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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
ÁREA DE TECNOLOGIA E COMPUTAÇÃO
ENGENHARIA MECÂNICA
COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE SOLDAGEM
MIG/MAG ELETRODO MACIÇO E ALMA METÁLICA
ANDERSON LUIS MARINO
Canoas, 2010
UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
ÁREA DE TECNOLOGIA E COMPUTAÇÃO
ENGENHARIA MECÂNICA
COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE SOLDAGEM
MIG/MAG ELETRODO MACIÇO E ALMA METÁLICA
ANDERSON LUIS MARINO
Trabalho apresentado ao curso de EngenhariaMecânica da Universidade Luterana do Brasilcomo requisito parcial para a obtenção dotitulo de Engenheiro Mecânico.Orientador: MSC. Eng. Miguel Afonso Flach
Canoas, 2010
Nome: Anderson Luis Marino Matrícula: 032003620-0
COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE SOLDAGEM MIG/MAG
ELETRODO MACIÇO E ALMA METÁLICA
BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Nome e Assinatura
______________________________________ Nome e Assinatura
______________________________________ Orientador
Trabalho de conclusão de curso apresentado e aprovado em _____/_____/_____
Dedicatória
A minha esposa Fabiana que meapoiou e se dedicou estando
sempre ao meu lado tornando estesonho possível
A minha mãe e irmã que sempre estiveram ao meu lado prestando apoio
.....Do fundo do meu coração sou gratoa todos que me apoiaram e acreditaram
nesta conquista.
Agradecimentos
Ao Professor MSC Eng, Miguel Afonso Flach pela orientação segura com que me guiou nodesenvolvimento deste trabalho.
A Binzel do Brasil representado pelo Sr. Roberto Azavedo pela doação de equipamentonecesário para execução deste trabalho.
Ao SENAI representado pelo Sr. Fernando Rosso que cedeu o espaço físico para execuçãodeste trabalho.
A ESAB representado pelo Sr. Anderson Luz o qual cedeu os eletrodos.
A Miller representado pelo Sr. André Bagatini pelo suporte técnico.
E finalmente a minha família, colegas e supervisor pela compreesão, apoio e incentivosconstantes.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO....................................................................................................................01
OBJETIVOS.........................................................................................................................03
JUSTIFICATIVA.................................................................................................................03
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.........................................................................................04
1.1 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO MAG..............................................04
1.2. ELETRODO.............................................................................................................05
1.3. PROCESSO DE SOLDAGEM................................................................................09
1.4. GÁS DE PROTEÇÃO..............................................................................................11
1.5. PARÂMETROS DE SOLDAGEM..........................................................................12
2. ESTUDO DE CASO........................................................................................................13
2.1. – METODOLOGIA DOS EXPERIMENTOS.........................................................13
2.2. – RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS.............................................................17
2.2.1. – COMPARAR PARÂMETROS DE SOLDAGEM ENTRE OS
ELETRODOS MACIÇO E ALMA METÁLICA DE MESMA BITOLA .................18
2.2.2. – CONHECER AS DIFERENÇAS DO PERFIL DO CORDÃO
SOLDADO COM OS ELETRODOS MIG/MAG MACIÇO E ALMA
METÁLICA, MANTENDO A MESMA CORRENTE E VELOCIDADE DE
DESLOCAMENTO......................................................................................................19
2.2.3 – IDENTIFICAR COMPORTAMENTO DA ZTA NO PROCESSO
DE SOLDAGEM COM ELETRODO MACIÇO E ALMA METÁLICA ..................20
2.2.4 – COMPARAR AS DIFERENÇAS DE PENETRAÇÃO DE SOLDA
ENTRE OS ELETRODOS MIG/MAG DE ALMA METÁLICA E MACIÇO,
MANTENDO A MESMA CORRENTE E VELOCIDADE DE
DESLOCAMENTO......................................................................................................22
CONCLUSÃO......................................................................................................................23
IINDICAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.............................................................25
REFERÊNCIAS...................................................................................................................26
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ilustração de um perfil soldado com eletrodo maciço e
alma metálica................................................................................................................ 03
Figura 2 – Esquema do equipamento básico para soldagem MIG/MAG.................................04
Figura 3 – Esquema exemplificando processo de soldagem MIG/MAG.................................05
Figura 4 – Diferença entre o eletrodo maciço e alma metálica.................................................06
Figura 5 – Ilustração dos Processos de Fabricação Eletrodo Alma Metálica...........................07
Figura 6 – Ilustração dos Processos de Fabricação Eletrodo Maciço.......................................08
Figura 7 – Modo de Transferência por Curto-Circuito.............................................................09
Figura 8 – Modo de Transferência Globular.............................................................................09
Figura 9 – Modo de Transferência Axial em Aerossol.............................................................10
Figura 10 – Modo de Transferência Axial por Corrente Pulsada.............................................10
Figura.11 – Corpo de prova de teste.........................................................................................13
Figura 12 – Equipamento para Realização dos Testes de Solda...............................................14
Figura 13 – Eletrodo maciço ER70S-6 e eletrodo alma metálica E70C-6M............................15
Figura 14 – Taxa de Deposição Entre Eletrodos Alma Metálica e Maciço..............................17
Figura 15 – Corpo de prova eletrodo alma metálica.................................................................17
Figura 16 – Corpo de prova eletrodo Maciço...........................................................................18
Figura 17 – Perfis dos cordões de solda sobre chapa................................................................19
Figura 18 – Dimensões dos cordões de solda sobre chapa.......................................................19
Figura 19 – Regiões de Medição de Dureza.............................................................................21
Figura 20 – Comparação da Dureza Entre Eletrodos Alma Metálica e Maciço.......................21
Figura 21 – Dados de Penetração Entre Eletrodos Alma Metálica e Maciço...........................22
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química dos eletrodos........................................................................13
Tabela 2 – Propriedades mecânicas mínimas dos eletrodos.....................................................14
Tabela 3 – Parâmetros de soldagem dos testes de solda...........................................................15
Tabela 4 – Valores das Massas das Chapas antes e Após a Soldagem....................................16
Tabela 5 – Dimensões dos Cordões..........................................................................................20
Tabela 6 – Medição da Dureza nos Corpos de Prova...............................................................21
Lista de Símbolos
I = Corrente
T = Tensão
d1 = diâmetro 1
d2 = diâmetro 2
V= Vazão
MIG – sigla em Inglês para soldagem com gás inerte (Metal Inert Gas)
MAG – sigla em Inglês para soldagem com mistura de gás inerte e ativo (Metal Active Gas)
CO2 = Dióxido de carbono
Ar = gás Argônio
ASME – sigla em Inglês para Associação Americana dos Engenheiros Mecânicos (American
Society Mechanical Engineers.
