Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
10
CAPÍTULO III
O ARCO ELÉTRICO
1. Características do arco.
O arco elétrico pode ser considerado como um condutor gasoso, que transforma energia elétrica
em calor e é usado na soldagem para produzir grande quantidade de calor e por ser de fácil controle por
meios elétricos.
A origem do nome arco é devida à forma assumida pelo mesmo, quando estabelecido entre dois
eletrodos colocados na posição horizontal, em função da corrente ascendente dos gases aquecidos.
Além de usado como fonte de calor, o arco é também usado em certos casos, na remoção de
óxidos da superfície metálica. Além disso, o arco influencia sobemaneira o modo de transferência do
metal líquido quando existe deposição, desde o eletrodo até a peça.
O arco eletrico usado em soldagem é considerado como uma descarga num meio gasoso
condutor e a corrente conduzida através do meio, gera calor e luminosidade. Os arcos usados em
soldagem podem ser contínuos, mais frequentemente intermitentes, por causa de interrupções
causadas por curtos-circuitos ou descontínuos, influenciados por alternância do fluxo de corrente ou por
fluxo turbulento de gás condutor.
A corrente no arco é transferida através do plasma, ou seja, o estado em que o gás se encontra
ionizado e onde o número de elétrons é aproximadamente igual ao número de íons ( equivale a dizer,
um meio eletricamente neutro ) . É um meio de alta temperatura, em equilíbrio e em evolução
permanente. O nome plasma em grego significa “meio”.
Para a manutenção do arco elétrico é necessário o cumprimento de algumas condições
particulares:
- existência de uma diferença de potencial conveniente entre os eletrodos.
- existência de uma distância mínima entre os eletrodos.
- existência de uma atmosfera ionizável.
- capacidade de termo-emissão eletrônjica por parte do eletrodo.
Inúmeros parâmetros podem modificar o aspecto do arco: natureza, forma e dimensões do
eletrodo, comprimento do arco, forma e pressão do meio envolvente, característica da fonte de corrente
e intensidade da corrente elétrica.
2. Descrição dos fenômenos elétricos do arco.
O estudo do arco elétrico através de uma lente escura, permite vislumbrar três áreas distintas.
- uma zona brilhante no catodo.
- uma zona mais brilhante no anodo.
- uma coluna gasosa, de alta temperatura, ligando anodo e catodo.
O catodo emite elétrons na razão direta da intensidade da corrente. No trajeto, os elétrons se
chocam com moléculas, gerando o choque, alta energia, com formação de íon, que nada mais são que
moléculas portadoras de carga.
A maioria dos gases raros ( argônio e hélio ) , N2 e H2 formam íons positivos pela perda de um
elétron. Desta maneira, dois elétrons vão em direção ao anodo, enquanto o íon positivo retorna ao
catodo.
O oxigênio por seu lado, pode captar um elétron e haver formação de íons negativos, que
caminha em direção ao anodo.
Dessa maneira, são três os tipos de partículas que se deslocam no interior do arco:
- elétrons que saem do catodo e bombardeiam o ando.
- íons positivos que vão em direção ao catodo.
- íons negativos (como do oxigênio), que vão em direção ao anodo.
3. Queda de tensão anódica e catódica.
Estudos demonstram a existência de bruscas quedas de tensão no anodo e no catodo, enquanto
que no arco propriamente, há uma variação linear da queda de tensão ( função da distância entre
eletrodos ) , como se fosse um condutor metálico.
As zonas de queda de tensão anótica e catódica tem espessuras de 10 -2 e 10-5 cm,
respectivamente. São áreas de intensa liberação de calor, diretamente relacionadas com as quedas de
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
11
tensão anótica e catódica; essas quedas de tensão, no caso dos arcos usados em soldagem , são
pouco influenciadas pelo comprimento do arco ou pela intensidade da corrente.
A emissão eletrônica é devida ao forte gradiente de potencial ( campo magnético ) , que existe
na superfície catódica e ao efeito termo-eletrônico ( emissão de elétrons sob efeito do calor ) .
Em certos tipos de eletrodos , tungstênio e carbono, por exemplo, este fenômeno é
preponderante.
e - 10
i + 10
m
s
m
s
Queda de
tensão
4. Temperatura do arco elétrico
A temperatura do arco elétrico é de difícil determinação, mas pode-se afirmar que fica entre
5.000 e 30.000 K, dependendo do tipo de plasma e da intensidade da corrente transportada pelo
mesmo.
Quando se trata de eletrodos revestidos, dada a presença de elementos quím icos ionizantes
(como sódio e potássio) no revestimento, pode-se dizer que a máxima temperatura atingida é da ordem
de 6.000 K. No caso de arco estabelecido em atmosfera de gases inertes, as temperaturas podem
chegar a 30.000 K e mesmo a 50.000 K em fontes muito potentes.
As medidas de temperatura são feitas através da medição da radiação espectral emitida. A
figura mostra a ditribuição térmica num arco em atmosfera de argônio, com 200A, estabelecido entre um
eletrodo de tungstênio e uma placa de cobre refrigerada a água.
As perdas de energia no arco variam com o perfil da temperatura e com a condutividade térmica,
com a convecção e com a radiação.
A figura mostra as condutividades térmicas de vários gases a 1 atmosfera de pressão. O N2 e o
H2 apresentam picos em razão da dissociação e da associação, nas formas molecular e atômica.
5. Radiação
A quantidade de radiação emitida pelo arco é função da massa atômica e da estrutura do gás,
da pressão e temperatura do mesmo.
A perda de energia por radiação pode chegar a 20% no caso de arco sob argônio, enquanto nos
outros processos , dificilmente ultrapassa 10%.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
12
6. Características elétricas
Igualmente aos condutores elétricos, também o arco se comporta como resistência elétrica. A
resistência é inversamente proporcional à densidade das cargas transportadas e sua mobilidade, sendo
que a impedância total depende distribuição radial e axial das cargas.
A potência dissipada no arco é expressa como o produto das quedas de tensão pela corrente.
P = I ( Ea + Ec + Ep )
Onde P é a potência expressa em watts, I a corrente em Amperes, Ea a queda de tensão anódica , Ec a
queda de tensão catódica e Ep a queda de tensão no arco ( ou plasma de arco ) .
Na secção transversal do arco há regiões onde ocorrem expanções e contrações e em função
disso , o arco toma a forma do sino ou cone , formas elípticas ou outras configurações não cilíndricas.
Os fatores que influenciam as várias formas do arco podem ser : configuração geométrica dos terminais
( eletrodos ), forças gravitacionais, forças magnéticas e interações entre o plasma e a pressão
ambiente. A área por onde flui a corrente entre os terminais ( anodo e catodo ) tem forte efeito no perfil
do arco e no fluxo de energia entre os mesmos ; a densidade de corrente é muito importante no
tamanho e na forma da zona de fusão e na penetração do cordão.
7. Influência dos campos magnéticos no arco elétrico
O arco elétrico é influenciado por campos magnéticos, tanto induzidos como permanentes, que
produzem campos de força que defletem o arco, comumente chamado “sopro de arco “ ; os campos
magnéticos também influenciam a coluna de plasma e a transferência do metal através do arco. O
campo magnético pode ser auto- induzido e associado à corrente do arco ou ser produzido por
magnetismo residual do metal que está sendo soldado ou por fonte externa.
O efeito dos campos magnéticos externos é determinado pelas forças de Lorentz , dado pelo
produto vetorial entre o campo externo e a corrente. O arco é defletido numa curva, que vai da ponta do
eletrodo em direção ao metal de base. A deflexão é dada pela regra da mão esquerda e pode ser
entendida como linhas de fluxo que envolvem um condutor, somadas vetorialmente as linhas de campo
aplicadas de um lado e anuladas de outro lado. O arco será defletido na direção do fluxo de menor
intensidade.
A deflexão na direção do trabalho resulta num cordão mais largo e menos penetrante, podendo
inclusive ser usado na soldagem de chapas de pequenas espessuras . A deflexão na direção contrária
ao trabalho melhora a aparência e reduz as mordeduras quando se usa altas velocidades de soldagem .
A deflexão também pode ser causada por eletrodos múltiplos ( arco submerso com 3 eletrodos )
onde se usa o campo eletromagnético vizinho para aumentar a velocidade de soldagem, sem a
ocorrência de mordeduras
8. Sopro de arco
Sob dadas condições o arco tem tendência a fugir do ponto a ser soldado , dificultando a
execução do cordão ; é o resultado de distúrbios magnéticos nas propriedades do arco e decorre de
duas condições básicas :
- a mudança na direção da corrente que entra na peça e se dirige ao ponto de trabalho.
-ao arranjo assimétrico nos materiais magnéticos em torno do arco ( condição comum quando se
inicia ou finaliza soldas em chapas, em materiais ferromagnéticos).
Embora o fenômeno não possa ser eliminado , pode ser reduzido .
Nas figuras abaixo são mostrados o sentido da corrente e das linhas de fluxo. As linhas de fluxo
estão concentradas no arco e são esparsas em outros pontos da peça. Consequentemente o campo é
mais forte onde há maior concentração do fluxo que em outros pontos e pela regra da mão esquerda, a
força tende a se afastar do ponto da conexão elétrica.
É sabido que as linhas de fluxo passam mais facilmente no material magnético que no ar. No
caso da soldagem em início ou fim de chapas, o metal de base terá um fluxo maior que o ar, trazendo
com isso o desvio do arco .
Baixa tensão de arco resulta em arco mais rígido , que resiste melhor ao sopro magnético que
uma alta tensão de arco.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
13
Na soldagem em CA, o efeito do sopro de arco é menos sensível, em funçào da mudança de
polaridade, que induz menos correntes parasitas na peça.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
C A P Í T U L O
14
I V
C R I T É R I O S D E E S C O L H A D E F O N T E S D E
C O R R E N T E P A R A S O L D A G E M A A R C O
Para que se possa selecionar corretamente uma fonte de corrente a ser utilizada em soldagem a
arco, deve-se em primeiro lugar detalhar o processo a ser utilizado e as características da soldagem .
Definido o processo, o tipo de material a ser soldado, o tipo da corrente a utilizar e a espessura ,
pode-se então especificar as características da fonte de corrente. Daí à escolha da máquina, outras
considerações devem ser feitas: disponibilidade de carga, necessidades futuras, facilidade de
manutenção, considerações econômicas, porte do equipamento, segurança , nível de serviço do
fabricante e padronização de peças.
- disponibilidade de carga : verificar no ponto de fornecimento de energia elétrica do local de
instalação a capacidade do transformador, a fim de conhecer a disponibilidade de carga do mesmo. A
mesma observação é válida em grandes empresas que tenham em cada setor circuitos elétricos
independentes, alimentados por transformadores distintos.
- necessidades futuras: os fabricantes de fontes de corrente dispõem de máquinas de variadas
potências, bem como máquinas que abrangem vasta faixa de regulagem. As fontes que fornecem
corrente dentro de faixas específicas e estreitas, são mais baratas que aquelas que atingem variada
gama ; se a máquina a ser adquirida deve trabalhar num único tipo de junta , pode-se optar pelo tipo
mais barato. As grandes máquinas, além de terem maior custo, tem também menor rendimento,
principalmente quando trabalham no limite inferior da faixa de regulagem trazendo com isso uma maior
despesa com energia elétrica. É preciso que se conheça com exatidão as necessidades atuais e futuras
para o uso do equipamento, de modo que a escolha seja a mais correta possível .
- facilidade de manutenção: grande parte das vezes , uma máquina que apresenta defeito, pode
ser consertada pela equipe de manutenção da empresa. Por esse motivo deve-se comprar máquinas
que ofereçam facilidade na manutenção , com fácil acesso ao seu interior, simplicidade na montagem e
desmontagem . Em caso de defeitos mais complicados é interessante contar com a assistência técnica
do fabricante .
- considerações econômicas: dada a variedade de fabricantes de equipamentos de soldagem,
torna-se corrente encontrar equipamentos similares com grandes diferenças de preços . Tais diferenças
podem ser devidas à fama do fabricante ou à qualidade dos materiais empregados. É preciso que as
diferenças de preço sejam “aparadas” de maneira a que se tenha parâmetros homogêneos que
permitam a real comparação entre os equipamentos .
- porte do equipamento : o porte do equipamento é importante devido principalmente à
mobilidade e ao espaço requerido pelo mesmo.
Um equipamento que deve ficar em local é diferente daquele utilizado em manutenção , exigindo este
último maior mobilidade, devendo-se prever sua instalação sobre rodas .
- segurança: os vários equipamentos oferecidos tem diferentes níveis de segurança , não só a
nível de proteção do operador como a nível de proteção da própria máquina . A proteção à máquina
pode ser obtida através da instalação de termo elementos que desligam a máquina quando há
sobreaquecimento ou através da utilização de vernizes de revestimento do enrolamento, com maior
resistência às altas temperaturas.
- nível de serviço do fabricante : a escolha da máquina está diretamente relacionada ao nível de
serviço oferecido pelo fabricante do equipamento . Tal dado pode ser obtido tanto de experiências
vividas pelo próprio usuário, como através de consultas a outros utilizadores do mesmo tipo de
equipamento. Os pontos importantes que devem ser considerados são os seguintes: presteza no
atendimento, qualidade do serviço prestado, e rapidez no fornecimento de peças .
- padronização de peças: os estoques de peças custam dinheiro à empresa, razão pela qual
devem ser mantidos sempre no nível mais baixo. Máquinas “diferentes “ daquelas encontradas na linha
de produção podem levar à existência de estoques de peças exclusivas para a máquina em questão.
Por esse motivo, é por vezes preferível que a máquina a ser adquirida seja da mesma marca e tipo de
outras já existentes, facilitando dessa maneira a existência de estoques mínimos e no caso de falta de
peças em estoque permitir a retirada de peças de outra máquinas.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
15
1. Tipos de fontes
As fontes de corrente utilizadas em soldagem podem fornecer corrente alternada ( CA ) ou
corrente contínua ( CC ).
Pode-se obter a energia necessária à soldagem , em tensões convenientes para a realização da
operação, por meio de transformadores-retificadores, de moto-geradores ou de moto-alternadores.
No presente, tende-se ao uso generalizado de transformadores em detrimento às maquinas
girantes, em função da maior facilidade de manutenção e da quase não existência de peças móveis.
Todas as máquinas tem uma curva característica externa. As fontes de corrente utilizadas na
soldagem são do tipo corrente constante ou do tipo tensão constante; estas classificações são
determinadas pelas características estáticas das fontes e tem influência fundamental nos processos a
que se destinam.
O termo constante não é de todo correto, salvo para pequenas faixas de operação. Sob esse
aspecto, falar-se em tensão constante é mais específico que corrente constante, conforme será visto
adiante.
As fontes do tipo corrente constante são também conhecidas como tensão variável, vertical,
mergulhante ou tombante; as do tipo tensão constante como corrente variável ou horizontal.
