UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

ANLISE E OTIMIZAO DE PARMETROS NA SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR

Autor: Lucilene de Oliveira Rodrigues Orientador: Prof. Dr. Sebastio Carlos da Costa

Itajub, Setembro de 2005

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

ANLISE E OTIMIZAO DE PARMETROS NA SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR

Autor: Lucilene de Oliveira Rodrigues Orientador: Prof. Dr. Sebastio Carlos da Costa Curso: Mestrado em Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Projeto e Fabricao Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Itajub, Setembro de 2005 M.G. Brasil

iii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

ANLISE E OTIMIZAO DE PARMETROS NA SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR

Autor: Lucilene de Oliveira Rodrigues Orientador: Prof. Dr. Sebastio Carlos da Costa

Composio da Banca Examinadora: Prof. Dr. Yokio Kobayashi UNESP Prof. Dr. Joo Roberto Ferreira - IEM/UNIFEI Prof. Dr. Sebastio Carlos da Costa - IEM/ UNIFEI

iv

DEDICATRIA

Dedico este trabalho aos meus pais,

Jos e Nevir, e a meus irmos,

Geovani e Silas.

v

Sonho e luta se convertem em realidade. Sonhe! Lute! Realize!

vi

AGRADECIMENTOS

Manifesto meus sinceros agradecimentos:

Primeiramente a Deus, pela fora e perseverana;

Aos meus pais, pelo incentivo na realizao de mais uma etapa da vida acadmica;

Ao professor Sebastio Carlos da Costa, pela valiosa orientao e amizade, a qual tornou possvel a realizao deste trabalho;

Aos funcionrios da oficina mecnica, pelo apoio e participao durante a fase de realizao dos ensaios;

Aos meus irmos que me acolheram e me ajudaram nas horas difceis;

Ao meu namorado que tornou as dificuldades mais suaves;

Ao amigo Anderson Paiva, pela valiosa ajuda estatstica;

s amigas Luciana, Enedina e Mayra, pela amizade, apoio e confiana;

Universidade Federal de Itajub, atravs do Instituto de Engenharia Mecnica, que mais uma vez tornou possvel minha realizao profissional.

vii

SUMRIO

Dedicatria iii

Agradecimentos iv

Sumrio v

Resumo viii

Abstract ix

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xii

Lista de smbolos

xiv

1. INTRODUO 2

1.1. Importncia do tema. 2

1.2. Objetivos. 2

1.3. Estrutura da dissertao. 3

2. REVISO BIBLIOGRFICA 5

2.1. Fundamentos do Processo de Soldagem FCAW. 5

2.2. Arames Tubulares. 6

2.3. Classificao de Arames Tubulares. 6

2.4. Soldagem Com Gs de Proteo (FCAW-G). 7

2.4.1. Gs de Proteo. 9

2.4.1.1. Mistura de gases. 11

2.5. Soldagem Sem Gs de Proteo (FCAW-S). 12

2.6. Taxa de Deposio no Processo FCAW. 13

2.7. Tipos de Transferncia Metlica. 14

2.7.1. Transferncia por curto-circuito. 15

2.7.2. Transferncia globular. 16

2.7.3. Transferncia por spray. 17

2.7.4. Transferncia por arco pulsado. 18

2.8. Hidrognio Difusvel. 19

2.9. Qualidade da Solda. 20

2.10. Caractersticas da Soldagem com Eletrodo Tubular. 21

2.10.1. Vantagens. 22

2.10.2. Limitaes. 22

viii

2.11. Variveis do Processo. 23

2.12. Delineamento de Experimento. 26

2.12.1. Estimativa do erro experimental. 27

2.12.2. Teste de significncia dos efeitos. 27

2.12.3. Metodologia da Superfcie de Resposta. 28

2.12.4 Otimizao das respostas. 29

2.13. Consideraes Finais

31

3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL 32

3.1. Banco de Ensaios e Montagem Experimental. 32

3.2. Fase Inicial Fatorial Fracionrio. 34

3.2.1. Definio dos fatores e respostas. 35

3.2.2. Preparao dos corpos de prova. 37

3.2.3. Determinao da seqncia de realizao dos ensaios. 38

3.2.4. Determinao das respostas. 39

3.3. Experimento Principal. 40

3.4. Modelamento e Otimizao do Processo. 40

4. RESULTADOS E DISCUSSES 42

4.1. Fase Inicial. 42

4.1.1. Resultados obtidos dos ensaios. 44

4.1.2. Anlise dos resultados. 47

4.2. Experimento Principal Fatorial Completo. 51

4.3. Modelamento e Otimizao. 53

4.3.1. Efeitos dos parmetros de entrada. 61

4.3.1.1. Efeitos dos parmetros na penetrao. 61

4.3.1.2. Efeitos dos parmetros na taxa de deposio. 63

4.3.1.3. Efeitos dos parmetros no rendimento. 65

4.3.1.4. Efeitos dos parmetros no ndice de convexidade. 67

4.3.1.5. Efeitos dos parmetros na diluio. 69

4.3.2. Otimizao geral do processo. 71

4.3.3. Confirmao dos resultados obtidos. 75

4.4 Consideraes finais.

76

77

ix

5. CONCLUSES E RECOMENDAES

5.1 Concluses gerais. 77

5.2 Recomendaes para trabalhos futuros. 78

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 79

x

RESUMO

Este trabalho tem por finalidade a anlise e otimizao de parmetros de soldagem do

processo com arame tubular (FCAW Flux Cored Arc Welding) sobre as caractersticas

geomtricas do cordo e de produo do cordo. As variveis do processo analisadas

inicialmente foram tenso, velocidade de alimentao do arame, distncia bico de contato

pea, tipo de gs de proteo, ngulo de inclinao da tocha e velocidade de soldagem. Como

caractersticas geomtricas foram avaliadas a penetrao, a convexidade do cordo e a

diluio e como caractersticas de produo a taxa de deposio e o rendimento da soldagem.

Para tal finalidade utilizou-se tcnicas estatsticas como ferramentas de anlise sendo, numa

primeira fase, empregado o planejamento fatorial fracionrio, para a seleo dos parmetros

mais influentes, e numa segunda fase, o fatorial completo, baseado nos parmetros mais

significativos da etapa anterior, seguido do modelamento e otimizao desses parmetros

associado a proposio de regies de adequao do processo para o conjunto de respostas.

Baseado nos resultados gerados percebeu-se que a velocidade de alimentao do arame foi

claramente significante no processo, seguida pela tenso e com menos intensidade pela

distncia bico de contato pea. A velocidade de soldagem foi, dentre os parmetros

analisados, o menos significativo.

Palavras chave: Experimento, tubular, modelos, otimizao.

xi

ABSTRACT

This work has the aim to analyse and optimise the influence of welding parameters on

the geometric characteristics and production of a weld bead applied in a Flux Cored Arc

Welding FCAW- process. The process parameters investigated were welding voltage, wire

feed rate, nozzle-to-plate distance, shielding gas, torch angle, and welding speed. As

responses the penetration, convexity weld bead index and dilution were evaluated as the main

geometric characteristics and the deposition rate and efficiency of the welding as production

characteristics of the process. For this purpose statistical techniques were used to design the

experiments runs and process the analysis. In the first phase, a Fractional Factorial was

designed to select the most significant parameters influencing the process and in the second

phase, a Full Factorial Design followed by a Response Surface Methodology in order to

delineate the mathematical models and the influence of the main parameters on the response

of the process. The results showed that wire feed rate had the most significant effect in the

responses, followed by the welding voltage and the nozzle-to-plate distance. The welding

speed was, among the parameters assessed, the least significative.

Keywords: Experiments, cored, models, optimization.

xii

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Soldagem com proteo gasosa. 7

Figura 2.2 Efeito do gs de proteo no perfil do cordo de solda com eletrodo

tubular, Bracarense (2000).

12

Figura 2.3 Soldagem sem gs de proteo. 12

Figura 2.4 Seo transversal de arames slidos e tubulares. 13

Figura 2.5 Taxas de deposio de arames tubulares e slidos. 14

Figura 2.6 Transferncia por curto-circuito. 15

Figura 2.7 Transferncia globular. 16

Figura 2.8 Transferncia por spray. 18

Figura 2.9 Esquema de uma onda pulsada. 19

Figura 2.10 Transferncia de gotas de arames slidos/tubulares, Arajo (2004) 21

Figura 2.11 Influncia da distncia bico de contato pea na corrente de soldagem. 24

Figura 2.12 Efeito da distncia bico de contato pea na corrente de soldagem e na

taxa de deposio.

25

Figura 2.13 ngulos de soldagem recomendados para juntas em ngulo e de

topo.

26

Figura 2.14 Exemplo de resultado da ferramenta Response Optimizer. 30

Figura 3.1 Banco de ensaios Laboratrio de soldagem-UNIFEI. 33

Figura 3.2 Definio de distncia bico de contato pea. 37

Figura 3.3 Representao da rea da seo transversal do cordo de solda. 39

Figura 4.1 Comparao dos oscilogramas de corrente utilizando gases

diferentes.

