Baixe Eletrodo revestido e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! «= ESAB Nossos clientes soldam melhor Eletrodos Revestidos OK E q ÍNDICE INTRODUÇÃO .......................................................................................... 1 SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODOS REVESTIDOS..................... 3 ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS CARBONO ............... 5 ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS DE BAIXA LIGA ....... 32 ARMAZENAGEM, TRATAMENTO E MANUSEIO ............................................ 52 EQUIPAMENTOS .................................................................................... 58 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................... 64 Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes – Engenheiro Metalúrgico, MSc. Assistência Técnica Consumíveis – ESAB BR Revisado por Cláudio Turani Vaz – Engenheiro Metalurgista, MSc. Assistência Técnica – ESAB BR Última revisão em 3 de fevereiro de 2005 ELETRODOS REVESTIDOS OK 3 Capítulo 1 Soldagem a arco elétrico com eletrodos revestidos “Soldagem é o processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utili- zação de pressão e/ou material de adição" (American Welding Society - AWS). A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding – SMAW), também conhecida como soldagem ma- nual a arco elétrico, é o mais largamente empregado dos vários pro- cessos de soldagem. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revesti- do e a peça de trabalho (veja a Figura 1). O calor produzido pelo arco funde o metal de base, a alma do eletrodo e o revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a po- ça de fusão, são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos du- rante a decomposição do revestimento. A escória líquida flutua em di- reção à superfície da poça de fusão, onde protege o metal de solda da atmosfera durante a solidificação. Outras funções do revestimento são proporcionar estabilidade ao arco e controlar a forma do cordão de solda. ELETRODOS REVESTIDOS OK 4 Figura 1 - Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido ELETRODOS REVESTIDOS OK 5 Capítulo 2 Eletrodos revestidos para a soldagem de aços carbono A fabricação de eletrodos revestidos Eletrodos revestidos para aços carbono consistem de apenas dois elementos principais: a alma metálica, normalmente de aço de baixo carbono, e o revestimento. A alma metálica contém alguns ele- mentos residuais, porém os teores de fósforo e enxofre devem ser muito baixos para evitar fragilização no metal de solda. A matéria- prima para a alma metálica é um fio-máquina laminado a quente na forma de bobinas, que é posteriormente trefilado a frio até o diâmetro adequado do eletrodo, retificado e cortado no comprimento adequa- do. A alma metálica tem as funções principais de conduzir a corrente elétrica e fornecer metal de adição para a junta. Os ingredientes do revestimento, dos quais existem literalmente centenas para escolher, são cuidadosamente pesados, misturados a seco — mistura seca — e então é adicionado o silicato de sódio e/ou potássio — mistura úmida — que é compactada em um cilindro e ali- mentada à prensa extrusora. O revestimento é extrudado sobre as varetas metálicas que são alimentadas através da prensa extrusora a uma velocidade muito alta. O revestimento é removido da extremida- de do eletrodo — a ponta de pega — para garantir o contato elétrico, ELETRODOS REVESTIDOS OK 8 garantir que o metal de solda seja íntegro, livre de bolhas de gás, e tenha a resistência e a ductilidade adequadas. Às altas tempe- raturas do arco, o nitrogênio e o oxigênio prontamente se combi- nam com o ferro e formam nitretos de ferro e óxidos de ferro que, se presentes no metal de solda acima de certos valores mínimos, causarão fragilidade e porosidade. O nitrogênio é o mais relevan- te, visto que é difícil controlar seu efeito uma vez que ele tenha entrado no depósito de solda. O oxigênio pode ser removido com o uso de desoxidantes adequados. Para evitar a contaminação da atmosfera o fluxo de metal fundido precisa ser protegido por gases que expulsem a atmosfera circundante do arco e do metal de solda fundido. Isso é conseguido usando-se no revestimento materiais que gerem gases e que se decomponham durante as atividades de soldagem e produzam a atmosfera protetora. estabilização do arco - um arco estabilizado é aquele que abre facilmente, queima suavemente mesmo a baixas correntes e po- de ser mantido empregando-se indiferentemente um arco longo ou um curto. adições de elementos de liga ao metal de solda - uma varie- dade de elementos tais como cromo, níquel, molibdênio, vanádio e cobre podem ser adicionados ao metal de solda incluindo-os na composição do revestimento. É freqüentemente necessário adi- cionar elementos de liga ao revestimento para balancear a perda esperada desses elementos da vareta durante a atividade de soldagem devido à volatilização e às reações químicas. Eletrodos de aço doce requerem pequenas quantidades de carbono, man- ganês e silício no depósito de solda para resultar em soldas ínte- gras com o nível desejado de resistência. Uma parte do carbono e do manganês provém da vareta, mas é necessário suplementá- la com ligas ferro-manganês e em alguns casos com adições de ligas ferro-silício no revestimento. direcionamento do arco elétrico - o direcionamento do fluxo do arco elétrico é obtido com a cratera que se forma na ponta dos ELETRODOS REVESTIDOS OK 9 eletrodos (veja a Figura 2a). O uso de aglomerantes adequados assegura um revestimento consistente que manterá a cratera e dará uma penetração adicional e melhor direcionamento do arco elétrico. função da escória como agente fluxante - a função da escória é (1) fornecer