1.1. Fontes de corrente constante
A fonte de corrente constante é aquela onde é possível um ajuste na corrente do arco. Tem uma
característica externa ( Volt- Ampere ) que proporciona uma queda de tensão relativamente constante
com a variação da corrente; a tensão de arco, para uma dada corrente, é responsável pela taxa de
fusão do eletrodo (exceção feita ao eletrodo não consumível, quando a distância eletrodo peça é
responsável pela tensão de arco )
A principal característica desse tipo de fonte é que se houver variação no comprimento do arco,
por influência externa, com consequente variação da tensão, a corrente tende a permanecer constante.
As fontes de corrente constante são utilizadas em processos que empregam eletrodos manuais,
eletrodos revestidos e eletrodos não consumíveis, onde o fator humano provoca variação no
comprimento do arco. Pode-se também usar estas fontes em soldagem semi- automática ou
automática, quando o comprimento do arco é mantido constante por mudança automática na velocidade
de alimentação do eletrodo.
1.2. Fontes de tensão constante
A fonte de tensão constante é aquela onde é possível um ajuste na tensão do arco. Tem uma
característica externa ( Volt- Ampere ) que proporciona uma tensão de saída relativamente constante; a
corrente, para uma dada tensão, é responsável pela taxa de fusão do eletrodo.
Um arco mantido por uma fonte de tensão constante, com a utilização de eletrodo consumível e
alimentação com velocidade constante, torna-se auto- regulado, ou seja, quando ocorrem variações no
comprimento do arco ou flutuações de tensão na fonte de energia, há uma tendência natural ao arco
retornar ao seu comprimento original. A corrente de soldagem e a tensão de arco estão sempre
correlacionadas e no caso das fontes de característica horizontal , há uma rápida mudança no
comprimento do arco. Deve-se sempre ter em mente que a tensão de arco é proporcional ao
comprimento do mesmo.
A variação no comprimento do arco é basicamente determinada pela diferença entre a
velocidade de fusão do arame e sua velocidade de alimentação. Se o comprimento do arco ( tensão do
arco ) varia por qualquer razão, ocorre imediatamente uma variação na corrente para um valor maior ou
menor, o que alterará a taxa de fusão, fazendo com que o arco volte ao comprimento inicial.
2.Princípio de funcionamento dos transformadores
Conforme visto em Fontes de Corrente para Soldagem , os transformadores produzem uma
mudança na tensão de alimentação para uma tensão de uso.
São máquinas compostas basicamente por um núcleo elaborado em ferro- sílico, de grande
permeabilidade magnética e dois enrolamentos, primário e secundário, em metal condutor. O núcleo
passa no interior dos enrolamentos.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
16
Um condutor elétrico submetido a uma diferença de potencial gera um fluxo de elétrons. Os
elétrons ao percorrerem o condutor geram um campo magnético radial, cujo o sentido é determinado
pela “regra de mão direita”. Se ao condutor em questão for dada uma forma circular, o campo
magnético continua a existir, só que com maior intensidade, pois deixou de ser linear. O campo pode
ser mais reforçado, se ao invés de uma única volta, forem feitas inúmeras delas, dando-se ao condutor
a forma de uma bobina.
Ao se submeter um condutor elétrico a um campo magnético, há o aparecimento de um fluxo de
elétrons a percorrer o condutor. O sentido da corrente, também nesse caso, é determinado pela “regra
da mão direita”. Analogamente ao caso anterior, se o condutor tiver a forma circular, a corrente obtida
será maior. Se ao invés de uma volta, forem feitas inúmeras, a corrente será aumentada .
A continuidade da corrente elétrica, quando gerada por campo magnético, só é possível quando
há variação do mesmo ao longo do tempo.
O funcionamento dos transformadores baseia-se em fenômenos eletromagnéticos. O
enrolamento primário ( também chamado bobina primária ) é conectado à rede e percorrido por uma
corrente elétrica. Esta corrente elétrica ao percorrer as espiras da bobina primária gera um ponto
magnético. Como a rede fornece corrente alternada, o campo magnético gerado no enrolamento
primário é pulsante, ou seja , passa de nulo a máximo num sentido, retorna a zero e passa a máximo
em outro sentido, para a seguir retornar a zero. Com isso, o núcleo também passa a ser percorrido por
um campo magnético variável e alternado, produzindo-se uma força eletromotriz de auto- indução, que
se opõe à variação da corrente.
Pelo fato do circuito magnético ter a forma de um quadro fechado, o fluxo magnético percorre-o
contínuamente e a bobina secundária passa a ser percorrido pelo campo. Este campo magnético induz
na bobina secundária uma força eletromotriz , chamada força eletromotriz de indução mútua, a partir da
qual será possível a obtenção da corrente elétrica que será utilizada para a soldagem.
Pode-se dizer de maneira simplificada que um transformador transfere energia elétrica de uma
bobina para outra através de um campo magnético alternado.
Se todas as linhas do campo magnético gerado no enrolamento primário alcançassem o
enrolamento secundário, a corrente elétrica obtida no secundário seria igual àquela introduzida no
primário e o transformador teria um rendimento de 100% . Na realidade , uma pequena parte da energia
elétrica introduzida no enrolamento primário é transformada em calor por causa da resistência elétrica
do condutor,sendo o restante transformado em fluxo magnético. Uma parte do fluxo magnético acaba
não atingindo o secundário , por se perder no ambiente, ao que se dá o nome de fluxo de dispersão (
fenômeno que será usado nos transformadores de soldagem para fazer variações na corrente de
operação ). Com isso os transformadores tem um rendimento sempre menor que 100% .
Se o enrolamento primário tiver 100 espiras e o secundário 1000 espiras, a tensão induzida no
secundário será 10 vezes maior que a tensão do primário. O campo magnético será produzido pela
passagem da corrente durante 100 vezes no primário; o campo gerado será conduzido pelo núcleo e
recebido pelo secundário , induzindo uma força eletromotriz em 1000 espiras , ou seja , uma tensão 10
vezes maior.
As tensões usadas na soldagem são sempre menores que as da rede, razão pela qual os
transformadores tem maior número de espiras no primário que no secundário, provocando um
abaixamento na tensão.
As bobinas dos transfornadores de qualidade são sempre feitas em cobre, dada a baixa
resistividade desse metal. Para que o volume da máquina não seja exagerado, é necessário que as
espiras fiquem tão próximas quanto possível uma das outras e para que as mesmas não sejam curtocirquitadas, devem ser isolados entre sí. Tal isolação poderia ser feita com plástico ( tal qual a isolação
dos fios utilizados em instalações elétricas ). Como este isolamento plástico ocupa um certo volume,
recai-se no caso anterior, de excessivo volume do equipamento. A solução está no uso de vernizes
isolantes que , aplicados sobre o fio de cobre, garantem uma isolação adequada com espessuras
bastante reduzidas, reduzindo o problema do grande volume da máquina.
3. Características de trabalho dos transformadores
Todos os condutores metálicos se comportam como resistências elétricas. O fluxo de elétrons
através deles provoca aparecimento de calor devido à resistência do metal ( fato ocorrido mesmo no
cobre, apesar da sua baixa resistividade elétrica ).
A dissipação da energia é função do quadrado da corrente e da resistência do metal, de acordo
com a fórmula P = R . I 2
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
17
Os enrolamentos dos transformadores são calculados de forma a suportar uma determinada
corrente máxima , quando a dissipação de calor será máxima. No cálculo dos enrolamentos está
prevista também a quantidade de calor que pode ser absorvida pela isolação, já que o verniz de
isolamento suporta uma temperatura limite antes de entrar em deterioração ( queima ) .
Um condutor é calculado para suportar uma corrente máxima durante um tempo infinito, sob
determinadas condições de refrigeração ( por exemplo , em ar atmosférico ), o que não significa que
não possa suportar corrente maior que a máxima durante dado espaço de tempo .
Os transformadores de soldagem para serem mais compactos tem, na maior parte das vezes ,
um ventilador para refrigeração forçada.
As fontes de corrente utilizadas em soldagem devem sempre trazer a indicação da corrente
máxima que podem fornecer, além de outro valor de corrente associado a um ciclo de trabalho (também
conhecido como fator de trabalho ou fator de marcha ou fator de utilização ).
Ciclo de trabalho: tomando-se um tempo base, o ciclo de trabalho é o tempo que o equipamento
permanece ligado em relação ao tempo base. Tal fator é expresso em porcentagem e expresso pela
fórmula:
C T = Tf / Tb x 100
onde CT é o Ciclo de Trabalho , Tf é o tempo de funcionamento e Tp é o tempo base .
O tempo base é definido pelas normas da ABNT e pela normalização internacional como sendo
de 5 minutos. Portanto para um equipamento que trabalhe 3 minutos, o Ciclo de Trabalho será de 60%.
Entre a corrente fornecida pela fonte e o ciclo de trabalho existe uma relação que é dada por :
C1 . ( I1 ) 2 = C2 . ( I2 )2
onde C 1 é o Ciclo de Trabalho a uma Corrente de Trabalho I 1 e C 2 é o Ciclo de Trabalho a uma
Corrente de Trabalho I 2.
Conhecendo-se pois três dos quatro índices acima torna-se possível determinar o quarto.
Exemplificando: se uma fonte de corrente fornece 200 A a um Ciclo de Trabalho de 60% e a corrente
máxima fornecida for 280 A, é possível operar nessa corrente com um fator de trabalho de 38,4 %.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
C A P Í T U L O
F O N T E S
D E
18
V
C O R R E N T E
1. Generalidades
Na soldagem a arco ( e ENTENDA-SE a soldagem a arco, a soldagem com eletrodo revestido, M
IG, TIG e arco submerso ), o mesmo é usado como fonte de calor e é estabelecido entre um eletrodo (
consumível ou não ) e a peça a ser soldada.
O estudo do arco e suas propriedades e particularidades, não serão aqui discutidos já tendo sido
objeto de estudo.
A corrente necessária à soldagem não pode ser obtida diretamente da rêde de energia elétrica
pública, ja que as tensões obtidas são bastante elevadas para este tipo de operação.
Se fosse feita uma tentativa de reduzir a tensão da rêde para a tensão necessária à soldagem (
de 15 a 45 V ), por meio da insersão de resistências elétricas no circuito, o rendimento seria mínimo, da
ordem de 10 a 20%, com grande parte da energia da rêde sendo transformado em calor.
É por isso que se usa uma fonte específica de corrente para soldagem a arco, que deve, no
entanto satifazer as condições seguintes:
- fornecer entre os pôlos uma tensão que corresponda às necessidades do arco.
- fornecer sob esta tensão, uma corrente que possa ser limitada entre faixas, faixas essas que
são função do tipo de trabalho ( natureza do metal base, espessura, posição, tipo de junta, atmosfera ou
fluxo envolvente, etc.) .
Ter características estáticas e dinâmicas que favoreçam a estabilidade de arco.
2. Classificação
A fontes de corrente são classificadas segundo o tipo de corrente fornecida, alternada ou
contínua e conforme sejam estáticas ou rotativas.
3. Transformadores.
3.1. Princîpio
O transformador é constituído por uma circuito magético fechado em forma de quadro e de dois
enrolamentos: primário e segundário. Cada bobina é composta de N1 e N2 espiras.
Se entre os terminais do primário for aplicada uma tensão alternada U1 , é criada uma corrente
primária I 1 , que circula na bobina. Esta corrente, induz um campo magnético no núcleo; o campo
magnético ao percorrer o circuito magnético ( quadro ), induz no segundário uma tensão alternada U2 ,
de modo que:
N1 / N2 = U1 / U2
Esta relação é exata somente quando o circuito está aberto. Em carga, devido às fugas de fluxo
magnético e à resistência interna das bobinas, a fórmula sofre alteração. Estas perdas, que em
transformadores industiais não são levadas em conta, são inoportunas em transformadores de
soldagem e busca-se reduzí-las a zero.
Da mesma forma que para a tensão, existe uma relação entre o número de espiras e corrente,
tal que:
N1 / N2 = I1 / I2
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
19
A relação N1 / N2 é chamada relação de transformação do transformador. No transformador real
, tenta-se reduzir a corrente em circuito aberto, adotando-se um circuito magnético num só núcleo,
sobre o qual estão dispostos concentricamente os enrolamentos primário e secundário, sujeitando-os ao
mesmo fluxo. Os transformadores desde tipo são de tensão sensivelmente constante e por
consequencia, se U1 é constante, U2 também o será, mesmo em carga.
Este sistema faz com que o porte dos equipamentos fique extremamente grande, devido à
grande massa de ferro e cobre, o que faz com que a preferência recaia sobre transformadores “autoreguladores”, onde a reatância é obtida por uma fuga do fluxo eletromagnético, que conforme é variado,
faz com que seja produzida uma variação na corrente de soldagem.
Considerando-se o caso em que o circuito de soldagem é constituído por um transformador a
tensão constante e uma bobina de defasagem entre a corrente de soldagem e a tensão U0 .
O rendimento η do transformador, ou seja, a razão entre a potência do arco U I e a potência
ativa do secundário Uo I cos ϕ , que é igual à potência ativa do primário, se o transformador é perfeito,
pode ser escrita como:
η = U I / Uo I cos ϕ
ou seja, ηcos ϕ = U / Uo
Para estes transformadores, as curvas características U = f ( I ) são arcos de elipse.
O rendimento de tais aparelhos é de 0,9, mas com os valores usuais de U e U0 , o cos ϕ é da
ordem de 0,5 a 0,6.
Da relação acima deduz-se que :
Uo I = U
I /η. cos ϕ
Uo I é a potência aparente secundária . Sendo o transformador perfeito, esta potência é igual à
potência aparente do primário, podendo-se dizer que: obtém-se a potência aparente de um
transformador, multiplicando-se a tensão em vazio secundária pela corrente de soldagem.
Uª
LωI
Fase de I
U
R.I
3.2. Transformadores de tensão constante.
3.2.1. Transformadores de tensão constante associados a uma bobina de reatância de regulagem
contínua ou descontínua.
Nestes transformadores, a bobina de reatância com circuito próprio, é colocada no circuito de
soldagem. A regulagem é feita fazendo-se o variar a reatância pela mudança de “taps”do segundário de
dispersão ( Figura 5 ) ou por um núcleo de entreferro variável ( Figura 6 ).
No primeiro, pouco empregado a corrente de soldagem é tanto menor, quanto mais espiras são
introduzidas no circuito.
No segundo, a corrente de soldagem cai, à medida que o núcleo é introduzido. Esta última, é uma
regulagem contínua, enquanto a outra é por etapas.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
20
Há certas máquinas em que a bobina de reatância é incorporada ao transformador, de maneira que o
mesmo núcleo varia a fuga magnética e a reatância conforme a figura 7.
