eletrodos revestidos

eletrodos revestidos

INTRODUÇÃO

A soldagem a arco com eletrodos revestidos (Shieded Metal Arc Welding - SMAW) é um processo que produz a coalescência entre metais pelo aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico revestido e a peça que está sendo soldada. O eletrodo revestido consiste de uma vareta metálica, chamada “alma”, trefilada ou fundida, que conduz a corrente elétrica e fornece metal de adição para o enchimento da junta, recoberta por uma camada formada pela mistura de diferentes materiais, que formam o “revestimento” do eletrodo. Este revestimento tem diversas funções na soldagem, destacando-se:

  • Estabilizar o arco;

  • Ajustar a composição química do cordão, pela adição de elementos de liga;

  • Proteger a poça de fusão e o metal de solda contra a contaminação pela atmosfera, através da geração de gases e de uma camada de escória, resultantes da queima e/ou decomposição dos seus constituintes.

  • Conferir características operacionais, mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo e à solda.

A possibilidade de inúmeras formulações para o revestimento explica a principal característica deste processo, que é a sua grande versatilidade em termos de ligas soldáveis, operacionalidade e características mecânicas e metalúrgicas do metal depositado. O custo relativamente baixo e a simplicidade do equipamento necessário, comparados com os outros processos e a possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou abertos, sujeitos à ação de ventos, são outras características importantes.

A soldagem com eletrodos revestidos apresentam, quando comparada a outros processos, como principal limitação uma baixa produtividade, tanto em termos de taxa de deposição (entre 1,5 e 5 kg/h para eletrodos de aço carbono, por exemplo), como em termos de fator de ocupação do soldador (porcentagem total do tempo de soldagem gasto efetivamente na realização da solda), em geral inferior a 40%. Outras limitações são a necessidade de um treinamento especifico para o soldador, uma necessidade de cuidados especiais com os eletrodos (principalmente com os do tipo básico) e o grande volume de gases e fumos gerados na soldagem, que na maioria das vezes podem ser prejudiciais à saúde.

Entretanto, este é hoje o principal processo de soldagem a arco em utilização, embora sua importância relativa tenha decrescido nos últimos anos, particularmente nos países mais desenvolvidos.

Processo

Brasil

Europa

Peru

EUA

Austrália

Eletrodo Revestido

72

37

89

37

42

MIG / MAG

18

50

4

36

28

Arco Submerso

9

10

4

9

8

Arame Tubular

1

3

3

18

22

Este tipo de soldagem é usado na fabricação e montagem de diferentes equipamentos e estruturas, tanto em oficina como no campo, sendo particularmente interessante neste último caso. O processo é usado basicamente como uma operação manual, sendo muitas vezes chamado simplesmente de soldagem manual. Somente uma variação “mecanizada” do processo, a soldagem por gravidade, é mais utilizada, principalmente em estaleiros.

A soldagem manual pode ser usada em grande número de materiais, como aços carbono, aços de baixa, média e alta liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, cobre, níquel e ligas destes.

Metal de baixo ponto de fusão como o chumbo, estanho e zinco e metais refratários ou muito reativos, como o titânio, zircônico, molibdênio e nióbio não soldáveis por este processo. Diferentes combinações de metais dissimilares podem ser soldadas com os eletrodos revestidos. O processo é usado freqüentemente para espessuras entre 3 e 40 mm.

Forma de Soldagem

Espessura (mm)

Um passe, sem preparação.

1,0 a 3,2

Um passe, com preparação.

3,2 a 6,4

Vários passes.

> 3,2

Filete – passo único.

1,6 a 7,0

Equipamentos:

Os equipamentos utilizados para a soldagem com eletrodos revestidos são; fonte de energia, cabos, porta-eletrodos, ferramentas (picadeiras, escovas de aço, etc.) e materiais de segurança (máscaras, óculos, avental, etc.).