43

Figura 4.2 Cordes de solda obtidos no fatorial fracionrio. 43

Figura 4.3 Defeito superficial representado por uma porosidade alongada. 44

Figura 4.4 Efeitos principais no ndice de convexidade. 48

Figura 4.5 Perfis dos cordes da superfcie de resposta. 55

Figura 4.6 Efeitos dos parmetros principais na penetrao. 61

Figura 4.7 Superfcie de resposta para a interao VxVa para a penetrao. 62

Figura 4.8 Efeito da interao V*Va na penetrao, d=17,5 mm. 63

Figura 4.9 Efeitos dos parmetros principais na taxa de deposio. 64

Figura 4.10 Superfcie de resposta V*d para a taxa de deposio. 64

Figura 4.11 Efeito da interao V*d na taxa de deposio, Va=12m/min. 65

Figura 4.12 Efeitos dos parmetros principais no rendimento. 66

xiii

Figura 4.13 Superfcie de resposta para o rendimento. 66

Figura 4.14 Efeito da interao Va*d no rendimento, V=32,5 V. 67

Figura 4.15 Efeitos principais dos parmetros no ndice de convexidade. 68

Figura 4.16 Efeito da interao V*Va no ndice de convexidade, d=17,5mm. 68

Figura 4.17 Efeito da interao V*d no ndice de convexidade, Va=12m/min. 69

Figura 4.18 Efeito da interao Va*d no ndice de convexidade, V=32 V. 69

Figura 4.19 Efeitos principais dos parmetros na diluio. 70

Figura 4.20 Superfcie de resposta para a diluio. 70

Figura 4.21 Efeitos da interao V*Va na diluio, d=17,5mm. 71

Figura 4.22 Linhas de contorno das respostas combinadas, d=13,4mm. 74

Figura 4.23 Linhas de contorno das respostas combinadas, d=20mm. 74

xiv

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Parmetros de soldagem para arames rutlicos, Fortes (2004). 23

Tabela 2.2 Descrio das funes para modelos de primeira e segunda ordem. 28

Tabela 3.1 Composio qumica e propriedades mecnicas. 34

Tabela 3.2 Nveis operacionais para os testes iniciais. 36

Tabela 3.3 Planejamento Fatorial Fracionrio. 38

Tabela 4.1 Resultados obtidos no ensaio. 42

Tabela 4.2 Classificao para remoo de escria e qualidade superficial. 45

Tabela 4.3 Parmetros geomtricos dos cordes de solda. 46

Tabela 4.4 Respostas a serem analisadas. 46

Tabela 4.5 Anlise de significncia dos parmetros nas respostas. 47

Tabela 4.6 Faixas desejadas e previso das respostas. 49

Tabela 4.7 Soluo Global. 49

Tabela 4.8 Comparao da utilizao de diferentes gases. 50

Tabela 4.9 Comparao da variao das inclinaes positiva e negativa. 50

Tabela 4.10 Resultados Obtidos Fatorial Completo. 52

Tabela 4.11 Anlise significncia para as respostas analisadas. 52

Tabela 4.12 Parmetros de controle do processo e seus nveis. 53

Tabela 4.13 Matriz de experimentos e resultados obtidos. 54

Tabela 4.14 Coeficientes calculados atravs da anlise de regresso. 56

Tabela 4.15 Modelos matemticos completos. 57

Tabela 4.16 Adequao do modelo matemtico completo. 57

Tabela 4.17 Significncia dos coeficientes dos modelos completos. 58

Tabela 4.18 Valores de R2, R2 (ajustado) e erro padro para modelos completos. 58

Tabela 4.19 Coeficientes calculados para os modelos reduzidos. 59

Tabela 4.20 Modelos matemticos reduzidos em suas formas finais. 59

Tabela 4.21 Adequao dos modelos matemticos reduzidos. 60

Tabela 4.22 Valores de R2, R2 (adj) e erro padro para os modelos completo e

reduzido.

60

Tabela 4.23 Faixas de respostas pr-estabelecidas. 72

Tabela 4.24 Soluo global final. 72

Tabela 4.25 Resultado final da combinao tima de parmetros. 73

Tabela 4.26 Ensaios de confirmao para a regio encontrada. 75

Tabela 4.27 Resultados obtidos, esperados e erros dos ensaios de confirmao. 75

xv

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS

A ngulo de inclinao da tocha, []

b Largura do cordo, [mm]

D Diluio, [%]

d Distncia bico de contato pea, [mm]

DOE Design Of Experiment

dens Densidade, [g/cm3]

FCAW Flux Cored Arc Welding

H Aporte trmico, [W]

I Corrente de soldagem, [A]

IC ndice de convexidade, [%]

IP ndice de perdas, [%]

K,n Nmero de fatores

L Comprimento do eletrodo, [mm]

l Comprimento de arame fornecido, [mm]

MGAW Metal Gas Arc Welding

mf Massa do corpo de prova aps a soldagem, [g]

mi Massa inicial do corpo de prova, [g]

N Nmero total de repeties do experimento

OP Ordem padro

p Penetrao do cordo, [mm]

PC Ponto central

r Reforo do cordo, [mm]

Rendimento Sp rea de penetrao do cordo, [mm2]

Sr rea de reforo do cordo, [mm2]

St rea total do cordo, [mm2]

TD Taxa de deposio, [%]

V Tenso de soldagem, [V]

Va, Varame Velocidade de alimentao do arame, [m/min]

Vs Velocidade de soldagem, [cm/min]

Dimetro do eletrodo, [mm]

1

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 - Importncia do Tema

Hoje em dia, onde a competio no mercado cresce ano a ano e palavras como

qualidade e produtividade vm se tornando cada vez mais familiares no ramo empresarial, o

aprimoramento de produtos e processos produtivos tem sido cada vez mais importante para

manter empresas competitivas no mercado.

Como o aprimoramento dos processos produtivos tm sido muito investigados, a

soldagem tambm tem dado a sua contribuio. Este processo de fabricao tem recebido nos

ltimos anos grande interesse devido a sua versatilidade, sendo considerada atualmente o

mtodo mais importante de unio de metais na construo de peas e estruturas.

Os processos de soldagem, em algumas empresas, apresentam-se como gargalos de

produo, devido a pouca informao disponvel a respeito da influncia de seus parmetros

no comportamento dos cordes de solda.

Embora existam processos de soldagem de maior produtividade disponveis, tais como

arco submerso e processos robotizados, o arame tubular oferece ao usurio um processo mais

flexvel com aumentos reais em produtividade e qualidade, com um mnimo de capital

investido. Como nem sempre processos mais modernos esto ao alcance de todos, uma

pesquisa simplificada pode ter alto valor prtico e fazer com que pequenas mudanas dem

grandes lucros.

Estudos mostram que o processo de soldagem com arame tubular (FCAW- Flux Cored

Arc Welding) rene vrias das necessidades atuais com respeito a alta produtividade, boa

qualidade e baixo custo. Trata-se de um processo que consiste em alimentar continuamente o

arame para a poa de fuso, sendo este protegido pela decomposio dos ingredientes do

fluxo interno, no caso de eletrodos autoprotegidos, ou ainda, com a proteo do fluxo interno

e suplementada pela proteo de um fluxo de gs fornecido por uma fonte externa, no caso de

eletrodos protegidos. Neste ltimo caso, pode-se utilizar gases como CO2 puro ou misturas de

gases.

Os arames tubulares so mais caros que os arames slidos, no entanto, seu alto

potencial de capacidade produtividade e flexibilidade, garantiro retorno do capital investido,

em curto prazo. Uma outra vantagem da utilizao do arames tubulares a possibilidade de

2

reduo de riscos de defeitos de falta de fuso lateral, reduo de respingos, aumento da

penetrao e uma ocorrncia menor de porosidade, segundo estudos de Arajo (2004).

Uma anlise mais detalhada do que se quer produzir, pode ajudar os profissionais da

rea de soldagem a identificar onde a utilizao do eletrodo tubular mais vivel, trazendo

mais economia e melhorias na qualidade. Devido grande variedade da composio do fluxo

interno utilizado, tem-se uma ampla e favorvel aplicao a este tipo de arame.

No Brasil esta tcnica ainda no tem sido muito desenvolvida, reflexos do limitado

nmero de trabalhos tcnicos e cientficos sobre o processo com eletrodos tubulares

comparativamente ao processo MIG/MAG. Talvez isto justifica um certo receio em sua

implementao em indstrias brasileiras quando comparados aos eletrodos slidos, visto que a

migrao de um processo para outro, em se tratando de equipamentos, muito pequena.

Um mtodo cientfico, fundamentado na estatstica e que gradativamente vem sendo

utilizado com grande xito na elucidao de problemas no ramo industrial o Planejamento e

Anlise de Experimentos (DOE - Design Of Experiments). Esta tcnica estatstica permite

definir quais fatores, em que quantidades e em que condies devem ser coletados e

controlados durante um determinado experimento, buscando maior preciso estatstica na

resposta, com menor custo operacional. Essa ferramenta permite obter resultados mais

confiveis, com economia de tempo e dinheiro.