Fig. 7
3.2.2. Transformadores a tensão constante associados a um transdutor.
Os transdutores ou reatâncias saturáveis são relativamente simples e possibilitam a variação
contínua e precisa de uma corrente alternada, agindo-se sobre uma corrente contínua de pequena
intensidade.
O ganho ou fator de amplificação ( relação entre as potências de saída e de entrada ) depende
da montagem e dos materiais construtivos ( permeabilidade magnética ), variando de 50 a 10 000.
O esquema da figura 8, mostra o princípio de um transdutor . As bobinas a e b formam o circuito
de utilização, alimentado por uma fonte de corrente alternada S e estão dispostas sobre os núcleos
laterais do circuito magnético de 3 núcleos. Sobre o núcleo central está disposta um bobina C,
percorrida por corrente contínua vinda de uma fonte d e regulável por um reostato e.
Os fluxos induzidos nos núcleos laterais não penetram no núcleo central, enquanto a corrente
contínua satura mais ou menos os núcleos laterais e a corrente no circuito de soldagem, varia em
função da corrente contínua de comando.
A corrente contínua é fornecida por um pequeno retificador alimentaddo pela rede ou pelo
primário do transformador de soldagem .
Apesar de haver um aumento de peso e de preço, o emprego de um transdutor para regular a corrente
de soldagem está sendo cada vez mais utilizado, principalmente quando se deseja um comando à
distância ( muito importante quando do trabalho em grandes obras ( ocasiões em que a máquina deve
ficar distante do operador ) .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
21
3.2.3. Central de soldagem de corrente alternada
Quando muitos soldadores devem trabalhar contínuamente em espaço delimitado, pode ser
economicamente viável alimentar todos os postos através de uma única fonte de corrente.
Se a corrente é alternada, a fonte de corrente é constituída por um transformador ( 500 a 2.000
A ) de tensão constante.
Este transformador abaixa a tensão da rede para 60 - 70 V e alimenta as caixas de distribuição
individuais, próximas aos postos de soldagem . A distribuição em tensão constante é necessária para
que os equipamentos vizinhos não sejam perturbados.
A regulagem da corrente de soldagem é feita por cada soldador através de uma reatância
variável, conforme figura 9.
3.3. Transformadores auto-reguladores
Nestes transformadores os enrolamentos primário e secundário não são ajustados. Em vazio, as
linhas magnéticas do campo criado pelo circuito primário, induzem no secundário a tensão em vazio.
Em carga, uma parte do fluxo é perdida por dispersão; agindo-se sobre essa dispersão é possível
regular a tensão secundária e consequentemente a corrente de soldagem.
Várias são as maneiras de se agir sobre a dispersão do fluxo magnético:
3.3.1. Transformadores auto-reguladores com bobina de dispersão regulável por “taps”.
Uma bobina é montada no mesmo circuito magnético do transformador, sendo a bobina
percorrida pela corrente secundária ( muito raramente pela primária ) .
O caso mais frequente é o da figura 10, onde os enrolamentos primário e secundário ( P e S1 )
são concêntricos e ajustados sobre o mesmo núcleo. Em série com o secunário, uma bobina S2 é
disposta sobre o outro núcleo do circuito magnético e a conexão entre S1 e S2 feita por uma barra de
ligação de bornes.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
22
Com o circuito aberto, a bobina S2 não é atravessada por qualquer corrente e o fluxo magnético
passa pelo núcleo sem qualquer alteração ( linha tracejada ) . Em carga, S2 induz no núcleo um fluxo
magnético de sentido inverso ao fluxo principal, desviando-o e obrigando-o a se dispersar, em parte , no
ar. S2 é também chamada “bobina de dispersão”.
Para qualquer posição da barra, o número total de espiras secundários no circuito é sempre o
mesmo. Deduz-se que a tensão em vazio U0 é constante para qualquer regulagem e que a família de
curvas estáticas tem o aspecto da figura 11.
Se os bornes forem dispostos como na figura 12, a cada regulagem corresponde um certo
número de espiras secundárias e consequentemente, uma diferente tensão em vazio U0 ( obtendo-se as
curvas características da figura 13 ) .
É possível ainda, combinar as duas disposições, de modo a que sejam obtidas as características
da figura 14.
Pode-se fazer uma variação dos dispositivos acima, como na figura 15, onde o enrolamento
primário é seccionado em duas bobinas dispostas sobre núcleos distinto. A conexão entre os primários
é feita por “taps”, de modo a que o número de espiras do primário seja constante. endo a corrente
primária, menor intensidade que a secundária , há a vantagem do comando por “taps” se dar no
primário do transformador.
A tensão, no entanto, é mais elevada, o que pode trazer riscos de choque elétrico.
3.3.2. Transformadores com bobina de dispersão exterior
Os enrolamentos primário e secundário estão dispostos sobre dois núcleos diferentes; a bobina
de dispersão é ligada em série com o secundário e externa aos dois enrolamentos. A regulagem é
feita por “taps” no secundário ( figura 16 ).
3.3.3. Transformadores com bobinas móveis deslizantes
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
23
A variação da distância entre os enrolamentos primário e secundário, modifica a dispersão do
circuito magnético e quanto mais próximas as bobinas, maior será a corrente de soldagem. Nesta
montagem é possível uma variação contínua na corrente de soldagem .
A figura 17 é um esquema desta disposição e dependendo do construtor, a bobina móvel tanto
pode ser primária como secundária. Em qualquer caso a máquina é volumosa , o que dificulta sua
movimentação .
3.4. Transformadores de solda com fuga magnética
3.4.1. Transformadores com “shunt” magnético fixo e bobina de dispersão
Bastante parecidos com os transformadores de tensão constante, possuem um único primário,
um secundário normal colocado no mesmo núcleo que o primário e um secundário de dispersão. Os
dois secundários são divididos em enrolamentos parciais em “taps” ( 4 “taps” na figura 18 ). Usando-se
as saídas e e E , somente o secundário normal funciona. Como está disposto sobre o mesmo núcleo
que o primário, as fugas magnéticas são baixas, a tensão em vazio é mínima e a corrente de soldagem
é máxima . Usando-se a e A , somente o secundário de dispersão fica em serviço e a corrente de
soldagem tem um valor mínimo . O uso dos “taps” intermediários permite variar a corrente entre esses
limites.
O número de espiras entre dois “taps” não é necessariamente igual à esquerda e à direita , de
modo que as duas combinações podem corresponder tensões em vazios diferentes.
3.4.2. Transformadores com “shunt” magnético móvel
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
24
Os enrolamentos primário e secundário sãio dispostos sobre dois núcleos A e B no circuito
magnético, com prolongamento C e D , conforme figura 19.
O primário é composto por duas bobinas E e F, que envolvem o núcleo A . No mesmo núcleo é
colocado um enrolamento secundário, chamado conjugado, enquanto no núcleo B é colocado um outro
enrolamento secundário chamado não conjugado. Cada um destes enrolamentos é constituído por 3
“taps”, o que possibilita a ligação de 3 faixas de corrente de soldagem ( as conexões são feitas de tal
maneira que a soma das espiras seja sempre a mesma, para que a tensão em vazio obtida seja sempre
a mesma ).
Dessa maneira é possível, através do deslocamento do núcleo móvel J, uma variação contínua
da corrente de soldagem, sendo a corrente tanto menor, quanto mais próximo J estiver de I .
As características externas obtidas são aquelas mostradas na figura 20.
3.4.3. Transformador monofásico com “shunt”magnético e entreferro variável
Uma maneira eficaz de criar fugas magnéticas num circuito magnético, consiste em introduzir no
circuito um entreferro, que pela maior ou menor aproximação do núcleo, pode reduzir ou anular o
campo magnético.
É um processo muito usado, havendo diversas maneiras construtivas, sempre com bom
rendimento da máquina e sem vibração das partes móveis.
O esquema abaixo representa o clássico transformador de núcleo retangular. Na figura 21, o
núcleo superior tem forma de V , que ao ter sua altura variada, faz variar a quantidade de fuga
magnética, chegando mesmo a anulá-la . Na figura 22, o núcleo tem movimento vertical, aumentando
ou diminuindo o entreferro.
Outro tipo construtivo é mostrado na figura 23, onde os enrolamentos primário e secundário
estão dispostos sobre dois núcleos distintos de um circuito retangular. Entre os enrolamentos há duas
barras que criam um fluxo de dispersão; um comando por parafuso a duplo passo ( direita e esquerda )
aproxima ou afasta as barras do circuito magnético principal. Quanto mais próximas estão as barras,
menor é a corrente de soldagem e quanto mais afastadas , maior o fluxo no secundário ( já que o fluxo
atravessa as barras ) e maior a corrente de soldagem.
Fig.23
Fig.21
Fig.22
3.4.4. Transformador de relutância variável
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
25
O transformador representado pela figura 24 possui um circuito magnético particular: o núcleo
central é composto por dois cilindros com fedas. Ambos são solidários entre sí e podem girar em
ângulos de 0 a 90º . No caso do esquema b, a relutância é máxima, assim como a corrente. Se as
fendas são paralelas ao fluxo, a relutância, e consequentememte a corrente é mínima .
3.5. Fonte de corrente monofásica alimentada em trifásico
São subdivididas em transformadores rotativos trimonofásicos e conversores de frequência .
3.5.1. Transformadores rotativos trimonofásicos
Estes aparelhos não são mais utilizados. São compostos por um motor assíncrono, cujo estator
tem um enrolamento monofásico que alimenta o circuito de soldagem , enquanto o rotor equilibra as três
fases ( tanto em vazio, como em carga ) .
3.5.2. Conversores de frequência
Os conversores de frequência são formados por um alternador a estator trifásico excitado pela
rede e que produz um campo girante em sentido inverso ao do rotor monofásico, nos polos do qual é
retirada a corrente de soldagem de média frequência ( de 150 a 450 Hz ) . O alternador é tocado por um
motor assíncrono trif’ásico, alimentado pela rede.
O controle da corrente é feito por uma bobina de reatância a núcleo móvel, conforme descrito no ítem
3.2.1.
4. Geradores de corrente contínua
4.1. Princípio de funcionamento
Um gerador usado em soldagem é composto por:
- 2 ou 4 polos indutores.
- polos auxiliares.
- induzido com coletor e escovas fixas ou móveis.
O induzido de um gerador é composto por um grande número de espiras enroladas em torno de
um cilindro de chapas folhadas, sendo que cada espira forma um setor. Os condutores ativos dos
setores estão dispostos em ranhuras longitidinais e localizadas na periferia do induzido.
O funcionamento do gerador pode ser entendido relacionando-o a um dos setores.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
26
Os condutores ativos aa’ e ss’ estando sujeitos à ação dos polos NS, são percorridos por uma
corrente i , cujo sentido é tal, que as forças eletromagnéticas f e f’ formam um momento oposto ao
sentido do movimento. Quando o setor assume a posição pontilhada, envolve o fluxo máximo; o
movimento antagônico é nulo, bem como a força eletromotriz gerada.
A força eletromotriz obtida nos pontos a e s é alternada; para que seja unidirecional, os setores
são montados em série, de modo que o fim de um s , seja ligado a uma lâmina do coletor e ao condutor
a do setor seguinte. Obtém-se desta forma, um circuito fechado, onde as forças eletromotrizes se
opõem e é precisamente nesses pontos que são colocadas as escovas sobre o coletor, para que
colham a força eletromotriz máxima. É o que se chama de “linha neutra”, quando o gerador trabalha em
vazio.
Quando duas lâminas sucessivas do coletor passam sob as escovas, uma espira é curtocircuitada e diz-se estar em “comutação “. Se o gerador fornece corrente, o sentido da circulação da
mesma se inverte na espira que está em comutação. Como a indutância é elevada, há a criação de uma
força eletromotriz de auto-indução, chamada de retorno, tendendo a prolongar o sentido da corrente
preexistente na espira, antes da comutação e cujo efeito seria o de provocar um centelhamento, que as
destruiria.
Se forem representados em corte as seções das espiras ( figura abaixo ) quando o gerador
fornece corrente e o induzido gira no sentido da flecha, nota-se que os condutores da metade direita (+)
são percorridos por correntes que se afastam ( para dentro do papel ), enquanto as da esquerda (-) se
aproximam ( saem do papel ). Estas correntes induzem na armadura do induzido e nas massas polares
vizinhas, dois fluxos magnéticos Øo e Øg cujas linhas de força escoam no sentido indicado na figura
esquerda abaixo.
5. Retificadores de corrente com células secas
5.1. Princípio de funcionamento
Os retificadores de correntes usados em transformadores de soldagem são feitos com
semicondutores de selênio ou silício.
Os retificadores de selênio, não mais utilizados pela indústria, são feitos com uma placa metálica
( aço, alumínio, cobre, latão ) sobre a qual é depositada, por metalização, uma camada de selênio extra
puro, com adições de iodetos ou brometos , recoberta por uma camada de óxido de selênio que forma a
camada de retenção. O contato elétrico é obtido com um metal de baixo ponto de fusão e por outra
placa, que faz o papel de segundo eletrodo. A corrente elétrica passa facilmente da primeira para a
segunda placa, mais pelo fato da resistência elétrica no sentido inverso ser bastante elevada, não há
passagem de corrente. Como no sentido não condutor de corrente aparece uma grande tensão,
chamada de tensão inversa, usa-se um empilhamento de três elementos em série.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
27
Os retificadores em silício são constituídos por uma pastilha retirada de um monocristal extra-puro
dopado com certos traços de fósforo. A camada de retenção é constituída por uma película formada por
um eutético Al - Si, sendo a pastilha brasada num bloco de latão. Os retificadores em silício podem
suportar tensões inversas muito elevadas ( da ordem de algumas centenas de volts ).
Os retificadores são montados em paralelo e dimensionados de acordo com a corrente que
devem suportar, de tal modo que a temperatura de dano ao elemento não seja atingida, mesmo sob
severas condições de trabalho.
As densidades de corrente nos retificadores de silício são da ordem de 120A / cm2 e tem
temperatura limite de trabalho ao redor de 150 a 175ºC .
Para que se possa retificar uma corrente monofásica alternada, deve-se montar 4 diodos em
ponte ; se a corrente é trifásica monta-se 6 diodos dispostos em ponte de Graetz, que fornece uma taxa
de ondulação ( variação instantânea da corrente com relação a corrente média ) de 4% .
O rendimento dos retificadores de silício é da ordem de 95% .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
28
5.2. Transformador de soldagem com regulagem por reostato no primário
Para a obtenção de característica mergulhante, é preciso que se coloque no enrolamento
primário ou após o secundário do transformador uma reatância regulável .
O transformador trifásico é ligado à rede, com a interposição de um reostato sobre cada
enrolamento, que são regulados por cursores montados sobre um mesmo eixo, comandado por um
volante. É usual o uso de protetores contra sobretensão nos diodos. Este tipo deregulagem sobre o
primário é bastante simples, não permitindo porém , que se atinja grande gama de regulagens, sendo
usado em máquinas de pequena potência .
