Todos direitos reservados. Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. Livro Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1a ed. 1997.

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Soldagem por arco Submerso

Características do processo

A soldagem por arco submerso, também conhecida por SAW (Submerged Are Welding) é um processo automático no qual o calor é fornecido por um arco desenvolvido entre um eletrodo de arame sólido ou tubular e a peça-obra. Tanto o metal de base quanto a poça de fusão ficam totalmente submersos em um fluxo granulado que garante a proteção contra os efeitos da atmosfera. 0 fluxo granulado funde-se parcialmente, formando uma camada de escória líquida, que depois é solidificada.

Além das funções de proteção e limpeza do arco e do metal depositado, o fluxo na forma granular funciona como um isolante térmico, garantindo uma excelente concentração de calor que caracteriza a alta penetração obtida por meiodoprocesso. Uma vezquefica completamente coberto pelo fluxo, o arco elétrico não é visível, e a solda se desenvolve sem faíscas, luminosidades ou respingos, que caracterizam os demais processos de soldagem em que o arco é aberto.

Aplicação

O processo de soldagem por arco submerso é utilizado em estaleiros, caldeirarias de médio e grande porte, mineradoras, siderúrgicas e fábricas de perfis e estruturas metálicas, principalmente nos trabalhos com aço-carbono, carbono-manganês, aços de baixa liga e aços inoxidáveis. Pode ser também empregado no revestimento e recuperação de peças desgastadas, com a deposição de substâncias anticorrosivas ou antidesgaste. O processo se presta à soldagem de chapas de espessura reduzida (1,5mm) sob alta velocidade, e de chapas de grande espessura, em que se verifica a alta produtividade alcançada pela possibilidade de uso de mais de um arame, de adição de pó metálico, da distância bico-peça elevada e outras variantes do processo.

vantagens

Uma das vantagens do processo de soldagem por arco submerso está no rendimento, pois, praticamente, não há perdas de material por projeções ou respingos. É possível também o uso de elevadas correntes de soldagem, de até 4000A, fato que, aliado às altas densidades de corrente (60 a 100A/mm²), oferece ao processo alta taxa de deposição, muitas vezes não encontradas em outros processos de soldagem. Estas características tornam o processo de soldagem por arco submerso um processo econômico e rápido em soldagem de produção. Em média, gasta-se com este processo cerca de um terço do tempo necessário para fazer o mesmo trabalho com eletrodos revestidos.

As soldas realizadas apresentam boa tenacidade e boa resistência ao impacto, além de excelente uniformidade e acabamento dos cordões de solda. Através de um perfeito ajustamento de fluxo, arame e parâmetros de soldagem, conseguem-se propriedades mecânicas iguais ou melhores que as do metal de base.

desvantagens

A maior limitação do processo de soldagem por arco submerso é o fato de permitir apenas a soldagem nas posições plana ou horizontal. Ainda assim, a soldagem na posição horizontal só é possível com a utilização de retentores de fluxo de soldagem; no caso de soldagem circunferencial, pode-se recorrer a sustentadores de fluxo.

Fundamentos do processo

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

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

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

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

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

Parâmetros de soldagem

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

corrente de soldagem

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

tensão

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

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

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

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

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

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

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

velocidade de soldagem

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

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

polaridade

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

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

diâmetro do arame De uma forma geral, mantendo-se todos os outros parâmetros constantes, uma diminuição no diâmetro do eletrodo acarretará uma maior penetração, cordões mais

altos e estreitos e uma maior taxa de deposição. Para um valor de corrente igual, a mudança para um diâmetro de arame maior permite uma melhor ligação de juntas mal ajustadas. Arames mais finos possibilitam melhor abertura e reignição do arco, principalmente quando se trabalha com corrente alternada.

stick-out

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

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

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

distribuição do fluxo

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

Consumíveis

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

fluxo

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

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

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

fluxo ativo

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

fluxo neutro

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

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

fluxo aglomerado

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

fluxo fundido

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

fluxo misturado

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

escolha do fluxo

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

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

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

arames-eletrodos

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

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

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

especificações

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

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

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

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

Equipamento

O equipamento básico para soldagem por arco submerso consiste de uma fonte de energia, uma tocha de soldagem, um alimentador de arame, um sistema de controle, um dispositivo para alimentação do fluxo, um par de cabos elétricos e uma garra de fixação do cabo à peça.

fonte de energia

Para a soldagem por arco submerso, a fonte de energia pode ser de corrente contínua ou alternada, corrente ou tensão constante e deve permitir trabalhos em altas amperagens com 100% de ciclo de trabalho.

As faixas mais usuais de trabalho estão entre 400 e 1500A, embora possa-se excepcionalmente trabalhar com correntes muito baixas (150A) ou muito altas (4000A). Os diferentes tipos de corrente fornecidos pelas fontes acarretam diferenças nos cordões de solda; assim, a corrente alternada (CA), permite melhor controle da forma do cordão, profundidade de diluição e velocidade de soldagem; esta forma da corrente é também a que possibilita a melhor abertura de arco.

A corrente contínua com eletrodo positivo (CC*), permite melhor penetração e controle do cordão. A corrente contínua com eletrodo negativo (CC”), é a forma que apresenta a maior taxa de deposição; consequentemente, apresentará menor penetração do que CC’ ou CA. É a forma ideal para revestimentos e soldagem de chapas finas.

tocha

A tocha de soldagem consiste de um bico de contato deslizante, de cobre e ligas, um sistema para fixação do cabo de saída da fonte e um suporte isolante. O bico de contato deve ser adequado para cada diâmetro de arame a ser utilizado.