GMAW – sigla em inglês para soldagem por arco elétrico com gás de proteção (Gas Metal
Arc Weld)
ESAB – empresa sueca de fornecimento de eletrodos para solda
Ip – Corrente de Pico
Im – corrente média
Ib – Corrente de base
tb – Tensão de base
T – tempo
SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
SAE – Sociedade dos Engenheiros Automotivos (Saciety of Automotive Engineers)
ZTA – Zona Termicamente Afetada
TD – Taxa de Deposição
mic – massa inicial da chapa
mfc – massa final da chapa
taa – tempo de arco aberto
RESUMO
O presente trabalho foi desenvolvido a partir de um estudo realizado no laboratório de
teste de soldagem SENAI/RS, através de soldas MAG depositadas diretamente sobre chapas,
sem a presença de juntas, utilizando equipamentos de soldagem como fonte de solda multi-
processo, um sistema de deslocamento com regulagem variável, um gás de proteção com
mistura conhecida e uma tocha sem refrigeração.
O objetivo é comcomparar os parâmetros de soldagem entre os dois tipos de eletrodos
com mesma bitola, analisar as diferenças do perfil do cordão soldado com os eletrodos
MIG/MAG maciço e alma metálica, mantendo a mesma corrente e velocidade de
deslocamento, identificar comportamento da ZTA no processo de soldagem com eletrodo
maciço e alma metálica, bem como comparar as diferenças de penetração de solda entre os
eletrodos MIG/MAG de alma metálica e maciço, mantendo a mesma corrente e velocidade de
deslocamento, apresentando os resultados de cada experiência.
Variáveis essenciais como tensão, corrente, velocidade de alimentação do eletrodo,
velocidade de deslocamento da tocha, posição da tocha e gás de proteção foram considerados
e monitorados neste estudo
Palavras chave: Eletrodo, Alma Metálica, Maciço
ABSTRACT
This work developed from a study made in the weld lab test on SENAI/RS, executed
by MAG weld deposited directly on plates, without joins, using weld equipments like power
supply multi process, offset system with variable adjustments, gas shield with mix and
welding torch without refrigeration.
The objective is to compare the weld parameters between two electrodes types with
the same diameter, review the differences of fillet weld profiles welded with MIG/MAG
metal cored and solid electrodes, with the same amperage and displacement speed. Too
identify HAZ behavior in the weld process between solid and metal cored electrode, and
compare the differences of penetration between this electrodes, using the same amperage and
displacement speed, showing the results
Key variables such as voltage, amperage, wire speed, and torch displacement speed,
torch position and gas shield were considered and monitored in this study.
Keywords: Electrode, Metal Cored, Solid
INTRODUÇÃO
A união de peças pode ser realizada por diversos métodos, dependendo da sua
aplicabilidade. Esta união pode ser realizada por meio de cola adesiva, brasagem, solda
branda ou pelos diversos processos de soldagem.
Em 1926 Henry M. Hobart e Philip K. Devers (EUA) utilizando gases inertes
como Hélio e Argônio e um eletrodo com alimentação contínuo criaram um processo de
soldagem com proteção gasosa para a poça de fusão, chamando de processo de
soldagem MIG (Gás Inerte Metal – Metal Inert Gas). Em 1950 A. Muller desenvolveu
no Bettelle Memorial Institute o processo MIG utilizando o gás Hélio como proteção
gasosa sendo concedida a patente deste produto em 1950, porém este processo era
possível ser utilizado com eficiência somente em materiais como alumínio e suas ligas.
Então em 1951 iniciaram-se testes utilizando a adição de Oxigênio nos gases inertes
surgindo assim o processo MAG (Gás Ativo Metal – Metal Active Gas), o qual ganhou
um desenvolvimento mais aprofundado por K.V.Lyubavskii e M. N. Novoshilov em
1953 utilizando o CO2 como gás de proteção juntamente com um eletrodo nu (aram nu)
continuamente alimentado, sendo assim aplicado em aços ao carbono.