5.3. Transformador - retificador de soldagem com regulagem por transdutor
A fonte de corrente é um transformador trifásico, cuja corrente primária alimenta um pequeno
retificador A 4 diodos montados em ponte. A corrente retificada ( 6A sob 28V ) permite variar a
saturação das 3 bobinas de reatância instaladas entre o secundário do transformador e o bloco de
retificação .
Uma variação utilizada é a incorporação do transdutor ao transformador, fornecendo uma
corrente que possibilita um arco calmo sem respingos.
5.4. Centrais de soldagem de corrente retificada
Torna-se por vezes vantajosa a ditribuição da corrente a um grande número de postos de
soldagem . O uso de corrente contínua, permite este tipo de ligação em função do rendimento do
transformador ser quase constante dentro de vasta faixa de corrente.
Se a corrente é superior a 1.500 A os transformadores e retificadores são separados .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
CAPÍTULO
29
VI
F í S I C A D E S O L D A G E M
Vários processos de soldagem necessitam de fonte de calor, normalmente de alta densidade de
energia, que se desloca sobre a junta, para levar o metal (tanto o de base, como o de adição, se
houver) à fusão.
A potência transferida é a razão entre a energia e um dado intervalo de tempo, normalmente
expresso em watts, enquanto a densidade de energia é a relação entre a potência e a área da peça
efetivamente atingida pelo calor, expressa em watt/cm 2 .
O significado da densidade de energia é importante nos processos de soldagem e a tendência é
o desenvolvimento dos processos ditos de alta densidade de energia, como plasma, laser e
bombardeamento eletrônico.
A transferência de energia do arco para a peça é um fenômeno complexo e a densidade de
energia nos vários processos não pode ser expressa por um número preciso, em função da dificuldade
de definição exata da área de contato entre o arco e a peça; apesar dessa dificuldade, o conceito de
densidade de energia é importante na compreensão e na comparação entre as fontes de calor.
Pode-se analisar a transferência do calor de um arco para uma peça, como sendo composta por
dois processos de transferência uma do calor transferido do arco à superfície da peça e outra, da
condução na própria peça, da parte mais quente para a mais fria.
Os processos de grande densidade aquecem e fundem rapidamente o ponto focalizado, sem
que haja tempo do calor fluir pela peça, enquanto por outro lado os processos de baixa densidade
transferem grandes quantidades de calor à peça antes de haver fusão. Ou seja, a eficácia da fonte de
calor depende das densidades de energia da fonte.
O conceito de calor injetado na peça (“heat input”) é fundamental para o entendimento de como
a fonte de calor afeta o material que está sendo soldado; o calo = r injetado na peça é a quantidade de
energia introduzida por unidade de comprimento, expressa em Joules por milímetro. A energia injetada
é dada pela relação entre a potência ( produto da tensão em volts e da corrente em amperes ) expressa
em watts e a velocidade de deslocamento da fonte de energia em mm / s.
A energia injetada na peça é então:
E=U.I/v
(1)
Se há necessidade da determinação exata do calor no material, pode-se usar a relação:
Eútil =f. U . I / v (2)
onde f é a eficiência da transferência de calor (calor transferido para a peça dividido pelo calor gerado
pela fonte).
Nos processos com eletrodos consumíveis f é sempre maior que 0,8 e muitas vezes próximo a 1,0.
A energia gerada na fonte deve fundir o metal e a quantidade de energia necessária à fusão é
dada pelo tamanho e configuração da junta, pelo número de passes e pelo processo de soldagem. Por
razões metalúrgicas é preferível o uso da mínima energia, objetivo atingido pelo uso de fontes com
elevada densidade de energia.
A eficiência da fusão é uma fração da energia útil da fonte usada para fundir o metal. A figura
abaixo mostra esquematicamente três áreas características de um cordão:
Am = área fundida do metal de base
Aa = área do metal adicionado (metal de adição)
A2 = área da Zona Afetada Termicamente (ZAT)
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
30
A secção do metal soldado é A = A + A e se não houver metal de adição A = A
Há também uma quantidade de calor teórica Q, necessária para fundir um dado volume de metal
(a partir da temperatura
ambiente a quantidade de calor Q e função das propriedades do metal (ou
liga) e é determinada pelos calores latente e sensível do metal, ou seja, pelo calor necessário para leválo da temperatura ambiente até a de fusão e pelo calor necessário para levar o metal de sólido a líquido.
O calor Q (J/mm3) é dado aproximadamente pela relação:
Q = (TF + 273)2 / 300.000 (3)
onde TF é a temperatura de fusão depnede do metal em ºC.
A eficiência de fusão de fusão f2 num passe, é determinada pela área fundidda e pelo calor
injetado. f2 é o mínimo calor necessário para a fusão, dividido pela energia útil.
f2 = Q . A / E
(4)
f 2 = Q . A . v / f 1 . P (5)
f 2 = Q . A . v / f 1 . E . I (6)
A eficiência da fusão depende do processo de soldagem, do material, da configuração da junta
e da espessura. Quando maior a condutividade térmica do metal a soldar, menor a eficiência de fusão,
em razão do grande deslocamento de calor na região soldada.
Esse efeito é ainda maior quando se usa fonte de baixa densidade de energia. Na soldagem do
alumínio por chama oxiacetilênica, somente 2% do calor injetado na peça é usado para a fusão, sendo
o resto dissipado na peça, razão pela qual não se dá preferência aos processos de baixa densidade de
energia na soldagem deste metal.
Por outro lado, os processos de elevada densidade de energia, como bombardeamento
eletrônico e laser, tem eficiência de quase 100%, havendo a fusão localizada antes do início do fluxo de
calor. As máximas densidades de energia são da ordem de 10kw/mm2 ; as densidades maiores, apesar
de possíveis, levam o metal à fusão e à ebulição, ocorrendo uma ação de erosão ou de corte. Em
função disso, o laser e o bombardeamento eletrônico são tembém usados em operações de furação e
de corte.
A soldagem ao arco submerso é bastante eficiente como fonte de calor. A elevada densidade de
energia e a eficiência de fusão são maiores que em outros processos que fazem uso de arco aberto.
A substituição na equação (6) de E
, da equação (2) , forneçe uma relação entre a seção de
metal depositado e a energia injetada na peça:
A = f2 . E / Q (7)
A = f1 . f 2 . E / Q (8)
Em qualquer processo de soldagem, a eficiência da transferência de calor f 1 e de fusão f2 não
variam grandemente com a mudança de variáveis específicas de soldagem, como velocidade, tensão
de arco ou corrente, o que significa que a seção de um passe simples é proporcional à energia injetada.
Quando um arco é estabelecido sob as seguintes condições:
E = 20 V I = 200 A v = 5 mm / s
f1 = 0,9 f2 = 0,3
Q = 10 J / mm3
a área do passe pode ser estimada pela equação (8):A = 0,9 . 0,3 . 20 . 200 / 5 . 10 = 2l,6 mm2
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
31
CAPí TULO VII
ELETRODOS PARA SOLDAGEM A ARCO
1. Categorias de eletrodos para soldagem a arco.
São utilizados em soldagem a arco, eletrodos fusíveis que constituem o metal de adição ou
eletrodos não fusíveis, também chamados eletrodos refratários, feitos em geral de carbono, tungstênio
ou cobre.
Os eletrodos fusíveis tem a forma de varetas nuas ou revistidas, utilizadas em soldagem manual
ou a forma de fios enrolados em bobinas, usados em soldagem automática ou semi automática.
Os fios podem ser constituídos por um arame nú ou por um ou vários elementos metálicos
associados ou não a um fluxo, que é parte integrante do mesmo.
Serão aqui tratados somente os eletrodos usados em soldagem manual, sendo o arco
estabelecido entre o eletrodo e a peça a soldar.
2. Eletrodos nús
Apesar de certas vantagens ( baixo custo, constante de fusão mais elevada e menor
deformação na peça ) os eletrodos nús não são utilizados em soldagem manual.
Isto ocorre em função do fato que , mesmo em corrente contínua polaridade inversa, o arco é de
partida difícil, instável e errático, sujeito a sopro de arco e com grandes perdas devido aos respingos
durante a fusão, mesmo com pequenas correntes.
Os depósitos obtidos são porosos, duros e quebradiços, em razão da presená de óxidos e
nitretos, advindos de reações entre o metal em fusão e o ar atmosférico, que também provoca uma
redução dos teores de carbono, silício e manganês .
3. Eletrodos revestidos
O eletrodos revestidos tem uma alma metálica e um revestimento externo constítuído por
materiais pulverolentos de composição variada, homogeneizados e aglomerados por um ligante, via de
regra silicato de sódio ou potássio. Uma das extremidades não contém revestimento, para possibilitar
a peça pelo alicate, enquanto na outra o revestimento termina no final do eletrodo, ficando descoberta a
seção transversal, para poder dar origem à abertura do arco.
Existem , mais raramente encontráveis , eletrodos com fluxo no seu interior, ou seja eletrodos
tubulares.
3.1. Função do revestimento
O revestimento dos eletrodos desempenha as funções elétricas, metalúrgica, mecânica e física.
A função elétrica é determinada pela adição de elementos que favorecem a abertura e a
estabilidade do arco ( sais de sódio ou potássio, óxidos metálicos, carbonatos, etc. ) , já que aumentam
o estado de ionização da atmosfera entre os terminais elétricos.
A função mecânica é dada pelo retardo na fusão do revestimento, o que acaba por criar uma
cratera, que melhora a estabilidade do arco, sendo em certos tipos de eletrodos tão pronunciada que
possibilita o apoio do eletrodo na peça durante a soldagem. A tensão superficial é importante pois
impede a formação de mordeduras e dá bom aspecto visual ao cordão.
A função metalúrgica é dada pela escória, que retém o oxidos e permite trocas de elementos
com o metal fundido. É a escória que compensa as perdas de silício e magnésio, além de poder
incorporar ao banho, outros elementos como cromo, manganês ou níquel, na forma de ferro - ligas,
sempre através do revestimento. Este é o motivo que torna possível a existência dos chamados
eletrodos sintéticos, que a partir de uma alma em aço doce permitem depositar elementos de liga para
obtenção de depósitos ligados ou pó de ferro, para aumentar o rendimento dos eletrodos.
É graças à escolha correta do revestimento que se torna possível a obtenção de eletrodos que
fornecem arco estáveel para soldagem em posição e cujos depósitos tenham aspecto, composição
química e características mecânicas determinadas.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
32
3.2. Tipos de revestimento
Os revestimentos são classificados de acordo com a composição.
a - revestimento oxidante: trata-se de revestimento geralmente espesso, contendo óxido de
ferro ( com ou sem óxido de manganês ) , óxido de silício, silicatos ( talco, mica, etc. ) . Formam uma
escória pesada e compacta, que pode se destacar por si própria; o cordão tem bom aspecto , apesar
da pouca penetração. Tais eletrodos são usados na soldagem de aços em posição plana, quando se
deseja bom aspecto visual. Pelo fato de ser um eletrodo oxidante, há redução dos teores de Mn e Si
próximo à junta ; as características mecânicas são baixas, apesar do cordão não ser frágil .
b - revestimento básico: o revestimento básico é constituído por carbonatos ( Ca ou M g )
misturados a desoxidantes e denitrurantes ( ferro-ligas ) e a fundentes que abaixam a temperatura de
fusão. Quando perfeitamente secos, fornecem depósitos de baixo teor de hidrogênio, com metal de
ótima qualidade, de fina estrutura e isento de inclusões; os alongamentos e resiliências são elevados e
a fragilidade é baixa. A escória é compacta e facilmente destacável. Para os eletrodos básicos o teor
máximo de hidrogênio permissível é de 5 cm2 por 100 gramas de metal depositado. A medida do
volume de H2 é feita por testes normalizados. Há os eletrodos básicos que fornecem teores ainda mais
baixos de hidrogênio e são chamados “eletrodos baixo hidrogênio”. O revestimento é muito
higroscópico, o que, durante a soldagem provoca porosidades e fissuras no cordão, motivo pelo qual
devem ser fornecidos em embalagens estanques e armazenados em locais secos, sendo colocados em
estufas antes do uso. No caso de absorção de umidade devem ser colocados em estufa de secagem,
em temperaturas ao redor de 300o C para secagem. O arco dos básicos é menos estável que o de
outros tipos de eletrodos, motivo pelo qual são utilizados em corrente contínua polaridade inversa ou
em corrente alternada com tensão em vázio de no mínimo 70 V.
c - Revestimento rutílico: os rutílicos tem grande percentual de rotilo ( óxido de titânio com 95%
de pureza ) ou ilmenita (óxido de ferro e
titânio ) , elementos de afinagem de estrutura ( ferro-ligas ) e silicatos. A escória pode ser densa e
viscosa ou leve e fluida, dependendo da composição. Esses eletrodos possibilitam a soldagem em
todas as posições , com cordão de bom aspecto e boas características mecânicas. De certa maneira,
são parecidos com os eletrodos ácidos, com risco de sofrerem fragilidade a quente. São usados em
corrente contínua polaridade direta ou em corrente alternada, tendo boa estabilidade de arco com baixa
tensão em vazio, mesmo em corrente alternada.
d - revestimento ácido : o revestimento ácido contém óxido de ferro , silicatos e ferro-ligas ( ferrosilício e ferro-manganês ) com a função de desoxidar e denitrurar o banho. A escória contém grande
quantidade de silicatos e óxidos ( de ferro e manganês ) . São usados em corrente contínua ou em
corrente alternada, e os cordões obtidos, principalmente na soldagem em ângulo em posição, são
sujeitos a fissuração à quente, o que limita seu uso em aços com teor de carbono máximo de 0,20 % .
e - revestimento celulósico contém grande quantidade de produtos voláteis celulósicos , silicatos e ferroligas . A combustão dos produtos celulósicos produz um grande volume de gases redutores, que
protegem o banho, para a obtenção de metal depositado com boas características . A escória de baixo
volume é facilmente destacável.
3.3. Dimensões dos eletrodos
O eletrodo é formado por uma alma em aço e um revestimento exterior, concêntrico à alma. A
tolerância da concentricidade é de 5% com relação ao centro .
Os diâmetros comerciais dos eletrodos revestidos são: 1,25 - 1,60 - 2,0 - 2,5 - 3,15 - 4,0 - 5,0 6,0 - 8,0 - 10,0 milímetros e os comprimentos de 150 - 200 - 350 - 400 milímetros, função do diâmetro
dos eletrodos .
Numa das extremidades, no comprimento de 30 mm , os eletrodos são isentos de revestimento
para possibilitar a pega pelo porta-eletrodo.
