1 Introducción
4.5 Análisis e interpretación del segundo ciclo de pruebas empíricas
4.5.3 Elementos instruccionales del simulador en la segunda prueba
As seguintes recomendações devem ser observadas:
• Evitar choques violentos, principalmente nos reguladores de pressão. • Não armazenar os cilindros em local próximo a uma fonte de calor.
• Armazenar os cilindros preferencialmente na posição vertical e seguros por correntes. • O acetileno é mais leve que o ar e não se acumula em locais baixos.
• Não esvaziar o cilindro completamente, evitando a entrada de ar ou a saída de vapor de acetona misturado com o acetileno.
•Ter cuidado com vazamentos, uma vez que a mistura do acetileno com o ar pode ser explosivo.
140 • Evitar o contato do acetileno com tubulações ou conexões de cobre e algumas de suas ligas, porque pode-se formar um composto explosivo do acetileno com o cobre.
Cilindro de oxigênio
• Não usar o oxigênio no lugar do ar comprimido para retirar resíduos de locais que estejam também sujos de óleo ou graxa, pois pode haver combustão espontânea dos óleos. • Não usar o oxigênio para limpar roupa que esteja suja de óleo ou graxa, pois há risco de combustão espontânea da roupa.
• Não lubrificar nenhuma conexão ou parte do equipamento em contato com o cilindro de oxigênio.
• Evitar choques violentos nos reguladores de pressão, uma vez que, devido à elevada pressão interna, o cilindro do oxigênio pode voar como um míssil.
• Conservar o cilindro sempre com o capacete de proteção, quando não estiver em uso, durante a soldagem
• Caso ocorra retrocesso da chama, fechar imediatamente as válvulas do maçarico e dos cilindros de gases.
• Limpar o bico do maçarico, evitando entupimentos.
• Ter cuidado com o risco de explosão ao soldar ou cortar recipientes metálicos que tenham tido contato com combustíveis.
Exercícios
1. Quais são as principais vantagens e desvantagens dos processos oxi-gás? 2. Quais são as principais aplicações dos processos de soldagem oxi-gás? 3. Descreva as características dos três tipos de chama.
4. Explique as finalidades dos gases usados em soldagem oxi-gás.
5. Explique o funcionamento dos reguladores de pressão e das válvulas de segurança. 6. Quais são as principais medidas de segurança a serem adotas na soldagem oxi-gás?
141 Referências bibliográficas
(1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).
(2) Soldagem / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (São Paulo). São Paulo: SENAI-SP editora, 2013.
(3) WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blücher, 1992. 494 p.
(4) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.
(5) SANTOS, Carlos Eduardo Figueiredo dos. Processos de soldagem: conceitos, equipamentos e normas de segurança. São Paulo: Érica, 2015. 152 p.
(6) Fundamentos de soldagem I / SENAI. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. - São Paulo: SENAI-SP Editora. 2015. 152 p.: il (Área Metalmecânica - Metalurgia)
10 Processo de soldagem por aluminotermia.
Objetivos
Apresentar a soldagem por aluminotermia e demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.
10.1 Introdução.
A soldagem aluminotérmica (Thermit Welding - TW) é um processo no qual a união de peças metálicas é obtida a partir do calor e do metal produzidos numa reação química entre um óxido metálico e o alumínio (figura 1) e surgiu no final do século XIX, quando o químico Hans Goldschmidt descobriu que a reação exotérmica entre o pó de alumínio e um óxido metálico pode ser iniciada por uma fonte externa de calor gerando altas temperaturas e grandes quantidades de calor. Desde então, este processo tem sido
142 bastante utilizado em aplicações específicas, nas quais outros processos de soldagem existentes não apresentam flexibilidade e condições adequadas para realização da solda no campo. Uma das vantagens desse processo é que a reação pode ser autossustentada com ou sem pressão.
Figura 10.1 Soldagem por aluminotermia (esquemático).