O processo de soldagem MIG/MAG caracteriza-se pela união de peças de mesma
liga ou ligas similares, utilizando uma fonte geradora de energia, um gás inerte (no caso
do processo MIG) ou um gás inerte combinado com um gás ativo (no caso do processo
MAG) e um eletrodo de alimentação contínuo com características físicas químicas e
metalúrgicas similares ao material de base (peça).
Os eletrodos para solda MIG/MAG são selecionados de acordo com a aplicação,
podendo ser para aço ao carbono, aço inoxidável ou alumínio. Dentro destas condições
possuem a opção de maciço, tubular auto-protegido ou tubular com alma metálica,
sendo sua seleção de acordo com aplicação, posição de soldagem, modo de
transferência desejado, meio ambiente e tipo de junta a ser soldada.
Com o passar dos anos as soldas por processo MIG/MAG foram evoluindo e com
isso outros tipos de eletrodos para este processo foram sendo desenvolvidos, com o
objetivo de oferecer reduções de tempos no processo, onde os limites de regulagem dos
parâmetros de soldagem já não suportam mais alterações. Como é o caso dos eletrodos
de alma metálica disponíveis atualmente no mercado, onde possibilitam uma maior taxa
de deposição. É constituído por um invólucro metálico cujo núcleo é preenchido por
vários materiais como pó de ferro, desoxidantes e estabilizadores do arco sob a forma de
2
pó, produzindo o mínimo de óxidos de silício (escória) na superfície do cordão de solda.
(MACHADO, 1996)
A indústria está em busca constantemente de melhorias de processos para
produzir maior quantidade de seus produtos com menor tempo e custo. No processo de
soldagem as combinações entre os parâmetros de solda (tensão, corrente, alimentação
do eletrodo, tipo de gás, dentre outros) são os limitantes para tornar o processo com
maior velocidade de solda. Com este estudo busca-se identificar se é possível obter
soldas com mesmas características alterando o tipo de eletrodo, e aumentando as
velocidades de soldagem e taxa de deposição, reduzindo assim o tempo de soldagem.
3
OBJETIVOS
O objetivo geral desse trabalho é comparar os processos de soldagem
MIG/MAG eletrodo alma metálica com a soldagem MIG/MAG eletrodo maciço,
onde os objetivos específicos são:
1. Comparar parâmetros de soldagem entre os dois tipos de eletrodos com mesma
bitola;
2. Analisar as diferenças do perfil do cordão soldado com os eletrodos MIG/MAG
maciço e alma metálica, mantendo a mesma corrente e velocidade de
deslocamento;
3. Identificar comportamento da ZTA no processo de soldagem com eletrodo
maciço e alma metálica;
4. Comparar as diferenças de penetração de solda entre os eletrodos MIG/MAG de
alma metálica e maciço, mantendo a mesma corrente e velocidade de
deslocamento.
JUSTIFICATIVA
Com este estudo é buscado conhecer as diferenças do perfil do cordão soldado com
os eletrodos MIG/MAG maciço e alma metálica, mantendo a mesma corrente e
velocidade de deslocamento, como ilustrado na figura 1.
EletrodoMaciço
EletrodoAlma Metálica
Figura 1 - Ilustração do perfil soldado com eletrodo maciço e alma metálica
4
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta revisão bibliográfica aborda as principais diferenças entre o eletrodo maciço
e eletrodo alma metálica e processos de fabricação.
1.1. – PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO MIG/MAG
O processo de soldagem por fusão MIG/MAG é caracterizado pela união entre
peças através de uma fonte de energia, um gás de proteção e um eletrodo nu
(consumível) aplicados a um procedimento de soldagem. As características do eletrodo
maciço para aços baixo carbono bem como para o eletrodo tubular tipo “alma metálica”
(metal cored), que é um tipo de eletrodo tubular que da mesma forma do eletrodo
maciço, não apresenta formação de escória durante o processo de soldagem, estão
enquadrados segundo a norma ASME SFA 5.18 (GMAW – Gas Metal Arc Welding).
A figura 2 mostra esquematicamente o equipamento básico necessário para
execução de uma soldagem pelo processo MIG/MAG tanto para o eletrodo maciço
como para o eletrodo alma metálica.
A fonte de energia também chamada de “transformador-retificador” ou
simplesmente “fonte de solda” apresenta os seguintes ajustes para execução da
soldagem:
Ajuste de velocidade do eletrodo - relacionado à corrente,
Ajuste de tensão – relacionado à abertura do arco após a ignição
Ajuste da vazão do gás de proteção – relacionado à quantidade de gás
necessário para proteção da poça de fusão.
A operação de soldagem se inicia quando acionado o gatilho da tocha fazendo
com que o eletrodo alimentado continuamente tenha contato com a peça energizando-o
Figura 2 - Esquema do equipamento básico para soldagem MIG/MAG (ESAB, 2004)
5
e abrindo imediatamente a válvula solenóide do equipamento do gás de proteção, assim
para que este crie uma proteção na poça de fusão em relação ao ar externo. Logo após é
possível iniciar o deslocamento da tocha para soldagem conforme mostrado na figura 3
Este processo permite a soldagem das peças em qualquer posição, sendo
executada de uma forma manual, onde o soldador é responsável pelo acionamento e
deslocamento da tocha, semi-automática, onde é possível ter o acionamento da solda
através de comandos ou automatizada, onde o soldador é responsável somente por
carregar as peças nos dispositivos ou realizar algum ajuste.