3.4. Eletrodos revestidos especiais
Existem eletrodos para aplicações especiais, como os eletrodos de alta penetração e eletrodos
de alto rendimento.
a - eletrodos de alta penetração: são eletrodos, segundo norma internacional, capazes de
realizar uma junção entre chapas de espessura 2mm maior que o dobro do diâmetro do eletrodo, em
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
33
topo , com espaçamento de 0,25 mm ( máximo ), em dois passes um de cada lado da chapa. Estes
eletrodos tem revestimento espesso, ácido ou rutílico, com grande quantidade de materiais orgânicos ,
geradores de gases ; a tensão de arco fica entre 40 e 70 V e cresce proporcionalmente ao grau de
penetração. As correntes utilizadas são 50% superiores às indicadas para eletrodos normais de mesmo
diâmetro e a soldagem é geralmente realizada em posição plana. A maioria desses eletrodos trabalham
em corrente alternada, para haver penetração regular e evitar fenômenos de sopro de arco, que sempre
aparecem em altas correntes. Devido ao fato de trabalharem com altas tensões, requerem fontes
com tensão em vazio de no mínimo o dobro da tensão de arco. A excessiva diluição torna necessário o
emprego de metais de base de boa soldabilidade.
b - eletrodos de alto rendimento: o rendimento de um eletrodo é definido como sendo a relação
entre a massa depositada e a massa da alma do eletrodo. Nos eletrodos comuns o rendimento varia de
80 a 98%, podendo ultrapassar 100% e chegar a 200%, quando o revestimento contém pó de ferro.
São eletrodos de grande massa de revestimento, com excelentes propriedades de condução de calor e
corrente, principalmente em altas temperaturas. Podem ser do tipo ácido, rutílico ou básico. O arco é de
fácil abertura, tanto em corrente alternada como em corrente contínua e graças à cratera profunda,
pode ser encostado à peça durante a soldagem. A corrente máxima é função do rendimento do
eletrodo e pode ser 50% superior à dos eletrodos comuns de mesmo diâmetro. O banho de fusão tem
baixa fluidez, possibilitando a execução de soldas em posição vertical. Em função do alto rendimento e
da alta corrente, apesar da constante de fusão ser média, torna-se possível a deposição do dobro de
material que no caso de eletrodos comuns.
3.5. Marcação e embalagem dos eletrodos revestidos
Os eletrodos são fornecidos em latas ou caixas, com peso determinado e com indicações sobre
diâmetro, tipo de corrente e polaridade.
3.6. Funcionamento dos eletrodos revestidos
Os eletrodos revestidos são fabricados para utilização específica, mesmo os chamados
eletrodos universais.
Durante o uso, os parâmetros a serem levados em consideração são:
- diâmetro
- intensidade da corrente
- tensão de arco ( apesar de ser variável com o comprimento do arco )
- tipo de revestimento e espessura
- taxa de umidade ( importante no caso dos eletrodos básicos )
A correta escolha dos parâmetros acima, possibilita a obtenção de cordões sãos e econômicos.
3.7. Intensidade da corrente
Cada diâmetro de eletrodo tem, segundo cada fabricante, intensidades mínima e máxima de corrente
de utilização.
Abaixo da corrente mínima o arco se torna instável e não há condição de obtenção de bons
depositos, enquanto que acima da corrente máxima o arco é sibilante, com grandes perdas por
respingos; além disso, há o fato de que com o aquecimento do eletrodo por efeito Joule, haver rico de
perda das propriedades do revestimento. A corrente máxima, se ultrapassada, deteriora as
características mecânicas esperadas do eletrodo.
Se, por qualquer razão, não houver indicação da corrente a usar para um dado eletrodo, pode-se
determiná-la a partir da fórmula empírica seguinte:
I = 50 ( D - 1 )
sendo D o diâmetro do eletrodo em mm e I a corrente em Amperes. Variações de até 30% podem
ocorrer, em função do tipo de revestimento e da posição de soldagem, razão pela qual são necessários
ajustes finos pelo operador.
Pode-se observar que a corrente cresce com o diâmetro do eletrodo e consequentemente
deduz-se que os eletrodos de maior diâmetro operam com menores densidades de corrente que os de
menor diâmetro. Para um eletrodo de 2,0 mm a densidade de corrente é de 16 A// mm2
enquanto que um diâmetro de 8,0 mm opera com densidade de corrente de 7 A / mm2 .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
34
Durante a realização da solda a corrente depende da regulagem na fonte de corrente e da
diferença de potencial entre as extremidades ou seja, do comprimento do arco.
3.8 Tensão de arco
A tensão de arco durante a soldagem varia de acordo com vários parâmetros, sendo que os
principais são: comprimento total doarco ( mm ), diâmetro do eletrodo ( mm ) , tipo do eletrodo ( alma e
revestimento) e intensidade de corrente ( A ).
Os parámetros acima não são independentes, sendo que alguns dependem ainda de outras
variáveis. A corrente depende do diâmetro do eletrodo e o comprimento de arco da profundidade das
crateras formadas na poça de fusão e na extremidade do eletrodo, que por sua vez são função da
natureza e espessura do revestimento e da intensidade da corrente.
Para os eletrodos destinados à soldagem de aço carbono ou baixa liga pode-se usar a fórmula
empírica
U=2(D+9)
para determinação da tensão de arco correspondente às intensidades médias de corrente
correspondentes aos diâmetros escolhidos, sendo D o diâmetro da alma em mm .
3.9. Tensão convencional de arco
A tensão convencional de arco é indicada pela normalização internacional ( ISO ) e expressa
pela relação:
U = 20 + 0,04 . I
aplicável até a corrente de 600 A ( a partir da qual a tensão permanece constante e igual a 44V ) .
3.10. Escolha, ajuste e controle da corrente de soldagem
A intensidade de corrente efetiva para fundir um eletrodo de tipo e diâmetro determinado deve
ser indicado pelo fabricante e à primeira vista, após o ajuste da fonte para aquela corrente, a solda
pode prosseguir naturalmente. Na realidade, para a maioria dos eletrodos existentes, as tensões de
arco são interiores à tensão convencional. Como consequência, a corrente será mais elevada que
aquela indicada pela graduação da fonte. A corrente poderá ser de 330 A para uma regulagem de 300
A, por exemplo, se a tensão de arco for de 27 V ao invés de 33 V, valor correspondente à tensáo de
arco convencional . Nesse caso, ao se desejar uma corrente de 300 A e sob tensão de 27 V, é preciso
que a regulagem da fonte esteja em 275 A. A conclusão a que se chega é que a graduação da fonte de
corrente nada mais é que um valor indicativa, já que a corrente real depende da tensão de arco, que
por sua vez, depende do operador. Se há efetiva interesse no conhecimento da corrente real de
soldagem, a mesma deve ser medida ( principalmente quando se deseja utilizar eletrodos de grande
penetração ) . Deve-se ainda ressaltar que as correntes de soldagem são extremamente flutuantes. em
função do fluxo metálico no interior do arco, razão pela qual, as medidas devem ser feitas com
amperímetros especiais.
3.11. Conservação dos eletrodos
Todos os tipos de revestimentos de eletrodos são higroscópicos, uns mais que outros. A
umidade pode ser absorvida em função do grau higrométrica do ar, da diferença de temperatura
existente entre o ambiente de armazenagem e o meio externo e da natureza do revestimento,
traduzindo-se tais fatores na quantidade de água retida por cada revestimento.
Dependendo do tipo de revestimento, as variações do grau de umidade, poderão ser mais ou
menos importantes. As regras a serem observadas são as seguintes:
a - revestimento oxidantes, ácidos e rutílicos: mantê-los conservados em armários estanques,
para evitar a absorção da umidade do ar atmosférico.
b - revestimentos básicos: pelo fato de serem eletrodos que fornecem material depositado de
elevada qualidade, com baixo teor de hidrogênio, torna-se necessário que possuam baixo grau de
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
35
umidade. Se deixados expostos ao ar, a umidade absorvida se recombina com os elementos do
revestimento, tornando-os impróprios para o consumo, o que se traduz pelo aparecimento de
porosidades, que causarão um cordão sujeito a fissuração. Os eletrodos logo após fabricação são
colocados em latas estanques; por isso, logo após a abertura da embalagem, devem ser mantidos em
locais estanques, de modo a não haver absorção da umidade do ar. No caso de contato, deve-se
proceder à estufagem dos eletrodos em temperaturas da ordem de 300o C .
c - eletrodos celulósicos e de grande penetração: são eletrodos com grau de umidade
predeterminado, devendo ser utilizados conforme o estado de fabricação, não se realizando operações
de secagem.
3.l2. Constante de fusão
Quando da fusão de um eletrodo revestido sob uma corrente I ( amperes ) durante um intervalo
de tempo T ( minutos ), constata-se que a massa de metal M da alma fundida independe da tensão do
arco.
Por outro lado a relação
H=M / (I.T)
é pouco influenciada pela corrente, desde que estejam entre os limites fixados para o eletrodo. H é
expresso em gramas por amperes por minuto e chamado constante de fusão , que vale, para a grande
maioria dos eletrodos revestidos, de 0,12 a 0,20 g / A. min .
A independência da constante de fusão H do comprimento de arco, ou seja, da tensão de arco é
explicada pelas características do arco: a energia dissipada na coluna do arco e na peça, não tem
qualquer influência sobre a fusão do eletrodo.
No balanço energético da fusão do eletrodo, o termo preponderante é a energia liberada na
extremidade do mesmo, que é proporcional à queda de tensão catódica “c “ e anódica “a “ e à
intensidade da corrente. Logo, P é proporcional ao produto c.I.T ou a.I.T . O resultado é que H é
proporcional a “a “ ou a “c “. Sabe-se que as quedas de tensão anódica e catódica ( vide Física de
Arco ) não são influenciadas pelo comprimento de arco ou pela intensidade da corrente.
O conhecimento da constante de fusão é a única maneira de se determinar o tempo de fusão de
um dado tipo de eletrodo, submetido a uma corrente preestabelecida . É a constante de fusão que
permite determinar o peso de metal depositado por minuto e que participa do cordão. É necessário que
se conheça o rendimento do processo, determinado com certo grau de certeza, quando se trabalha com
correntes próximas da especificada em cada eletrodo.
3.13. Fatores que influenciam a constante de fusão
São os seguintes os fatores que influenciam a constante de fusão:
a- natureza da corrente e polaridade: para dado tipo de eletrodo, o principal fator de influência é
o modo de ligação do eletrodo e deve-se sempre indicar, para a correta determinação da constante de
fusão, o tipo de corrente e a polaridade.
b- temperatura do eletrodo: a constante de fusão cresce com o aumento da temperatura do
eletrodo, que é variável do começo ao fim da fusão, razão pela qual só há sentido em se falar da
constante de fusão média, após a fusão completa do eletrodo.
c- diâmetro do eletrodo: para cada tipo de eletrodo a constante de fusão é crescente com o
aumento do diâmetro.
d- espessura do revestimento: a constante de fusão é decrescente com o aumento da espessura
do revestimento. Para os eletrodos de alto rendimento, a espessura do revestimento é grande e a
constante de fusão é baixa .
e- tipo do revestimento: quando o eletrodo é negativo ( catodo ), o tipo de revestimento tem
grande influência sobre a constante de fusão, já que os produtos emissivos tem grande ação sobre o
valor da queda de tensão catódica. Os eletrodos ácidos tem constante de fusão maior que os eletrodos
rutílicos, que por sua vez tem maiores constantes de fusão que os básicos.
f- Velocidade de fusão: a velocidade de fusão é definida pelo peso de metal depositado num
dado intervalo de tempo,normalmente expresso em g / min e dado pela fórmula:
V[ = R . H . I
onde R é o rendimento. Conhecendo-se o valor de V[ com relação a uma dada corrente, é possível
conhecer outras velocidades de fusão por proporcionalidade, visto que R é proporcional a I .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
36
C A PÍTULO VIII
CRITÉRIOS DE ESCOLHA DE ELETRODOS REVESTIDOS
1. Importância da escolha
As características metalúrgicas, químicas, elétricas e dimensionais dos eletrodos usados na
soldagem, tem importante papel na obtenção da qualidade exigida e no custo final de uma construção
soldada.
A construção deve satisfazer várias exigências de projeto e de normas, sendo importante a
escolha do eletrodo a ser usado. Há a tendência ao uso dos eletrodos “aplicações gerais”, que deve ser
evitada.
As indicações dadas a seguir tem o objetivo de facilitar a escolha dos eletrodos que serão
usados numa obra e consistem basicamente no conhecimento dos seguintes pontos:
- do tipo do metal depositado , ou seja, do metal obtido na fusão da alma metálica do eletrodo e
dos elementos de liga adicionados ao revestimento.
- do tipo do revestimento.
- da espessura do revestimento.
A escolha do tipo de eletrodo deve ser compatível com as qualidades exigidas da solda, o que
significa especificar inúmeros fatores construtivos, metalúrgicos, dimensionais e operatórios.
2. Condições a serem satisfeitas na escolha
2.l. condições de serviço e de qualidade
O eletrodo a ser usado deve satisfazer as exigências de trabalho para a qual a construção
tenha sido projetada e construída e que na maior parte das vezes podem ser enumeradas da seguinte
maneira:
- boa resistência estática e dinâmica às solicitações de serviço que podem ser medidas por
valores máximas e mínimos de determinadas características mecânicas como: limite de elasticidade,
alongamento a 2% de deformação permanente, dureza, resiliência, limite de fadiga, etc. , medidos na
temperatura de serviço da construção.
- boa resistência à corrosão, igual à do metal de base, o que por vezes não pode ser atingida
pelo metal de adição, sendo preciso especificar o agente da corrosão ( atmosfférica, marinha , produtos
químicos, etc. ) . A determinação da resistência à corrosão pode ser feita através de ensaios
indicadores da perda de peso por corrosão.
- Boa estanqueidade, evitando fugas de líquidos ou gases.
- bom aspecto, qualidade ligada à forma dos cordões ( côncavos ou convexos ), à rugosidade da
superfície e por vezes até à cor, que deve ser igual à do metal de base.
- mínimo custo final, desde que as condições técnicas tenham sido satisfeitas.
2.2. Condições metalúrgicas
Os componentes metálicos dos eletrodos, da alma e do revestimento, devem ser compatíveis
com o metal de base, não necessariamente idênticos. Por vezes é possível a execução de soldas
heterogênias e pode-se executá-las por vários motivos:
- perdas de C e Mn ocasionadas por oxidação.
- exigência de obtenção de metal depositado de maior ductibilidade que o metal de base para
evitar fissuras ou permitir trabalho de deformação após a realização da solda.
- deposição de cordões de fundo em solda multipasse, que serão removidos para retomada
pelo reverso do cordão.
- inexistência de eletrodos iguais ao desejado, havendo necessidade de escolha de um tipo
muito próximo ao especificado.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
37
2.3. Condições construtivas e dimensionais
Os resultados devem ser adaptados ao projeto global da peça, onde as partes constitutivas
podem ter espessuras variáveis, maior ou menor rigidez ou formas de juntas irregulares (devido a
espaçamento irregular ).