De posse de todos esses fatos, sendo a soldagem um processo industrial em potencial,

porm ainda com poucos dados sobre a influncia dos parmetros de ajuste no formato

geomtrico do cordo, este trabalho foi idealizado. A anlise mais detalhada dos parmetros

do processo, atravs de um software adequado, permite buscar melhores condies de ajuste,

otimizando assim suas respostas, sejam elas do ponto de vista geomtrico ou econmico.

Dessa forma, as possibilidades da utilizao desse processo industrial se tornam maiores,

verificadas a superioridade qualitativa e financeira do mesmo.

1.2 - Objetivos

Este trabalho teve como objetivo a anlise e otimizao dos parmetros de soldagem

sobre a qualidade e produtividade dos cordes de solda, em chapas de ao, utilizando no

processo de soldagem, o arame tubular. As variveis analisadas foram tenso, velocidade de

alimentao do arame, ngulo de inclinao da tocha, tipo de gs de proteo, distncia bico

de contato pea e velocidade de soldagem.

Para atender ao objetivo principal, o trabalho foi dividido em duas etapas. Na primeira

3

etapa, Planejamento Fatorial Fracionrio, foi analisada a influncia dos parmetros de entrada

no processo de soldagem. Aps analisados e selecionados os parmetros mais significativos

no processo, estes foram analisados mais detalhadamente numa segunda etapa, Planejamento

Fatorial Completo e em seguida otimizados em funo de um conjunto de respostas,

Metodologia da Superfcie de Resposta.

Como objetivos especficos, este trabalho teve o intuito de:

- Verificar de que forma os parmetros influenciam no processo;

- Verificar quais parmetros tem uma influncia mais significativa no processo;

- Verificar quais parmetros tem uma influncia menos significativa no processo;

- Modelar o processo de soldagem com eletrodo tubular em funo de um conjunto de

respostas especfico;

- Buscar uma regio de condies operacionais que otimizem as respostas analisadas;

- Validar a regio encontrada;

1.3 Estrutura da Dissertao

Com o intuito de facilitar a compreenso, o trabalho foi estruturado da seguinte forma:

Captulo 1 Introduo: Apresenta a importncia do tema, o objetivo que se quer alcanar, bem como as justificativas para escolha do tema e sua estruturao textual.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica: Aborda o processo e as caractersticas da soldagem com eletrodos tubulares, atravs de informaes encontradas em livros e

artigos pertinentes ao assunto, como tambm uma algumas descries sobre a

ferramenta utilizada, o Minitab.

Captulo 3 Metodologia experimental: Descreve-se a experimentao, mostrando o processo e as variveis a serem investigadas em cada fase, alm de definir a tcnica do

projeto e Anlise de Experimento utilizada, justificando o porqu desta utilizao

entre as diversas tcnicas existentes.

Captulo 4 Resultados e Discusses: Mostra os resultados obtidos e toda a anlise sobre os mesmos.

4

Captulo 5 Concluses: Expe as concluses finais do trabalho e recomendaes para trabalhos futuros.

5

CAPTULO 2

REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo far-se- consideraes a respeito da soldagem com eletrodos tubulares,

suas caractersticas, propriedades e avanos em pesquisas publicados em trabalhos e artigos

nacionais e internacionais. Tambm ser apresentado uma breve descrio de alguns recursos

do software Minitab utilizado no decorrer do trabalho. Atravs da reviso bibliogrfica, ser

possvel uma melhor definio do que realmente quer-se estudar, novos direcionamentos, bem

como diminuir o tempo e custo da realizao do trabalho.

2.1 - Fundamentos do Processo de Soldagem FCAW

FCAW (Flux Cored Arc welding) um processo de soldagem onde a coalescncia

entre metais obtida atravs de arco eltrico estabelecido entre a pea a ser soldada e um

eletrodo alimentado continuamente. A soldagem com arame tubular se assemelha ao processo

GMAW (Gas Metal Arc Welding) mais comumente conhecido como MIG/MAG, (Metal Inert

Gs/ Metal Active Gas) no que diz respeito aos equipamentos e princpios de funcionamento,

diferindo-se deste pelo fato de possuir um arame com formato tubular, possuindo em seu

interior um fluxo. Este fato lhe permite compartilhar o alto fator de trabalho e a alta taxa de

deposio caracterstica da soldagem GMAW. Por outro lado, atravs da soldagem FCAW

possvel obter a alta versatilidade da soldagem com eletrodos revestidos no ajuste de

composio qumica e facilidade de trabalho em campo (Arajo, 2004).

A proteo do arco neste processo feita pelo fluxo interno do arame (metlico ou no

metlico) podendo ser, ou no, complementada por um gs de proteo. De acordo com a

existncia ou no deste gs auxiliar de proteo, ele se classifica como dualshield - com

proteo gasosa, apropriado para produo de peas pequenas e soldagem de profunda

penetrao, ou innershield - sem a proteo gasosa, onde os ingredientes do fluxo

vaporizam e deslocam com o ar para os componentes da escria que cobrem a poa para

proteg-la durante a soldagem.

O fluxo interno do arame composto de materiais inorgnicos ou metlicos, que

possuem funes, tais como, melhoria das caractersticas do arco eltrico, da transferncia do

metal de solda, proteo poa de fuso e tambm em alguns casos, quando necessrio, a

adio de elementos de liga, alm de atuar como formador de escria. A escria formada por

6

este processo, alm de proteger a solda durante a solidificao, atua diretamente nas

propriedades mecnicas, do resultado final (Fortes et al, 2004).

2.2 Arames Tubulares

A variedade de elementos que podem ser usados no interior dos arames tubulares

grande, por isso a soldagem com este tipo de eletrodo se torna mais complexa. Mudanas para

adequao a alguma aplicao particular ou requisito especial so mais facilmente obtidas

com arames tubulares que com slidos, justamente devido a essa flexibilidade. Isso envolve

alteraes na formulao e no percentual do fluxo.

Baun et al (2000) relatam que no simples de entender as vrias reaes qumicas

que envolvem estes elementos no ambiente do arco e como cada elemento contribui para o

comportamento geral do fluxo com respeito ao desempenho do eletrodo, por exemplo, a

estabilidade da transferncia do metal, a viscosidade e destacabilidade da escria, as

propriedades mecnicas finais da soldagem. Portanto, cada composio de fluxo, pode gerar

um resultado final diferente.

2.3 - Classificao de Arames Tubulares

De acordo com Welding Handbook (1991), a norma AWS (American Welding

Society) A5.20-69 classifica os arames tanto autoprotegidos como os que utilizam gs de

proteo, seguindo o padro geral utilizado para classificao, porm algumas mudanas so

necessrias para acomodar a composio natural do eletrodo.

Por exemplo: Eletrodo E71T-1:

O prefixo E, indica que a soldagem com arco eltrico, como nos demais sistemas de

classificao.

O nmero 7 indica o limite de resistncia mnimo em 70000 psi.

O nmero 1 indica que a soldagem pode ser feita em todas as posies (no caso de ser

o nmero 0, indicado para soldagem nas posies plana e horizontal).

A letra T indica que o eletrodo tubular.

E finalmente, o nmero 1, indica caractersticas da composio qumica do metal

depositado, tipo de corrente, polaridade de operao entre outras informaes.

7

2.4 - Soldagem Com Gs de Proteo (FCAW-G)

Os processos de soldagem com gs de proteo, Figura 2.1, so amplamente

utilizados na soldagem de aos de baixo carbono e de baixa liga, produzindo altas taxas de

deposio e eficincia. Podem ser soldados em todas as posies e a uma grande variedade de

juntas.

Este processo existe em duas verses: com fluxo no metlico e com fluxo metlico.

Figura 2.1 - Soldagem com proteo gasosa.

Quando o fluxo no metlico (flux cored wires), os elementos do fluxo so

formadores de escria e estabilizadores do arco. Eles tm a funo secundria de proteger e

purificar o metal de solda. Os elementos no metlicos tambm ajudam a reduzir o nmero de

respingos e controlar as caractersticas de fuso do eletrodo.

A soldagem com eletrodos tubulares com gs de proteo, pode ser dividida em trs

tipos, de acordo com a formao da escria. Eles se dividem em: rutlico, bsico e metlico.

Soldagem com eletrodos rutlicos possuem excelente soldabilidade. Segundo

Widgery et al (1994), eles proporcionam um arco mais estvel numa extensa gama de

correntes, bom formato da gota e ainda pode ser utilizado para a soldagem em todas as

posies. A capacidade de soldar em todas as posies conseguida atravs da composio da

escria, que comea a se solidificar a temperaturas altas o bastante para promover o apoio

poa de fuso. Esses arames tubulares possuem timos recursos operacionais, com baixo nvel

de respingos, e suas propriedades mecnicas so boas e atendem ou excedem as

especificaes AWS. Um modo de transferncia mais comum o spray. Outra caracterstica

8

importante, a fcil destacabilidade da escria.

Atravs do rutilo que uma forma do dixido de titnio, permitiu-se controlar o ponto

de fuso e a viscosidade da escria, de tal modo que fosse possvel fabricar eletrodos com

escria consistente para a soldagem na posio vertical, ou escrias fluidas para a soldagem

em altas velocidades na posio plana.

O dixido de titnio um componente estvel que contribui com pouco oxignio para

a solda, porm favorece a transferncia globular devido fluidez.

