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Processo arco Submerso - Fundamentos

Escrito por Infosolda. Posted in Processos

Durante a soldagem, o calor produzido pelo arco elétrico funde o material de adição (arame), o metal de base e uma parte do fluxo, formando a poça de fusão; a corrente elétrica flui entre o eletrodo e a poça de fusão através do fluxo granulado. Em adição sua função protetora, a cobertura de fluxo pode fornecer elementos desoxidantes, e em solda de aços-liga, pode conter elementos de adição que modificam a composição química do metal depositado.

 

A zona de soldagem fica sempre protegida pelo fluxo eletrocondutor, parte fundido e parte não fundido. O eletrodo permanece a uma pequena distância acima da poça de fusão e o arco elétrico se desenvolve nesta posição. Com o deslocamento do eletrodo ao longo da junta, o fluxo fundido sobrenada e se separa do metal de solda líquido, na forma de escória.

O metal de solda, que tem ponto de fusão mais elevado do que a escória, se solidifica; a escória permanece fundida por mais algum tempo. A escória também protege o metal de solda recém-solidificado, pois este, devido a sua alta temperatura, é ainda muito reativo com o oxigênio da atmosfera, que tem a facilidade de formar os óxidos responsáveis pela alteração das propriedades das juntas soldadas. Após o resfriamento, são removidos o fluxo não fundido, que pode ser reaproveitado, caso o procedimento técnico permitir, através de aspiração mecânica ou de métodos manuais, e a escória, relativamente espessa, de aspecto vítreo e compacto, e que em geral se destaca com facilidade.

No processo por arco submerso, o fluxo é distribuído por gravidade e fica separado do arco elétrico, ligeiramente à frente deste ou concentricamente ao eletrodo. Esta independência do par arame-fluxo é outra característica do processo que o torna diferente dos processos com eletrodo revestido, MIG/MAG e com arame tubular. No arco submerso, esta separação permite que se utilizem diferentes composições arame-fluxo, de modo a selecionar combinações que sirvam a um tipo de junta em especial.

O processo por arco submerso também pode ser semi-automático, no qual a pistola é manipulada pelo operador; no entanto, a produtividade conseguida por este método não é a maior; melhores resultados são alcançados quando o cabeçote de soldagem é arrastado por um dispositivo, de modo a automatizar o processo.

Parâmetros de soldagem

Os parâmetros a serem considerados na soldagem por arco submerso podem ser aqueles pré-determinados ainda na fase de projeto, como tipo e espessura do metal de base e propriedades requeridas para o metal de solda, além dos parâmetros decididos na fase inicial da produção e, em alguns casos, determinados em função da disponibilidade de equipamentos, como tipo do equipamento, projeto da junta, posicionamento da peça e do eletrodo, e os parâmetros primários, tais como corrente, tensão, velocidade de soldagem, polaridade, combinação eletrodo-fluxo, diâmetro do arame, distância bico-peça ou extensão livre do eletrodo e distribuição do fluxo.

corrente de soldagem

A corrente atua diretamente na taxa de deposição do eletrodo, na profundidade de penetração e na quantidade do metal de base fundido. Se a corrente é muito alta para uma dada velocidade de soldagem, o excesso de penetração tende a furar ou vazar o metal de base. Altas correntes produzem um reforço de solda excessivo, cujas tensões de contração induzem a maiores distorções. É importante que a corrente escolhida esteja dentro das faixas recomendadas para o diâmetro do eletrodo que será utilizado. O quadro auxilia a encontrar os valores que servem de referência para a soldagem de aços com baixo teor de carbono.

tensão

Correntes muito elevadas produzem um cordão muito alto e estreito com possibilidade de mordeduras. Correntes muito baixas, por outro lado, produzem pouca penetração, risco de falta de fusão e arco instável.

A tensão influencia o formato da secção transversal do cordão e sua aparência externa. Mantendo-se os demais parâmetros constantes, pode-se verificar visualmente o efeito da variação da tensão no cordão de solda.


Um aumento na tensão resultará em um cordão mais largo, mais baixo e em maior consumo de fluxo. Além disto, o teor de elementos de liga provenientes dos fluxos também pode aumentar, possibilitando a vantagem de elevar o teor de liga do depósito quando se utilizam fluxos ligados ou especialmente no caso de revestimentos resistentes à abrasão. Por outro lado, esta prática pode diminuir a ductilidade do material e aumentar a sensibilidade a trincas, principalmente nos casos de solda multipasse.

 

Um aumento excessivo na voltagem produzirá um cordão em forma de chapéu, que é susceptível a trincamento. Além disso, pode também causar dificuldade na remoção da escória, aumentar a susceptibilidade a trincas e aumentar demasiadamente o teor de liga do metal depositado. É importante observar que este mesmo formato do cordão pode ter outra causa, como por exemplo a baixa velocidade de soldagem.

Outra consequência da aplicação de voltagem muito elevada é um cordão com uma concavidade, na qual podem surgir trincas e mordeduras.