1.2. ELETRODO
Os eletrodos para o processo de soldagem MIG/MAG são selecionados de acordo
com os requisitos mecânicos e metalúrgicos da junta a ser soldada, bem como o tipo de
material do metal base (peças). As bitolas dos eletrodos utilizados neste processo
geralmente são disponíveis em diâmetros de 0,8 – 1,0 - 1,2 e 1,6mm, existindo ainda
outras bitolas especiais.
Para que as empresas sustentassem sua competitividade, através do aumento de
produtividade, foram desenvolvidos os eletrodos tubulares com alma metálica.
Constituído de um eletrodo em forma de tubo com um fluxo interno composto por
minerais, ferros-liga e outros materiais, melhorando a estabilidade do arco,
influenciando no perfil do cordão de solda e nas características das propriedades
mecânicas do metal de solda. As diferenças entre eletrodo maciço e alma metálica estão
exemplificadas na figura 1.4.
Figura 3 - Esquema exemplificando o processo de soldagem MIG/MAG (MODENESI, Soldagem I, 2006)
6
Figura 4 – Diferença entre os eletrodos maciço e alma metálica (ITW,2009)
Da mesma forma que o eletrodo maciço, durante o processo de soldagem o
eletrodo tubular tipo alma metálica não apresenta formação de escória por ser 100%
depositável, porém apresenta pequenas ilhas de sílica sobre o cordão de solda, bem
como também necessita de um gás de proteção externa, geralmente Ar + CO2 em
balaço.
Uma das vantagens na utilização do eletrodo alma metálica em comparação com o
maciço é a formação da gota onde se necessita aplicar uma quantidade de energia para
fundir um diâmetro d1 (figura 4), porém para o eletrodo alma metálica necessita-se de
uma quantidade de energia menor para fundir uma parede com menor espessura,
formada pela diferença entre (d1-d2)/2 (figura 4). Para uma correta avaliação de custo
benefício entre ambos os eletrodos é necessário levar em consideração outras variáveis
como custo do eletrodo, taxa de deposição entre outros.
Segundo a ESAB, 2004, os eletrodos alma metálica apresentam também as
seguintes características:
Uma grande variedade de eletrodos alma metálica está disponível para se
adequar a várias aplicações com o objetivo de se alcançar altas
velocidades de soldagem com requisitos de tenacidade a baixas
temperaturas e alta resistência mecânica;
Possuem alta eficiência de deposição, chegando a 95%;
7
Com mistura Ar e CO2 consegue-se facilmente cordões de solda de
acabamento suave e consistente, com um mínimo de respingos e de
escória.
A quantidade de fumos gerados é significativamente menor que a gerada
pelos eletrodos tubulares com fluxo não metálico, sendo a emissão de
fumos cerca de 50% menor que a quantidade emitida por eletrodos de
altíssimo rendimento revestidos com pó de ferro;
Pode-se conseguir uma economia de até 30% em soldas de filete mono
passe através de uma profunda penetração, que aumenta a espessura da
garganta efetiva com uma redução correspondente na dimensão da perna
de até 20%;
Todos os eletrodos tipo alma metálica produzem um metal de solda de
baixo hidrogênio difusível, tipicamente menor que 4ml/100g.
Satisfazem à maioria das aplicações na posição vertical descendente com
um único ajuste de corrente, variando somente a velocidade de soldagem,
que determinará o volume do material de solda depositado.
Os processo de fabricação dos eletrodos maciço e alma metálica são muito
semelhantes, porém se diferem na no processo inicial de fabricação onde o processo de
fabricação do eletrodo alma metálica inicia-se com uma fita metálica, não
necessáriamente com o mesmo material da composição requerida do metal de solda,
enrolada em forma de bobina e de um pó composto por uma formulação específica
(chamado também de fluxo), este fluxo é adicionado através de um silo de alimentação
a esta fita metáloca em forma de “U” com alimentação continua, conforme ilustrado na
figura 5.
Figura 5 – Ilustração do Processo de Fabricação Eletrodo Alma Metálica (ESAB, 2004)
8
Após, esta fita passa através dos roletes de fechamento onde é conformado
através de roletes em forma de tubo conforme ilustrado na figura 6.
É de extrema importância a verificação da granulometria dos componentes dos
fluxos bem como sua mistura bem homogênea, permitindo com que as partículas de pó
(fluxo) se acomodem entre si dentro do tubo evitando a segregação dos componentes
antes da fabricação.
A partir do fechamento do eletrodo para o processo alma metálica, os processos
de de redução do diâmetro através da laminação ou trefilação é igualmente aplicado
para o eletro maciço.
Figura 6 – Ilustração do processo de fabricação eletrodo maciço (ESAB, 2004)
Os eletrodos com alma metálica não possuem uma camada de cobre que serve
como lubrificante e antioxidante porém após a fabricação recebem uma camada de um
protetor que faz a mesma função do cobre, porém apresentam algumas vantagens como
redução do respingos gerados durante o processo, melhora na passagem do eletrodo
pelo tubo de contato mantendo o arco mais estável e redução nos fumos de solda
causados pelo cobre.