10.2 Aplicação
As principais aplicações da soldagem aluminotérmica são a união de trilhos em ferrovias, soldagem de cabos e fios elétricos, soldagens de barras de reforço e para tratamento térmico de soldas em que somente o calor da reação é aproveitado. Atualmente ela vem sendo usada também na indústria naval e construção civil, na união de barras e em reparos.
10.3 Fundamentos do processo.
A soldagem aluminotérmica é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através do preenchimento da interface de junção com metal líquido superaquecido, cuja energia é originária de uma reação química entre óxido metálico e alumínio. A Tabela I mostra algumas reações normalmente usadas:
Tabela I - Reações químicas usuais na soldagem aluminotérmica
Óxido metálico + Alumínio → Metal + Óxido de AI + Calor (kJ)
3 Fe3O4 8 Al 9 Fe 4 Al2O3 3.350
3 FeO 2 Al 3 Fe Al2O3 880
143
3 CuO 2 Al 3 Cu Al2O3 1.210
3 Cu2O 2 Al 6 Cu Al2O3 1060
A reação 3 Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4 Al2O3 + 3.350 kcal (3. 100 °C) é uma das mais
utilizadas e a relação em peso é de três partes de óxido de ferro para uma parte de alumínio. A temperatura teórica de 3.100 °C é reduzida por perdas de calor no cadinho e por radiação e pelo auxílio de componentes não reagentes normalmente adicionados à mistura, para que se consiga temperatura de cerca de 2.480°C. Isto é importante, pois o alumínio vaporiza a 2.500°C. Por outro lado, a temperatura não pode ser muito baixa, pois a escória de alumínio (Al2O3) se solidifica a 2.040°C. Aditivos também podem ser
usados para aumentar a fluidez e baixar a temperatura de solidificação da escória. Caso necessário, é possível adicionar elementos de liga ao metal de adição, para melhoria das propriedades mecânicas.
As vantagens da soldagem aluminotérmica são a flexibilidade para soldagem no campo, o tempo de execução que é pequeno, dispensa o uso de energia elétrica e o uso de equipamentos, complexos, as soldas podem ser feitas com as peças praticamente em qualquer posição, desde que a cavidade do cadinho tenha paredes suficientemente verticais para o metal escorrer rapidamente. As desvantagens são a necessidade de cuidados especiais quanto à segurança do operador e do local, a necessidade de moldes específicos para cada aplicação e necessidade de um pré-aquecimento.
A figura 2 apresenta uma ilustração do processo, sendo aplicado para junção de vergalhões espessos na indústria civil ou para a junção de trilhos de trem.
144
Figura 10.2 Ilustração do processo de soldagem por aluminotermia.
10.4 Consumíveis.
Os consumíveis para o processo são o óxido metálico e o alumínio em pó, ambos com uma granulometria adequada. Em alguns casos utiliza-se ferro-ligas para se obter melhores propriedades mecânicas.
10.5 Equipamentos
O equipamento necessário para a realização deste processo constitui-se de um molde específico para determinada aplicação, que é feito de areia refratária e de um cadinho que é colocado acima do molde e onde ocorre a reação. O molde deve ter saídas para gases e permitir que o metal escorra sobre a área a ser trabalhada.
10.6 Métodos de operação na soldagem
Para se ter uma solda com qualidade são necessários alguns cuidados importantes. As peças devem estar limpas e alinhadas, sendo o alinhamento crítico neste processo. A separação entre as peças a serem soldadas é estimada empiricamente por
S =
, /
145 Sendo S é separação entre as peças, e A é área da seção transversal, em mm2.
A colocação do molde refratário com o formato das peças a unir é uma operação trabalhosa e normalmente usa-se pré-aquecimento por maçarico do molde e da peça para prevenir fissuração. A reação que ocorre no cadinho colocado acima do molde deve ser acompanhada, de modo que todo o metal fundido escorra para dentro do molde e a escória, que é mais leve, flutue acima do metal, ficando retida no cadinho. Após a solidificação, o molde deve ser retirado e faz-se a remoção de rebarbas manual ou mecanicamente, usando esmerilhadeira.
