Apostila de Eletrodos Revestidos

Apostila de Eletrodos Revestidos

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INTRODUÇÃO1
SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODOS REVESTIDOS3
ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS CARBONO5
ELETRODOS REVESTIDOS PARA A SOLDAGEM DE AÇOS DE BAIXA LIGA32
ARMAZENAGEM, TRATAMENTO E MANUSEIO52
EQUIPAMENTOS58
BIBLIOGRAFIA64

Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes – Engenheiro Metalúrgico, MSc. Assistência Técnica Consumíveis – ESAB BR

Revisado por Cláudio Turani Vaz – Engenheiro Metalurgista, MSc. Assistência Técnica – ESAB BR

Última revisão em 3 de fevereiro de 2005

Introdução

Após muitas experiências com a novidade tecnológica da época, um inglês chamado Wilde obteve a primeira patente de soldagem por arco elétrico em 1865. Ele uniu com sucesso duas pequenas peças de ferro passando uma corrente elétrica através de ambas as peças e produzindo uma solda por fusão. Aproximadamente vinte anos depois, na Inglaterra, Nikolas Bernardos e Stanislav Olszewsky registraram a primeira patente de um processo de soldagem, baseado em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada, fundindo os metais à medida que o arco era manualmente passado sobre a junta a ser soldada.

Em 1890, N.G. Slavianoff (Rússia) e Charles Coffin (EUA) desenvolveram, independentemente, a soldagem com eletrodo metálico nu. Dessa forma, durante os anos seguintes, a soldagem por arco foi realizada com eletrodos nus, que eram consumidos na poça de fusão e tornavam-se parte do metal de solda. As soldas eram de baixa qualidade devido ao nitrogênio e ao oxigênio na atmosfera formando óxidos e nitretos prejudiciais no metal de solda. No início do século X, a importância da proteção ao arco contra os agentes atmosféricos foi percebida. Revestir o eletrodo com um material que se decompunha sob o calor do arco para formar uma proteção gasosa pareceu ser o melhor método para atingir esse objetivo. Como resultado, vários métodos de revestir os eletrodos, tais como acondicionamento e imersão, foram tentados.

Em 1904, Oscar Kjellberg, um engenheiro sueco, tinha um problema: ele precisava melhorar a qualidade dos trabalhos de reparo em navios e caldeiras em Gothenburg, o que resultou na invenção do primeiro eletrodo revestido, onde o revestimento era constituído, originalmente, de uma camada de material argiloso (cal), cuja função era facilitar a abertura do arco e aumentar sua estabilidade. Logo após, Oscar Kjellberg fundou a ESAB. Em 1907, Oscar Kjellberg patenteou o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido.

Esses esforços culminaram no eletrodo revestido extrudado em meados dos anos 1920, melhorando muito a qualidade do metal de solda e proporcionando aquilo que muitos consideram o mais significativo avanço na soldagem por arco elétrico.

A busca contínua do aumento da produtividade propiciou o desenvolvimento de novos processos de soldagem.

No entanto, ainda nos dias de hoje, é um processo muito empregado graças à sua grande versatilidade, ao baixo custo de operação, à simplicidade dos equipamentos necessários e à possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou sujeitos a ventos.

As desvantagens do processo são a baixa produtividade, os cuidados especiais que são necessários no tratamento e manuseio dos eletrodos revestidos e o grande volume de gases e fumos gerados durante a soldagem.

Mesmo assim, ainda continua a ser um processo de soldagem empregado na fabricação e montagem de equipamentos, na área de manutenção e reparos, em construções no campo, na soldagem por gravidade em estaleiros, e, de modo mais abrangente, na soldagem em geral de chapas de espessura variando de 3 m a 40 m.

Capítulo 1 Soldagem a arco elétrico com eletrodos revestidos

“Soldagem é o processo de união de materiais usado para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição" (American Welding Society - AWS).

A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (Shielded

Metal Arc Welding – SMAW), também conhecida como soldagem manual a arco elétrico, é o mais largamente empregado dos vários processos de soldagem. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revestido e a peça de trabalho (veja a Figura 1). O calor produzido pelo arco funde o metal de base, a alma do eletrodo e o revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a poça de fusão, são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos durante a decomposição do revestimento. A escória líquida flutua em direção à superfície da poça de fusão, onde protege o metal de solda da atmosfera durante a solidificação. Outras funções do revestimento são proporcionar estabilidade ao arco e controlar a forma do cordão de solda.

4 Figura 1 - Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido

Capítulo 2 Eletrodos revestidos para a soldagem de aços carbono

A fabricação de eletrodos revestidos

Eletrodos revestidos para aços carbono consistem de apenas dois elementos principais: a alma metálica, normalmente de aço de baixo carbono, e o revestimento. A alma metálica contém alguns elementos residuais, porém os teores de fósforo e enxofre devem ser muito baixos para evitar fragilização no metal de solda. A matériaprima para a alma metálica é um fio-máquina laminado a quente na forma de bobinas, que é posteriormente trefilado a frio até o diâmetro adequado do eletrodo, retificado e cortado no comprimento adequado. A alma metálica tem as funções principais de conduzir a corrente elétrica e fornecer metal de adição para a junta.