9
1.3. PROCESSOS DE SOLDAGEM
Os processos de soldagem por MIG/MAG possuem algumas formas de transferência
do metal de adição sendo selecionado baseado nos resultados da soldagem que se deseja
obter, do tipo de material a ser soldado, fonte disponível e gás a ser utilizado. As
principais formas de execução são:
Transferência por Curto Circuito: A ponta do eletrodo pode vir a manter contato
com a poça de fusão, caso eventualmente a velocidade de alimentação do
mesmo exceda sua taxa de fusão, ocorrendo então o modo em curto-circuito
conforme Figura 7. Como não existe arco no momento em que ocorre o curto-
circuito, o metal fundido é transferido devido à tensão superficial. Este modo de
transferência produz uma poça de fusão relativamente pequena, de rápida
solidificação, sendo indicado para soldagem de seções finas em todas as
posições. (MACHADO, 1996)
Figura 7 – Modo de Transferência por Curto-Circuito (MACHADO, 1996)
Transferência Globular: Com maior corrente e tensão do que no modo por curto-
circuito, o modo de transferência é alterado passando a ser em forma de gotas
conforme Figura 8. As forças dominantes são devido à tensão superficial e à
aceleração da gravidade, com o diâmetro da gota geralmente maior do que o
eletrodo (MACHADO, 1996);
Figura 8 – Modo de Transferência Globular (MACHADO, 1996)
10
Transferência Axial em Aerossol (“Spray”): Com gases de proteção inertes ou
fracamente oxidantes, existe uma dada intensidade de corrente acima da qual o
metal na ponta do eletrodo alcança sua temperatura de vaporização, conforme
figura 9, com o arco se formando no terço inferior do metal fundido e sendo
destacadas grandes números de gotículas levemente aceleradas. Devido ao
aumento da corrente e tensão, em relação aos modos anteriores, há maior
penetração, com alta taxa de deposição.
Figura 9 – Modo de Transferência Axial em Aerossol, (MACHADO, 1996)
Transferência Axial por Corrente Pulsada: A introdução de pulsos de corrente,
com freqüência e amplitude pré-determinadas, permite transferir gotas de forma
contínua em alto número, utilizando uma menor energia de soldagem, quando
comparado com o processo curto-circuito. A figura 10 mostra os estágios na
formação da gota.
Figura 10 – Modo de Transferência Axial por Corrente Pulsada, (MACHADO, 1996)
11
1) Aquecimento
2) Constrição do líquido formado na ponta do eletrodo
3) Crescimento da gota
4) Separação da gota
5) Reinicio do ciclo
Ip – Corrente de Pico
Im – Corrente de média
Ib – Corrente de base
tp – Tensão de Pico
tb – Tensão de Base
t – tempo
1.4. GÁS DE PROTEÇÃO
A função do gás de proteção é não permitir que a poça de fusão entre em contato
com os gases da atmosfera, principalmente com o oxigênio e fornecer uma
atmosfera ideal e ionizável para o arco elétrico. Caso ocorra do oxigênio entrar em
contato com o material aquecido que está se solidificando podem ocorrer
descontinuidades como porosidade (interna ou externa), trincas e má formação do
cordão de solda, influenciando também nas propriedades mecânicas da junta
soldada. O gás de proteção também influencia no modo de transferência do metal
através do arco elétrico, a velocidade de soldagem e propriedades químicas.
Os tipos de gases utilizados definem o processo a ser utilizado como o Inerte
aplicado ao processo MIG onde se utiliza com maior intensidade o Argônio e o
Hélio por sua facilidade de obtenção e custos, e gás Ativo aplicado no processo
MAG onde o mais utilizado é a combinação de Ar + CO2.
12
1.5. PARÂMETROS DE SOLDAGEM
Segundo FOUNDATION, THE JAMES F. LINCOLN ARC WELDING, 2000 a
corrente possui um grande efeito na fusão e é controlada pelo diâmetro do eletrodo e sua
alimentação. A corrente não pode ser muito alta o que pode causar uma fusão excessiva
ou uma altura de cordão ou se muito baixo pode causar uma fusão incompleta ou falta
de penetração
A variação na tensão poderá causar uma alteração no comprimento do arco e
também na energia do arco, mas causar pequeno efeito na taxa de fusão. Aumentando a
tensão com corrente e velocidade de deslocamento constante será incrementada a
quantidade de fluxo fundido produzindo uma solda plana e reduzindo a porosidade
causada pela ferrugem ou carepa própria das peças. Reduzindo a tensão será produzido
um arco pequeno com maior penetração. Uma tensão muito baixa irá produzir um
cordão alto, porém estreito de difícil remoção.
A velocidade de soldagem deve ser ajustada para obter um cordão de solda ideal,
bem como penetração e forma. A penetração e altura do cordão reduzem quando a
velocidade de deslocamento aumenta, bem como reduz, quando a velocidade é reduzida.
Uma velocidade excessivamente baixa a penetração reduz por causa da força do
arco é dissipada pelo metal fundido. Velocidades excessivamente altas causam a falta de
fusão entre o metal depositado e o metal de base.