Neste tipo de soldagem, o comprimento do arco é controlado manualmente pelo soldador, podendo sofrer variações no seu comprimento durante a execução do cordão de solda. Por isso, são utilizadas fontes com características do tipo “corrente constante”.Neste tipo de fonte, a corrente de soldagem fornecida pela máquina é aproximadamente constante, sofrendo muito pouca influencia de variações no comprimento do arco. Mesmo quando ocorre um curto-circuito (eletrodo tocando a peça), o valor da corrente sobe até o valor relativamente baixo, suportável pela máquina durante um pequeno intervalo de tempo.

Quanto ao tipo de corrente, as fontes podem fornecer corrente contínua (CC) ou alternada (CA) ou ambas. Na soldagem com corrente alternada existe uma tendência maior à instabilidade do arco elétrico, devido à mudança periódica da polaridade e à queda momentânea do valor da corrente a valores próximos de zero, o que torna este tipo de corrente inadequada para a soldagem com certos tipos de eletrodos revestidos. Além disso, a abertura e manutenção do arco são mais difíceis com este tipo de corrente, particularmente para eletrodos de pequeno diâmetro, que são utilizados com menores corrente possíveis de soldagem. Por outro lado, as perdas nos cabos, desde que não estejam enrolados, e a tendência ao aparecimento de sopro magnético é menor para maiores valores de corrente. Diversos fatores devem ser considerados na seleção de uma fonte de energia para a soldagem elétrica.

Destes, pode-se destacar:

  • Tipo de corrente a ser utilizada;

  • Faixa de corrente necessária;

  • Posições de soldagem a serem usadas;

  • Potência disponível na rede de alimentação

Porta- eletrodos: tem a função de prender o eletrodo e energizá-lo. Seu cabo devem ser bem isolado para se minimizar o risco de choque elétrico para o soldador, enquanto suas garras devem estar sempre limpas e em boas condições, para evitar problemas de superaquecimento.

Cabos: têm a função de conduzi a corrente elétrica da fonte à porta-eletrodos (cabo de soldagem) e da peça à fonte (cabo de retorno). Podem ser de cobre ou alumínio. Três fatores devem ser considerados na escolha dos cabos para uma data aplicação:

- corrente de soldagem;

- ciclo de trabalho da máquina;

- comprimento total dos cabos do circuito;

A utilização de cabos de bitolas inadequadas, isto é, cabos muitos finos para uma data aplicação, cabos danificados ou a utilização de conexões deficientes ou sujas, podem causar superaquecimento, perdas de energia elétrica, variações na qualidade da soda e até mesmo a ruptura de cabos e conexões. Existem algumas variações do processo de soldagem com eletrodos revestidos, mas a mais comum é a soldagem por gravidade. Esta a variação permite a execução de soldas de filete de uma forma mecanizada, através da utilização de um suporte especial, no qual o eletrodo desliza, à medida que o eletrodo vai sendo consumido.

Consumíveis

Um eletrodo revestido é constituído por uma vareta metálica, com diâmetro entre 1,5 e 8 mm e o seu comprimento está entre 23 e 45cm, recoberta por uma camada de fluxo (revestimento). A composição do revestimento determina as características operacionais dos eletrodos e influencia a composição química e propriedades mecânicas da solda efetuada. Além dessas funções, o revestimento serve ainda para:

  • Realizar ou possibilitar reações de refino metalúrgico (desoxidação, dessulfuração, etc.);

  • Formar uma camada de escória protetora;

  • Facilitar a remoção de escória e controlar suas propriedades físicas e químicas;

  • Facilitar a soldagem nas diversas posições;

  • Dissolver óxidos e contaminações na superfície da junta;

  • Reduzir o nível de respingos e fumos;

  • Diminuir a velocidade de resfriamento da solda;

  • Possibilitar o uso de diferentes tipos de corrente e polaridade;

  • Aumentar a taxa de deposição;

Um Eletrodo Ideal seria aquele que cumprisse plenamente todas as funções acima citadas, a um custo de produção satisfatório, e não apresentasse problemas de conservação e manuseio. Existe no mercado um grande número de tipos de eletrodos, apresentando diferentes características operacionais, aplicáveis a diferentes materiais e que produzem soldas com diferentes características. As classificações mais usadas no Brasil são as propostas pela AWS.

