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FURG – Escola de Engenharia – Prof. Jorge Almeida

MONTAGEM INDUSTRIAL

UNIDADE IV – SOLDAGEM


A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado na indústria.

Aplicações da soldagem:Estruturas simples

GradesPortões

Estruturas com elevado grau de responsabilidadeIndústria químicaIndústria petrolíferaInstalação nuclear, etc.

Soldagem


Um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de pecas, equipamentos e estruturas é abrangido pelo termo soldagem.Classicamente, a soldagem é considerado como um processo de união, porém, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação de pecas desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais.Diferentes processos relacionados com a soldagem são usados para corte de pecas metálicas e em muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem.

4.1. Equipamentos e processos de soldagem


A soldagem com eletrodo revestido (SMAW) é a união de metais pelo aquecimento proveniente de um arco elétrico entre um eletrodo revestido e o metal de base, na junta a ser soldada.

4.1.1. Soldagem com eletrodo revestido


EquipamentoFonte de energia

o transformador de corrente alternada é a configuração mais barata e simples, tanto do ponto de vista de investimento inicial como de operação e manutenção.

Porta eletrodo – Alicate de fixação dos eletrodos.Cabos de interligação.Pinça para ligação à peça.Equipamento de proteção individual.Equipamento para limpeza da solda.




Diagrama de interligação do equipamento (SMAW)


CaracterísticasTipo de operação: ManualPosições: Todas (depende do revestimento)Tipos de juntas: TodasEspessuras: >2 mmConsumíveis: Eletrodos (alma) e revestimentoTaxa de deposição: 1 a 5 kg/h

VantagensBaixo custoVersatilidadeOperação em locais de difícil acesso

LimitaçõesBaixa produtividadeRequer habilidade manual do soldadorRequer treinamento especifico para o soldador



A soldagem TIG – Tungsten Inert Gás –(GTAW) é a união de metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico entre um eletrodo de tungstênio não consumível e a peça.

A proteção durante a soldagem é feita com um gás inerte ou mistura de gases inertes, que também têm a função de transmitir a corrente quando ionizados durante o processo

4.1.2. Soldagem TIG


4.1.2. Soldagem TIG



é sempre de corrente constante e pode ser um gerador, retificadorou transformador, dependendo do material a ser soldado. Para soldagem manual deve ter um pedal para controle da corrente pelosoldador.

Unidade de alta freqüência – necessária para a soldagem em corrente alternada.Suprimento de gás protetor.Fluxímetro e regulador de pressão do gás.Porta eletrodo com passagem de gás, bico para direcionar o gás e mecanismo de garra para energizar e conter o eletrodo de tungstênio.Cabos e mangueira.Suprimento de água de refrigeração, se a tocha for refrigerada a água.

4.1.2. Soldagem TIG


4.1.2. Soldagem TIG


CaracterísticasTipo de operação: Manual ou automáticaPosições: TodasTipos de juntas: TodasEspessuras: 0,1 a 50 mmConsumíveis: Varetas e gases (argônio)Taxa de deposição:0,2 a 1,3 kg/h

VantagensProduz soldas de excelente qualidade.Permite soldar menores espessuras.Não produz escória.

LimitaçõesBaixa produtividade devido à baixa taxa de deposiçãoRequer soldadores muito bem treinadosRequer limpeza ao metal brilhanteEmissão intensa de radiação ultravioleta

4.1.2. Soldagem TIG


Os processos MIG (Metal Inert Gas) e MAG (Metal Active Gas) utilizam como fonte de calor um arco elétrico mantido entre um eletrodo nu consumível, alimentado continuamente, e a peça a soldar.A proteção do arco e da poça de solda fundida é feita por um fluxo de gás alimentado externamente, o qual pode ser inerte, ativo ou uma mistura destes.

MIG – Gás inerte: Argônio, Hélio, Argônio + 1% O2.MAG – Gás ativo: CO2, Argônio + 15 a 30% O2.

Arame tubular:INNERSHIELD – Arame tubular, com fluxo interno, sem proteção por gás.DUE SHIELD – Arame tubular, com fluxo interno, e com proteção por gás.

4.1.3. Soldagem MIG/MAG (GMAW)


O processo MIG é adequado à soldagem de:aços-carbono,aços de baixa, média e alta liga,aços inoxidáveis,alumínio e ligas,magnésio e ligascobre e ligas.