Para uma transferncia por spray estvel, devemos manter baixa a energia superficial

das gotculas bem finas. Para isso, deve-se permitir alguma oxidao da superfcie das

gotculas, e ento os componentes bsicos inibem a transferncia do oxignio da escria

enquanto os componentes cidos favorecem a transferncia do oxignio.

Para o fluxo rutlico, elementos de liga com ponto de fuso mais baixo, so

necessrios para abaixar o ponto de fuso do rutilo, j que para este, o ponto de fuso

aproximadamente 1800 C.

Os eletrodos E71T-1 para soldagem em todas as posies, contm ingredientes do

fluxo que produzem uma escria de rpida solidificao, e a fluidez adequada da poa de

fuso para a soldagem fora de posio. A tenso do arco e a corrente de soldagem podem ser

altas, devido ao suporte dado pela escria, conseguindo assim altas taxas de deposio. Como

temos uma alta penetrao, a espessura mnima para esse processo de 4 mm na posio

vertical e 6 mm na posio plana e horizontal.

Como caractersticas principais destes arames, temos:

- Gs de proteo: CO2 ou a mistura de Ar + CO2;

- Dimetros disponveis: 1,2 e 1,6 mm;

- Metal de solda com boa qualidade com baixo nvel de hidrognio difusvel;

- Cordo com aparncia suave e regular, com baixo nvel de respingos;

- Facilidade de remoo da escria;

- Altas taxas de deposio em todas as posies com a transferncia por spray;

- Ideal para juntas de topo com abertura na raiz e com auxlio de cobre-juntas cermicos.

Soldagem com eletrodos bsicos tem como resultado solda com excelente

ductibilidade e tenacidade. Seu modo de transferncia mais globular e sua soldabilidade no

to boa, quando comparada com o eletrodo rutlico, gerando tambm uma quantidade maior

de respingos e um cordo mais convexo. So empregados quando propriedades mecnicas e

baixo nvel de depsito de hidrognio so requeridos. At mesmo, com dimetros pequenos

no so usados fora de posio, devido s baixas correntes de soldagem e ao modo de

9

transferncia globular que necessita do efeito da gravidade para completar sua transferncia.

A escria formada pelo eletrodo bsico no d o suporte poa de fuso, conseguido com o

eletrodo rutlico, relata French et al (1995). Se soubermos a composio do eletrodo bsico,

podemos saber previamente a composio da escria, ou seja, teremos o ndice de basicidade

da escria. Com este ndice temos uma medida aproximada da capacidade de oxidao do

fluxo, ou seja, este ndice usado para caracterizar um fluxo, com respeito s suas

propriedades fsicas e qumicas. Porm, foi comprovado por Baun et al (2000), que a

basicidade melhor expressa, de acordo com a quantidade de oxignio do metal de solda.

A escria proveniente do processo de soldagem, segundo Fortes (2004), tem

caractersticas importantes, tais como, moldar e suportar o metal de solda ou ajud-lo a

molhar o metal de base, ou seja, a capacidade de se misturar parcela do metal de base

fundido, aumentando assim, a diluio. Nos arames tubulares com fluxo no metlicos, os

componentes estabilizadores do arco, devem ser selecionados para que seus resduos no

prejudiquem a formao de escria.

Quando o fluxo metlico (metal cored wires), de acordo com estudos de Baun et al

(2000), seus elementos tm a funo de unir o metal de solda juntamente com os elementos

contidos no interior do eletrodo, para aumentar a fora do material depositado e tambm para

desoxid-lo. Quando aplicados em peas com boa qualidade de limpeza, produzem muito

pouca escria vtrea, similar dos arames slidos (Arajo, 2004).

Os componentes do fluxo determinam a soldabilidade do arame e as propriedades

mecnicas do metal de solda, ou seja, a seleo correta do eletrodo influencia diretamente na

qualidade final da solda.

Esta breve descrio das caractersticas dos arames tubulares ilustra que, enquanto o

arame rutlico oferece alta facilidade de execuo, podendo soldar em todas as posies,

porm para a soldagem com baixa responsabilidade, o arame bsico e o metal cored

oferecem potenciais vantagens em termos de propriedades mecnicas, nvel de hidrognio

difusvel, taxa de deposio e eficincia.

2.4.1 - Gs de Proteo

O incio das pesquisas sobre os gases de proteo se deu na Segunda Guerra Mundial.

Durante os ltimos 50 anos, a indstria de gs industrial deu contribuies significativas

indstria de soldagem, pela produo e purificao de gases diferentes, como tambm

misturas de gases. Tudo se iniciou com o processo GTAW, onde os gases hlio e argnio, que

10

eram as principais opes de gases que se tinha na poca, tinham limitaes de capacidade

industrial.

Com o desenvolvimento de diferentes misturas e a variedade de fabricantes, a AWS

(American Welding Society) percebeu a necessidade de padronizar os gases de proteo.

Ento, em 1997, foi produzido a norma AWS A5.32/A5.32M-97, Especificao de Gs de

Proteo para Soldagem, o qual estabelece especificaes para a pureza e umidade de

componentes crus, como por exemplo, argnio, gs carbnico, oxignio e hlio. O padro

tambm estabelece tolerncia para as misturas de componentes e mtodos para testar e

registrar estas especificaes. Isto proporcionou para o usurio, uma maior segurana em

adquirir o que realmente est reivindicando, de acordo com suas necessidades especficas.

A principal funo do gs de proteo manter o nitrognio, o oxignio e hidrognio

fora da atmosfera da poa de fuso. Estes elementos podem acarretar formao de xidos e,

em menores propores, nitretos. O que resulta em soldas deficientes, com reteno de

escria, porosidades e fragilizaes do cordo. Por isso, certas precaues devem ser tomadas

para excluir esses gases nocivos da regio de fuso, o que pode ser conseguido atravs dos

gases de proteo.

As caractersticas do arco, a transferncia do metal, penetrao, largura, forma e

propriedades mecnicas do cordo, velocidade mxima de soldagem, tendncia ao

aparecimento de mordeduras e custo da soldagem tambm so influenciados pelo gs de

proteo.

Gases inertes como argnio e hlio, so utilizados, principalmente na soldagem de no

ferrosos, particularmente os mais reativos como alumnio e magnsio. Ser um gs inerte

significa, no oxidar e no ter nenhum efeito na composio qumica do metal de solda.

Destes dois gases, o argnio o mais utilizado por propiciar um arco mais estvel. Dillenbeck

& Castagno (1987) mostram que, dentre todos os gases de proteo, o argnio, alm de ser o

mais disponvel no mercado, tem demonstrado ser um excelente gs devido ao seu baixo

potencial de ionizao. Porm, quando utilizados em chapas de ao, o baixo potencial de

ionizao do argnio causa uma reduo de tenso, criando assim, baixa energia no arco, que

resulta em menores nveis de penetrao e aparecimento de mordeduras.

Um dos gases mais utilizados tanto para GMAW e FCAW o CO2. Quando aquecido

a altas temperaturas, parte do CO2 se dissocia, formando o monxido de carbono (CO) que

mais estvel que o CO2, o que implica num efeito oxidante forte, que quando comparado com

o hlio e argnio, tem uma maior penetrao de parede lateral e velocidades de soldagens

mais altas, gerando um arco rico em energia, segundo Baun (2000).

11

O gs CO2 normalmente citado como um gs ativo, visto que ele no quimicamente

inerte. o gs mais econmico, mas possui algumas desvantagens quando comparado a

misturas ricas em argnio, como por exemplo, maior quantidade de respingos. Em se tratando

de vantagens tem-se o baixo custo, o baixo calor irradiado, a razo profundidade / largura do

cordo superior e o menor nvel de hidrognio difusvel no metal de solda.

2.4.1.1 - Mistura de gases

O uso de misturas de gases na soldagem com arames tubulares, podem combinar as

vantagens separadas de dois ou mais gases. O aumento de gs inerte aumenta a eficincia de

transferncia dos desoxidantes que esto no fluxo do arame. Por outro lado, a penetrao ser

reduzida. Por exemplo, o argnio capaz de proteger a poa de fuso em todas as

temperaturas de soldagem. Sua presena em quantidade suficiente resulta na diminuio da

oxidao comparativamente a proteo com CO2 (100%).

A mistura mais empregada tanto para arames tubulares quanto para arames slidos a

Ar + (15-25)% CO2. Apesar dessa mistura ser mais cara, apresenta vantagens, que

dependendo da aplicao viabiliza sua utilizao. Dentre as principais vantagens destacam-se

a quantidade reduzida de respingos por ter um arco mais suave, menor gerao de fumos,

acabamento e perfil do cordo superior, utilizao de maiores velocidades de soldagem,

penetrao consistente e mais favorvel, principalmente para arames tubulares. Na soldagem

com 75%Ar-25%CO2, utilizando mesma corrente e mesmo comprimento de arco energizado

do eletrodo, os eletrodos tubulares bsicos tendem a apresentar uma taxa de deposio

superior, cerca de 2 a 17%, e o metal cored uma taxa de deposio inferior, cerca de 2 a

11%, quando comparado com eletrodos macios de ao carbono do mesmo dimetro. Nestas

mesmas condies, quando comparados eletrodos macios e tubulares rutlicos, estes tendem

a apresentar valores muito prximos para a taxa de deposio (Starling et al, 2004).