Ë necessário que se leve em conta a sequência de passes em soldagem de grandes
espessuras, bem como as temperaturas interpasse e operações de martelagem.
2.4. Condições operatórias
A escolha de um eletrodo deve ser feita de acordo com os equipamentos disponíveis: fonte de
corrente ( considerando-se as curvas características externas ) , dispositivos de regulagem, dispositivos
de montagem, estufa de secagem de eletrodos, instalações de pré e pós aquecimento etc. Se há
posicionadores disponíveis, a soldagem pode ser na posição plana. A falta de posicionadores implicará
na escolha de eletrodos que sejam usados em posição; alguns eletrodos ( grande penetração ) exigem
fontes com maiores correntes e tensões em vazio.
Entre outros fatores operatórios, pode-se citar também:
- a existência de soldadores não qualificados, que pode implicar na interdição do uso de certos
tipos de eletrodos.
- as condições físicas de trabalho, como as diferenças existentes na soldagem no interior das
fábricas ou no campo.
3. Influência da composição dos eletrodos e dos revestimentos.
3.1. Alma
Exceto em alguns eletrodos de alto rendimento, a alma é responsável pela maior parte do metal
fundido usado para o cordão, sendo a sua compatibilidade com o metal de base fundamental para as
boas características esperadas da solda.
3.2. Revestimento
As seguintes considerações devem ser feitas com relação ao comportamento dos revestimentos:
- a transferência do metal fundido no arco é feita na forma de finas gotas se o eletrodo tem
revestimento rutílico, ácido ou oxidante e por gotas médias e grossas em revestimentos básico e
celulósico.
- a formação da escória, sua densidade, viscosidade, volume e aderência após resfriamento; a
escória dos eletrodos rutilícos é de espessura média, permitindo soldagem em todas as posições,
inclusive em vertical descendente. A dos eletrodos ácidos é tamém média, mas a soldagem em
posição é mais difícil . Ambas são facilmente destacáveis . A escória dos eletrodos básicos é espessa,
permitindo a soldagem em todas as posições enquanto que o revestimento celulósico fornece pouca
escória, de solidificação rápida, sendo de fácil eliminação .
- a penetração é profunda para os celulósicos, média para os básicos e rutílicos e pequena para
os oxidantes e ácidos.
- a tendência a encher grandes espaçamentos é muito boa para os celulósicos e rutílicos de
grande espessura, boa para os básicos é rutílicos de média espeessura, baixa para os ácidos e muito
ruim para os oxidantes.
- a tendência à fissuração ( para os mesmos teores de C, P e S do metal de base ) é em ordem
decrescente : oxidante, ácido, rutílico, celulósico e básico . Os eletrodos ácidos apesar da pequena
tendência à fissuração, somente são usados em chapas de aço de baixo teor de C.
- o bom aspecto do cordão é obtido com eletrodos oxidantes, onde a concordância é excelente e
as estrias finas; o revestimento básico, fornece cordão plano com estrias regulares; o rutílico, cordões
ligeiramente convexos, com estrias finas e os celulósico e básico com cordões ainda mais convexos e
estrias menos regulares.
- a técnica operatória com eletrodos oxidantes é bastante fácil, mas permite somente soldagem
em ângulo, enquanto os ácidos são usados em posição plana ou em ângulo se o revestimento é
espesso. Pelo fato de ter uma quantidade reduzida de escória, os celulósicos são facilmente operados,
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
38
apesar da grande quantidade de fumos. O revestimento básico
exige habilidade do operador,
principalmente na abertura do arco e no final do cordão, além da exigência de estar isento de umidade.
- a aplicação de certos revestimentos ( ácidos e oxidantes ) exigem juntas muito bem
preparadas , enquanto os outros são menos sensíveis a estes fatores. Os revestimentos rutílicos são
muito apreciados em função do seu emprego universal , dando bons resultados em soldagem de
chapas finas ou de difícil soldabilidade. Os eletrodos de revestimento ácido não são usados nos casos
citados acima, enquanto os oxidantes devem ser preferidos em aços com baixo teor de C. O
revestimento celulósico é usado na soldagem em posição e nos passes de raiz, quando da união de
tubulações. O revestimento básico por sua vez, fornece excelentes resultados, principalmente em
grandes espessuras ou em construções rígidas, principalmente em aços com elevado teor em C.
4. Influência da espessura do revestimento
A espessura do revestimento é sempre determinada pelo fabricante do eletrodo, em função das
condições de uso e do tipos de metal a ser depositado.
Alguns eletrodos devem ter, obrigatoriamente, revestimento espesso, como os de alta
penetração e os alto rendimento, sendo na maior parte das vezes, impróprios para soldagem em
posição. Para soldagem em posição plana, foram criados os eletrodos ditos ( de contato ), com
revestimento espesso, que permite ao operador fazer o apoio do eletrodo sobre as bordas da junta,
mantendo o comprimento do arco, curto e constante.
De modo gerral , os eletrodos celulósicos tem pequena espessura de revestimento, os rutílicos
espessura média e os básicos e ácidos, espessura intermediária entre média e grande. Como regra,
pode-se dizer que o revestimento de pequena espessura é aquele cujo diâmetro total do eletrodo não
ultrapassa 20% do diâmetro da alma; os médios de 20 a 45% e os espessos acima de 45%.
5.Verificação da qualidade dos eletrodos
As sociedades classificadoras ( Lloyd’s, BV ) exigem a utilizacção de eletrodos homologados,
compreendendo ensaios químicos e mecânicos do metal depositado ( tensão de ruptura, resiliência a
20ºC, 0ºC e -20ºC ).
6. Defeito dos eletrodos revestidos
6.1. Alma
A composição das varetas deve ser constante e o diâmetro regular, sendo a tolerância no
diâmetro de +3% , com 0,1 mm máximo.
6.2. Revestimento
Os defeitos mais comuns do revestimento são:
- composição irregular de um eletrodo ou de todo um lote, que se manifestam na variação das
propriedades mecânicas em várias partes do cordão.
- presença de rachaduras devidas à secagem mal feita, obrigando a um descarte dos eletrodos.
- excentricidade da alma em relação ao revestimento, que provoca fusão desigual do
revestimento, facilitando o aparecimento de inclusão de escória no metal depositado.
- espessura variável ao longo do eletrodo, que a exemplo da composição irregular, provoca
variação das propriedades mecânicas do cordão.
- porosidade ou excesso de umidade, que provoca o aparecimento de porosidades ou fissuras
no cordão.
7. Verificação da velocidade de fusão
A velocidade de fusão é importante em função do custo do metro de solda executado. A medida
é feita com o uso de uma máquina de fusão automática, que mantém o comprimento do arco e a
velocidade de avanço constantes.
o peso do metal depositado é feito por variação de massa da chapa após eliminação de
respingos, sendo esta massa relacionada ao tempo.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
C A P Í T U L O
39
IX
P R E P A R O D E J U N T A S
1. Objetivo da preparação
As juntas são preparadas para facilitar a execução da soldagem , com boas condições de
qualidade e de boa penetração.
Os principais fatores que influenciam a escolha do modo de preparação são:
a- o processo de soldagem utilizado.
b- a posição de soldagem e o eventual acesso aos dois lados da junta.
c- a espessura do metal, o número de passes e o tipo de ligação.
d- o grau de penetração da solda.
e- a possibilidade de previnir deformações durante a soldagem.
f- a natureza do metal de base.
g- a economia decorrente do preparo e a quantidade de metal depositado.
Serão descritos os preparos mais comuns utilizados na soldagem de aços ao carbono.
2. Soldagem em chapas de topo em posição plana ( fig. 3 )
Esse tipo de preparo possibilita soldagens economicas, com pequenas deformações. Se
executada sem retomada pelo reverso, pode apresentar falta de penetração, razão pela qual deve ser
evitada se for prevista a existência de tração na raiz.
A abertura é sempre função da espessura da chapa a ser soldada.
Modo de soldagem
Solda de um lado só - posição plana
Solda dos dois lados – posição plana
Solda dos dois lados – posição plana
Solda dos dois lados – horizontal e vertical
Espessura
Abertura
1,5 a 2,0 mm
2,5 a 5,0 mm
5,0 a 6,5 mm
2,5 a 5,0 mm
( 0,25 a 0,3 ).e mm
( 0 a 0,5 ).e mm
( 0,5 a 1,5 ).e mm
Se for prevista uma escarfagem , com retomada pelo reverso, pode-se aumentar o valor de até 8
mm ou o espaçamento, em função da forma e da profundidade da goivagem .
4. Bordos retos com retomada pelo reverso ( fig. 4 a, b, c )
O emprego de suportes ou mata- juntas possibilita excelentes penetrações , quando não é
possível a retomada pelo reverso do cordão, podendo por vezes tornar-se interessante a utilização de
reforços para impedir a deformação . Em tais casos, os mata-juntas são ditos perenes, devendo para
tanto, ser ajustado com cuidado. O emprego de suportes em cobre, não permanentes , possibilita a
obtenção de cordões de boa penetração e aparência . Em soldagem de arcos no entanto, deve-se
preferir o uso de suportes em aço para evitar risco de contaminação, com consequente aparecimento
de fissuras no metal fundido, caso o cobre fosse atacado pelo arco.
Antes porém , de utilizar um suporte em aço é necessário ter-se em conta os riscos de corrosão
e concentração de tensões na raiz.
5. Prepero de bordas chanfrados
5.1. Chanfros em V ( fig. 5, 6 e 7 )
O chanfro em V é utilizado quando se deseja uma solda de topo com penetração completa,
quando a soldagem é realizada de um só lado da chapa. É um chanfro usado em limites superiores
aos de bordos retos e inferior a 20 mm . Em espessuras maiores, principalmente se é desejado efeito
de dobramento e dado o grande volume de metal depositado e o elevado número de passes, deve-se
dar preferência aos chanfros em X .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
40
Um chanfro em V é determinado por:
a - ângulo de abertura, que é função do processo de soldagem, da posição de soldagem e da
possibilidade de retomada pelo reverso.
b - nariz α que depende do acesso e do ângulo sólido, que é igual a ( 90º - α / 2 ).
c - abertura g que é função do processo, da posição e de α .
Se α é aumentado ( fechando-se o chanfro ) torna-se necessário aumentar g e diminuir s ,
sendo a falta de penetração tanto maior, quanto maior for α ou s e quanto menor for g .
Em média podem ser adotados os seguintes parâmetros:
Emprego
Todas as posições
Sobrecabeça
Horizontal – chapa superior
- chapa inferior
Tubos em posição
Ângulo
60°
70°
55°
10 a 15°
75°
Nariz ( mm )
Abertura ( mm )
1,5 ( 0 a 3 )
1,5
1,5 a 2,5
0
1,0 a 2,5
1a2
1,5
1,5 a 2,5
0,5 a 1,5
5.2. Chanfros em Y ( fig. 8 a,b,c )
Muito utilizado em soldagem ao arco submerso e com eletrodos de grande penetração, não é
usado senão em juntas de ângulo ou em chapas médias ou espessas , tomando-se habitualmente os
seguintes valores :
α = 90º e g = 0 a 3 mm
α = 60º e g = 2 a 3 mm
A espessura depende do fim desejado; o chanfro em Y pode ser usado em solda de topo quando
se deseja fazer goivagem para execução de cordão do reverso da solda.
5.3. Chanfros em V ou Y com emprego de suporte ( fig. 9 )
Como no caso de bordos retos, o emprego de suportes facilita a execução da soldagem com boa
penetração, quando não é possível a retomada pelo reverso do cordão. O suporte de aço é usado para
soldagem com eletrodo revestido, com as mesmas recomendações que no caso anterior. Os valores a
serem adotados para α e g devem ser aproximadamente os seguintes:
Posição e execução da raiz da junta
Plana – 1ª camada em 1 passe
Plana – 2ª camada em 2 passes
α
g
45°
30°
20°
6
7
8
45°
30°
20°
Ângulo – 1ª camada em 1 passe ou
sobrecabeça
Angulo – 1ª camada em dois passes
Posição vertical – 1ª camada em 1 passe
9
10 ( ou mais dependendo da espessura p/permitir
inclinação de 30° p/o eletrodo )
11
45°
4a6
45°
45°
30°
20°
10
7
8
9
5.4. Juntas em meio V ( fig. 10 e 11 )
O meio V é empregado com o mesmo objetivo que o chanfro em V, mas em juntas em T ou em
ângulo. Em ambos os casos, porém é difícil a obtenção de penetração suficiente , tornando-se então
necessária a goivagem e a consequente retomada da solda no reverso do cordão .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
41
Nestes casos, o ângulo sólido é muito pequeno, tornando-se necessária a existência de um nariz
s . Em juntas oblíquas, pode não se tornar necessário, graças à maior abertura.
Os valores usados para s e g são os seguintes:
Tipo de junta
Topo em ângulo
Juntas inclinadas
α
S ( mm )
G
50°
50°
60°
70°
1,5 a 2,5
1,0 a 2,0
0 a 1,5
0 a 1,0
2 p/ 4<e<8 p/ e>8
2 p/ 4<e<8 p/ e>8
5.5. Juntas em meio V com suporte no reverso ( fig. 11 )
São juntas que garantem boa penetração, usadas quando não é possível a retomada pelo
reverso do cordão. Para suportes permanentes em aço e uso de eletrodos normais devem ser adotados
os seguintes valores:
Modos de execução da junta
Topo – 1ª camada em 1 passe
Topo – 2ª camada em 1 passe
Horizontal ou sobrecabeça
1ª - camada em 1 passe
Horizontal ou sobrecabeça
1ª - camada em 2 passes
Vertical – 1ª camada em 1 passe
α
45°
35°
25°
45°
35°
25°
45°
35°
45°
35°
25°
45°
35°
25°
G = f (Ø eletr.)
3,25
4,0
5,0
5,0
6,0
7,0
6,0
7,0
8,0
7,0
8,0
9,0
7,0
9,0
11,0
8,0
10,0
12,0
9,0
11,0
13,0
3a5
4a6
5a7
4a6
5a7
6a8
7,0
9,0
11,0
8,0
10,0
12,0
9,0
11,0
13,0
6,0
7,0
8,0
7,0
8,0
9,0
8,0
9,0
10,0
5.5. Preparação em meio V parcial ( fig. 12 a, b, c e d )
É um tipo de preparação usado para melhorar a penetração nas juntas em T, em ângulo e por
vezes em topo . Não possibilita uma soldagem cômoda e a penetração obtida inferior à desejada,
principalmente se o ângulo é insuficiente. Se não houver espaçamento, o ângulo deverá ser ao menos
de 60º ; havendo espaçamento, o ângulo será de 50º .