O processo MAG é utilizado na soldagem de:aços de baixo carbonoaços de baixa liga.




pode ser um gerador ou um retificador, ambos com características de potencial constante. A soldagem égeralmente feita em corrente contínua.

Tocha.Suprimento de gás protetor.Sistema de alimentação de arame.Fluxímetro e regulador de pressão do gás.Cabos e mangueira.Suprimento de água de refrigeração, se a tocha for refrigerada a água.



CaracterísticasTipo de operação: Semi-automática ou automáticaPosições: TodasTipos de juntas: TodasEspessuras: > 1 mmConsumíveis: Arames e gasesTaxa de deposição: 1 a 10 kg/h

VantagensTaxa de deposição alta.Alta versatilidade e aplicaçãoBaixo teor de hidrogênio

LimitaçõesRisco de ocorrência de falta de fusão.Limitação de posição (depende do tipo de transferência).



Neste processo de soldagem, um arco elétrico éestabelecido entre o arame-eletrodo e o material a ser soldado, com a diferença que o arco permanece totalmente submerso em uma camada de fluxo, não sendo pois visível.Dessa forma a solda se desenvolve sem faíscas, luminosidades e respingos, características dos demais processos de soldagem com arco aberto.Dispositivos automáticos asseguram a alimentação do eletrodo a uma velocidade conveniente de tal forma que sua extremidade mergulhe constantemente no banho de fluxo em fusão.A movimentação do arame em relação à peça faz progredir o banho de fusão que se encontra coberto e protegido por uma escória que é formada pelo fluxo e impurezas.

4.1.4. Soldagem a arco submerso (SAW)



Corrente alternado ou contínua.Sistema de controle

Alimentador de fluxo e de arame, mecanismo de avanço.

Reservatório de fluxo.Cabos.



CaracterísticasTipo de operação: AutomáticaPosições: PlanaTipos de juntas: Topo e ânguloEspessuras: > 5 mmConsumíveis: Arame, fita e fluxoTaxa de deposição: 6 a 20 kg/h

VantagensTaxa de deposição e velocidade elevadasBom acabamento e qualidadeAlta penetraçãoNenhum arco visível e pouca fumaçaNecessidade de operadores menos habilitados

LimitaçõesRequer ajuste preciso das etapasLimitado à posição plana (e horizontal)A tenacidade ao entalhe pode ser baixa (energia de soldagem)Custo do equipamento



No caso específico das operações de soldagem, a realização de soldas inadequadas durante a fabricação de certos tipos de estruturas ou equipamentos, tais como, navios, oleodutos e vasos de pressão, pode resultar em sérios acidentes com grandes perdas materiais e, eventualmente, humanas e danos ao meio ambiente.As operações de soldagem para diversas aplicações são regulados por diferentes códigos, especificações e outras normas segundo a aplicação específica.Como exemplos de códigos e especificações importantes ligados àsoldagem, podem-se citar:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (vasos de pressão).API STD 1104, Standard for Welding Pipelines and Related Facilities (tubulações e dutos na área de petróleo).AWS D1.1, Structural Welding Code (estruturas soldadas de aço carbono e de baixa liga)DNV, Rules for Design, Construction and Inspecion of Offshore Structures (estruturas marítimas de aço)

Para soldagem a PETROBRAS possui a norma N-133. A ABNT possui diversas normas relacionadas aos processos de soldagem.

4.2. Normas de soldagem


Considerações sobre segurança são importantes em soldagem, corte e operações relacionadas a estas práticas,

os riscos envolvidos nestas atividades são numerosos e podem provocar sérios danos ao pessoal, equipamentos e instalações.

Como diversas outras operações industriais, a soldagem e o corte de materiais apresentam uma série de riscos para as pessoas envolvidas. Os principais riscos incluem a possibilidade de:

Incêndios e explosões.

Recebimento de choque elétrico.

Exposição à radiação gerada pelo arco elétrico.

Exposição a fumos e gases prejudiciais à saúde.

4.3. Segurança em soldagem


Temperaturas elevadas

Exposição àradiação

Projeção de partículas metálicas incandescentes

4.3.1. Roupas de proteção


Na inspeção de soldas, são utilizados principalmente os ensaios não-destrutivos (END),

são realizados por profissionais qualificados (inspetores de solda).