13
2. ESTUDO DE CASO
O estudo de caso será realizado baseado nos experimentos realizados na escola de
soldagem SENAI Sipriano Micheleto localizado na cidade de Canoas/RS, onde são
apresentados em duas etapas como:
1. Metodologia dos experimentos
2. Resultados dos experimentos.
2.1. METODOLOGIA DOS EXPERIMENTOS
Os corpos de prova de teste, também denominado de metal de base, são de aço
SAE 1010 com espessura de 6,37mm comprimento de 200,0mm e largura de 28,3mm
conforme figura 11
Figura 11 – Corpo de prova de teste
Os consumíveis utilizados foram o eletrodo maciço diâmetro 1,2mm ER70S-6 e o
eletrodo alma metálica diâmetro 1,2mm E70C-6M, classificados segundo norma ASME
SFA5.18, sendo que a composição química e propriedades mecânicas são apresentadas
nas tabelas 1 e 2, respectivamente:
Tabela 1 – Composição química dos eletrodos, (SAF A5.18 - Seção II, 2001)
Material C(%) Mn(%) Si(%) P(%) S(%) Ni Cr Mo V Cu(%)
ER70S-6(Eletrodo Maciço)
0,06 a
0,15
1,40 a
1,85
0,80 a
0,150,025 0,035 0,15 0,15 0,15 0,03 0,50
E70C-6M(Eletrodo Alma
Metálica)
0,12 1,75 0,90 0,030 0,030 0,50
14
Tabela 2 – Propriedades mecânicas mínimas dos eletrodos, (SAF A5.18 - Seção II, 2001)
Material Gás Limite de
Resistência
(MPa)
Limite de
escoamento
(MPa)
Alongamento
(%)
Charpy V -29ºC
(J)
ER70S-6(Eletrodo Maciço)
CO2 480 400 22 27
E70C-6M(Eletrodo Alma
Metálica)
CO2 ou 75-
80% Ar/CO2
em balanço
480 400 22 27
A mistura do gás de proteção utilizada nos testes de soldagem dos corpos de
prova para o eletrodo maciço e alma metálica foi 98% Argônio e CO2 em balanço da
empresa AGA, denominado AGAMIX 22.
Para soldagem dos corpos de prova com os eletrodos maciço e alma metálica foi
utilizado um equipamento motorizado de deslocamento longitudinal da White Martins
com regulagem de velocidade em mm/min. sob um trilho, uma tocha para soldagem
semi-automática da Binzel do Brasil modelo AUT36KD, fixada em um braço que
permitia a regulagem de altura, deslocamento transversal e angular ao corpo de prova,
juntamente com uma fonte de solda multi-processo da Miller modelo XMT-350
equipada com alimentador e painel de controle dos parâmetros de tensão e corrente
conforme ilustrado na figura 12.
Figura 12 – Equipamentos de para Realização dos Testes de solda
15
Com o objetivo de realizar um estudo comparativo entre os dois tipos de
eletrodos, os cordões de solda foram depositados diretamente em cima da chapa sem a
existência de uma junta de solda preparada para tal, sendo que o ângulo entre a tocha de
soldagem e as chapas soldadas foi de 90°.
As chapas foram esmerilhadas antes da medição de massa e limpas com um pano
seco para que as impurezas do material não influênciassem nos resultados das analises
dos corpos de prova.
A figura 13 mostra os eletrodos utilizados na soldagem das chapas de teste e os
parâmetros com valores nominais de soldagem dos testes são apresentados na tabela 3.
Figura 13 – Eletrodo maciço ER70S-6 e eletrodo alma metálica E70C-6M.
Tabela 3 – Parâmetros de soldagem dos testes de solda
.
Para realizar a avaliação da taxa de deposição entre os eletrodos que estão sendo
estudados, foram utilizados os corpos de prova já mencionados e soldados com os
parâmetros citados na tabela 3, sendo realizada a limpeza, a identificação e a medição
da massa das chapas antes da soldagem registrando os valores encontrados, bem como a
Amostra Consumível Corrente(A) Tensão (V)
Velocidade desoldagem(cm/min.)
Altura Bocal(mm) Gás / Vasão
1 Alma Metálica 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.2 Alma Metálica 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.3 Alma Metálica 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.4 Maciço 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.5 Maciço 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.6 Maciço 268 26,6 60 19,5 Agamix22 / 13l/min.
16
medição do tempo de arco aberto. Após o experimento as massas das chapas foram
novamente medidas sendo registrados os valores. A equação 1 foi utilizada para cálculo
da taxa de deposição dos materiais de cada experimento.
TD = (mic – mfc) (kg) (1)
taa (h)
Os valores obtidos através da medição da massa antes e após a realização dos
experimentos estão apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – Medição das massas antes e após a soldagem
Para realização das análises macrográficas, cada cordão de solda foi seccionado
em sua seção transversal e utilizado a técnica padrão para preparação das amostras,
realizando o ataque com Nital 3%, possibilitando assim a avaliação do perfil de cada
cordão.
Para a verificação e coleta de dados dos perfis de cada cordão, foi utilizado um
microscópio metalográfico Olympus modelo BX51M com validade de calibração até
12/2010, sendo avaliado a medida de penetração da solda na chapa, do reforço e da
largura do cordão soldado em cada experimento.
Para coleta de dados de dureza, utilizou-se um durômetro na escala de dureza
Vickers marca Future tech modelo 3002691 e um microdurômetro de bancada, marca
Future tech modelo 3003482 com calibração até abril 2011, onde foram medidos 7
pontos nas areas em estudo como: 2 ponto no metal de adição, 3 pontos na ZTA e 2
ponto no metal de base.