proteção adicional contra os contaminantes atmos- féricos, (2) agir como purificadora e absorver impurezas que são levadas à superfície e ficam aprisionadas pela escória, e (3) reduzir a velocidade de resfriamento do metal fundido para permitir o escape de gases. A escória também controla o contor- no, a uniformidade e a aparência geral do cordão de solda. Isso é particularmente importante nas juntas em ângulo. características da posição de soldagem - é a adição de certos ingredientes no revestimento, principalmente compostos de titâ- nio, que tornam possível a soldagem fora de posição (posições vertical e sobrecabeça). As características da escória — princi- palmente a tensão superficial e a temperatura de solidificação — determinam fortemente a capacidade de um eletrodo ser empre- gado na soldagem fora de posição. controle da integridade do metal de solda - a porosidade ou os gases aprisionados no metal de solda podem ser controlados de uma maneira geral pela composição do revestimento. É o balan- ço de certos ingredientes no revestimento que tem um efeito marcante na presença de gases aprisionados no metal de solda. O balanço adequado desses ingredientes é crítico para a integri- dade que pode ser obtida para o metal de solda. O ferro- manganês é provavelmente o ingrediente mais comum utilizado para se conseguir a fórmula corretamente balanceada. propriedades mecânicas específicas do metal de solda - pro- priedades mecânicas específicas podem ser incorporadas ao me- tal de solda por meio do revestimento. Altos valores de impacto a baixas temperaturas, alta ductilidade, e o aumento nas proprie- dades de escoamento e resistência mecânica podem ser obtidos ELETRODOS REVESTIDOS OK 10 pelas adições de elementos de liga ao revestimento. isolamento da alma de aço - o revestimento atua como um iso- lante de tal modo que a alma não causará curto-circuito durante a soldagem de chanfros profundos ou de aberturas estreitas; o re- vestimento também serve como proteção para o operador quan- do os eletrodos são trocados. Classificação dos ingredientes do revestimento Os materiais do revestimento podem ser classificados em seis grupos principais: elementos de liga - elementos de liga como molibdênio, cromo, níquel, manganês e outros conferem propriedades mecânicas específicas ao metal de solda. aglomerantes - silicatos solúveis como os de sódio e potássio são empregados no revestimento dos eletrodos como aglomeran- tes. As funções dos aglomerantes são formar uma massa plástica de material de revestimento capaz de ser extrudada e secada no forno. O revestimento final após a passagem no forno deve apre- sentar uma dureza tal que mantenha uma cratera e tenha resis- tência suficiente para não se fragmentar, trincar ou lascar. Aglo- merantes também são utilizados para tornar o revestimento não inflamável e evitar decomposição prematura. formadores de gases - materiais formadores de gases comuns são os carboidratos, hidratos e carbonatos. Exemplos dessas substâncias são a celulose, os carbonatos de cálcio e de magné- sio, e a água quimicamente combinada como a encontrada na argila e na mica. Esses materiais desprendem dióxido de carbo- no (CO2), monóxido de carbono (CO) e vapor d'água (H2O) às al- tas temperaturas do arco de soldagem. A umidade livre também é outro ingrediente formador de gases que é encontrado particu- larmente nos eletrodos do tipo celulósico e faz parte da formula- ELETRODOS REVESTIDOS OK 13 Tipos de revestimento Celulósico O revestimento celulósico apresenta as seguintes características: elevada produção de gases resultantes da combustão dos mate- riais orgânicos (principalmente a celulose); principais gases gerados: CO2, CO, H2, H2O (vapor); não devem ser ressecados; a atmosfera redutora formada protege o metal fundido; o alto nível de hidrogênio no metal de solda depositado impede o uso em estruturas muito restritas ou em materiais sujeitos a trin- cas por hidrogênio; alta penetração; pouca escória, facilmente destacável; muito utilizado em tubulações na progressão descendente; operando em CC+, obtém-se transferência por spray. Rutílico O revestimento rutílico apresenta as seguintes características: consumível de uso geral; revestimento apresenta até 50% de rutilo (TiO2); média penetração; escória de rápida solidificação, facilmente destacável; o metal de solda pode apresentar um nível de hidrogênio alto (até 30 ml/100g); requer ressecagem a uma temperatura relativamente baixa, para que o metal de solda não apresente porosidades grosseiras. ELETRODOS REVESTIDOS OK 14 Básico O revestimento básico apresenta as seguintes características: geralmente apresenta as melhores propriedades mecânico- metalúrgicas entre todos os eletrodos, destacando-se a tenaci- dade; elevados teores de carbonato de cálcio e fluorita, gerando um metal de solda altamente desoxidado e com muito baixo nível de inclusões complexas de sulfetos e fosfetos; não opera bem em CA, quando o teor de fluorita é muito elevado; escória fluida e facilmente destacável; cordão de média penetração e perfil plano ou convexo; requer ressecagem a temperaturas relativamente altas; após algumas horas de contato com a atmosfera, requer resse- cagem por ser altamente higroscópico; Altíssimo rendimento O revestimento de altíssimo rendimento apresenta as seguintes características: adição de pó de ferro (rutílico/básico); aumenta a taxa de deposição; pode ou não ser ligado; aumenta a fluidez da escória, devido à formação de óxido de fer- ro; melhora a estabilidade do arco e a penetração é reduzida, princi- palmente com alta intensidade de corrente, o que pode minimizar a ocorrência de mordeduras; possibilidade de soldar por gravidade (arraste); reduz a tenacidade do metal de solda. Os eletrodos de altíssimo rendimento possuem