Exercícios
1. Como a soldagem aluminotérmica pode ser classificada?
2. Quais são as principais aplicações dos processos de soldagem por aluminotermia? 3. Quais reações químicas são importantes no processo de soldagem aluminotérmica? 4. Quais precauções devem ser tomadas em relação ao alumínio durante a soldagem
por aluminotermia?
5. Qual a função dos consumíveis da soldagem aluminotérmica?
6. Para a soldagem de trilhos de uma ferrovia, são utilizados perfis com seção transversal A= 60 mm2, qual deve ser a separação entre os perfis?
Referências bibliográficas
(1) MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. 362 p. (Didática).
(2) KIMINAMI, Cláudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013. 235 p.
146
11 Processos de soldagem eletrodos revestidos.
Objetivos
Apresentar a soldagem eletrodos revestidos de modo a demonstrar suas aplicações, seus equipamentos e as técnicas utilizadas em sua execução.
11.1 Introdução.
A soldagem a arco com eletrodos revestidos (Shielded Metal Arc Welding- SMAW) consiste na abertura e manutenção de um arco elétrico entre o eletrodo revestido e a peça a ser soldada, processo que produz a coalescência entre metais. A união é produzida pelo calor do arco criado entre um eletrodo revestido e a peça a soldar.
O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida que é protegida na atmosfera (O2 e N2) pelos gases da combustão do revestimento do
eletrodo. O metal depositado e as gotas ejetadas do metal fundido recebem uma proteção adicional por meio do banho de escória, a qual é formada pela queima de alguns componentes do revestimento
.
Figura 11.1 Desenho esquemático de uma soldagem com eletrodo revestido.
O processo de soldagem ao arco elétrico com eletrodo revestido tem grande versatilidade, sendo possível soldar um grande número de materiais que vão desde o aço ao carbono, ligados e inoxidáveis, passando pelos ferros fundidos, até os metais não ferrosos, como o alumínio, o cobre, o níquel e suas ligas.
147 A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes.
Quando comparada com outros processos, particularmente com a soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa e com soldagem a arco submerso), a soldagem com eletrodos revestidos apresenta como principal limitação uma baixa produtividade, tanto em termos de taxa de deposição (entre 1,0 e 2,55 kg/h para eletrodos de aço carbono, por exemplo), como em termos do fator de ocupação do soldador (porcentagem total do tempo de soldagem com o arco de soldagem em operação), em geral inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento específico para o soldador, que é demorado e oneroso, particularmente para certas aplicações, necessidade de cuidados especiais com os eletrodos, principalmente com os do tipo básico, e o grande volume de gases e fumos gerados no processo, que podem ser prejudiciais à saúde, particularmente em ambientes fechados.
O arco elétrico é formado pela ionização dos gases entre o eletrodo e a peça, e o bombardeio de elétrons no anodo e dos íons positivos no catodo desenvolvem temperaturas de até 3.500 "C.
Para iniciar o arco, é necessário que o metal de adição (eletrodo) toque a peça (metal de base) para poder fechar o circuito, e, após os elétrons percorrerem o eletrodo em direção à peça, inicia-se um arco elétrico. Afastando-se o eletrodo da peça, o arco elétrico entra em contato com os gases gerados pela queima do revestimento do eletrodo, gerando o plasma, e por sua temperatura muito alta funde a alma do eletrodo; dessa forma, inicia-se a transferência metálica do cordão de solda.
O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida que é protegida na atmosfera (O2 e N2) pelos gases da combustão do revestimento do
148 adicional por meio do banho de escória, a qual é formada pela queima de alguns componentes do revestimento.
Seu emprego na fabricação, montagem e manutenção de equipamentos e estruturas é indicado tanto dentro da fábrica quanto em campo e em operações que exigem soldagem nas mais diversas posições, o que o torna o processo mais comum de soldagem ao arco em uso. Isso compensa as desvantagens de ser um processo manual, com baixa velocidade de produção, estreitamente dependente da habilidade do soldador. O processo exige cuidados especiais com os eletrodos e produz um grande volume de gases e fumos de soldagem.