5.6. Preparo em U ( ou em tulipa ) ( fig. 13 a, b, c e d )
O preparo em tulipa tem o mesmo objetivo do chanfro em V, com a vantagem de possibilitar uma
grande economia de metal de adição e de tempo de trabalho, em função das grandes espessuras onde
são utilizados . É preciso que seja considerado no preço de custo da solda, a necessidade de retomada
de cordão após goivagem .
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
42
Este tipo de preparo é utilizado em espessuras maiores que 20 mm , sendo o perfil do U caracterizado
pelos parâmetros s e g e pelo raio r do fundo do U , sendo os valores utilizados os seguintes:
Posição
α
Topo – ( 1° passe c/ eletrodo de 6 mm )
20°
Vertical
30°
Horizontal – U superior
30 a 25°
U inferior
5 a 10°
Sobrecabeça
40°
r
6,0
7,0
7,0
7,0
7,0
s
2a3
2a3
2a3
2a3
2a3
g
2 a 3 normalmente ou 0 se há goiva
2 a 3 ( 0 se há retomada )
2 a 3( 0 se há retomada )
2 a 3( 0 se há retomada )
O perfil do U é sempre o mesmo, qualquer que seja o tipo de ligação, seja em ângulo exterior ou
em posição horizontal. A execução do ângulo poderá ser por usinagem , por chama ou até por
enchimento .
5.7. Preparo em U parcial ( fig. 14 a e b )
É um modo de preparo de chanfro usado em soldagem ao arco submerso ; no caso de
soldagem de eletrodos revestidos, é usada para o acabamento do reverso da solda , quando foi
uttilizado um eletrodo de grande penetração, podendo servir também como V parcial, para soldagem em
chapas acostadas .
5.8. Preparo em J ou meio U ( fig. 15 a, b, e c )
Em juntas em T ou em meio ângulo, é possível a obtenção de grandes penetrações na soldagem
por um só lado, usando-se este tipo de preparo, com a vantagem da quantidade de metal depositado
ser menor que no caso de chanfros em meio V . A goivagem e a retomada do reverso do cordão são
sempre necessárias , quando se deseja juntas perfeitas . Os preparos em J são usados em espessuras
maiores que 20mm , sendo as dimensões médias , as seguintes :
Posição plana – 1° passe c/eletrodo Ø < 6 mm
α>15°
r=12
s=2 a 3
Em posição
α= 35° r=15
s=2 a 3
g=2,5 a3 ou 0 se houver
goivagem
g=2,5 a 3,5 sobrecabeça
g=3 a 4 pos. vertical
g=0 se houver goivsgem
5.9. Preparo em J parcial ( fig. 16 a, b e c )
Ë empregado para melhorar a penetração da soldagem em certas montagens em T , em ângulo
ou no campo. Pode ter os mesmos valores de e de que o preparo em J descrito acima .
5.10. Preparo em X ( fig. 17 a, b e c )
O objetivo desta preparação, soldado dos dois lados, é a obtenção de uma junta de topo
totalmente penetrada , de modo a se reduzir ao mínimo as deformações e economizar em volume o
metal de adição.
O X pode ser igual, , simétrico ou dissimétrico. Nos dois últimos casos, podem ser diferentes
somente a profundidade ou desde que ao mesmo tempo, os ângulos e a profundidade .
Os traçados dissimétricos permitem a compensação de espessuras no caso delas serem
desiguais . Facilitam a goivagem quando o ângulo do reverso é mais aberto que o ângulo do lado
direito. No caso de soldagem em posição plana , o reverso é realizado em posição sobrecabeça. É
interessante reduzir-se o volume do metal a depositar nesta posição, graças a menor profundidade do
chanfro.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
43
As características dimensionais para o preparo do chanfro ‘a “ são dados na tabela a seguir , válida
para espessuras entre 15 e 40 mm :
Preparo e posição
Ângulo
Nariz
Abertura
Profundidade
Preparo simétrico
Preparo dissimétrico
a- permitindo após goiva, igual
volume de metal do dois lados
60°
0 a 1,5
g=f(espes.)
d1=d2
g=f (espes.)
2 p/ e=10 a 24
3 p/ e>24
d1=(e/2)+2
d2=(e/2)-2
b – para facilidade de goivagem
60°
90°
60°
60 a 70°
C – com redução de solda
sobrecabeça
60º
d1=(2/3).e
d2=(1/3).e
d1=(1/3).e
d2=(2/3).e
5.11. Preparo em K ( fig. 18 a ,b , c , d e e )
O preparo do chanfro em K permite a obtensão de uma junta em T ou em ângulo reto com boa
penetração e apresentando baixa deformação ( soldagem realizada em ambos os lados ) . É também
usada para juntas horizontais, quando não se utiliza chanfro em X. A penetração na raix é tão difícil
quanto para a preparação em meio V. O espaçamento entre as chapas é inútil, podendo mesmo
provocar o aparecimento de defeitos na raiz, razão pela qual pode ser reduzido a zero.
As espessuras usadas vão de l5 a 40 mm. Se o K é simétrico, pode-se adotar =50 a 55o e =0o e
escolher g como no caso de preparo em X. Se o K é dissimétrico, o preparo é semelhante ao preparo
para o X dissimétrico.
5.12. Preparo em duplo U ( ou dupla tulipa ) ( fig 19 a e b )
Para espessuras superiores a 40 mm , o preparo em U, que apresenta uma menor quantidade
de metal de deposição , substitui a preparo em X, sendo as indicações dadas para o caso de preparo
em U, , aqui aplicadas. O U pode ser simétrico ou dissimétrico.
5.13. Preparo em duplo J ( Fig 20 a e b )
É aplicado nas mesmas condições que o preparo em K, porém em grandes espessuras, sendo
as indicações dadas para o preparo em J , válidas para o preparo em duplo J, que pode ser igual ou
não.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
44
5.l4. Preparo misto
São preparos com dupla abertura, sendo que os dois chanfros são diferentes entre si, conforme
mostrado abaixo.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
45
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
46
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
47
CAPÍTULO X
QUALIFICAÇÃO E POSIÇÕES DE SOLDAGEM
Vários fatores contribuem par o bom resultado da solda, sendo por isso necessário, que os
parâmetros essenciais, bem como os preparos das juntas sejam detalhados o suficiente para possibilitar
a reprodução dos testes. Este é o objetivo dos processos de qualificação , que permitem definir e
documentar as variáveis do processo.
Dois são os tipos de qualificação: geral ( aplicação de um processo de soldagem em posição, de
um dado metal ) e específica ( aplicados numa dada junta específica de determinado metal ) . A
qualificação geral é a utilizada em códigos e especificações, enquanto a especifica é aplicada no
controle de processos repetitivos. Os dois tipos podem entretanto ser combinados.
Os códigos exigem o preparo e a qualificação dos processos, levando-se em conta a geometria
da junta, os metais de base e de adição, o preaquecimento e a temperatura interpasse, a corrente e a
tensão, o gás ou fluxo de proteção e o tratamento térmico posterior à soldagem.
A qualificação do processo não é, no entanto, suficiente para garantir a existência de soldas
sadias, ssendo necessária a confirmação das qualidades exigidas por meio de ensaios destrutivos e
não destrutivos.
Os itens que podem ser exigidos na qualifacação, são listados a seguir:
- escopo: descreve o processo de soldagem, o metal de base e as especificações dos
parâmetros.
- metal de base: especificado pela composição química e pelas propriedades mecânicas
- processo de soldagem: definição do processo à ser usado e o tipo de operação .
- metal de adição: identificação da composição e tipo. É necessário que se especifique os
diâmetros de acordo com as várias espessuras a serem soldadas nas várias posições. Para algumas
aplicações é necessário indicar o nome do fabricante, tipo e lote de fabricação.
- tipo e faixa de corrente: quando o processo faz uso de energia elétrica, é necessário informar o
tipo de corrente. Alguns eletrodos operam tanto em CA como em CC. Se a especificação for CC, deve
ser indicada a polaridade. A faixa de tensão de operação de corrente deve ser indicada para cada
eletrodo, segundo os vários diâmetros e as várias posições de soldagem.
- tensão de arco e velocidade de trabalho: para todos os processos que usam arco elétrico, usase informar a faixa de tensão de operação do arco elétrico. O conhecimento da velocidade de soldagem
é importante nos processos de soldagem automáticos e semi-automáticos. Se ainda, o metal de base
for sensível à injeção de ccalor, deve-se conhecer a velocidade de operação .
- projeto do perfil da junta e tolerâncias: os detalhes da junta e a sequência de soldagem podem
ser especificados através de desenhos que mostrem o perfil com esquemas dos cordões ou por
referências à desenhos padrão. As tolerâncias devem ser indicadas para todas as juntas.
- preparo das juntas: indica-se os métodos usados no preparo da face da junta e o grau de
acabamento da mesma, para o processo de soldagem em uso. Pode-se usar oxicorte, eletrodo de
carbono ou plasma, com o sem limpeza da superfície, que quando exigida superfície pode ser
mecânica ou química.
- ponteamento: o ponteamento pode afetar a qualidade final do conjunto soldado, devendo
também ser objeto de especificação .
- detalhes de soldagem: todos os detalhes que podem afetar a qualidade da solda, precisam ser
claramente indicadas. Esses detalhes incluem os diferentes diâmetros usados para as várias posições
de soldagem e nos vários pontos da estrutura, a disposição dos passes de enchimento e a largura dos
passes. Cada um desses detalhes pode influenciar a qualidade da solda e as propriedades da junta.
- posições de soldagem: as especificações devem sempre indicar as posições dos cordões e a
forma pela qual os cordões devem ser executados ( tamanho do eletrodo, faixa de corrente, vazão do
gás de proteção, número, espessura e disposição dos passes, etc. ) .
- preaquecimento e temperatura interpasse: quando são fatores que exercem influência na
qualidade da solda, deveem ser especificadas as temperaturas limites, para não haver
comprometimento da zona afetada termicamente.
- uso de pinos: pode ser necessária para evitar trincas e distorções na solda ou no metal de
base, devendo ser indicada nas especificações.
- calor indroduzido na peça: o controle da quantidade de calor injetado na peça é importante
quando da soldagem de aços tratados e de ligas ferrosas e não ferrosas sujeitas a trincas, devendo-se
fazer o controle da energia sempre que possa haver influência sobre o metal base.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
48
- preparo do reverso do cordão: nas juntas que devem ser soldadas em ambos os lados deve
ser especificado o método de remoção do reverso da solda, que pode ser por burilagem, esmerilhagem
, escarfagem, ao eletrodo de carbono ou ao maçarico. Esse preparo é muito importante na qualidade
final da solda.
- pós aquecimento: se há necessidade de tratamento têrmico posterior à soldagem, para alívio
de tensão, deve o mesmo constar das especificações.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
C A P Í T U L O
TÉCNICA
49
X I
OPERATÓRIA COM ELETRODOS REVESTIDOS
Na maior parte das vezes as peças constituintes de uma estrutura a ser soldada, são
conformadas e usinadas separadamentde de acordo com as especificações do projeto; as juntas e a
sequência de soldagem das peças tembém são especificadas pelo projeto, assim como os tipos de
eletrodos e diâmetros.
O trabalho do soldador consiste em realizar a soldagem de modo a obter a melhor
característica mecânica, com o menor custo. Por se tratar de trabalho manual há sempre a possibilidade
de aparecimento de defeitos cuja supressão pode trazer reflexos sobre o custo da obra, devendo tanto
quanto possível ser evitada pelo operador. Por isso deve-se empregar soldadores qualificados, que
tenham treinamentos periódicos e que possuam consciência da importância de seu trabalho.
As operações que antecedem a realização da soldagem são a regulagem de intensidade da
corrente, o ponteamento e o preaquecimento ( quando necessário ) . A seguir é realizada a operação
de soldagem com a execução dos cordões e o acabamento dos mesmos, com a remoção da escória.
Trabalho do soldador
1. Abertura e manutenção do arco.
Para abertura do arco é necessário que a fonte de corrente tenha uma tensão em vazio
suficientemente elevada ( principalmente em se tratando de eletrodos que trabalham com corrente
alternada ) e que a corrente tenha sido escolhida corretamente. O operador deve tocar a ponta do
eletrodo na peça, esperar o surgimento do arco e afastar levemente o eletrodo de modo a que o arco
se mantenha .
2. Ponteamento
Quando não há definição nas especificações do projeto quanto ao ponteamento, pode-se adotar
como regra o seguinte: se a peça tem uma espessura razoável, os pontos são feitos com eletrodo de
diâmetro menor que aqueles que serão usados durante a soldagem, para assegurar uma penetração
conveniente em fundo de chanfro, devendo cada ponto ter comprimento suficiente para que não haja
ruptura do mesmo sob efeito das deformações ocorridas durante a soldagem. Tais pontos devem ser
totalmente refundidos ao longo da operação ou removidos por meios mecânicos.
3. Execução da solda
O diâmetro e o tipo de eletrodo e a posição de soldagem, determinarão a movimentação e o
posicionamento do mesmo durante a soldagem.
3.1. Soldagem plana de topo ou em ângulo exterior
Durante toda a operação de soldagem o eletrodo deve ser mantido no plano de simetria da junta
formando com a vertical um ângulo de aproximadamente 70º . Em soldagem com corrente contínua , se
houver apareccimento de sopro magnético, o ângulo deve ser ligeiramente aumentado, para que seja
reduzido esse efeito. A inclinação do eletrodo é importante, já que se a soldagem for
feita com ângulo muito próximo a 90º , não há condição da escória subir através do banho, trazendo
como consequência inclusão de escória; a inclinação pouco acentuada não permite que as gotas
líquidas caiam exatamente sobre o chanfro, fazendo com que o aspecto do cordão seja irregular.
O ângulo do eletrodo é sempre medido no sentido de avanço do eletrodo com relação à
superfície da peça, independentemente do sentido da soldagem ( à direita ou à esquerda ), devendo se adotar um ângulo menor quando se tratar do primeiro passe, em solda multi passe .
Na soldagem multipasse, em chanfros em V , é imprescindível que o primeiro passe tenha
penetração total, condição facilmente verificada com um exame visual do reverso do cordão. Para que
tal condição seja satisfeita, deve-se usar nesse passe um eletrodo de diâmetro menor que aquele a ser
usado na soldagem da peça, com uma corrente pouco mais elevada que a determinada pelo fabricante
e uma velocidade de deslocamento do eletrodo moderada.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
50
Para que se tenha certeza de uma penetração conveniente e de uma total fusão das bordas de
chanfro, deve-se imprimir movimentos de vai-e-vem ao eletrodo, eventualmente acompanhado de
movimentos oscilatórios.
Se os passes posteriores forem de enchimento, pode ser necessário um aumento na amplitude
das oscilações, de uma aresta a outra, com uma pequena parada sobre a face de cada chanfro.