Especificação

Tipos de Eletrodo

AWS A 5.1

Eletrodos revestidos de aço doce.

AWS A 5.4

Eletrodos revestidos de aço ao Cr e ao Cr-Ni, resistentes à corrosão.

AWS A 5.5

Eletrodos revestidos de baixa liga.

AWS A 5.6

Eletrodos revestidos de cobre e ligas de cobre.

AWS A 5.11

Eletrodos revestidos de níquel e ligas de níquel.

AWS A 5.13

Eletrodos e varetas.

Os materiais mais comumente presentes no revestimento de eletrodos de aço são:

  • Celulose e Dextrina: substâncias orgânicas, cuja queima no arco, gera uma atmosfera redutora, constituída principalmente por CO e H2 que protege o arco;

  • Carbonatos (CaCO3): controlam a basicidade da escória e fornecem atmosfera protetora com sua decomposição;

  • Dióxido de Titânio (rutilo): reduz a viscosidade da escória e o seu intervalo de solidificação, além de estabilizar o arco;

  • Ferro-Manganês e ferro-silíco: promovem a desoxidação da poça de fusão e ajustam sua composição;

  • Pó de Ferro: aumenta a taxa de deposição e o rendimento do eletrodo, além de estabilizar o arco;

  • Outras Adições Metálicas: controlam a composição do metal depositado;

  • Argilas: formam escória e facilitam a fabricação do eletrodo por extrusão;

  • Fluoreto de Cálcio: ajuda a controlar a basicidade da escória e diminui a sua viscosidade;

  • Silicatos: formam escória e, no caso de silicatos de potássio ou sódio, agem como ligante do revestimento;

  • Óxidos de Ferro e Manganês: formam escória, controlam a sua viscosidade e estabilizam o arco.

Os revestimentos dos eletrodos podem ser separados em deferentes tipos, por exemplo:

  • Revestimento Oxidante: este revestimento, constituído de óxido de ferro e manganês, produz escória oxidante, abundante e de fácil destacabilidade. Pode ser usado com CC ou CA, apresentando baixa penetração. O metal a ser depositado possui baixos teores de carbono e manganês, e propriedades inadequadas para aplicações de responsabilidade, embora a aparência do cordão seja muito boa. Esta forma de revestimento é pouco usada atualmente.

  • Revestimento Ácido: revestimento constituído de óxido de ferro e manganês e sílica; produz escória ácida abundante e porosa, de fácil remoção. Pode ser usado em CC ou CA, a sua penetração é média e sua taxa de fusão é elevada, levando à formação de uma poça de fusão volumosa, é aplicado nas posições plana e filete horizontal. As propriedades de solda São consideradas boas para diversas aplicações, embora a sua resistência à formação de trincas de solidificação seja baixa.

  • Revestimento Rutílico: este revestimento contém quantidades significantes de rutilo (TiO2) e produz uma escória abundante, densa e de fácil destacabilidade. São eletrodos de fácil de manipulação, que podem ser usados em qualquer posição. Pode ser usado em CC ou CA, produzindo um cordão de bom aspecto e de penetração média ou baixa. A sua resistência à fissuração a quente é relativamente baixa. Eletrodos com este tipo de revestimento são considerados de grande versatilidade e de uso em gral;

  • Revestimento Básico: revestimento que contém quantidades apreciáveis de carbonato de cálcio (ou outro) e floreta, capaz de gerar uma escória de características básicas que, juntamente com o dióxido de carbono gerado pela decomposição do carbono, protege a solda do contato com a atmosfera. Esta escória exerce uma ação metalúrgica benéfica sobre a solda, dessulfurando-a e reduzindo o risco de formação de trincas de solidificação. A penetração é média e o cordão apresenta boas propriedades mecânicas, quanto à tenacidade, por exemplo. É indicado para aplicações de alta responsabilidade, para soldagem de grandes espessuras ou de alta rigidez e também na soldagem de aços de pior soldabilidade. Este revestimento é altamente higroscópico e os eletrodos deste tipo requerem cuidados especiais de armazenagem.