uma aplicação ELETRODOS REVESTIDOS OK 15 com altas taxas de deposição, que é a soldagem por gravidade em estaleiros navais com o dispositivo (tripé) mostrado na Figura 3. Figura 3 - Equipamento para soldagem por gravidade do eletrodo OK 33.80 A especificação AWS A5.1 Essa especificação da American Welding Society (AWS) foi de- senvolvida ao longo dos anos por um comitê composto de membros que representam os fabricantes de consumíveis, como a ESAB, usuá- rios da indústria de soldagem e membros independentes de universi- dades e laboratórios. Essa equipe equilibrada é necessária para evi- tar tendências nas especificações. ELETRODOS REVESTIDOS OK 18 Composição química do metal de solda (AWS A5.1) A Tabela III mostra os requisitos químicos para eletrodos revesti- dos aplicáveis aos aços carbono. Classe Mn Si Ni Cr Mo V Mn+Ni+ Cr+Mo+ V E6010 - - - - - - E6011 - - - - - - E6012 - - - - - - E6013 - - - - - - E6020 - - - - - - E6022 - - - - - - E6027 - - - - - - E7014 ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,50 E7015 ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,50 E7016 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,75 E7018 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,75 E7024 ≤1,25 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,50 E7027 ≤1,60 ≤0,75 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,75 E7028 ≤1,60 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,75 E7048 ≤1,60 ≤0,90 ≤0,30 ≤0,20 ≤0,30 ≤0,08 ≤1,75 Tabela III - Requisitos químicos para eletrodos revestidos para aços carbono Propriedades mecânicas (AWS A5.1) Os ensaios mecânicos (ou físicos) de metal depositado são reali- zados em todos os corpos de prova na condição como soldado. Isso ELETRODOS REVESTIDOS OK 19 significa que a solda ou o metal de solda não fica sujeito a qualquer tipo de tratamento térmico. Corpos de prova de tração para todas as classificações de eletrodos exceto os de baixo hidrogênio (E7015, E7016, E7018, E7028 e E7048) são envelhecidos na faixa de 95°C a 105°C por 48 horas antes do ensaio de tração. Isso não é considera- do um tratamento térmico, pois simplesmente acelera a difusão do hidrogênio do metal de solda nos eletrodos do tipo celulósico ou rutíli- co. A Tabela IV mostra as propriedades mecânicas para os eletrodos revestidos aplicáveis aos aços carbono. Classe LE (MPa) LR (MPa) Al (%) Ch V média (J) Ch V indiv. (J) Temp (°C) E6010 ≥331 ≥414 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E6011 ≥331 ≥414 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E6012 ≥331 ≥414 ≥17 - - - E6013 ≥331 ≥414 ≥17 - - - E6020 ≥331 ≥414 ≥22 - - - E6022 - ≥414 - - - - E6027 ≥331 ≥414 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E7014 ≥399 ≥482 ≥17 - - - E7015 ≥399 ≥482 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E7016 ≥399 ≥482 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E7018 ≥399 ≥482 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C E7024 ≥399 ≥482 ≥17 - - - E7028 ≥399 ≥482 ≥22 ≥27 ≥20 -18°C E7048 ≥399 ≥482 ≥22 ≥27 ≥20 -29°C Tabela IV - Propriedades mecânicas dos eletrodos revestidos para aços carbono ELETRODOS REVESTIDOS OK 20 Características individuais dos eletrodos revestidos eletrodos E6010 foram originalmente desenvolvidos para pro- porcionar uma atividade de soldagem e um metal de solda me- lhor. O revestimento é, predominantemente, uma pasta de celu- lose modificada com silicatos minerais, desoxidantes e silicato de sódio. A quantidade de revestimento desses eletrodos é peque- na, cerca de 10-12% em peso. Como a massa de celulose se queima durante a soldagem, a escória é mínima e é normalmente de fácil remoção. O arco tem uma penetração profunda e, com manipulação adequada do arco, cordões de solda de boa quali- dade podem ser depositados em todas as posições. A maioria dos navios construídos nos Estados Unidos durante a II Guerra Mundial foi soldada com esses eletrodos. Formulações especiais deles são empregadas na soldagem de dutos na progressão descendente. Soldas razoavelmente íntegras podem ser execu- tadas em juntas de topo com abertura de raiz utilizando esses e- letrodos. eletrodos E6011 são similares aos E6010 exceto que compostos de potássio em quantidade suficiente são adicionados ao reves- timento para estabilizar o arco e permitir que o eletrodo seja utili- zado com corrente alternada. A penetração é ligeiramente menor que a do eletrodo E6010. eletrodos E6012 possuem vários nomes comuns. Na Europa são chamados de eletrodos rutílicos. O revestimento contém grandes quantidades do mineral rutilo (dióxido de titânio, TiO2). O arco possui baixa penetração, e com manipulação adequada po- dem ser fechadas grandes aberturas de raiz. Embora a especifi- cação permita a soldagem com CA ou CC, o arco é mais suave e a quantidade de respingos é menor quando é empregada corren- te contínua. eletrodos E6013 também contêm um grande percentual de dió- xido de titânio (rutilo - TiO2) em seu revestimento. Eles são proje- ELETRODOS REVESTIDOS OK 23 Seleção do eletrodo adequado para aços carbono Muitos fatores devem ser considerados quando se seleciona o eletrodo adequado para uma determinada aplicação. Alguns itens a serem considerados são: tipo do metal de base - a soldagem de aços carbono ou aços de baixo carbono (teor de carbono inferior a 0,30%) com eletrodos revestidos de alma de aço doce não apresenta problemas na medida em que a resistência à tração do metal de solda normal- mente excede a resistência à tração do metal de base. No entan- to, a composição química do metal de base também é importan- te. Soldas realizadas em aços de usinagem fácil que tenham um teor relativamente alto de enxofre serão porosas a menos que sejam feitas com um eletrodo de baixo hidrogênio como o E7018. Algumas vezes são encontrados