Os principais ensaios não destrutivos são:Ensaio por inspeção visual.Ensaio por líquidos penetrantes.Ensaio por partículas magnéticas.Ensaios por ultra-som.Ensaios radiográficos.Ensaios por correntes parasitas.Teste de estanqueidade.

4.4. Inspeção de soldas


A documentação referente às soldas é composta de:Mapa de soldagem e ensaios

Documento que especifica as principais juntas do equipamento, estrutura ou instalação, e os respectivos dados de execução e inspeção, tais como: processo, tipo de junta, procedimento de soldagem e etapas de inspeção a serem efetuadas, determinadas conforme a norma pertinente.

Especificação do Procedimento de Soldagem (EPS)Documento que estabelece para a produção os itens importantes que devem ser considerados na soldagem, como: metal base, faixa de espessuras, faixa de temperatura de pré-aquecimento, metal de adição, posições, tratamento térmico, gás de proteção, vazão, corrente, tensão, método de limpeza, etc. Tais dados foram previamente testados conforme a norma de qualificação.

Qualificação do Procedimento de Soldagem (QPS)Documento que registra a comprovação de que o procedimento de soldagem é adequado para produzir juntas soldadas de qualidade satisfatória, conforme a norma de qualificação utilizada. A comprovação é feita através de ensaios determinados conforme a norma de qualificação.

4.5. Qualificação dos procedimentos de soldagem


A qualidade da solda não depende apenas do procedimento de soldagem, mas também da habilidade do soldador que a executa, portanto, é necessário que este esteja também qualificado.O Registro de Qualificação de Soldador (WelderQualification Record) é o documento que registra todos os dados relativos à comprovação da habilidade do soldador em executar soldas.A comprovação da habilidade do soldador éfeita através de testes determinados conforme a norma de qualificação.

4.6. Qualificação dos soldadores


A mão-de-obra de soldagem é, geralmente, usada para integrar as equipes de trabalho dos diversos tipos de montagem, caldeiraria, fabricação e pré-montagem. Écomposta pelas seguintes categorias profissionais:SoldadoresMaçariqueiros Encarregados (ou mestres) de solda Ajudantes Inspetores de soldagem

A norma N 1737 da PETROBRAS classifica os inspetores em dois níveis: I e II.

O inspetor de solda nível I é genérico,O nível II é mais especializado, com conhecimentos mais avançados.

4.7. Mão-de-obra de soldagem


0

20

40

60

80

100

Mão-de-obra Equipamentos Consumíveissoldagem

Energia elétrica

Parcelas do custo total

Par

ticip

ação

(%)

4.8. Custo da soldagem

CT CMO CC CE CM CD CMC= + + + + +

•CT = custo total•CMO = custo da mão-de-obra•CC= custo dos consumíveis•CE = custo de energia elétrica•CM = custo de manutenção•CD = custo de depreciação•CMC = custo de outros materiais de consumo


4.8.1. Custo da mão-de-obra

( ) ( )$RCMO custo unitário tempo de soldagem hh= ×


4.8.2. Custo dos consumíveis

CC CMA CF CG= + +CC = custo dos consumíveisCMA = custo do metal de adiçãoCF= custo do fluxoCG = custo do gás de proteção

Custo do metal depositado ( ) ( )$Massa do metal Custo do RCMD kg kgdepositado eletrodo= ×

Massa do metal depositado ( ) ( ) ( ) ( )23

kgMMD kg A cm L cm cmρ= × ×

MMD = massa de metal depositadoA = área da seção transversal da juntaL= comprimento da juntaρ = massa específica do material da junta



O custo do metal de adição deve levar em conta também que parte deste éperdida na forma de respingos, pontas descartadas, etc., estimada pela eficiência de deposição (ED)

( ) ( )$$CMD R

CMA RED

=

Custo do fluxo (CF) pode ser estimado pela razão de massa de fluxo

( ) ( )( )

$MFC kg

RMF RMMD kg

=

RMF = razão de massa de fluxoMFC = massa de fluxo depositadoMMD= massa de metal depositado