A Figura 2.2 mostra os efeitos na geometria do cordo, quando so utilizados gases e

misturas diferentes de gases. Pode-se observar que a mudana do gs de proteo afeta

sensivelmente as caractersticas geomtricas do cordo de solda, confirmando estudos

realizados por Sales (2001), onde o foco foi uma mudana de CO2 puro para uma mistura de

CO2 + Ar.

12

Figura 2.2 Efeito do gs de proteo no perfil do cordo de solda com eletrodo tubular,

Bracarense (2000).

2.5 - Soldagem Sem Gs de Proteo (FCAW-S)

A soldagem sem gs de proteo ou soldagem com eletrodo autoprotegido, Figura

2.3, muito popular, por no requerer equipamento para gs de proteo, o que resulta numa

maior facilidade de operao.

Uma grande variedade de fluxo para esse tipo de eletrodo tem sido desenvolvida, j

que pode-se obter respostas mais adequadas com uma formulao de fluxo mais adequada, e

como resultado, tem-se nesta rea de fabricao, um grande interesse em pesquisas,

acrescentam Widgery & Pixley (1988).

Um dos maiores problemas desse processo a porosidade no metal de solda. Desde

que no h nenhuma proteo atmosfrica externa, nem um fluxo de solda que protege

eficazmente a rea de soldagem, este pode facilmente ser contaminado pelo ar. Assim, a

sensibilidade aos poros aumenta e muito difcil de se controlar.

Figura 2.3 - Soldagem sem gs de proteo.

13

Os efeitos metalrgicos e os parmetros de soldagem so os principais focos de

pesquisa para a soluo deste problema. Vrios modelos e avaliaes matemticas e

termodinmicas de susceptibilidade aos poros, tambm foram apresentados para esclarecer

melhor o mecanismo de formao desses defeitos estudados por Bosworth (1991). De acordo

com estudos realizados por Mckeown (1989), o nitrognio tipicamente considerado fator

determinante para a formao de poros em soldagens com eletrodo autoprotegido, porm

outras pesquisas mostram que s com a reduo do nitrognio contido no metal de solda no

pode-se controlar eficazmente a porosidade. Segundo Xiong et al (2002), o oxignio tambm

tem sua parcela de contribuio formao de porosidade. Reduzindo o potencial de oxignio

e nitrognio na atmosfera de soldagem, como tambm o oxignio e o nitrognio contido no

metal de solda, pode-se reduzir a quantidade de poros produzidos no cordo. A adio de

alumnio tambm pode diminuir sensivelmente a produo de poros, pois ele tem forte

habilidade de reduzir a quantidade de nitrognio no metal de solda.

2.6 - Taxa de Deposio no Processo FCAW

A taxa de deposio um dos fatores importantes na soldagem com eletrodos

tubulares. Como a taxa de deposio est diretamente relacionada economia do processo,

esta vendo sendo amplamente estudada.

Na soldagem com eletrodo tubular metlico a corrente conduzida parcialmente pelo

ncleo, j no caso de eletrodos com fluxo no metlico toda a corrente conduzida pelo

invlucro tubular metlico. Em contrapartida, em arames slidos, a corrente conduzida por

toda a seo transversal. Pode-se observar, Figura 2.4, a diferena das sees transversais dos

eletrodos com fluxo metlicos e no metlicos e tambm do arame slido.

Figura 2.4 Seo transversal de arames slidos e tubulares.

As altas taxas de deposio alcanadas, foram mostradas por Widgery (1994),

Arame slido Arame tubular com Fluxo Metlico

Arame Tubular com Fluxo No-Metlico

14

utilizando o eletrodo rutlico E71T-1, metal cored e arame slido, todos com dimetro de

1,2 mm, como mostra a Figura 2.5. De acordo com o autor, medida que se trabalha com

uma corrente de soldagem maior em equipamentos com fonte convencional de energia, as

taxas de deposio com arames tubulares, incluindo o metal cored, aumentam. Observou-se

tambm que as menores taxas de deposio obtidas foram com a utilizao do eletrodo slido.

Resultados similares tambm foram citados por Jones (1982), utilizando diferentes dimetros

e tipos de eletrodos tubulares.

Figura 2.5 - Taxas de deposio de arames tubulares e slidos, Widgery (1994).

2.7 - Tipos de Transferncia Metlica

Segundo Modenesi (2000), diversos aspectos operacionais de soldagem so

influenciados pela forma a qual o metal fundido transfere-se do eletrodo para a poa de fuso,

em particular, a capacidade da soldagem em vrias posies, o formato do cordo, o nvel de

respingos e fumos, como tambm a estabilidade e o desempenho operacional do processo.

Os modos de transferncias metlicas dependem dos ajustes das variveis

operacionais, tais como: corrente, tenso, polaridade, dimetro e composio do eletrodo

utilizado, gs de proteo, comprimento energizado do eletrodo, do modo como as foras

atuantes no processo interagem, entre outros. Eles so divididas em transferncia por curto

circuito, globular e spray.

No processo FCAW, a forma de transferncia do metal depende particularmente do

15

fluxo interno do arame. De acordo com Norrish (1992), arames com fluxo interno metlico e

que contm muito poucos adies no metlicas, metal cored, se comportam de forma

semelhante aos arames slidos.

A transferncia por curto-circuito requer correntes mdias e baixas, enquanto a

transferncia globular e spray necessitam de correntes relativamente altas para que ocorram.

2.7.1 - Transferncia por curto-circuito

Neste modo de transferncia, uma grande gota formada na extremidade do eletrodo e

transferida no momento em que esta toca o metal-base, conforme Figura 2.6. Isso ocorrer,

para correntes geralmente menores que 200A que pode variar em funo do dimetro do

eletrodo e dos parmetros escolhidos.

Devido sua baixa corrente, por ser caracterizado por um arco frio, este tipo de

transferncia ideal para chapas finas, passes de raiz em juntas com abertura e especialmente

para a soldagem fora de posio em peas de pequena espessura. Quando utilizado para

chapas com espessuras maiores que 6 mm, ocorre falta de fuso lateral devido ao baixo aporte

trmico. Arames rutlicos tm desempenho inferior neste tipo de transferncia (Fortes, 2004).

Na transferncia por curto-circuito, a corrente mdia e as taxas de deposio podem

ser limitadas empregando-se fontes de soldagem que permitam ao metal de solda ser

transferido atravs do arco somente durante os intervalos de curtos-circuitos controlados

ocorrendo a taxas um pouco maiores do que cinqenta por segundo. A aplicao de uma

maior indutncia a soluo usual para variar o aumento de corrente de tal maneira que as

erupes que ocorrem imediatamente aps o curto-circuito no causem respingos excessivos.

Figura 2.6 - Transferncia por curto-circuito.

16

2.7.2 - Transferncia globular Neste modo de transferncia, uma grande gota se acumula na extremidade do eletrodo,

e esta transferida pelo efeito da gravidade, devido ao seu grande volume, como pode ser

observado na Figura 2.7. Nem sempre as gotas sero direcionadas para a poa de fuso de

forma regular e por isso haver uma quantidade maior de respingos no impacto com o metal

de base ou com a poa de fuso.

Ocorre geralmente, para correntes maiores que 200A, dependendo do dimetro do

eletrodo. Segundo Norrish (1992), arames tubulares bsicos operam normalmente com o

modo de transferncia globular no axial a correntes elevadas e com a transferncia por curto

circuito para correntes menores. J para arames auto-protegidos, as transferncias por curto

circuito e globular repulsiva so tpicas, sendo que a tendncia dessa ltima pode ser reduzida

atravs da formulao adequada do fluxo.

De acordo com os estudos de Starling et al (2004), para valores de corrente prximos a

160A, a soldagem com arame rutlico com CO2 puro e uma mistura de 75%Ar-25%CO2,

resulta em uma transferncia globular, com alguns curtos quando utilizada a mistura, com a

formao de uma coluna de fluxo projetada em direo poa de fuso. Para esta corrente, o

tamanho mdio das gotas de metal de solda e a freqncia do destacamento das mesmas so

prximos na soldagem com os dois gases citados. Porm, quando utilizada a mistura

associada a baixas correntes, a coluna de fluxo parece tocar a poa de fuso, antes de se

quebrar e de transferir para a mesma.

Figura 2.7 - Transferncia globular.

17

2.7.3 - Transferncia por spray

Neste modo de transferncia, pequenas gotas so transferidas em forma de uma chuva

de gotculas em queda livre, conforme Figura 2.8. A proteo de argnio ou mistura deste,

necessria para proteger o arco, sendo esse modo de transferncia caracterizado pela quase

ausncia de respingos.

Pode-se ter dois tipos de transferncia por spray, que esto diretamente ligadas aos

gases. Quando se trata de soldagem com gs de proteo, e este for o argnio ou uma mistura

deste com oxignio, as gotas so muito finas e no causam curto-circuito do arco. Porm,

quando se utiliza o dixido de carbono ou uma mistura deste com argnio, a tendncia de

formar uma gota na extremidade do arame que pode crescer at provocar um curto-circuito,

caracterizando assim um modo de transferncia chamado falso spray ou quase globular

(Fortes, 2004). Segundo Norrish (1992), parte do fluxo forma uma camada de escria na

superfcie da gota, onde uma parte desta se decompe formando gases de proteo e o restante

transferido para a poa de fuso, produzindo uma camada de escria.