Amostra Consumível Massa Inicial(kg)
Massa Final(kg)
Tempo de ArcoAberto (h)
1 Alma Metálica 0.792 0.824 0.00592 Alma Metálica 0.788 0.82 0.00573 Alma Metálica 0.822 0.854 0.00584 Maciço 0.764 0.795 0.00605 Maciço 0.770 0.805 0.00676 Maciço 0.780 0.815 0.0067
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2.2. RESULTADO DOS EXPERIMENTOS
Os resultados dos experimentos propostos serão apresentados através das
analises macrográficas e durezas realizadas nos corpos de prova conforme as figuras
15 e 16, soldados com os parâmetros apresentados na tabela 3. Os resultados da taxa
de deposição são apresentados na figura 14.
Figura 14 – Taxa de deposição entre eletrodos alma metálica e maciço
Figura 15 – Corpo de prova alma metálica.
18
Figura 16 – Corpo de prova maciço.
2.2.1. COMPARAR PARÂMETROS DE SOLDAGEM ENTRE OS DOIS
TIPOS DE ELETRODOS COM MESMA BITOLA
Durante a soldagem dos experimentos realizando a comparação entre os dois
tipos de eletrodos notou-se que o eletrodo alma metálica possui uma estabilidade de
arco maior que o eletrodo maciço para um mesmo ajuste, também observou-se que a
quantidade de respingos (perdas no processo) era significativamente menor para o
eletrodo alma metálica comparando com o eletrodo maciço confirmando a afirmação de
que “Com mistura Argônio e CO2 consegue-se facilmente cordões de solda de
acabamento suave e consistente, com um mínimo de respingos e de escória”. (ESAB,
2004)
Outras características que foram observadas durante os experimentos é referente
a pequena formação de escórias e a menor geração de fumos de soldagem, confirmando
a teoria descrita no item 1.2.
19
2.2.2. CONHECER AS DIFERENÇAS DO PERFIL DO CORDÃOSOLDADO COM OS ELETRODOS MIG/MAG MACIÇO E ALMAMETÁLICA, MANTENDO A MESMA CORRENTE EVELOCIDADE DE DESLOCAMENTO.
Com o objetivo de estabelecer as diferenças entre os perfis dos cordões de
ambos os eletrodos, foram preparados os corpos de prova conforme figura 17 e
realizado o dimensional das regiões de penetração, largura e reforço dos cordões
conforme ilustrados na figura 18.
Figura 17 – Perfis dos cordões de solda sobre chapa escala 5:1.
Figura 18 – Dimensões dos cordões de solda sobre chapa.
20
Os resultados destas medições estão apresentados na tabela 5, onde são
relacionados com as correntes, tensões e tipo de eletrodo utilizado.
Tabela 5 – Dimensões do Perfil dos Cordões de Solda
Os resultados dos testes mostram que para ambos os eletrodos, maciço e alma
metálica, as dimensões de largura, reforço do cordão e penetração apresentam
resultados semelhantes no dimensional, não havendo diferenças significativas,
apresentando uma média de 2% mais penetração para o eletrodo alma metálica
mantendo os mesmos parâmetros. Também não foi identificada a incidência de
mordeduras, porém observou-se que para o eletrodo maciço ocorram descontinuidades
no perfil do cordão como a porosidade.
2.2.3. IDENTIFICAR COMPORTAMENTO DA ZTA NO PROCESSODE SOLDAGEM COM ELETRODO MACIÇO E ALMAMETÁLICA.
Os testes realizados para análise do comportamento da ZTA são os mesmos
realizados para análise da penetração e perfil do cordão de solda conforme figura 16.
Nas amostras 1 a 3 nota-se que para o eletrodo alma metálica a ZTA possui uma área de
aquecimento próximo a penetração da solda apresentando um contorno circular. Já para
os cordões de solda com o eletrodo maciço representados nas amostras de 4 a 6, a ZTA
possui uma área de aquecimento muito maior comparado com o eletrodo anterior,
chagando ao limite da espessura da peça. Isto se deve pelo fato deste eletrodo necessitar
de um maior aporte de calor para fusão de uma maior massa comparado com o eletrodo
alma metálica.
Como a ZTA influencia diretamente nas características mecânicas do material,
principalmente na dureza quando esta é excessiva, poderá causar fragilidade no material
levando ao rompimento ou aparecimento de trincas, mesmo possuindo uma boa
tenacidade.
21
Para este experimento foram medidas as durezas nos corpos de prova citados
procurando identificar se, apesar de apresentar diferenças nas regiões termicamente
afetadas, ocorreram diferenças na dureza em três regiões conforme apresentado na
figura 19. Foram medidos 2 pontos na região da solda, três pontos na ZTA e dois
pontos no metal de base, identificados na cor vermelha:
Figura 19 – Regiões de medição de dureza
Os resultados das medições da ZTA nos corpos de prova estão apresentados na
tabela 6 e na figura 20 .
Tabela 6 – Medição da Dureza nos Corpos de Prova (Vickers)
Figura 20 – Comparação da dureza entre eletrodos alma metálica e maciço
22
As diferenças encontradas na medição da dureza nas regiões do metal de solda,
ZTA e metal base não ultrapassam 240HV, não sendo valores significativos para esta
escala de dureza não havendo diferenças consideráveis para ambos os processos. Os
valores das medições realizadas estão indicados na tabela 6.