O bico de contato é responsável pela energização do arame, e se o contato não for bem feito poderá comprometer a qualidade do cordão de solda. Apesar de raro, podem acontecer alguns respingos que danificarão o bico de contato. Deve-se sempre verificar a limpeza e o estado de conservação da tocha, principalmente em seu interior.

alimentador de arame

O conjunto alimentador de arame consiste de um suporte para a bobina de arame utilizada para soldagem, um motor de corrente contínua com controlador de velocidade e um conjunto de roletes que servem para fazer a alimentação e auxiliar o endireitamento do arame.

Uma vez que o mecanismo de deslocamento da tocha é completamente independente, seria impossível detectar uma falha na alimentação durante a soldagem porque o movimento da tocha prossegue e o arco encoberto impossibilita a visualização do defeito. Isto torna o conjunto alimentador de vital importância para a qualidade da soldagem.

A falha mais comum que pode ocorrer com o alimentador é o atrito na roldana onde a bobina de arame se apoia, tornando a velocidade de alimentação inferior à desejada.

recuperador de fluxo

Alguns equipamentos não apresentam o sistema de recuperação, que deve ser feito em separado. O alimentador de fluxo é composto por um recipiente porta-fluxo, mangueiras condutoras e um bocal de saída. Este bocal pode ter uma posição concêntrica em relação à tocha de soldagem ou estar colocado ligeiramente à frente dela.

Os sistemas para recuperação do fluxo são dispositivos que aspiram o fluxo fundido durante a operação de soldagem e o devolvem ao porta-fluxo ou a um recipiente de armazenamento.

Recomenda-se que o reaproveitamento não seja feito diretamente, e sim após a limpeza por meio de peneira para separar alguma impureza que eventualmente tenha sido aspirada junto. É possível também que estes dispositivos apresentem sistemas de aquecimento para manter o fluxo numa temperatura adequada, evitando assim problemas de umidade.

sistema de controle

O sistema de controle permite o ajuste dos diversos parâmetros de soldagem, como por exemplo: velocidade de alimentação do arame, velocidade de deslocamento da tocha ou da peça, conforme o caso, corrente e tensão de soldagem, etc. Estes vários controles podem estar em um único painel, ou espalhados pelos diversos elementos do sistema de soldagem. É a parte considerada como centro do equipamento de soldagem. Deve ser sempre manipulado com cuidado, especialmente quando transportado, devido ao grande número de componentes eletroeletrônicos que se encontram em seu interior.

cabos elétricos

Os cabos elétricos são chamados de cabo de soldagem quando transportam a corrente elétrica da fonte de energia ao porta-eletrodo e cabo de retorno, quando levam a corrente da peça de trabalho para a fonte de energia. Os cabos podem ser de cobre ou de alumínio e devem apresentar grande flexibilidade, de modo a facilitar o trabalho em locais de difícel acesso. É necessário que os cabos sejam cobertos por uma camada de material isolante e resistente à abrasão, à sujeira e a um ligeiro aquecimento que se deve à resistência e à passagem da corrente elétrica. Os diâmetros dos cabos dependem basicamente da corrente de soldagem, do ciclo de trabalho do equipamento e do comprimento total dos cabos do circuito.

cabeçote de soldagem

O cabeçote para soldagem mecanizada consiste de um carro acionado por um motor de corrente contínua, que suporta a tocha e permite a variação da velocidade. Este carro, conhecido por tartaruga, desloca-se em um trilho colocado sobre a peça ou um suporte no qual são montados o alimentador de arame, o alimentador de fluxo e a tocha de soldagem. Em alguns casos, o cabeçote pode ficar parado enquanto a peça é movimentada por posicionadores ou viradores, como por exemplo na soldagem de tubos.

Variantes do processo por arco submerso

O processo de soldagem por arco submerso admite diversas variantes, que têm por objetivo aumentar a produtividade e facilitar operações específicas. Algumas destas variações sào “twin are”, “tandem are”, eletrodo em fita e adição de pó de ferro.

“twin are”

A variante “twin are” trabalha com dois ou mais eletrodos, utilizando uma ou mais fontes de energia soldando simultaneamente.

O processo “twin are” fornece menor penetração, baixa diluição e alta taxa de deposição, e é utilizado para execução de revestimentos e soldagem de chanfros largos com mata-junta.

“tandem are”

A variante “tandem are” apresenta dois ou três eletrodos soldando em linha e simultaneamente. Cada um pode ter sua fonte de energia e controles em separado. Devido a problemas de efeito de campos magnéticos, os eletrodos movimentados possuem fontes de corrente alternada.

É muito comum que o eletrodo-guia trabalhe com CC⁺ para garantir melhor penetração e os demais eletrodos com CA, para garantir o enchimento e melhor acabamento do cordão.

Na variante com eletrodo em fita, o arame é eletrodo em fita substituído por uma fita metálica. A espessura da fita é normalmente de 0,5mm e a largura de 30 a 120mm. A diluição é muito baixa e os cordões de solda têm aproximadamente a largura da fita, o que faz com que o processo seja um dos melhores para revestimentos de grandes áreas.

Para trabalhar com eletrodo em fita, são necessárias apenas algumas alterações no equipamento de arco submerso normal.

adição de pó metálico

A soldagem por arco submerso com adição de pó metálico deposita antes do fluxo uma camada de pó, mais comumente pó de ferro, com a função de aumentar a taxa de deposição.

O princípio de funcionamento é semelhante ao utilizado no processo de soldagem com eletrodos revestidos em que se faz a adição de pó de ferro no revestimento, ou seja, o arco elétrico funde o arame, o metal de base e o pó, formando uma junta única.