Estudos realizados por Bracarense et al (2000), que estudaram a transferncia do metal

na soldagem com eletrodo rutlico com proteo de 75%Ar-25%CO2, mostraram que o fluxo

forma uma coluna que toca a poa de fuso e que se quebra imediatamente antes da

transferncia da gota do metal fundido. Sendo que esta sustenta a gota, retardando a sua

transferncia para a poa de fuso, permitindo assim seu crescimento.

Segundo Starling (2004), na soldagem com eletrodos rutlicos com a proteo de uma

mistura de 75%Ar-25%CO2, para correntes de 236 A, o tamanho da gota observado foi similar

ao dimetro do eletrodo, porm, para correntes de 275 A, o tamanho da gota continuou similar

ao dimetro do eletrodo, entretanto com uma freqncia de transferncia das gotas maior.

Notou-se tambm, que pela ao da coluna do fluxo, a gota metlica se deformou, no tendo

mais um formato tipicamente circular. Para esta corrente a transferncia ainda foi do tipo

globular e a coluna do fluxo pareceu estar dificultando a transio para a transferncia por

spray.

18

Figura 2.8 - Transferncia por spray.

2.7.4 - Transferncia por arco pulsado O modo de transferncia por spray aquele que oferece maior estabilidade dentre os

demais, porm necessrio um nvel alto de corrente, o que inviabiliza sua utilizao para a

soldagem de chapas finas, devido a seu grande aporte de calor. Durante os ltimos anos este

modo de transferncia tem sido largamente desenvolvido, para assegurar a soldagem com a

transferncia por spray, a um nvel de corrente mdio, confirmam Pixley & Mckeown (1988).

No modo pulsado, que utiliza uma corrente mdia, decorrente de uma corrente de pico e uma

de base e tambm o tempo de permanncia da corrente nestes valores, Figura 2.9.

Durante o tempo na corrente de base, o arco mantido aberto, porm no h

transferncia de metal, o que ocorre somente durante o tempo de pico. Ou seja, a soldagem

ocorre a uma alta corrente, com uma corrente mdia que permanece baixa ao longo do

processo, o que viabiliza a utilizao deste modo de transferncia na soldagem de chapas finas

ou ainda, em todas as posies de soldagem.

Pesquisas envolvendo a utilizao do modo pulsado tm sido divulgadas

recentemente, e via de regra, se concentram na anlise da influncia dos parmetros de pulso

na geometria do cordo e produtividade da solda (Oliveira, 2005; Saito, 2001).

19

Figura 2.9 - Esquema de uma onda pulsada.

2.8 - Hidrognio Difusvel

O hidrognio no metal de solda considerado como um dos mais graves problemas,

pois o agente responsvel por trincas a frio. Segundo Arajo (2004), na maioria dos casos,

as trincas induzidas pelo hidrognio podem ocorrer at 48 horas aps a soldagem e

dificilmente podero ser reparadas. Por isso, muito importante avaliar as formas de controlar

o teor de hidrognio no metal de solda no processo de soldagem com arame tubular.

Existe um consenso com relao as principais fontes de hidrognio em cordes

depositados com arames tubulares. Estas fontes, relatadas por Monteiro (1999) so: umidade e

compostos hidrogenados presentes no fluxo, presena de resduos lubrificantes na superfcie

do arame, condies atmosfricas durante a soldagem e teor de umidade no gs de proteo.

Baseando-se em pesquisas anteriores, a quantidade de hidrognio difusvel encontrada no

metal de solda relativamente alta se comparando, por exemplo, com soldas depositadas com

eletrodo revestido e com o arame slido.

No caso de eletrodos revestidos rutlicos, estes no podem ser utilizados para soldas de

alta responsabilidade porque, pela natureza de seu revestimento, possuem componentes que

contm gua, porm so essenciais a um desempenho satisfatrio (French et al, 1995).

Segundo Monteiro (1999), quanto maior a corrente, maior o teor de hidrognio

difusvel no metal de solda depositado com arame tubular. Dependendo dos parmetros de

soldagem e, particularmente, da corrente, pode ocorrer incidncia direta do fluxo interno do

arame sobre a poa de fuso. Esta situao pode ser responsvel pelo aumento do teor de

hidrognio difusvel no metal de solda com o aumento da corrente.

Alguns eletrodos autoprotegidos tm sido desenvolvidos especificamente para

20

soldagem de aos com revestimento de zinco e aos ligados ao alumnio, muito comuns na

indstria automobilstica. Normalmente, o processo com eletrodo auto-protegido usado para

trabalhos em campo, porque eles permitem correntes de ar maiores.

Monteiro (1999) tambm informa que a quantidade de hidrognio difusvel contido na

solda com o eletrodo E71T-1, aumenta quase que linearmente com o aumento da corrente. E

mostra tambm que essa quantidade aumenta com o tempo de exposio do eletrodo

atmosfera. Porm, eletrodos bsicos tm maior resistncia ao aumento da quantidade de

hidrognio difusvel, quando exposto ao tempo. Devido a esse fato, o armazenamento correto

dos eletrodos de grande importncia ao processo.

No se deve esquecer que no caso de arames tubulares rutlicos, o teor de hidrognio

difusvel fortemente dependente do processo de fabricao e da formulao do fluxo, de

modo que os fluxos so desenvolvidos para atingirem baixos nveis de hidrognio difusvel,

completa Fortes (2004).

2.9 - Qualidade da Solda

Uma diferena essencial entre os arames slidos e os arames tubulares para soldagem

com gs de proteo o modo de transferncia do metal de solda em uma soldagem ao arco

aberto.

Trabalhos realizados por Fortes (2004) e Arajo (2004), relatam que arames slidos,

que utilizam uma mistura Ar + CO2 para a soldagem ao arco aberto, produzem um arco

pequeno e uma transferncia de metal muito estreita. As gotas atravessam o arco ao longo de

uma linha de centro, uma aps outra a uma alta freqncia. Por isso, as gotas penetram na

poa de fuso dentro de uma rea de projeo relativamente pequena. Portanto, toda a energia

contida nas gotas fica concentrada nessa pequena rea.

Arames tubulares possuem um arco mais largo, portanto as gotas espalham-se e criam

uma rea de projeo maior, distribuindo a energia de soldagem de forma mais uniforme. O

arco mais largo dos arames tubulares produz uma poa de fuso calma e plana que forma um

cordo de solda de aspecto liso e com boa molhabilidade. Essas diferenas tm um efeito

significativo na qualidade do metal de solda.

Na soldagem com arames slidos, a penetrao estreita e pequena, num formato

dediforme, finger, por isso h uma maior risco de defeitos por falta de fuso. Um pequeno

desalinhamento da tocha pode causar uma falta de fuso lateral para uma junta em ngulo. Na

soldagem com arames tubulares, a penetrao tem uma forma mais rasa, porm mais larga,

21

possibilitando uma tolerncia muito maior para desalinhamentos da tocha, com isso, reduz os

riscos de defeitos de falta de fuso. Esse efeito ainda mais evidente quando utilizado o

CO2 como gs de proteo, pois o CO2 tem uma condutibilidade trmica maior, fazendo com

que a energia trmica do arco se espalhe sobre uma rea maior, favorecendo uma penetrao

na forma circular (Arajo, 2004). Na Figura 2.10, essa diferena geomtrica do cordo foi

evidenciada.

Monteiro (1999), tambm evidencia que uma outra vantagem da soldagem com

arames tubulares a quantidade reduzida de respingos, a qual pode ser facilmente verificada

na soldagem com arame rutlico.

Figura 2.10 Transferncia de gotas de arames slidos/tubulares, Arajo (2004).

2.10 - Caractersticas da Soldagem com Eletrodo Tubular

Como todo processo, a soldagem com eletrodos tubulares tem suas vantagens e

limitaes. Para sua aplicao, estas devem ser analisadas, juntamente com os resultados

prticos, para que ento, esta se torne ou no conveniente.

22

2.10.1 - Vantagens

Os benefcios da soldagem com arames tubulares esto relacionados a trs

caractersticas gerais:

- Produtividade relacionada utilizao de arames contnuos;

- Benefcios metalrgicos provenientes do fluxo interno do arame:

- Auxlio da escria na forma e aspecto do cordo de solda.

Mais detalhadamente:

- Alta qualidade do metal depositado;

- tima aparncia da solda (solda uniforme);

- Excelente contorno em soldas de ngulo;

- Solda vrios tipos de aos e em grandes faixas de espessuras;

- Fcil operao devido alta facilidade de mecanizao;

- Alta taxa de deposio devido a alta densidade de corrente;

- Relativamente alta eficincia de deposio;

- Economiza engenharia para projeto de juntas;

- Arco visvel;

- Requer menor limpeza do que no GMAW;

- Distoro reduzida sobre o SMAW;

- Uso de eletrodos autoprotegidos elimina a necessidade do uso de aparelhos de gs alm de

ser mais tolerante para condies ao ar livre;

- Alta tolerncia com relao a contaminantes que podem originar trincas;

- Resistente a trincas do cordo;

- Alta produtividade.

