definir, de forma a manter constante o tipo de

gs de proteo e respectiva vazo, a distncia bico contato pea (DBCP), a

altura da face de raiz, o tipo de backing cermico e o tipo de arame consumvel.

Esta fase objetivou a obteno da mnima estabilidade de arco para a realizao

do passe de raiz, o qual foi posteriormente avaliado na sua formatao, sendo

considerado como aceitvel ou no para prosseguimento da soldagem da junta. A

FIG 3.1 mostra o esquema do reforo da raiz, altura (hrr) e largura (wrr) considerado aceitvel.

FIGURA 3.1 Esquema das caractersticas do reforo do passe de raiz considerado aceitvel

A anlise dos resultados preliminares possibilitou a obteno de referncias para a

prxima fase de testes, quando foi realizada a pesquisa dos parmetros

envolvidos nas seis variveis de soldagem, citados anteriormente. Diante das

57

wrr = ( RO+1mm ) a ( 2 x RO )

hrr = 0 a 1,5mm

Superfcie cncava ou plana. Sem mordedura

RO

referncias mencionadas, foi definido que seria mantido durante a soldagem das

amostras o aporte trmico (HI), que a conjugao dos parmetros de tenso (V),

corrente (I) e velocidade de soldagem (vs), aplicados na frmula: HI = VI / vs, em

patamares com variao de +/- 20%, enquanto se processavam as alteraes das

outras variveis.

As dimenses da altura e largura do reforo da raiz em funo do parmetros das

variveis propiciaram o levantamento das respectivas curvas. Muitas amostras

resultaram em um passe de raiz no aceitvel, no sendo consideradas para o

levantamento das curvas, mas sendo registrados os dados, permitindo o

mapeamento da soldagem unilateral para futuras consultas.

3.1 - Equipamentos utilizados 3.1.1 Sistema de soldagem e bancada de testes

Para elaborao das amostras analisadas utilizou-se um Rob KUKA, Modelo KR

16. Este rob conduziu uma tocha TBi modelo TBi RM 60W, sendo usada, como

fonte de energia para a soldagem, uma mquina da White Martins (CEA), modelo

SOLMIG 403 CV. O sistema ilustrado na FIG 3.2 (A) e (B).

FIGURA 3.2 - Fotografia do rob (A) e Mquina Solmig 403 CV (B)

58

Para manter a amostra na mesma posio, facilitando a operao do rob e

possibilitando a manuteno do alinhamento da tocha no centro da junta e o

DBCP, foi utilizado um sistema de posicionamento conforme mostrado na FIG 3.3.

Mesmo com este sistema, antes da realizao da soldagem, iniciou-se o programa

do Rob, sem o arco habilitado, no ocorrendo a soldagem, e sendo confirmados

os parmetros estabelecidos previamente.

FIGURA 3.3 Fotografia do sistema de fixao por grampos para posicionamento da amostra.

3.1.2 - Sistema de medio da corrente e da tenso de soldagem

Os parmetros de corrente (A) e tenso (V) de soldagem foram monitorados por

uma maleta de aquisio de dados SAP-1, conforme ilustrado na FIG 3.4.

FIGURA 3.4 Fotografia da maleta SAP-1 para aquisio de dados de soldagem

59

Durante a soldagem das amostras, este sistema foi usado para a determinao

dos valores mdios de tenso e corrente do arco eltrico. O sistema permite a

aquisio das medidas dos parmetros em intervalos de 1 em 1 s. Desta forma,

para definir o parmetro de corrente e tenso presentes na soldagem de

determinada amostra, calculou-se a mdia aritmtica das medidas, considerando

o intervalo de estabilidade do arco.

Em determinadas soldas foi preciso recorrer ao ampermetro e voltmetro da

mquina de solda SOLMIG 403 CV, pois o arco no apresentava boa estabilidade,

sendo que a mdia aritmtica poderia mascarar a regulagem referencial

estabelecida inicialmente.

A velocidade de soldagem foi regulada e monitorada pelo sistema de programao

do rob KUKA Modelo KR 16 e convertida a unidade m/s em cm/min para as

anotaes devidas.

3.1.3 Mecanismos utilizados para preparao da amostra

Para a preparao e avaliao dos resultados aps a soldagem foram utilizados

os seguintes mecanismos:

a) Mquina de oxi-corte da marca White Martins, modelo MC-46 (Tartaruga); b) Serra hidrulica da marca Franho; c) Cortadora metalogrfica da marca Arotec, modelo Cor 40, disco 9; d) Politriz metalogrfica da marca Arotec, modelo APL-4D, disco 8; e) Lupa metalogrfica da marca Olympus, modelo SZST, aumento de 6,3X,

equipada com objetiva SZ60 e cmara de vdeo da marca Sony, modelo CCD

IRIS/RGB. f) Paqumetro da marca Mitutoyo, escala de 150 mm, vernier de 0,02 mm.

60

3.2 - Materiais utilizados na soldagem unilateral

3.2.1 - Material base

Como material base, foi utilizada chapa de ao carbono ASTM-A36 de espessura

12,7 mm. A TAB 3.1 apresenta a composio qumica do metal base.

TABELA 3.1 - Composio qumica mdia da chapa de ao carbono ASTM-A36, fonte USIMINAS.

Elemento Concentrao (% mx.)

Carbono (C)-mx. 0,25

Silcio (Si) 0,40

Mangans (Mn) 1,35

Fsforo (P) 0,040

Enxofre (S) 0,050

3.2.2 - Arame eletrodo

Neste trabalho os testes foram realizados com a utilizao do arame tubular com

proteo gasosa AWS ER71T-1 (rutlico) com 1,2 mm de dimetro, fabricado pela

Hyundai com a denominao comercial de SF71. A TAB 3.2 e