aços fora de faixa ou aços car- bono de composição química duvidosa. Nesses casos a melhor escolha seria um eletrodo revestido de baixo hidrogênio. posição de soldagem - a posição de soldagem determinará se será empregado um eletrodo para soldagem em todas as posi- ções ou outro para posições plana e horizontal. Correntes de sol- dagem mais altas e, portanto, maiores taxas de deposição são possíveis durante a soldagem nas posições plana ou horizontal. Sempre que possível, a peça deve ser posicionada levando-se em consideração a facilidade de soldagem a maior velocidade de soldagem. equipamento disponível - a escolha do eletrodo dependerá dos equipamentos CA ou CC disponíveis. Se ambos os equipamen- tos estiverem disponíveis, considere os seguintes fatos gerais: 1. para uma penetração mais profunda empregue CC+ 2. para uma penetração menos profunda e maior taxa de depo- ELETRODOS REVESTIDOS OK 24 sição empregue CC- 3. para ficar livre de sopro magnético aplique CA espessura da chapa - durante a soldagem de chapas finas de- vem ser empregados eletrodos de baixa penetração. Chapas mais espessas podem necessitar de um eletrodo com penetração profunda. Muitas chapas grossas podem necessitar de eletrodos de penetração profunda para o passe de raiz, e de um eletrodo de mais alta taxa de deposição para os passes subseqüentes. montagem - alguns eletrodos são mais adequados que outros no fechamento de aberturas das peças a serem soldadas. Alguns fabricantes de eletrodos produzem consumíveis especialmente formulados para montagens deficientes. custos da soldagem - os principais fatores que afetam os custos da soldagem são a mão de obra e indiretos, a taxa de deposição, a eficiência de deposição e o custo dos eletrodos. Usos típicos dos eletrodos pela sua classificação Os eletrodos de classificação E6010 e E6011 deveriam ser prefe- rencialmente usados na soldagem de juntas de aço doce na posição vertical com abertura de raiz. Se houver apenas fontes CA (transfor- madores) disponíveis a escolha deve recair no eletrodo tipo E6011. Muitas vezes é encontrado sopro magnético quando se solda com CC. O emprego de eletrodos E6011 com CA elimina o sopro magnéti- co. Os eletrodos de classificação E6012 ainda são muito utilizados nos dias atuais em reparos e na soldagem de estruturas menos críti- cas. Aços carbono apresentando alguma oxidação podem ser solda- dos com esse tipo de eletrodo. Pode também ser empregado no fe- chamento de grandes aberturas. O uso desse eletrodo, contudo, di- minuiu consideravelmente nos últimos anos. Antes da chegada dos eletrodos de baixo hidrogênio e de outros processos de soldagem o ELETRODOS REVESTIDOS OK 25 eletrodo E6012 constituía 60% da produção total de eletrodos. Os eletrodos de classificação E6013 foram originalmente desen- volvidos para apresentar baixa penetração e cordões de solda planos. Essas características permitiram a soldagem de chapas finas com es- ses eletrodos. Hoje em dia muitos eletrodos E6013 são empregados no lugar de eletrodos E6012 graças ao arco mais suave, menos res- pingos e superfície mais uniforme do cordão. Os eletrodos de classificação E7014, como indicado anteriormen- te, possuem pó de ferro adicionado à formulação do revestimento dos eletrodos E6013. Essa adição permite que o eletrodo seja soldado sob altas correntes de soldagem, resultando em taxa e eficiência de deposição mais alta. As aplicações do eletrodo E7014 são semelhan- tes às do eletrodo E6013. Os eletrodos de classificação E7016 são, como já foi indicado an- teriormente, básicos de baixo hidrogênio. Essa combinação de carac- terísticas permite que esse eletrodo seja utilizado para soldar alguns aços de maior teor de carbono e também alguns aços de baixa liga. Esse eletrodo tem sido menos consumido por causa de sua taxa de deposição mais baixa e também menor eficiência de deposição em relação ao eletrodo do tipo E7018. Os eletrodos de classificação E7018 são de baixo hidrogênio com adição de pó de ferro. A quantidade considerável de pó de ferro no revestimento e também uma quantidade de revestimento bem maior permitem que esses eletrodos sejam aplicados sob correntes de soldagem mais altas que as empregadas com os eletrodos E7016. O arco mais suave e a facilidade de soldagem do eletrodo E7018 tor- nam-no o favorito dos soldadores. Correntes de soldagem relativa- mente mais altas e adições de pó de ferro fundindo no metal de solda resultam em maiores taxas e eficiências de deposição. O eletrodo bá- sico E7018 deposita o metal de solda de melhor qualidade para a sol- dagem de aços de baixo carbono. Sua maior desvantagem é que ele precisa ser mantido seco. Eletrodos que absorveram umidade devido ELETRODOS REVESTIDOS OK 28 solda depositado para 63,8%. De modo similar, se forem descartadas pontas de comprimento 100 mm, a eficiência de deposição cai para 42,6%. Classe Eficiência de deposição média (%) E6010 63,8 E6011 68,5 E6012 66,9 E6013 66,8 E7014 64,6 E7016 62,8 E7018 69,5 E6020 65,2 E7024 66,8 E7027 68,6 Nota: inclui perda de ponta de 50 mm Tabela V - Eficiência de deposição de eletrodos revestidos para aços carbono ELETRODOS REVESTIDOS OK 29 Comprimento da ponta (mm) Metal depositado E6010 (%) Perda do eletrodo de comprimento 350 mm (%) 50 63,8 36,2 75 58,5 41,5 100 53,2 46,8 125 47,9 52,1 150 42,6 57,4 O eletrodo E6010 tem eficiência de deposição de 71,6%. Perdas devido à escória, respingos e fumos. Tabela VI - Perda da ponta dos eletrodos Parâmetros de soldagem A Tabela VII mostra os parâmetros de soldagem recomendados para a soldagem com eletrodos revestidos OK® para aços carbono e suas respectivas taxas de deposição e eficiências de deposição. ELETRODOS REVESTIDOS OK 30 Eletrodo AWS Diâmetro (mm) Corrente (A) Valor ótimo (A) Tx. dep. (kg/h) Ef. dep. (%) OK 22.45P