  • Revestimento Celulósico: revestimento que possui uma elevada quantidade de material orgânico (celulose), cuja decomposição pelo arco gera grandes quantidades de gases que protegem o metal líquido. A quantidade de escória é pequena, o arco é muito violento, causando grande volume de respingos e de alta penetração, quando comparados a outros tipos de revestimento. O aspecto do cordão não é bom, apresentando escamas irregulares. Suas características mecânicas da solda são boas e seus eletrodos são recomendados para soldagem fora da posição plana, tendo grande aplicação na soldagem circunferencial de tubulações e na execução de passes de raiz em geral. Devido à sua elevada penetração e grandes perda por respingos, não são adequadas para o enchimento de chanfros.

Revestimentos de diferentes tipos podem conter adições de pó de ferro. Além disso, a presença de pó de ferro torna o revestimento mais resistente ao calor, permitindo a utilização de maiores correntes de soldagem para um dado diâmetro de eletrodo. Como resultado global, tem-se um aumento na taxa de deposição do eletrodo, devido à presença de pó de ferro em seu revestimento. Por outro lado, quanto maior a adição de pó de ferro, maiores serão a poça de fusão e a dificuldade de seu controle durante a soldagem, dificultando ou mesmo impossibilitando a soldagem fora da posição plana.

O sistema de classificação de eletrodos de aço de doce e de baixa-liga da AWS utiliza um conjunto de números e letras que fornecem várias informações a respeito dos eletrodos.

AWS

E XXYZ – Q

E = eletrodo para soldagem a arco elétrico.

XX = conjunto de 2 ou 3 X, que indicam o limite de resistência mínimo do metal depositado em ksi (1000 psi)

Y = Informa as posições de soldagem recomendadas (1,2 ou 4)

Z = Indica o tipo de revestimento e as características do eletrodo

Q = Indicam a composição química ou resistência ao impacto do metal depositado e/ou as condições de tratamento térmico (aços baixa-liga)

Por exemplo, uma classificação do tipo de E 6010 indica um eletrodo com revestimento celulósico, com ligante à base de silicato de sódio, indicado para soldagem em todas as posições, devendo-se utilizar corrente contínua, eletrodo positivo. E possui um limite de resistência de 60000 psi.

Eletrodo

Tipo de Revestimento

Tipo de Corrente

E XX10

Celulósico (sódio)

CC+

E XX20

Ácido

CC-

E XXX1

Celulósico (potássio)

CC+ , CA

E XXX2

Rutílico (sódio)

CC- , CA

E XXX3

Rutílico (potássio)

CC+, CC- , CA

E XXX4

Rutílico (pó de ferro)

CC+, CC- , CA

E XXX5

Básico (sódio)

CC+

E XXX6

Básico (potássio)

CC+, CA

E XXX7

Ácido (pó de ferro)

CC- , CA

E XXX8

Básico (pó de ferro)

CC+, CA

Código da Composição Química

Significado

A1

Eletrodo de aço carbono-molibdênio (0,40-0,65% Mo)

B1

Eletrodo de aço cromo-molibdênio (0,40-0,65% Cr e Mo)

B2

Eletrodo de aço cromo-molibdênio (0,40-0,65% Cr e Mo 1,00-1,50% Cr)

B2L

Igual ao anterior, com baixos teor de carbono (0,05%)

B3

Eletrodo de aço cromo-molibdênio (2,00-2,50% Cr e 0,9-1,20% Mo)

B4L

Eletrodo de aço cromo-molibdênio (1,75-2,25% Cr, 0,40-0,65% Mo e baixo teor de carbono)

B5

Eletrodo de aço cromo-molibdênio (0,40-0,60% Cr, 1,00-1,25% Mo e traços de vanádio)