A tensão com valor menor do que o recomendado permite penetração em chanfros profundos e melhor resistência ao sopro magnético; porém, os cordões produzidos serão estreitos e altos, e a remoção de escória será ligeiramente mais difícil do que o normal.

A velocidade de soldagem controla principalmente o tamanho do cordão e a penetração. Uma vez que a corrente está relacionada à velocidade de soldagem, é preciso ajustá-las para conseguir a penetração adequada sem que ocorra o transpasse da junta (vazamento).

velocidade de soldagem

Velocidades de soldagem excessivamente altas aumentam a tendência a mordeduras, porosidades, trincas e cordões com formato não uniforme.

Velocidades de soldagem excessivamente baixas produzem cordões sujeitos a trincas e poças de fusão excessivamente largas, resultando num cordão áspero e com possíveis inclusões de escória.

polaridade

O eletrodo com polaridade reversa (CC+) produz melhor penetração e um cordão mais bem feito; no entanto, se estiver conectado na polaridade direta (CO, proporcionará uma maior taxa de deposição com diminuição da penetração.

O eletrodo positivo é normalmente o mais utilizado; o eletrodo negativo é aplicado em revestimentos ou aços de baixa soldabilidade onde é desejável reduzir a diluição.

diâmetro do arame

De uma forma geral, mantendo-se todos os outros parâmetros constantes, uma diminuição no diâmetro do eletrodo acarretará uma maior penetração, cordões mais altos e estreitos e uma maior taxa de deposição. Para um valor de corrente igual, a mudança para um diâmetro de arame maior permite uma melhor ligação de juntas mal ajustadas. Arames mais finos possibilitam melhor abertura e reignição do arco, principalmente quando se trabalha com corrente alternada.

stick-out

Quanto maior o "stick-out" ou extensão livre de eletrodo, maior será a taxa de fusão e consequentemente a taxa de deposição. No desenvolvimento de um procedimento de soldagem, a prática recomenda um valor básico de oito vezes o diâmetro do eletrodo. A partir daí, modifica-se este comprimento de forma a otimizar os resultados.

O aumento de extensão do eletrodo adiciona um elemento de resistência ao circuito elétrico de soldagem e provoca uma queda de tensão, acarretando uma mudança na forma do cordão; a penetração e a largura são diminuídas e a convexidade é aumentada. Assim, o aumento no "stick-out" deverá ser acompanhado de um reajuste na tensão, de forma a manter o cordão sem modificações indesejáveis. A taxa de deposição pode ser aumentada na faixa de 25% quando se aumenta o "stick-out",mantendo-se a mesma corrente de trabalho.

A mudança para um grande "stick-out" tem um efeito aproximadamente similar ao da mudança de CC+ para CC". O aumento na taxa de deposição é acompanhado por uma diminuição na penetração. Deve-se então observar, cuidadosamente, em função de cada tipo de obra, o efeito mais benéfico ou econômico.

distribuição do fluxo

Se a camada de fluxo for muito alta, o arco fica muito confinado e os gases têm dificuldade para sair; o aspecto superficial do cordão é irregular. Por outro lado, se a camada for muito rasa, o arco não ficará completamente submerso no fluxo, podendo vir a causar centelhamento e respingos. A aparência do cordão também fica comprometida, assim como a integridade do interior da solda, uma vez que poderá ocorrer contaminação pelo ar atmosférico.

Consumíveis

Os consumíveis para soldagem por arco submerso são os fluxos e o arame-eletrodo, combinados de modo a formarem um par, pois a composição do fluxo pode afetar o teor de manganês da soldagem

fluxo

O fluxo tem várias funções na soldagem por arco submerso; entre elas se destacam: estabilizar o arco, fornecer elementos de liga para o metal de solda, proteger o arco e o metal aquecido da contaminação da atmosfera, minimizar impurezas no metal de solda e produzir escória com determinadas propriedades físicas e químicas que podem influenciar o aspecto e o formato do cordão de solda, sua destacabilidade e a ocorrência de defeitos.

O fluxo é composto por uma mistura de óxidos e outros minerais, podendo ainda conter ferroligas. Quanto às suas características químicas, podem ser classificados como ácidos, neutros ou básicos. Esta classificação se baseia na quantidade relativa de óxidos básicos e óxidos ácidos que o fluxo contém. De um modo geral, o fluxo de maior basicidade tende a reduzir os teores de oxigênio, enxofre e fósforo no metal depositado, melhorando assim as propriedades mecânicas, em especial a resistência à fratura frágil.

Em relação à capacidade de alterar a composição química do metal de solda, o fluxo pode ser classificado como ativo e neutro.

fluxo ativo

O fluxo ativo é o que pode transferir quantidades significativas de um ou mais elementos de liga para a poça de fusão, tendo uma participação efetiva na composição do metal depositado; este tipo de fluxo permite depositar aços ligados, utilizando eletrodos de aço carbono. Neste caso, é preciso controlar minuciosamente os parâmetros de soldagem, pois variações, principalmente na tensão, podem alterar substancialmente a composição química do material depositado.

fluxo neutro

O fluxo neutro tem pouca influência na composição química do metal de solda e não requer controle rígido dos parâmetros de soldagem.