Durante a operação de soldagem, o arco deve ser mantido curto, de modo a que o revestomento
fique o mais próximo possível do banho, sem no entanto tocá-lo. Pode-se adotar como regra , quando o
eletrodo tem espessura de revestimento média, que o comprimento do arco deve ser igual ao diâmetro
externo do eletrodo. Um arco de comprimento exagerado leva a uma queda de penetração e perdas de
arco frequentes. A velocidade de soldagem é determinada pelo operador, que observa a deposição do
metal e a escória que flutua no banho, logo atrás do eletrodo.
Ao final do cordão ou quando o eletrodo está perto do término , o soldador retorna ligeiramente o
eletrodo para que a cratera formada desapareça, elevando o eletrodo até que o arco se apague.
Trocado o eletrodo, é necessário que se tenha cuidado para que a retomada a partir do final do cordão
do passe precedente se faça da forma mais perfeita possível, sem a introdução de defeitos.
Como foi feita a retirada da escória, o arco é estabelecido à frente do cordão e a seguir retornado por
sobre o cordão anterior, para refundí-lo e manter a homogeneidade da solda.
É possível o emprego de algumas variantes quando da execução de soldas de topo sobre
bordos retos (não chanfrados): grandes espessuras são soldadas em passes duplos, um em cada lado
da chapa ou em passe único com elevadas correntes e uso de suporte no reverso do cordão. No
primeiro caso, a soldagem é sempre feita na posição plana, razão pela qual a peça é colocada em
dispositivos que tem movimento de rotação .
3.2. Soldagem em ângulo interior, posição plana
Similar ao modo operatório anterior , este tipo de solda apresenta dificuldades de boa
penetração no ângulo e eventual aparecimento de sopro de arco (quando em corrente contínua) , mais
pronunciado que em soldagem plana.
Desde que as espessuras não tragam impedimentos, prefere-se solda multipasse, escolhendose para o primeiro passe um eletrodo de diâmetro menor que o utilizado para a soldagem,usando-se a
corrente máxima recomendado pelo fabricante.
O eletrodo é sempre mantido no plano vertical se a soldagem é feita num único passe ; se a
solda for multipasse, somente o primeiro passe é feito sem oscilação, sendo os demais feitos com
movimentos triangulares do eletrodo.
3.3. Soldagem em ângulo interior, posição horizontal
Nesse tipo de solda, a boa penetração na raiz é bastante difícil de ser atingida. O modo
operatório é similar ao anterior , salvo que o plano que contém o eletrodo não é o plano bissetor.
O plano do eletrodo determina sobre qual face da peça o metal será depositado. O primeiro
passe deve ser feito com uma inclinação de aproximadamente 45º, o segundo com inclinação maior
( 65º ) e o terceiro com inclinação menor ( 30º ) .
No caso de chapas de espessuras diferentes , o plano do eletrodo deve ficar mais próximo da
chapa de menor espessura .
Em solda unipasse, não se faz necessária a oscilação do eletrodo, do mesmo modo que o
primeiro passe ( passe de fundo ) em solda multipasse. Os passes seguintes devem sofrer oscilação ,
que será tanto maior quanto mais largo for o cordão.
Dependendo do diâmetro do eletrodo e da espessura do revestimento; pode-se efetuar a
soldagem multipasse em pequenos passes sobrepostos ou em grandes passes largos .
3.4. Soldagem em posição horizontal
A soldagem em posição horizontal destina-se a chapas colocadas em posição vertical , com o
cordão na posição horizontal.Podem ser juntas de recobrimento ( executadas da mesma maneira que
solda em ângulo interior ), conforme figura a ou juntas chanfradas , de uma ou ambas as chapas,
sendo o chanfro utilizado para contenção do banho líquido , figuras b , c e d . A figura b é o caso
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
51
mais frequentemente encontrado em espessuras menores que 16 mm , onde as bordas são chanfradas
a 30º , com nariz de 3 mm ; por vezes o chanfro é dissimétrico ( 55º para o superior e 10 a 15º para o
inferior ) . Os 5 passes são executados segundo a ordem da figura, sendo o último no reverso da solda ;
se houver necessidade de sustentação do banho , pode-se oscilar o eletrodo , fazendo-se movimento
vertical no sentido ascendente e movimento progressivo no sentido descendente. A figura c é uma
variante da anterior, sem nariz ( menor custo ), com utilização de suporte ou mata-junta; a abertura
usada é de 4,5 mm e os passes são executados segundo a figura. A figura d é feita em 14 passes, em
chapas espessas, onde somente uma delas é chanfrada a 45º e o nariz e a abertura são de 3 mm .
Sendo a superfície vertical, no primeiro passe o eletrodo deve estar a 90º , enquanto para os
outros passes deve fazer ângulo de 60º com a superfície das chapas; no quinto passe o eletrodo deve
ser inclinado para baixo ( l00º com relação à vertical superior )O eletrodo sempre faz ângulo de 70º com
relação ao sentido de avanço da soldagem.
3.5. Soldagem vertical ascendente
As juntas verticais podem ser de recobrimento, de topo e em ângulo interior e possível operar de
três maneiras diferentes:
- em passe único com deslocamento triangular do eletrodo.
- em multipasse, passes largos.
- em multipasse, passes estreitos.
No primeiro caso as bordas são preparadas para a obtenção de um chanfro a 60 ou 70º . O
metal é depositado continuamente e o eletrodo descreve triângulos superpostos e incliinados na direção
exterior, para haver sustentação do metal líquido. É possível o uso de suportes no início da soldagem,
o que obriga logo no início que o eletrodo esteja na posição horizontal, mas deve ser imediatamente
inclinado para facilitar o escoamento da escória.
No segundo caso o passe de fundo é executado com oscilação do eletrodo conforme figura a,
sendo os passes subsequentes mais largos e realizados com diâmetros maiores, com forte oscilação,
conforme figura b; o último passe recobre as arestas do chanfro e deve ser feito como em b, porém
mais largo e a costura mais próximo .
No terceiro caso o preparo das chapas e a execução do passe de raiz são idênticos ao caso
anterior. Deve-se conservar o diâmetro do eletrodo usado no passe de raiz para os passes de
enchimento, sendo cada cordão depositado ao lado dos cordões já executados. A posição do eletrodo é
horizontal , podendo ou não haver oscilação; cada passe é orientado segundo os passes precedentes.
A maior ou menor dificuldade no uso de cada método está diretamente relacionada ao tipo de
eletrodo que está sendo utilizado .
3.6. Soldagem vertical descendente
A necessidade de construção de grandes tanques de armazenamento, com uma grande
quantidade de soldas verticais, levou ao desenvolvimento de uma gama de eletrodos de escória
bastante tensa que permitem a execução de soldagem em posição vertical descendente, sendo um
método usado com o eletrodos celulósicos ( cuja escória é pouco abundante ) .
A boa resistência mecânica da junta, o bom aspecto de cordão e a redução do custo ( 10 a 15%
) possibilitaram o desenvolvimento do método, cujas características operacionais são similares à
soldagem vertical ascendente em passes largos.
Quando as peças tem grande espessura e há possibilidade de acesso aos dois lados, usa-se
chanfro em X. Se o acesso é somente de um lado, usa-se chanfro em V .
3.7. Soldagem sobrecabeça
Trata-se de soldagem na posição horizontal situadas sobre o operador.
Apesar de parecer estranha a possibilidade de se depositar metal de “ponta cabeça”, tal fato é
explicado pela presença do jato de plasma de arco, que projeta as gotas contra a direção da força da
gravidade. Por outro lado, tal fenômeno é facilitado em vista dos tipos de eletrodos utilizados ( básico e
rutílico ) , cuja escória é bastante densa e que ajuda à manutenção do metal fundido no seu devido
lugar. É importante, entretanto, que o soldador esteja bem protegido contra eventual queda de metal
sobre seu corpo, suas maõs e bolsos de suas vestes.
As soldagens podem ser de topo, de recobrimento ou em ângulo interior.
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
52
Até 4 mm de espessura as juntas não precisam necessariamente ser chanfradas, facilitando o
trabalho do operador.
A corrente deve ser regulada de modo a evitar uma transferência de metal em grande quantidade e se
a operação for em corrente contínua, deve-se usar, com o mesmo objetivo a polaridade inversa.
O porta-eletrodo deve ser mantido na posição vertical com o eletrodo formando um ângulo de 5
a 10º com a perpendicular da junta. Exatamente no ponto do metal que começa ser fundido há o
apareccimento de uma cratera em forma de pera e à medida que o metal do eletrodo se deposita na
cratera, o operador move o eletrodo para formar nova cratera. O eletrodo não deve nunca se
aproximar do metal já depositado, sob risco de haver queda de metal líquido; um avanço constante do
eletrodo acaba por fornecer um cordão irregular e de pouca penetração. Pelo fato de ser difícil a
obtenção de penetração ideal, o operador acaba por se guiar .
São indicadas a seguir algumas regulagens padrão:
Espessura ( mm )
Abertura ( mm )
0 eletr ( mm )
I max ( A )
1,6
0
2,5
65
2,0
0,5
3,2
80
3,2
0,8
3,2
120
4,0
1,2
4,0
130
Acima de 4 mm de espessura é exigido chanfro em V, sendo os passes estreitos e havendo
oscilação lateral do eletrodo; em grandes espessuras ( 12 mm ou mais ) é interessante o uso de
suportes no reverso, podendo-se com isso aumentar o espassamento entre chapas em até 50% .
3.8. Término da solda
Em seguida a cada passe, a escória deve ser retirada e o cordão deve sofrer uma escovagem.
Os passes de raiz, pelo fato de serem os mais importantes necessitam cuidados particulares: a
dificuldade ou facilidade na remoção da escória depende do tipo de revestimento do eletrodo e do tipo
de preparo de chanfro da chapa. Com relação à natureza do revestimento, pode-se dizer que os
eletrodos celulósicos, por terem uma grande quantidade de materiais voláteis, tem uma escória de
destacamento bastante fácil, enquanto os básicos, com uma escória densa, apresentam maior
dificuldade para remoção .
Após a limpeza pode-se efetuar um primeiro exame visual para a determinação da existência de
pequenos defeitos, o que pode ser consertado imediatamente após esmerilhagem das partes
defeituosas ( crateras, mordeduras ) e restaurando o perfil original do cordão. Se for necessário
acabamento, o cordão pode ser esmerilhado.
4. Soldagem com grande penetração
A soldagem com a obtenção de alta penetração nada mais é que um caso particular dos que
foram analizados anteriormente.
A grande vantagem do seu emprego reside no fato de se tornar simplificado o preparo do
chanfro em espessuras superiores a 15 mm , permitindo a soldagem sobre bordos retos em espessuras
inferiores àquela , desde que os teores em fósforo e enxofre sejam baixos.
Pode-se tanto usar corrente alternada como contínua ; no caso de grandes espessuras é
aconselhável o uso de alternada com o objetivo de reduzir o sopro de arco, que sempre aparece em
corrente contínua, principalmente quando do uso de elevadas correntes ( 200 a 250 A para eletrodos de
4 mm e de 250 a 200 A para eletrodos de 5 mm ).Além disso, a penetração com o uso de corrente
alternada é mais regular.
A soldagem com elevada penetração faz uso de eletrodos especiais e para tanto, a fonte de
corrente deve satisfazer duas condições: característica externa pronunciadamente mergulhante ( quase
vertical ) e alta tensão em vazio ( sempre maior que 80 V ) .
Tais eletrodos tem elevada tensão de arco e como conseqência , as correntes de regulagens
indicadas na máquina não são reais, estando na realidade a um valor superior, o que implica , para que
se tenha conhecimento da corrente, na medição da mesma .
Os revestimentos de tais eletrodos são ricos em elementos que produzem grande quantidade de
gás, que aumentam a pressão do arco e com isso a penetração.
A elevada penetração obtida com esses eletrodos elimina o preparo de bordos em médias
espessuras, enquanto nas grandes espessuras é suficiente que se faça chanfros parciais nas peças. A
Processos Usuais de Soldagem II
abril/2003
Félix de Camargo Ferreira Junior
53
poça de fusão é bastante líquida e volumosa sendo por vezes preciso o auxílio de limitadores nas
laterais do cordão para impedir o derramamento do metal líquido .
As juntas mais comumente utilizadas são as da figura. Se forem feitos dois passes , um será
pelo lado direito e outro pelo reverso da solda. Na impossibilidade de soldagem em ambos os lados ,
pode ser útil a criação de um suporte executado com um eletrodo de penetração normal.
O espaçamento entre as chapas deve ser o mais regular possível, sendo sempre função da
espessura da chapa e do tipo de solda a ser executado: ambos os lados da chapa, um só lado, junta de
topo ou em T .
Pode-se para uma primeira aproximação usar os valores dados a seguir :
Espessura ( mm )
Abertura ( mm )
5 a 10
0,25 a 0,5
10 a 14
2,5 + ou - 0,5
> 14
2,5 + ou - 0,5
Em espessuras entre 14 e 25 mm realiza-se um chanfro de 90º a um quarto da espessura, usando-se
uma abertura de 2 a 3,5 mm .
A inclinação do eletrodo é bastante diferente das anteriores, ficando o mesmo sempre
perpendicular à junta . Se a soldagem é feita em chapas a 90º , o eletrodo não deve estar no plano
bissetor e sim formando um ângulo de 10 a 15º com este.
O acabamento desse tipo de eletrodo não é dos melhores, razão pela qual se recomenda ,
quando bom aspecto visual é exigido , um passe final com eletrodo de penetração normal .
5. Soldagem de chapas muito finas ou muito grossas
5.1. Soldagem de chapas grossas
Na soldagem de chapas de grande espessura as técnicas operatórias são bastante variáveis.
Em aço carbono, espessuras de até 50 mm , o preparo de bordos deve ser feito levando-se em
consideração a necessidade de acesso à junta , ou seja, em X ou em V.
Nos preparos em V com nariz, deve-se adotar o menor ângulo possível , desde que permita a
execução do passe de raiz . Os preparos em J ou meia-tulipa tem a vantagem de facilitar bastante esse
passe , podendo-se em todos os casos usar, se desejado, um suporte .
A escolha do tipo de eletrodo é extremamente importante, devendo-se optar, pelos de
revestimento espesso; os eletrodos básicos devem ser preferidos , em função da elevada qualidade do
metal depositado e das grandes velocidades de deposição . O passe de fundo, deve ser feito com
eletrodos de pequeno diâmetro ( em razão da acessibilidade na junta ) , sendo, no entanto necessário
certo cuidado para que não haja rompimento do cordão, em virtude da retração do material .
Contrariamente às chapas finas, não é possível em grandes espessuras a obtenção de um
alinhamento rigoroso, razão pela qual torna-se por vezes preciso corrigi-lo através da deposição de
metal nos locais de grande abertura ou através de dispositivos de imobilização ou ainda, através de
mata-juntas ; se nenhuma dessas soluções for possível, pode-se dispor a peça na posição vertical,
fazendo-se o passe de raiz em ascendente e os demais em descendente .