2.10.2 - Limitaes

Como limitaes do processo tem-se:

- Limitado soldagem de metais ferrosos e liga a base de nquel;

- Necessidade de remoo de escria;

- O arame tubular mais caro na base de peso do que o arame de eletrodo slido, entretanto, a

medida que aumentam os elementos de ligas esta relao diminui;

- O equipamento mais caro se comparado ao utilizado para soldagem pelo processo SMAW,

23

mas a alta produtividade compensa;

- Restrio da soldagem ao ar livre (somente para soldagem FCAW com gs de proteo);

- O alimentador de arame e a fonte de energia devem estar prximos ao local de trabalho;

- So gerados mais fumos do que os processos GMAW e SAW.

2.11 Variveis do Processo

Muitas variveis interferem nas caractersticas do cordo de solda, como por exemplo, a tenso, a velocidade de soldagem, a velocidade de alimentao do arame, a distncia bico de

contado pea, a inclinao da tocha, como tambm a proteo gasosa.

A tenso um parmetro importante, pois afeta tanto o modo de transferncia

metlica quanto geometria do cordo. A tenso tem uma influncia direta no comprimento

do arco que controla o perfil do cordo, a profundidade da penetrao e a quantidade de

respingos. Quando a tenso do arco diminui, a penetrao aumenta. Quando a tenso aumenta,

o comprimento do arco tambm aumenta, aumentando assim, a probabilidade de ocorrncia

de porosidade e de mordeduras.

Existe uma faixa de tenso (corrente) aplicvel para cada dimetro de arame tubular,

que fornece uma determinada taxa de deposio. Na ocasio da escolha do arame tubular,

necessrio fazer uma avaliao da faixa de corrente que ser aplicada, dependendo da

espessura do material a ser soldado. A Tabela 2.1 mostra taxas de deposio obtidas com

arames tubulares em funo da corrente, tenso.

Tabela 2.1 Parmetros de soldagem para arames rutlicos, Fortes (2004).

Dimetro Corrente Tenso Taxa de deposio (mm) (A) (V) (kg/h)

150 28 1,90 210 29 2,85 250 30 3,85 290 33 4,85

1,2

330 34 5,75

A velocidade de soldagem influencia na energia de soldagem, ou seja, na quantidade

de calor cedido pea, como tambm na penetrao. Uma velocidade de soldagem muito

baixa gera grandes aportes trmicos, podendo o material sofrer mudanas no desejadas em

suas microestruturas. Quando se trata de soldagem com arames tubulares com fluxo no

24

metlico, baixas velocidades de soldagem dificultam o controle da escria que pode passar a

frente da poa de fuso e gerar incluses de escria (Arajo, 2004). Em trabalhos realizados

por Lee et al (1998), foram utilizadas velocidades de soldagem de at 42 cm/min.

A velocidade de alimentao do arame governa o fluxo de corrente, ou seja, quanto

maior for a velocidade de alimentao, maior ser a corrente fornecida pela fonte de modo a

fundir o arame alimentado poa de fuso. Wainer (1992) mostra uma relao direta entre

velocidade de alimentao do arame e corrente, juntamente com uma relao inversa ao

cumprimento do arco. Para valores muito altos de velocidades de alimentao do arame, tem-

se altas correntes, o que pode implicar em mordeduras. Baixas velocidades de alimentao do

arame podem gerar uma solda com falta de penetrao, falta de fuso e formato irregular do

cordo. Variaes inesperadas ou controladas de forma inadequada da velocidade de

alimentao do arame so causas freqentes de instabilidade do processo de soldagem.

A distncia bico de contato pea tambm um parmetro importante. Como pode ser

visto na Figura 2.11, o grfico a) mostra valores adequados de tenso, corrente e distncia

bico de contato pea, o que nos d uma potncia disponvel (V1I1 + R1I12) para fundir o

eletrodo. Se aumenta-se a distncia bico de contato pea, aumenta-se a tenso (grfico b),

ento, a energia passar para VI + (R2I)2, ou seja, a corrente diminui, e por conseqncia, a

energia e a velocidade de fuso tambm diminuem.

Figura 2.11 Influncia da distncia bico de contato pea na corrente de soldagem.

25

Quando a distncia bico de contato pea muito grande pode-se ter uma deficincia na

ao do gs de proteo. Para uma taxa de alimentao de arame fixa, qualquer aumento nesta

distncia, tem o efeito de reduzir a corrente fornecida pela fonte. Se a velocidade de

alimentao do arame aumentada para compensar a queda de corrente resultar em um

significativo aumento na taxa de deposio do metal de solda, Figura 2.12.

Figura 2.12 - Efeito da distncia bico de contato pea na corrente e na taxa de deposio,

Houdcroft (1988).

Casos de soldas executadas em locais de difcil acesso ou em casos de chanfros

estreitos, pode-se utilizar um bico de contato protuberante em relao ao bocal, tomando-se o

devido cuidado com a ao do gs de proteo.

A inclinao da tocha, ou o ngulo entre o eixo do arame e a linha da junta,

interferem no controle da escria e no perfil do depsito. O ngulo recomendado para juntas

em ngulo e de topo est entre 60 e 70, na utilizao na tcnica puxando, ou seja, o arame

apontando para o cordo j formado, Figura 2.13. Nesta tcnica, a fora do arco faz com que

a escria no passe frente da poa de fuso, reduzindo assim o risco da escria ficar presa.

Neste caso temos maior penetrao, menos respingos, cordo mais estreito e mais convexo e

um arco mais estvel. Quando se utiliza a tcnica empurrando, temos caractersticas tais

como: menor penetrao, mais respingos, cordo mais plano e mais largo, menor visibilidade

para o soldador. Esta tcnica empregada quando grandes valores de penetrao no so

requeridos. Quando utiliza-se ngulo neutro tem-se caractersticas intermedirias aos dois

casos citados anteriormente.

26

Figura 2.13 ngulos de soldagem recomendados para juntas em ngulo e de topo.

2.12 Delineamento de Experimento

No ambiente industrial, em especial no desenvolvimento de novos produtos e

processos, necessria em determinadas ocasies, a obteno de informaes a respeito do

comportamento de um determinado fenmeno de forma emprica. Devido a isso, a

importncia de se fazer uso de mtodos cientficos se tornou imprescindvel. Assim, muitas

vezes torna-se necessrio planejar detalhadamente a realizao de um determinado

experimento de forma a obter um maior nmero de informaes a seu respeito. Alm de

minimizar custos operacionais, tal atitude dar a garantia de que os resultados obtidos

contero dados relevantes para a soluo a ser almejada. Desta maneira, podem ser

desenvolvidos produtos com melhores caractersticas, ocorrer reduo tanto do tempo de

desenvolvimento quanto da sensibilidade desses produtos frente s variaes de condies

ambientais, alm de aumentar a produtividade de processos. Tendo isto em vista, o Projeto e

Anlise de Experimentos vem como resposta esse tipo de situao, propondo uma tcnica

que visa particularmente dois grandes objetivos: a maior preciso estatstica na anlise das

respostas com o menor custo operacional possvel.

A essncia de um bom planejamento fundamenta-se essencialmente na capacidade de

se projetar um experimento de maneira que ele fornea o tipo de informao desejado. Para

isto, necessrio que se tenha uma idia clara do objetivo do estudo e saber qual a melhor maneira de se coletar os dados, alm do modo como estes sero avaliados.

Segundo Montgomery (1984) para que um Projeto de Experimentos seja bem

sucedido, algumas etapas devem ser seguidas. So elas:

- Conhecimento e exposio do problema;

27

- Escolha dos parmetros e nveis;

- Seleo da(s) resposta(s);

- Escolha do projeto de experimentos

- Realizao do experimento;

- Anlise dos resultados;

- Concluses e recomendaes.

2.12.1 Estimativa do erro experimental

Para a determinao do erro experimental existem diversas tcnicas estatsticas. Para

experimentos que utilizam a replicagem, normalmente por possurem pequenos nmeros de

parmetros ou mesmo facilidade em se coletar os dados, existem tcnicas especificas para o

clculo desses erros. Outros experimentos, por motivos financeiros ou tcnicos, so

impedidos de serem repetidos e por isso no utilizam a tcnica da replicagem. Para estes

casos, outras tcnicas podem ser teis para o clculo do erro experimental, como por exemplo,

desconsiderar efeitos de interao de ordem superior, utilizando-se assim, essas interaes no

consideradas no clculo desse erro.

O erro experimental pode ser facilmente verificado atravs da replicagem dos pontos

centrais, que so tambm utilizados para verificar a linearidade dos resultados obtidos.

2.12.2 Teste de significncia dos efeitos

Em se tratando de anlise de significncia dos parmetros, esta pode ser realizada

baseada no Pvalue de cada parmetro estudado. Utilizando um nvel de significncia de 5%,

quando tem-se o Pvalue menor que 0,05, pode-se dizer que este parmetro significativo, ou

seja, exerce influncia no processo. O Pvalue gerado pelo software Minitab.