C1

Eletrodo de aço níquel (2,00-2,75% Ni)

C2

Eletrodo de aço níquel (3,00-3,75% Ni)

C3

Eletrodo de aço níquel (0,80-1,10% Ni, Cr < 0,15%, Mo < 0,35% e V < 0,05%)

D1

Eletrodo de aço manganês-molibdênio (1,25-1,75% Mn e 0,25-0,45% Mo)

D2

Eletrodo de aço manganês-molibdênio (1,65-2,00% Mn e 0,25-0,45% Mo)

G

Outros tipos de eletrodos de aço de baixa-liga

M

Especificações Militares Americanas

Os eletrodos de aço inoxidável e outras ligas ferrosas com elevado teor de cromo são agrupados na especificação AWS A 5.4. Devido a estas especificações, os eletrodos são divido em dois grupos, quanto às características do revestimento:

E XXX - 15 eletrodos para operar somente com CC

E XXX - 16 eletrodos para operar também em CA, onde XXX é a designação do grau de metal depositado, segundo a AISI (American Iron and Steel Institute).

Os eletrodos com revestimentos do tipo básico apresentam melhor resistência à fissuração e excelente características para a soldagem fora da posição plana. Embora as características metalúrgicas sejam melhores, o cordão tende a ser mais irregular devido à menor estabilidade do arco com este tipo de eletrodo.

O processo de fabricação dos eletrodos revestidos se inicia com o recebimento de matérias-primas: minerais e compostos diversos para o revestimento, arame para a fabricação da alma e o ligante. Estes materiais devem ser cuidadosamente testados, a fim de se garantir a qualidade final do eletrodo. O material do revestimento é pesado, moído e misturado a seco, segundo uma formulação desenvolvida pelo fabricante, para um dado tipo de eletrodo. Este material é posteriormente misturado com o ligante até formar uma massa de consistência adequada, que irá alimentar a máquina de extrusão. Paralelamente, o arame é trefilado até o diâmetro desejado, desempenado, cortado em varetas de tamanho apropriado e levado também à máquina de extrusão. Nesta, a massa úmida que formará o revestimento é prensada, enquanto os pedaços de arame são alimentados, produzindo eletrodos a uma grande velocidade (entre 10 e 20 eletrodos por segundo). Os eletrodos úmidos caem em uma esteira rolante, onde são identificados com sua marca de fabricação e classificação e suas extremidades, que serão usadas para o contato elétrico e abertura de arco, são preparadas. Os eletrodos são então levados a fornos para secagem e cura do revestimento. O ciclo térmico a que são submetidos, isto é, temperaturas e tempo de permanência, dependem do tipo de revestimento. Por exemplo, eletrodos básicos de baixo hidrogênio, que devem ter um ter muito baixo de umidade residual, são enfornados a temperaturas muito mais elevadas que eletrodos celulósicos, cujos componentes orgânicos do revestimento poderiam ser deteriorados pelo calor excessivo. Após a passagem pelo forno, os eletrodos são embalados e, antes de serem enviados para armazenamento e venda, são submetidos a testes de laboratório, para se confirmar à qualidade do lote.

Os eletrodos revestidos podem ser facilmente danificados se não forem tomados cuidados especiais, quanto ao seu manuseio e armazenamento. Eletrodos danificados, de forma a expor a alma, não devem ser utilizados em aplicações que tenham um mínimo de responsabilidade. A absorção de umidade também pode comprometer o desempenho dos eletrodos. Umidade excessiva pode levar à instabilidade do arco, à formação de respingos e de porosidades, principalmente no inicio do cordão e a fragilização e fissuração pelo hidrogênio. Comportamento dos eletrodos úmidos geram som explosivo (abafado e grave, já os eletrodos secos geram barulhos agudos e metálicos) e, quando a umidade for excessivamente elevada, vapor d’água se desprende do eletrodo. Revestimentos úmidos tendem a trincar longitudinalmente se a soldagem for interrompida antes de se consumir todo o eletrodo

Na soldagem manual com eletrodos revestidos, as principais variáveis operatórias são; tipo e diâmetro do eletrodo; tipo, polaridade e valor da corrente; tensão e comprimento do arco; velocidade de soldagem; técnica e manipulação do eletrodo e as seqüências de deposição.