De acordo com o processo de fabricação o fluxo pode ser classificado em: aglomerado, fundido e misturado.

fluxo aglomerado

O fluxo aglomerado é constituído de compostos minerais finamente moídos, tais como óxidos de manganês, silício, alumínio, zircônio ou cálcio e desoxidantes como ferro-silício, ferro-manganês ou ligas similares. A estes ingredientes é adicionado um agente aglomerante, normalmente silicato de sódio ou potássio. O produto agregado é granular e é finamente sinterizado em temperaturas de 600 a 900°C.

fluxo fundido

O fluxo fundido é constituído de óxidos de manganês, silício, alumínio, zircônio ou cálcio e desoxidantes como ferro-silício, ferro-manganês ou ligas similares. Esses ingredientes são fundidos em forno para formar um vidro metálico. Após o resfriamento, o vidro é reduzido a partículas granulares, cujas dimensões requeridas asseguram características apropriadas para a soldagem. A granulação fina é utilizada na soldagem com correntes baixas, enquanto que a granulação grossa se presta às correntes mais altas. O fluxo mais fino permite penetração menor e um acabamento mais uniforme do cordão.

fluxo misturado

O fluxo misturado forma uma mistura mecânica de dois ou mais tipos de fluxos, em proporções selecionadas de forma a obter uma propriedade definida. A grande desvantagem deste tipo de fluxo é que não é possível garantir uma perfeita uniformidade dos componentes, além de que estes podem se separar, quer na embalagem, quer na manipulação.

escolha do fluxo

Os fluxos para soldagem por arco submerso estão disponíveis em uma variedade de tamanhos. A escolha da partícula do fluxo para uma determinada aplicação de soldagem depende da corrente a ser usada, do tipo de fluxo a ser utilizado, da velocidade de soldagem e do tipo de solda que será realizada. Essa escolha é determinada por normas que sempre relacionam um tipo de fluxo a um dado eletrodo; assim, deve-se sempre considerar o par arame-fluxo.

Os fluxos com partículas menores são desejáveis para as mais altas correntes de soldagem porque eles propiciam superfícies de solda mais largas e planas. Para superfícies pouco limpas, como por exemplo contaminadas por óleos, graxas ou ferrugem, preferem-se fluxos com partículas de maiores dimensões porque são mais permeáveis e liberam mais facilmente os gases provenientes da poça de fusão durante a operação de soldagem.

O tamanho da partícula do fluxo afeta o nível de corrente utilizada; em geral, uma corrente mais alta é empregada com um fluxo fino a fim de obter um arco mais estável e soldas mais uniformes e saudáveis; no entanto, correntes muito altas para um determinado tamanho de partícula podem causar instabilidade de arco.

arames-eletrodos

Os arames-eletrodos, quer dizer, os arames que têm função de eletrodo, são classificados segundo o teor de manganês que contêm, o qual pode ser baixo, médio ou alto. Cada um desses grupos apresenta quantidades diferentes de carbono e de silício, as quais também podem ser altas ou baixas.

Geralmente os eletrodos com altos teores de manganês, carbono e silício originam cordões com maior resistência e dureza; o silício torna a poça de fusão mais fluida e melhora o formato dos cordões depositados sob altas velocidades de soldagem.

Os arames-eletrodos são normalmente arames sólidos, fornecidos na forma de carretéis ou bobinas, com diferentes tamanhos, que variam conforme o tipo e a quantidade de soldas a realizar. Os arames são produzidos por trefilação e apresentam um revestimento especial de cobre, semelhante ao utilizado nos arames para o processo de soldagem MIG/MAG; têm a função de proteger contra a oxidação. Em alguns casos, os arames são fornecidos em formatos de fita ou de arames tubulares.

especificações

A AWS (American Welding Society) possui duas especificações relacionadas diretamente com consumíveis para soldagem por arco submerso: AWS 5.17-80, que trata de arames de aço de baixo teor de carbono e fluxos, e AWS 5.23-80, que especifica eletrodos de aço de baixa liga e fluxos. Em ambas as especificações, a designação de um fluxo é sempre feita em combinação com um determinado eletrodo.

Embora similar ao AWS A 5.17-80, o sistema de classificação de consumíveis para arco submerso da especificação AWS A 5.23-80 apresenta maior grau de complexidade, envolvendo maiores valores de resistência mecânica para o metal depositado, alongamentos variados, requisitos de impacto a temperaturas mais baixas e separação em grupos segundo a composição química.

As propriedades reais de um metal depositado por uma dada combinação arame-fluxo dependem do procedimento de soldagem específico utilizado em uma determinada aplicação. Por outro lado, existe um número relativamente alto de consumíveis produzidos pelos fabricantes, muitos deles desenvolvidos para situações especiais, que não foram enquadrados nas especificações usuais.

A seleção final de uma combinação arame-fluxo é geralmente feita com base na soldagem de corpos de prova de qualificação, segundo a norma aplicada para o caso, e na avaliação ou medida das propriedades de interesse dessa solda.

 

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997