Quando se estudam muitas variveis ao mesmo tempo, juntamente com mais de uma

resposta, a anlise de qual parmetro mais influente fica um pouco confusa, pois um

parmetro o mais significativo para uma resposta, porm no to significativo para outra.

Essa dificuldade pode ser resolvida atravs de um recurso interno do Minitab, que faz uma

anlise de significncia de cada fator nas respostas de interesse, obtendo assim uma concluso

mais segura. Este recurso, a anlise estatstica multivariada, ajuda a entender a base da

estrutura de dados e/ou formar um nmero menor de variveis no correlacionadas, como por

exemplo, para evitar a multicolinearidade na regresso. Atravs da anlise estatstica

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multivariada, pode-se analisar a estrutura de covarincia dos dados com a finalidade de

entendimento ou de reduzir a dimenso dos dados. Para isso, o caminho utilizado a seleo

do item Principal Components, seleo do grupo de respostas a ser analisado, depois faz-se

o grfico de pareto com as colunas geradas pelo passo anterior. A partir da, procede-se a

anlise dos resultados. Tem-se como resultado, um valor de eigenvalue e proportion,

atravs dos quais se pode verificar a porcentagem de participao de cada parmetro no

conjunto de resposta proposto. Pode-se utilizar para esta verificao somente os valores de

proporo para eigenvalues maiores que 1, pois assim j se tem um resultado adequado,

visto que estes significam a maioria proporcional.

Para cada grupo de resposta de interesse, tem-se um resultado diferente das variveis

mais influentes. Com essa anlise tem-se a influncia das variveis no processo em

porcentagem de participao, para um conjunto especfico de respostas.

Quando se trabalha com experimentos utilizando pontos centrais, podemos estimar o

erro experimental atravs deste e ainda analis-lo para verificar se a regio que se est

trabalhando est prxima ou no da regio de timo para cada resposta. Esta anlise tambm

feita atravs do Pvalue, agora dos pontos centrais, utilizando o mesmo nvel de significncia de

5%.

2.12.3 Metodologia da Superfcie de Resposta

A Metodologia da Superfcie de Resposta (RSM Response Surface Methodology) foi introduzida por Box na dcada de 50 e tem obtido grande sucesso na sua utilizao em

diversos processos industriais (Neto et al, 1995). Esta ferramenta permite avaliar como as

respostas so afetadas quando as variveis de entrada so ajustadas fora da regio de interesse,

saber quais variveis de entrada quando combinadas afetam a resposta e tambm saber quais

valores destas variveis tero a resposta desejada (maximizada ou minimizada) e qual a

superfcie de resposta mais prxima deste timo.

Esta tcnica matemtica e estatstica utilizada para a anlise e modelamento de

problemas onde a reposta de interesse influenciada por vrios parmetros e o objetivo

otimizar esta resposta. Para isto so geralmente utilizados polinmios de primeira e segunda

ordem, Tabela 2.2.

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Tabela 2.2 Descrio das funes para modelos de primeira e segunda ordem.

ORDEM FUNO

Primeira Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3

Segunda Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b11x12+ b22x22 + b33x32 + b12x1x2+ b13x1x3 + b23x2x3

Atravs da anlise de varincia, pode-se analisar estatisticamente se o modelo

matemtico adequado ou no, e tambm a significncia dos coeficientes. A adequao

determinada atravs do teste de hiptese, ou seja, da distribuio de F em um determinado

nvel de significncia, geralmente utilizado 5%. O valor do Pvalue mostra a probabilidade de

erro ao aceitar a hiptese.

O software Minitab permite obter os valores de R2, que indicam qual a porcentagem

efetivamente explicada pelo modelo matemtico. Aps obter os modelos completos, pode-se

analisar a necessidade ou no de obter um modelo reduzido. Isto feito atravs da anlise dos

Pvalue da regresso, ou seja, se o valor do Pvalue da regresso for menor que 0,05, podemos

dizer que o modelo adequado e no necessrio obter o modelo reduzido. Caso o Pvalue seja

maior que 0,05, o modelo no significativo e ento h a necessidade de obter o modelo

reduzido atravs da eliminao de fatores e interaes no significativas de cada resposta. Os

valores de R2 do modelo reduzido sero maiores e o erro padro ser menor quando

comparado com o modelo completo.

Na metodologia da superfcie de resposta tem-se o design quadrtico, mais conhecido

como CCD, Central Composite Design. Este formado por trs grupos de elementos

experimentais: um fatorial completo, um nmero de pontos centrais (center point) e um

nmero de pontos estrela (star points), o que permite a estimativa da curvatura do modelo.

Para a sua formao, so utilizados os nveis especificados pelo experimentador (+1 e 1), o

valor do ponto central (0) e os valores extremos calculados pelo software Minitab (+2 e 2).

Nesta etapa pode-se observar que alguns experimentos da fase anterior podem ser

aproveitados, facilitando ainda mais sua execuo.

2.12.4 Otimizao das respostas

Para a otimizao de respostas, um recurso utilizado o Response Optimizer.

Atravs dele pode-se simular vrias combinaes de parmetros e suas respectivas respostas

como tambm, obter a combinao ideal de parmetros que resulta numa condio satisfatria

30

geral. Para isso, se define uma faixa aceitvel para cada resposta e seus respectivos pesos e

importncia, atravs da qual ser realizada a anlise e finalmente processados os resultados.

Este recurso fornece inicialmente a melhor combinao de parmetros que otimiza

todas as respostas simultaneamente. A Figura 2.14, mostra um exemplo de resultado para

uma combinao ideal de parmetros. O valor de d, o valor da desejabilidade (o que se

deseja obter, baseado na faixa peso e importncia citados anteriormente) individual de cada

resposta e D o valor das desejabilidades combinadas de todas as respostas. Quanto mais

prximo do valor 1 estiver o valor das desejabilidades melhor, ou seja, quanto mais

prxima de 1 estiver as desejabilidades individuais, mais prximos de 1 estar o valor de D,

assim todas as respostas estaro muito prximas do timo especificado nas faixas aceitveis.

Este recurso tambm possibilita simular vrias combinaes de parmetros e suas

respectivas respostas, podendo assim, obter um resultado combinado satisfatrio a uma

aplicao especfica. Pode-se trabalhar com uma combinao no ideal, porm, que seja mais

vivel do ponto de vista produtivo e financeiro, e ainda sim se obter resultados satisfatrios. O

interessante dessa ferramenta que se pode prever o resultado final de cada combinao, sem

perda de tempo e dinheiro.

Figura 2.14 Exemplo de resultado da ferramenta Response Optimizer.

Quando no se quer trabalhar com uma nica combinao de parmetros e sim com

uma regio onde se pode obter vrias combinaes de respostas que possa atender os

31

objetivos especficos de forma satisfatria, um recurso utilizado o Overlaid Contour Plot.

Este baseado no Contour Plot, que fornece as linhas de contorno para cada resposta

estudada. As linhas de contorno representam em duas dimenses, a relao funcional entre a

resposta e os fatores. Pontos que tem a mesma resposta esto unidos para produzir linhas de

contorno de uma resposta constante. O Overlaid Contour Plot, fornece um grfico onde

identificada uma rea comum, a todas as respostas, baseada nas faixas desejadas pr-

determinadas, atravs da qual se obtm maior flexibilidade para as combinaes de

parmetros, de acordo com as necessidades estabelecidas para cada aplicao. Essa

flexibilidade permite uma anlise financeira, por exemplo, para identificar qual a combinao

dentro dessa interseco de reas mais vivel economicamente.

2.13 Consideraes Finais

A reviso bibliogrfica realizada sobre a soldagem com eletrodos tubulares foi de

suma importncia para a realizao deste trabalho, pois atravs dela foi possvel verificar a

verdadeira necessidade de informaes a respeito deste processo, como tambm obter

informaes iniciais para a elaborao dos ensaios. Apesar do baixo nvel de informaes

encontrado, foi possvel fazer uma triagem para que se pudesse trabalhar numa faixa mais

adequada de alguns parmetros referentes ao processo.

Aps ter a idia da faixa de cada parmetro e seu comportamento, o prximo passo foi

fazer uma anlise minuciosa do que se queria estudar. Definido o foco principal do trabalho,

analisar a influncia de cada parmetros num conjunto de respostas especfico, foi necessrio

verificar qual ferramenta seria mais eficiente para obter resultados confiveis com o menor

tempo e custo possvel. Realizada esta verificao, optou-se pelo delineamento de

experimento, utilizando planejamentos fatoriais fracionrios, fatoriais completos e a

metodologia da superfcie de resposta para posterior modelamento e otimizao dos

parmetros estudados.

32

CAPTULO 3

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Neste captulo apresenta-se os equipamentos, materiais e metodologia para anlise da

combinao ideal de parmetros para a soldagem com arames tubulares e seus resultados que

viabilizem ou no sua utilizao.

Como o objetivo do trabalho foi fazer um mapeamento de parmetros, estes foram

descritos de forma detalhada, desde os testes preliminares at o experimento principal, ou

seja, a cada passo do experimento foram detalhados o porqu da utilizao de cada grupo de

parmetros utilizados.

A parte experimental