O diâmetro do eletrodo e o tipo e espessura do revestimento determinam a faixa de corrente em que o eletrodo pode ser utilizado. A seleção do diâmetro deve ser baseada, entre outros fatores, na espessura do metal a ser soldado, na posição de soldagem e no tipo de junta. A faixa de corrente utilizável para um dado eletrodo depende do seu diâmetro e do material da alma, do tipo e espessura do revestimento e da posição de soldagem.

Para a soldagem na posição plana trabalha-se normalmente com correntes próximas do valor máximo para o eletrodo. Para as posições vertical e sobrecabeça, é mais adequada trabalhar-se com correntes menores, próximas do limite inferior. A corrente é o principal parâmetro que controla o volume da poça de fusão e a sua penetração no metal de base, isto é, estas e a largura da poça de fusão tendem a aumentar quando o valor da corrente aumenta. Correntes muito elevadas causam a formação de uma poça de fusão de grandes dimensões e de difícil controle, além de poderem causar uma degradação do revestimento, com a formação de grande número de respingos e perda de resistência mecânica e ductilidade da solda.

O tipo de corrente e sua polaridade afetam a forma e dimensões a poça de fusão, a estabilidade do arco e a transferência de metal de adição. De um modo geral, a polaridade inversa (CC +) produz maior penetração, enquanto que com a polaridade direta a penetração é menor, mas a taxa de fusão do eletrodo é maior. Com corrente alternada, a penetração e a taxa de fusão são intermediárias, mas a soldagem não apresenta problemas de sopro magnético, permitindo a utilização de eletrodos maiores e correntes mais elevadas em situações em que o problema pode ocorrer, com o uso da corrente contínua.

O comprimento correto do arco depende do diâmetro do eletrodo, do tipo de revestimento, do valor da corrente, e da posição a ser soldada. Podemos considerar que o comprimento ideal varia entre 0,5 e 1,1 vezes o diâmetro da alma do eletrodo.

A velocidade de soldagem deve ser escolhida de tal forma que o arco fique ligeiramente à poça de fusão. O uso de velocidade muito alta resulta em um cordão estreito, de aspecto deficiente, com mordeduras e escória de difícil remoção, além de baixa penetração. Velocidade muito baixa causa um cordão largo, com convexidade excessiva e excesso de penetração.

Durante a execução da solda deve-se fazer três movimentos distintos:

  • Movimento de mergulho: avanço do eletrodo em direção à poça de fusão, de modo a manter constante o comprimento do arco, e para isto a velocidade de mergulho deve ser, em média, igual à velocidade de fusão do eletrodo, a qual aumenta com o aumento da corrente;

  • Movimento de translação: deslocamento do eletrodo ao longo do eixo da solda com uma certa velocidade, que deve ser mantida uniforme;

  • Movimento de tecimento: deslocamento lateral do eletrodo em relação ao eixo do cordão, utilizado para depositar um cordão mais largo, fazer flutuar a escória, garantir a fusão das paredes do chanfro e para tornar mais suave o ciclo térmico

Além destes movimentos, é importante a manutenção de um correto posicionamento do eletrodo em relação à junta. Este posicionamento depende do tipo e espessura do revestimento, das características da junta e da posição e tem como objetivos:

  • Evitar que a escória flua à frente da poça de fusão, o que facilitaria seu aprisionamento na solda, gerando inclusões;

  • Controlar a repartição do calor nas peças que compõem a junta na união de peças de diferentes espessuras;

  • Facilitar a observação da poça de fusão

  • Minimizar os efeitos do sopro magnético

BIBLIOGRAFIA

Marques, P. V. - Tecnologia da Soldagem, Universidade Federal de Minas Gerais, ESAB S/A Ind. e Comércio

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