OK 22.50 E6010 E6010 2,5 3,2 4,0 5,0 60 – 80 80 – 140 90 – 180 120 – 250 75 100 / 130 140 / 170 160 / 190 0,7 0,9 / 1,0 1,3 / 1,3 1,5 / 1,6 72 76 / 69 74 / 64 75 / 70 OK 22.65P E6011 2,5 3,2 4,0 5,0 40 – 75 60 – 125 80 – 180 120 – 230 75 120 150 180 0,6 1,0 1,7 1,9 61 71 77 73 OK 46.00 OK 46.13 OK 43.32 E6013 2,0 2,5 3,2 4,0 5,0 50 – 70 60 – 100 80 – 150 105 – 205 155 – 300 50 85 125 140 / 160 / 180 180 / 200 / 220 0,6 0,7 1,0 1,2 / 1,4 / 1,6 1,5 / 1,7 / 1,9 73 73 73 76 / 74 / 71 74 / 71 / 73 OK 33.80 E7024 3,2 4,0 5,0 6,0 130 – 170 140 – 230 210 – 350 270 – 430 140 / 180 180 / 210 / 240 245 / 270 / 290 320 / 360 1,9 / 2,3 2,4 / 2,9 / 3,3 3,4 / 3,8 / 4,1 4,3 / 5,3 72 / 71 71 / 73 / 69 69 / 71 / 68 72 / 69 OK 48.04 OK 48.06 OK 48.07 OK 55.00 E7018 E7018 E7018-1 E7018-1 2,5 3,2 4,0 5,0 65 – 105 100 – 150 130 – 200 185 – 270 90 120 / 140 140 / 170 200 / 250 0,8 1,2 / 1,2 1,4 / 1,7 2,2 / 2,4 66 72 / 71 75 / 74 76 / 75 Tabela VII - Recomendações de parâmetros de soldagem para os eletrodos revestidos OK® para a soldagem de aços carbono Sistemas básicos e ácidos de escória O tipo de escória produzida pelos eletrodos revestidos tem um efeito determinante na qualidade do metal de solda. Os eletrodos E6010, E6011, E6012, E6013, E7014, E7024 e outros eletrodos celu- lósicos e rutílicos produzem escórias predominantemente formadas por dióxido de silício (areia, sílica, SiO2) e apresentam um comporta- ELETRODOS REVESTIDOS OK 33 mos teores de elementos de liga do metal de base para atingir as propriedades deste. Conseqüências do hidrogênio no aço de baixa liga Uma das razões pelas quais os aços de baixa liga estão se tor- nando cada vez mais populares foi a pesquisa extensiva que foi leva- da adiante para o desenvolvimento dos eletrodos para soldá-los. Em- bora sejam necessários cuidados e precauções especiais na solda- gem dos aços de baixa liga, é possível nos dias atuais soldá-los com alto grau de confiabilidade. Porém, não foi sempre assim. Durante a II Guerra Mundial, quando houve um aumento dramático no uso de a- ços de alta resistência e baixa liga, houve também um corresponden- te aumento nos defeitos de soldagem. Percebeu-se rapidamente que os aços temperáveis não poderiam ser soldados da mesma maneira e com os mesmos eletrodos que eram comumente empregados na sol- dagem dos aços carbono de baixa resistência. Através de muita pes- quisa foi descoberto que o hidrogênio aprisionado era o responsável pelos defeitos de solda, e o termo fragilização pelo hidrogênio tornou- se sinônimo de um alerta vermelho de desastre iminente. Quando compostos que contêm hidrogênio como água, minerais, ou produtos químicos estão presentes no revestimento do eletrodo, como é comum em eletrodos para aços carbono, o hidrogênio quimi- camente ligado se dissocia em hidrogênio atômico sob a ação do ca- lor do arco. O metal de solda fundido tem a capacidade de dissolver o hidrogênio atômico. No entanto, logo que o metal de solda se solidifi- ca, perde sua capacidade de manter o hidrogênio em solução, e este é expelido para a atmosfera ou se difunde através da região de sol- ELETRODOS REVESTIDOS OK 34 dagem. O aço e o metal de solda não são tão sólidos quanto eles a- parentam a olho nu, estando cheios de poros microscópicos. Os áto- mos de hidrogênio podem se mover para fora da região do metal de solda e atingir a zona termicamente afetada, que é uma área da maior importância na soldagem, especialmente nos aços de alta resistência. A zona termicamente afetada (ZTA, veja a Figura 6) é a região da solda que não se fundiu durante a soldagem, porém sofreu mudanças microestruturais resultantes do calor induzido pela soldagem. Essa região pode se tornar um elo fraco em uma junta soldada que, em condições normais, seria suficientemente resistente. Primeiramente, a estrutura granular da (ZTA) não é tão refinada e, portanto, é mais fra- ca que o metal de base circunvizinho ou que o metal de solda com estrutura bruta de fusão. Em segundo lugar, se a ZTA se resfriar muito rapidamente em determinados aços, forma-se uma estrutura cristalina frágil e dura conhecida como martensita. Os poros relativamente grandes da zona termicamente afetada são sítios naturais de captura do hidrogênio atômico. Quando dois átomos de hidrogênio se encon- tram há uma união imediata entre eles para formar o hidrogênio mo- lecular (H2, estado gasoso). As moléculas de hidrogênio resultantes são maiores que a estrutura cristalina do metal e podem ficar impedi- das de migrarem livremente. À medida que mais e mais átomos de hidrogênio migram até os poros e formam moléculas que permane- cem aprisionadas, podem se desenvolver enormes pressões internas. Os aços carbono e os de mais baixa resistência possuem plasticidade suficiente para acomodar as tensões internas resultantes da pressão do hidrogênio de forma que não causem trincas no aço. Por outro la- do, aços que possuam alta dureza e alta resistência não apresentam plasticidade suficiente para acomodar a pressão, e se houver muito hidrogênio pode ocorrer fissuração. ELETRODOS REVESTIDOS OK 35 Figura 6 - A zona termicamente afetada O defeito causado, conhecido como fissuração a frio (veja a Figura 7), inicia-se na ZTA, tornando-se particularmente perigoso por- que a trinca não fica imediatamente aparente a olho nu. Ela ocorre depois que o metal resfriou de 200°C até a temperatura ambiente, e é muitas vezes chamada de trinca a frio. Esse defeito pode ocorrer logo após o resfriamento até a temperatura ambiente ou pode levar horas, dias, ou mesmo meses antes que aconteça. ELETRODOS REVESTIDOS OK 38 dade do ar após a abertura da lata. Por isso, os eletrodos que não fo- rem consumidos dentro de um determinado intervalo de tempo, de- vem ser armazenados em uma estufa e mantidos a temperatura cons- tante. Diversos