2.2.4. COMPARAR AS DIFERENÇAS DE PENETRAÇÃO DE SOLDAENTRE OS ELETRODOS MIG/MAG DE ALMA METÁLICA EMACIÇO, MANTENDO A MESMA CORRENTE E VELOCIDADEDE DESLOCAMENTO .
Na soldagem, a penetração é a grande responsável pelo resultado de aprovação
ou reprovação de uma solda, além da isenção de descontinuidade, trincas,
hidrogenização, formato do cordão (concavidade ou convecidade), entre outros. Através
da análise da penetração apresentado no item 2.2.2, tabela 5, identificou-se que o
comportamento da penetração, em média, se apresenta de forma muito semelhante entre
os dois processo não havendo uma diferença considerável que tendencione selecionar
um processo de soldagem com eletrodo alma metálica ou um processo de soldagem com
eletrodo maciço. Na figura 21 estão apresentados os valores obtidos através das
medições da penetração dos corpos de prova.
Figura 21 – Dados de penetração entre eletrodos alma metálica e maciço
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CONCLUSÃO
As condições dos testes realizados simularam a real aplicação em uma indústria
onde existam processos semi-automatizados para soldagem, ou seja os equipamentos
utilizados para desenvolvimento dos corpos deprova no SENAI/RS, são os mesmos
utilizados nos processos de soldagem nas indústrias.
Quando realizada a comparação entre os eletrodos de alma metálica e maciço, para
uma mesma bitola de eletrodo e mesmos parâmetros de soldagem, notou-se uma
significativa diminuição dos respingos gerados pelo eletrodo de alma
metálica,consequentemente reduzindo assim as perdas durante o processo, bem como a
baixa formação de sílica proveniente do aquecimento do cordão durante o processo
reduzindo assim a necessidade de limpeza da peça após a soldagem, consequentemente
reduzindo o tempo operacional.
Os resultados apresentados na análise comparativa do perfil de cordão e penetração
mostram que não existem diferenças significativas quando soldados cordões
diretamente em uma superfície sem a incidência de uma junta com mesmos parâmetros
e bitolas, concluindo-se assim, que não é possível alterar a velocidade de deslocamento
da tocha sem apresentar diferenças significativas no perfil do cordão.
A influência do aquecimento da solda na ZTA foi a diferença mais relevante
encontrada no processo de comparação. Identificou-se que para o processo de soldagem
com eletrodo alma metálica a ZTA apresentou uma pequena região com aquecimento
entre o metal de adição e o metal de base, o que nos corpos de prova com o eletrodo
maciço esta ZTA apresentou-se em toda a espessura da peça na região da solda entre o
metal de adição e o metal de base. Como este aquecimento influência diretamente nas
propriedades mecânicas da solda, pode-se afirmar que o processo de soldagem com
eletrodo alma metálica apresenta um significativo benefício quando aplicado, levando
em consideração as condições de execução dos corpos de prova.
As diferenças de penetração entre os dois processos não apresentaram diferenças
significativas, mantendo em média os mesmos valores e mesmas características, porém
nota-se que para o processo com o eletrodo maciço ocorreram pequenas
descontinuidades entre o metal de adição e metal de base ocorrendo o aparecimento de
poros.
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Conclui-se então que o eletrodo alma metálica apresenta uma pequena vantagem
comparado com o eletrodo maciço, no que se refere a garantia das propriedades
mecânicas e isenção de descontinuidades, porém sem vantagens no que se refere ao
amento da taxa de deposição.
Porém vale salientar que para cada aplicação é necessário que seja avaliado as variáveis
de cada processo específico, bem como uma análise econômica visando a viabilidade da
implementação do processo.
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INDICAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- Estudo da viabilidade econômica dos eletros alma metálica e maciço para aplicação
em juntas de solda
- Estudo das diferenças entre os eletrodos alma metálica e maciço na aplicação em
juntas de solda.
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REFERÊNCIAS
ITW. (2009). Apresentação Eletrodo Tubular MC (Metal Cored) e AM (Alma
Metálica).
ARAUJO, W. R. (2004). Comparação entre Soldagem Robotizada com Arame Sólido e
Metal Cored. Minas Gerais, Minas Gerais, Brasil: Universidade Federal de Minas
Gerais.
ESAB. (7 de Maio de 2004). AramesTubulares OK.
FOUNDATION, THE JAMES F. LINCOLN ARC WELDING. (2000). The Weld
Procedure Handbook of Arc Welding.
MACHADO, I. G. (1996). Soldagem & Técnicas Conexas. Porto Alegre.
MODENESI, P. J. (2000). Apostila de Introdução aos Processos de Soldagem I. Minas
Gerais, Brasil: Universidade Federal de Minas Gerais.
MODENESI, P. J. (2000). Apostila de Normas e Qualificações de Soldagem. Minas
Gerais, Brasil: Universidade Federal de Minas Gerais.
MODENESI, P. J. (Fevereiro de 2006). Soldagem I. Introdução aos Processos de
Soldagem . Belo Horizonte, Brasil.
SAF A5.18 - Seção II. (2001). Specification for Carbon Steel Electrodes and Rods for
Gas Shielded Arc Welding. In: AWS.