( )( ) ( ) ( )3$

$60000

Vazão Tempo de arco Preço Rl smin mde gás aberto do gásCG R× ×

=

( ) ( ) ( ) ( )$ $ $ $CC R CMA R CF R CG R= + +

O custo do fluxo é

O custo dos gases (CG) de proteção é obtido por

Finalmente, o custo do consumível (CC) é determinado pela equação

××= kgR

fluxodoreçoPkgMMDRMFRCF $)($)(


4.8.3. Custo de energia elétrica

( )( ) ( ) ( )$

$1000

RPE PES kW T hkWhCE RE

× ×=

×

CE = custo da energiaPE = preço da energiaPES= potência elétrica de saídaT = tempo de arco abertoE= eficiência elétrica do equipamento


4.8.4. Custo de depreciação

CD = custo da depreciaçãoVI = valor inicialVR= valor residualVU = vida útil

( ))($)($)($

anoVURVRRVI

anoRCD −

=


4.8.5. Custo de manutenção

( ) ( ) ( )$$tempo deRCM R CMM hh operação

= ×

CM = custo de manutençãoCMM = custo médio de manutenção


Note-se que a determinação de custos de soldagem não é uma tarefa simples ou trivial.Ela pode ser feita com base em diferentes abordagens e muitos fatores devem ser considerados.

Por exemplo, na fabricação de um equipamento podem ser usados diferentes processos, soldadores e montadores com diferentes graus de especialização e salário, etc. A apropriação dos custos pode ser feita de forma específica para cada etapa ou processo específico ou de uma maneira mais geral, com base em valores médios.

Observe-se também que os custos da soldagem podem ser expressos em:

R$/peça soldada,R$/kg de solda depositada,R$/m de junta soldadaR$/h de operação.

4.8.7. Considerações finais


Consumo de eletrodos4.9. Índices de montagem

Serviço Consumo

Tubulações • de processo 25 kg/t • corridas 5

Estruturas • soldadas 10 • aparafusadas leves 2 • aparafusadas pesadas 0,5

Mecânica • equipamentos em geral 0,5 • tanques 15 • esferas 20

Elétrica • geral, exceto suportes 0,2 • suportes 12

Consumo de eletrodo em função do tipo de montagem



Soldagem de tubulações de aço carbono, consumo de eletrodos, em kg por junta soldada

Diâmetro (pol)→

Espessura (mm) ↓ φ 6” φ 12” φ 16” φ 24” φ 32”

Passe de raiz 0,3 0,4 0,5 0,8 1,1

0,25 mm 0,4 0,5 0,8 1,2 1,7

0,31mm 0,5 0,8 1,1 1,7 2,3

0,38 mm 0,7 1 1,5 2,3 3

0,50 mm 1,0 1,6 2,5 3,6 4,7



Soldagem de tubulações de aço liga, consumo de eletrodos, em kg por junta soldada

Diâmetro (pol)→

Espessura (mm) ↓ φ 6” φ 12” φ 16” φ 24” φ 32”

Passe de raiz 0,3 0,5 0,6 1 1,1

0,38 mm 1,1 1,5 2 3 4

0,50mm 1,9 2,5 3,2 5 6,5

0,63 mm 2,5 3,5 4,8 7 9,7

0,75 mm 3 4,6 6,2 9,8 13



Soldagem convencional de chapas, consumo de eletrodos, em kg por metro de solda

Espessura da chapa (mm)

Junta de topo Chanfro em V 60°

Junta angular tipo T

4 0,12 0,20

8 0,43 0,63

12 0,90 1,40

16 1,60 2,45


Consumo de gases4.9. Índices de montagem

Serviço Consumo

Oxigênio

Montagem de estrutura: • soldada 5 m3/t • aparafusada 1,5

Montagem de equipamentos mecânicos 1,5

Montagem de tubulação 7

Fabricação de estrutura leve (escadas, suportes) 8

Acetileno

Acetileno (kg) = 0,4 Oxigênio (m3)


Mão-de-obra4.9. Índices de montagem

Solda de tubulações – Hh / junta soldada

Schedule φ (pol)

20 40 60 80 160

2 1,3 1,5 2

4 2 2,5 4

6 2,5 3 6

8 3 3,2 3,5 4 10

12 4 5 6 8 20

16 6 8 10 15 35

20 8 11 17 24 50

24 9 16 25 39 70

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