códigos estruturais e militares permitem apenas tempos determinados de exposição, que podem variar de 30 minutos até 8 horas dependendo de teor de elementos de liga do eletrodo, da u- midade relativa da área de trabalho e do nível crítico da aplicação. Se os eletrodos de baixo hidrogênio ficarem expostos à atmosfera além desses limites, devem ser descartados ou ressecados numa estufa apropriada por um determinado intervalo de tempo a uma certa faixa de temperatura. As condições de ressecagem e de manutenção recomendadas para os eletrodos OK de baixo hidrogênio (básicos) estão indicadas na Tabela XVI e na Tabela XVII. Revestimentos resistentes à umidade A absorção de umidade merece uma atenção especial de usuá- rios finais como estaleiros navais e fabricantes de oleodutos situados em áreas do mundo que apresentam alto nível de umidade relativa. Quando a temperatura e a umidade relativa aumentam, a probabilida- de de absorção de umidade no revestimento do eletrodo de baixo hi- drogênio também aumenta. Para combater essa possibilidade, a mai- oria dos fabricantes de eletrodos desenvolveu nos últimos anos ele- trodos de baixo hidrogênio com revestimentos resistentes à umidade. Esses revestimentos reduzem a absorção de umidade em eletrodos que ficaram expostos ao ar por longos períodos, acrescentando um grau extra de confiabilidade aos eletrodos de baixo hidrogênio. Os gráficos mostrados na Figura 8a, na Figura 8b e na Figura 8c dão uma idéia da efetividade de um revestimento resistente à umida- de. O método escolhido para a realização desses testes está descrito ELETRODOS REVESTIDOS OK 39 na especificação AWS A5.5. Ele foi escolhido porque satisfaz às es- pecificações AWS e é sensível apenas à água, tornando-o um dos mais precisos e confiáveis métodos de determinação de umidade a- tualmente em uso. Figura 8a - Efetividade do revestimento resistente à umidade ELETRODOS REVESTIDOS OK 40 Figura 8b - Efetividade do revestimento resistente à umidade Figura 8c - Efetividade do revestimento resistente à umidade ELETRODOS REVESTIDOS OK 43 Efeito dos elementos de liga Molibdênio (Mo) - quando o metal de solda de aço doce sofre alívio de tensões, a tensão limite de escoamento é reduzida em aproximadamente 20 MPa ou mais e da mesma forma para a tensão limite de resistência. Quando 0,5% Mo é adicionado à solda, ambos o limite de escoamento e o limite de resistência permanecem constantes da condição como soldado até a condi- ção com tratamento térmico de alívio de tensões. A presença do molibdênio também aumenta a resistência mecânica do metal de solda. Cromo (Cr) - quando o cromo é adicionado ao metal de solda, aumentam a resistência à corrosão e à formação de carepa a temperaturas altas. A combinação do cromo e do molibdênio dá ao metal de solda a característica de manter os altos níveis de resistência a temperaturas relativamente altas. Níquel (Ni) - o metal de solda de aço doce usualmente torna-se frágil a temperaturas abaixo de -30°C. A adição de 1-3% de ní- quel ao metal de solda dá a este a capacidade de manter a tena- cidade a temperaturas consideravelmente mais baixas. A presen- ça do níquel também torna o metal de solda mais resistente à fis- suração à temperatura ambiente. Manganês (Mn) - a presença de 1,5-2,0% de manganês no me- tal de solda aumenta a resistência à tração e, quando é adiciona- do também 0,3% de molibdênio, o metal de solda de alta resis- tência torna-se também resistente a trincas. Deve ser observado que a especificação AWS A5.5 cobre não somente os eletrodos de baixa liga e baixo hidrogênio, como também todas as versões de eletrodos do tipo celulósicos, com adições de ti- tanato e de pó de ferro. O significado das designações da AWS está na Figura 9. Uma lista completa de todos os eletrodos cobertos por essa especificação é mostrada na Tabela IX. ELETRODOS REVESTIDOS OK 44 E XX (X) Y Z - XX Eletrodo Indicam resistência à tração X 1000 psi Refere-se à posição de soldagem (1 = Todas as posições, 2= horizontal e plana, 3= plana, 4 = plana, sobrecabeça, horizontal, vertical descendente) Indica o grau de utilização do eletrodo. Por ex. o tipo de corrente e o tipo de revestimento Composição química do depósito de soldagem Figura 9 - Classificação dos eletrodos revestidos para aços de baixa liga E7010-A1 E8018-B2 E9015-B3L E11018-M E7011-A1 E8018-B2L E9016-B3 E12018-M E7015-A1 E8015-B4L E9018-B3 E7016-A1 E8016-B5 E9018-B3L EXX10-G E7018-A1 E8016-C1 E9015-D1 EXX11-G E7020-A1 E8018-C1 E9018-D1 EXX13-G E7027-A1 E8016-C2 E9018-M EXX15-G E8018-C2 EXX16-G E8016-B1 E8016-C3 E10015-D2 EXX18-G E8018-B1 E8018-C3 E10016-D2 E7020-G E8015-B2L E10018-D2 E8016-B2 E9015-B3 E10018-M Tabela IX - Classificação dos eletrodos para aços de baixa liga ELETRODOS REVESTIDOS OK 45 Propriedades mecânicas (AWS A5.5) Tendo em vista que muitos aços de baixa liga necessitam de al- gum tipo de tratamento térmico para aliviar as tensões internas origi- nadas pelo processo de soldagem, a especificação AWS requer a realização de alguns testes no metal de solda depositado da maioria dos eletrodos de baixa liga após o corpo de prova ter sofrido alívio de tensões. Essa especificação permite apenas aos eletrodos dos tipos E8016-C3, E8018-C3, E9018-M, E11018-M e E12018-M serem testa- dos na condição como soldados durante o processo de classificação. Propriedades de impacto Levando em consideração que muitos dos aços de baixa liga são desenvolvidos para serviço a baixa temperatura, as propriedades de impacto do metal de solda selecionado para unir esses aços são mui- to importantes. Exceto para os tipos já mencionados no item anterior, todos os ensaios de impacto são realizados em corpos de prova que tenham sofrido alívio de tensões. A Tabela X estabelece os requisitos mínimos de valores de energia