Assim como ocorre na maioria dos outros países, no Brasil, o processo de soldagem com eletrodos revestidos é muito utilizado. Apesar de não ser necessariamente o mais eficiente, é um dos mais baratos e simples, sendo empregado em grande variedade de aplicações. A soldagem com eletrodos revestidos foi o principal processo de soldagem usado industrialmente até os anos 60. A partir daí sua importância relativa vem decrescendo, particularmente nos países mais desenvolvidos. No Brasil isto também ocorre, embora de forma mais lenta.
11.2 Aplicação
A soldagem com eletrodos revestidos é usada na fabricação e montagem de diferentes equipamentos e estruturas, tanto em oficina como no campo, sendo particularmente interessante neste último caso. O processo é usado basicamente como uma operação manual, sendo muitas vezes chamado simplesmente de soldagem manual. Somente uma variação "mecanizada" do processo, a soldagem por gravidade, tem sido utilizada na indústria de forma mais intensa, principalmente em estaleiros.
A soldagem manual pode ser usada em grande número de materiais, como aços carbono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, alumínio, cobre, níquel e ligas destes, por exemplo.
Metais de baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho e zinco, em geral não são soldáveis a arco e metais refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônio, molibdênio e nióbio não são soldáveis com eletrodos revestidos. Diferentes combinações
149 de metais dissimilares podem ser soldadas por esse processo. A tabela I mostra as faixas de espessura de aço comumente soldadas com eletrodos revestidos. Para espessuras inferiores a 2 mm, o material é facilmente perfurado pelo calor do arco, em caso de manipulação indevida e para espessuras muito grandes, a baixa produtividade do processo é o principal fator limitante. Assim, a soldagem com eletrodos revestidos é usada mais frequentemente para espessuras entre 3 e 40 mm, em aços.
Tabela I - Faixas típicas de espessuras para utilização da soldagem com eletrodos revestidos. Material: aço.
Técnica de soldagem Faixa de espessuras (mm) Um passe, sem preparação 1,0 a 3,2
Um passe, com preparação 3,2 a 6,4
Vários passes Acima de 3,2
Filete - passe único 1,5 a 7
Esse processo é largamente usado na manutenção de equipamentos e estruturas e pode ser usado em situações de emergência para outras operações como corte, furação etc., com o uso de técnicas especiais. A soldagem com eletrodos revestidos também tem sido intensamente usada na manutenção de estruturas submersas, em soldagem subaquática, em ambientes molhados ou secos. Isto se deve à grande versatilidade do processo em termos de ligas soldáveis e faixas de espessura aplicáveis, além da simplicidade e baixo custo relativo do processo em si e dos equipamentos necessários. Por outro lado, o nível de qualidade das soldas feitas com eletrodos revestidos depende fortemente do soldador, exigindo do profissional muita habilidade e concentração, que só são conseguidos com muito treino e execução de muitas soldas. Com isto, a formação de mão-de-obra qualificada é demorada e onerosa e, ainda assim, um bom soldador, trabalhando com equipamentos e consumíveis adequados não necessariamente produzirá soldas de qualidade, se não estiver totalmente concentrado e empenhado na tarefa que esteja executando no momento.
11.3 Fundamentos do processo.
Todos os processos de soldagem por arco elétrico precisam de algum tipo de proteção para evitar contaminações da atmosfera, a menos que se solde em uma câmara
150 de vácuo, o que é economicamente inviável. Na soldagem com eletrodo revestido, a queima do revestimento dos eletrodos é responsável pela proteção gasosa.
Um eletrodo sem revestimento e sem outro tipo de proteção perde parte de seus elementos após a fusão e deposita um metal nitretado e oxidado, cujas propriedades mecânicas terão um valor relativamente inferior ao das chapas de aço de baixo teor de carbono. Estes dois elementos químicos, nitrogênio e oxigênio, são os que mais influenciam a deterioração das propriedades.