para os corpos de prova do tipo Charpy-V em conformidade com a especificação AWS A5.5. ELETRODOS REVESTIDOS OK 48 fabricadas de aços resistentes à corrosão atmosférica. Esses aços de baixa liga, quando expostos às condições atmosféricas, desenvolvem uma camada fina e aderente de óxido (a pátina, daí denominarem-se aços patináveis) que evita a continuação do processo de oxidação e elimina a necessidade de pintura. Para a soldagem desses aços es- tão disponíveis eletrodos revestidos de baixa liga com adições de cromo, níquel e cobre. Aços de baixa liga temperados e revenidos normalmente apre- sentam alta resistência mecânica e boa tenacidade. Esses tipos de aço são empregados onde é importante a redução de peso da estru- tura. Esses aços são freqüentemente utilizados em aplicações milita- res como, por exemplo, na fabricação de cascos resistentes de sub- marinos nucleares e de navios de guerra. A série M de eletrodos de baixo hidrogênio e alta resistência é fabricada para a soldagem des- ses aços. Oleodutos e gasodutos de aços de alta resistência são atualmen- te fabricados com mais freqüência que antigamente. Eletrodos celuló- sicos de baixa liga de classificação E7010, E8010 e E9010 são usa- dos na soldagem no campo. Projetos de junta Durante a soldagem de juntas em ângulo em aços de alta resis- tência temperados e revenidos, freqüentemente ocorrem trincas de canto ao longo dos cordões de solda (veja a Figura 10). A trinca de canto ocorre na zona termicamente afetada durante a contração do metal de solda porque este apresenta limites de escoamento e de re- sistência maiores que os do metal de base. A solução para esse pro- blema é usar um eletrodo que produza um metal de solda de escoa- mento e resistência menores e aumentar o tamanho da perna para atender aos requisitos de resistência mecânica da junta soldada. ELETRODOS REVESTIDOS OK 49 Figura 10 - Trinca de canto em junta em ângulo Com um metal de solda bem menos resistente, seu limite de es- coamento é atingido durante a contração do resfriamento, de modo que ele se deforma sem sobrecarregar a zona termicamente afetada do metal de base e não há formação de trincas. Parâmetros de soldagem A Tabela XI mostra os parâmetros de soldagem recomendados para a soldagem com eletrodos revestidos OK® para aços de baixa liga e suas respectivas taxas de deposição e eficiências de deposi- ção. ELETRODOS REVESTIDOS OK 50 Eletrodo AWS Diâmetro (mm) Corrente (A) Valor ótimo (A) Tx. dep. (kg/h) Ef. dep. (%) OK 22.46P OK 22.47P OK 22.48P OK 22.85P E7010-G E8010-G E9010-G E7010-A1 3,2 4,0 5,0 80 – 140 90 – 180 120 – 250 100 / 130 140 / 170 160 / 190 0,9 / 1,0 1,3 / 1,3 1,5 / 1,6 76 / 69 74 / 64 75 / 70 OK 73.03 OK 73.45 OK 74.55 OK 75.60 OK 75.75 OK 76.18 OK 76.28 E7018-W1 E8018-G E7018-A1 E9018-M E11018-G E8018-B2 E9018-B3 2,5 3,2 4,0 5,0 65 – 105 100 – 150 130 – 200 185 – 270 90 120 / 140 140 / 170 200 / 250 0,8 1,2 / 1,2 1,4 / 1,7 2,2 / 2,4 66 72 / 71 75 / 74 76 / 75 OK 74.75 OK 75.65 OK 78.15 E9018-D1 E10018-G E9018-G 3,2 4,0 5,0 100 – 150 130 – 200 185 – 270 120 / 140 140 / 170 200 / 250 1,2 / 1,2 1,4 / 1,7 2,2 / 2,4 72 / 71 75 / 74 76 / 75 OK 75.77 E12018-G 2,5 3,2 4,0 65 – 105 100 – 150 130 – 200 90 120 / 140 140 / 170 0,8 1,2 / 1,2 1,4 / 1,7 66 72 / 71 75 / 74 Tabela XI - Recomendações de parâmetros de soldagem para os eletrodos revestidos OK® para a soldagem de aços de baixa liga Tipos de corrente O eletrodo escolhido funcionará apenas com a fonte apropriada. A Tabela XII relaciona o tipo de corrente para o qual cada eletrodo foi desenvolvido. ELETRODOS REVESTIDOS OK 53 e número de produção. O local de armazenagem dos eletrodos em suas embalagens ori- ginais deverá ser adequadamente preparado para permitir a manu- tenção das suas propriedades. Dois aspectos deverão ser considerados e bem controlados: a temperatura e a umidade relativa do ar. As condições de armazenagem recomendadas para os eletrodos revestidos OK® podem ser observadas na Tabela XIII. Umidade relativa Temperatura Celulósicos 70% máx. +18°C a +50°C Demais tipos 50% máx. +18°C mín. Tabela XIII - Condições de armazenagem dos eletrodos revestidos OK® Identificação de eletrodos revestidos úmidos A sensibilidade dos eletrodos revestidos à umidade do ambiente, não sendo de pleno conhecimento dos usuários, implica na deteriora- ção do revestimento, e na conseqüente necessidade de se efetuar uma ressecagem sobre eletrodos úmidos. Durante a soldagem com eletrodos muito úmidos pode ser visto um vapor de condensação branco. Se a soldagem com um eletrodo úmido for interrompida, pode surgir uma trinca longitudinal no reves- timento, partindo da extremidade do arco. A forma ideal de analisar a umidade do revestimento de um ele- ELETRODOS REVESTIDOS OK 54 trodo é realizar sua verificação em laboratório; existem vários méto- dos, sendo mais difundido aquele preconizado na especificação AWS A5.1, onde, por exemplo, são ensaiados os eletrodos básicos de baixo hidrogênio a temperaturas da ordem de 1.000°C. Nos eletrodos que contêm componentes orgânicos os ensaios são realizados normalmente a temperaturas em torno de 100°C, sen- do conveniente, e mesmo necessário, um teor de umidade superior a 1%, tendo em vista a boa aplicabilidade do eletrodo. Nos celulósicos o teor de umidade adequado situa-se entre 3% e 7%. A ressecagem de eletrodos revestidos Os eletrodos celulósicos não são muito higroscópicos e, como admitem teores mais elevados de umidade, dificilmente acarretam formação de porosidades, razão pela qual raramente necessitam de ressecagem. É o caso dos eletrodos celulósicos, cuja ressecagem deve ser evitada. Os eletrodos básicos são os únicos que aceitam ressecagem em temperaturas mais elevadas, permitindo redução drástica no teor de umidade do revestimento devido à diminuição da água molecular de seus componentes sem prejuízo de suas propriedades. Alguns pontos importantes deverão ser considerados na resse- cagem de eletrodos básicos: não prolongar a ressecagem por tempo além do recomendado pelo fabricante do consumível; controlar adequadamente a temperatura / tempo de ressecagem; evitar ressecagem de grandes quantidades; guardar os eletrodos ressecados em estufas apropriadas; a ressecagem minimiza o hidrogênio proveniente da umidade do ELETRODOS REVESTIDOS OK 55 revestimento em eletrodos de baixo hidrogênio; sempre que possível, devem ser seguidas as recomendações do fabricante do consumível; ressecagem em fornos adequados, aplicável para eletrodos bási- cos, de altíssimo rendimento, rutílicos, para ferros fundidos e ino- xidáveis; para celulósicos, a ressecagem deve ser evitada; manutenção da ressecagem em estufas próprias. Hidrogênio difusível O teor de hidrogênio difusível é normalmente medido em um vo- lume do gás hidrogênio (em ml) nas condições normais de temperatu- ra e pressão para cada cem gramas (100 g) de metal depositado. Os teores de hidrogênio difusível para os diversos tipos de ele- trodos revestidos OK® podem ser vistos na Tabela XIV. Tipo de eletrodo Teor de hidrogênio difusível Celulósico acima de 30 ml/100 g Rutílico entre 15 e 30 ml/100 g Básico abaixo de 10 ml/100 g Tabela XIV - Teor de hidrogênio difusível dos eletrodos revestidos OK® O International Institute of Welding (IIW) classifica os teores de hidrogênio difusível nos diversos níveis exibidos na Tabela XV. ELETRODOS REVESTIDOS OK 58 Capítulo 5 Equipamentos Uma das razões para a grande aceitação do processo SMAW é a simplicidade do equipamento necessário. O equipamento de solda- gem consiste na fonte de energia, no porta-eletrodos (tenaz) e nos cabos e conexões (veja a Figura 11) Figura 11 - Circuito de soldagem para o processo com eletrodos revestidos ELETRODOS REVESTIDOS OK 59 Porta-eletrodos O porta-eletrodos (ou tenaz) conecta o cabo de solda e conduz a corrente de soldagem até o eletrodo. O punho isolado é usado para guiar o eletrodo sobre a junta de solda e alimentá-lo até a poça de fu- são à medida que ele é consumido. Porta-eletrodos estão disponíveis em diferentes tamanhos e seus preços dependem de sua capacidade de suportar a corrente de soldagem. Terminal terra O terminal terra é utilizado para conectar o cabo terra à peça. Pode ser conectado diretamente à peça ou à bancada ou dispositivo ao qual a peça está posicionada. Fazendo parte do circuito de solda- gem, o terminal terra deve ser capaz de suportar correntes de solda- gem sem superaquecer devido à resistência elétrica. Cabos de solda O cabo do eletrodo e o cabo terra são partes importantes do cir- cuito de soldagem. Eles devem ser muito flexíveis e ter um bom iso- lamento resistente ao calor. As conexões no porta-eletrodo, o terminal terra e os terminais da fonte de energia devem ser soldados ou bem prensados para assegurar baixa resistência elétrica. O diâmetro do cabo deve ser suficiente para conduzir a corrente elétrica com um mí- nimo de queda de tensão. O aumento no comprimento do cabo torna necessário o aumento em seu diâmetro para diminuir a resistência elétrica e a queda de tensão. A Tabela XVIII lista os diâmetros de ca- bo sugeridos para diversas correntes de soldagem e comprimentos de cabo. ELETRODOS REVESTIDOS OK 60 Comprimento total do cabo (m) ≤ 15 ≤ 30 ≤ 75 ≤ 150 Faixa de corrente de solda- gem (A) Cabo Queda de tensão Cabo Queda de tensão Cabo Queda de tensão Cabo Queda de tensão Queda de tensão para 20 a 180 #3 1,8 #2 2,9 #1 5,7 #0 9,1 180 A 30 a 250 #2 1,8 #1 2,5 #0 5,0 #0 9,9 200 A 60 a 375 #0 1,7 #0 3,0 #00 5,9 #000 9,3 300 A 80 a 500 #00 1,8 #000 2,5 #0000 5,0 #0000 9,9 400 A 100 a 600 #00 2,0 #0000 2,5 – – – 500 A Quedas de tensão não incluem quedas causadas por conexões, porta-eletrodos ou peça de trabalho deficientes Tabela XVIII - Queda de tensão nos cabos de solda em função das corren- tes de soldagem e dos comprimentos dos cabos Outros equipamentos As ferramentas de limpeza são a picadeira, a escova de aço, a escova rotativa, a lixadeira e a maquita. O equipamento de proteção individual consiste nas máscaras, nos óculos, no casaco, no avental, nas mangas, nas luvas, nas polai- nas e no gorro. Fontes de energia A soldagem com eletrodos revestidos pode empregar tanto cor- rente alternada (CA) quanto corrente contínua (CC), porém em qual- ELETRODOS REVESTIDOS OK 63 Combinações de fontes que produzam ambas CA e CC estão disponíveis e proporcionam a versatilidade necessária para selecionar a corrente de soldagem adequada para a aplicação. Quando se emprega uma fonte CC aparece a questão do uso da polaridade negativa ou positiva. Alguns eletrodos funcionam com CC+ e com CC-, e outros somente com CC+ ou somente com CC-. A cor- rente contínua flui numa direção no circuito elétrico, e esse fluxo uni- direcional e a composição do revestimento do eletrodo terão um efeito preciso no arco e no cordão de solda. A Figura 12 mostra as cone- xões e os efeitos das polaridades direta (CC-) e reversa (CC+). Figura 12 - Conexões e efeitos da corrente contínua O eletrodo no pólo negativo (CC-) produz soldas com menor pe- netração; no entanto, a taxa de fusão do eletrodo é alta. O cordão de solda é largo e raso como mostrado em A na Figura 12. Por sua vez, o eletrodo no pólo positivo produz soldas com maior penetração e um cordão de solda mais estreito como mostrado em B na Figura 12. Enquanto a polaridade afeta a penetração e a taxa de queima, o revestimento do eletrodo também apresenta forte influência nas ca- racterísticas do arco. ELETRODOS REVESTIDOS OK 64 Bibliografia The ESAB Filler Metal Technology Course – ESAB Welding and Cutting Products, 2000. Tecnologia da Soldagem – Paulo Villani Marques.