Durante a fusão de um eletrodo sem revestimento, a maior parte do carbono e do manganês contidos no aço do eletrodo é queimada durante a operação de soldagem, o que naturalmente influencia as propriedades mecânicas do metal depositado, já que as propriedades de um aço dependem basicamente do seu teor de carbono e manganês. O carbono transforma-se em monóxido de carbono (CO) e em dióxido de carbono (CO2),
enquanto o manganês transforma-se em óxido de manganês (Mn3O4). O silício,
extremamente ávido pelo oxigênio, queima-se igualmente, dando origem a uma escória de sílica (SiO2).
Numerosos ensaios permitem concluir que a fusão de um eletrodo sem revestimento e sem adição de qualquer outro tipo de proteção provoca uma forte oxidação do carbono, do manganês e do silício. Os teores de enxofre (S) e de fósforo (P) variam pouco. É importante salientar que os fenômenos de oxidação dependem basicamente das condições operatórias e do comprimento do arco. Um arco longo com tensão elevada provocará maiores reações de oxidação do que um arco curto.
O eletrodo revestido consiste de uma vareta metálica, chamada "alma", trefilada ou fundida, que conduz a corrente elétrica e fornece metal de adição para enchimento da junta. A alma é recoberta por uma mistura de diferentes materiais, numa camada que forma o "revestimento" do eletrodo. Este revestimento tem diversas funções na soldagem, principalmente:
• estabilizar o arco elétrico; : contém silicatos de Na e K que ionizam a atmosfera do arco, o que facilita a passagem de corrente, dando origem a um arco estável.
• ajustar a composição química do cordão, pela adição de elementos de liga e eliminação de impurezas;
151 • proteger a poça de fusão e o metal de solda contra contaminação pela atmosfera (ação do hidrogênio, proveniente do vapor de água e oxigênio), através da geração de gases e de uma camada de escória através da combustão;
• conferir características operacionais, mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo e à solda, contribuindo com a introdução de elementos de liga para melhorar as propriedades mecânicas da junta soldada.
• Isolante elétrico: sendo um mau condutor elétrico, isola a alma (metal que vai fundir), evitando a abertura de arcos laterais e orientando o calor para o local de interesse.
• Contém componentes escorificantes que limpam o metal fundido no metal de solda.
• Forma uma camada de escória sobre o metal de solda, impedindo a oxidação pela atmosfera e reduz a taxa de resfriamento inibindo a formação de estruturas frágeis.
A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, características operacionais e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com outros processos, e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes.
11.4 Consumíveis. 11.4.1 Eletrodos
O eletrodo é formado por um núcleo metálico ("alma"), com 250 a 500mm de comprimento, revestido por uma camada de minerais (argila, fluoretos, carbonatos, etc) e/ou outros materiais (celulose, ferro ligas, etc), com um diâmetro total típico entre 2 e 8mm. A alma do eletrodo conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem da atmosfera a região sendo soldada e
152 estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas.
Figura 11.2 Constituição de um eletrodo revestido.
Eletrodos para a soldagem de aços de baixo carbono são, em geral, especificados com base nas propriedades mecânicas do metal depositado, no tipo de revestimento e em suas características operacionais.
A especificação da AWS para estes aços é feita através de um conjunto de letras e dígitos. Por exemplo, de acordo com a norma AWS A5.1, uma classificação do tipo E6010 indica um eletrodo capaz de depositar material com um limite de resistência de 60.000psi (420MPa) e que possui um revestimento celulósico, com ligante a base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições com corrente contínua e o eletrodo no polo positivo.
153 Para os aços carbono, os eletrodos podem ser separados em diferentes tipos em função das características de seu revestimento, destacando-se:
• Eletrodos Celulósicos (EXX10 e EXXX1): Possuem elevada quantidade de material orgânico (celulose) no revestimento, cuja decomposição pelo