Os ingredientes do revestimento, dos quais existem literalmente centenas para escolher, são cuidadosamente pesados, misturados a seco — mistura seca — e então é adicionado o silicato de sódio e/ou potássio — mistura úmida — que é compactada em um cilindro e alimentada à prensa extrusora. O revestimento é extrudado sobre as varetas metálicas que são alimentadas através da prensa extrusora a uma velocidade muito alta. O revestimento é removido da extremidade do eletrodo — a ponta de pega — para garantir o contato elétrico, e também da outra extremidade para assegurar uma abertura de arco fácil.

Os eletrodos são então identificados com a marca comercial e sua classificação antes de entrar no forno de secagem, onde eles sofrem um ciclo controlado de aquecimento para assegurar o teor adequado de umidade antes de embalá-los.

Uma das muitas verificações de qualidade feitas durante o processo de fabricação — e também uma das mais importantes — é o procedimento que garante que a espessura do revestimento e a concentricidade da alma do eletrodo sejam uniformes. Na soldagem manual com eletrodos revestidos, a cratera do revestimento, ou a formação de uma taça na ponta do revestimento, que se estende além da alma metálica, realiza a função de concentrar e dirigir o arco (veja a Figura 2).

Figura 2 - Efeito da concentricidade do revestimento

A concentração e a direção do fluxo do arco é conseguida obtendo-se uma cratera no revestimento algo parecida com o bico de uma mangueira d'água, dirigindo o fluxo do metal de solda. Quando o re- vestimento não estiver concêntrico com a alma metálica, pode causar a condição B da Figura 2. A má direção do arco ocasiona cordões de solda inconsistentes, proteção deficiente e falta de penetração. O eletrodo queima de modo irregular, deixando uma projeção no lado onde o revestimento é mais espesso. Essa condição é conhecida como unha.

Funções dos revestimentos dos eletrodos

Os ingredientes que são usualmente empregados nos revestimentos podem ser classificados fisicamente, grosso modo, como líquidos e sólidos. Os líquidos são geralmente o silicato de sódio e o silicato de potássio. Os sólidos são pós ou materiais granulados que podem ser encontrados livres na natureza, e necessitam apenas de concentração e redução de tamanho até o tamanho de partícula adequado. Outros materiais sólidos empregados são produzidos como resultado de reações químicas, tais como ligas ou outros compostos sintéticos complexos. O tamanho da partícula do material sólido é um fator importante.

A estrutura física dos ingredientes do revestimento pode ser classificada como cristalina, fibrosa ou amorfa (não-cristalina). Materiais cristalinos como rutilo, quartzo e mica são comumente utilizados. O rutilo é a ocorrência natural do mineral dióxido de titânio (TiO2), e é largamente empregado no revestimento dos eletrodos. Materiais fi- brosos como celulose, e materiais amorfos como sílica e outros compostos orgânicos são também ingredientes comuns dos revestimentos.

As funções do revestimento são: proteção do metal de solda - a função mais importante do revestimento é proteger o metal de solda do oxigênio e do nitrogênio do ar quando ele está sendo transferido através do arco, e enquanto está no estado líquido. A proteção é necessária para garantir que o metal de solda seja íntegro, livre de bolhas de gás, e tenha a resistência e a ductilidade adequadas. Às altas temperaturas do arco, o nitrogênio e o oxigênio prontamente se combinam com o ferro e formam nitretos de ferro e óxidos de ferro que, se presentes no metal de solda acima de certos valores mínimos, causarão fragilidade e porosidade. O nitrogênio é o mais relevante, visto que é difícil controlar seu efeito uma vez que ele tenha entrado no depósito de solda. O oxigênio pode ser removido com o uso de desoxidantes adequados. Para evitar a contaminação da atmosfera o fluxo de metal fundido precisa ser protegido por gases que expulsem a atmosfera circundante do arco e do metal de solda fundido. Isso é conseguido usando-se no revestimento materiais que gerem gases e que se decomponham durante as atividades de soldagem e produzam a atmosfera protetora. estabilização do arco - um arco estabilizado é aquele que abre facilmente, queima suavemente mesmo a baixas correntes e pode ser mantido empregando-se indiferentemente um arco longo ou um curto. adições de elementos de liga ao metal de solda - uma variedade de elementos tais como cromo, níquel, molibdênio, vanádio e cobre podem ser adicionados ao metal de solda incluindo-os na composição do revestimento. É freqüentemente necessário adicionar elementos de liga ao revestimento para balancear a perda esperada desses elementos da vareta durante a atividade de soldagem devido à volatilização e às reações químicas. Eletrodos de aço doce requerem pequenas quantidades de carbono, manganês e silício no depósito de solda para resultar em soldas íntegras com o nível desejado de resistência. Uma parte do carbono e do manganês provém da vareta, mas é necessário suplementála com ligas ferro-manganês e em alguns casos com adições de ligas ferro-silício no revestimento. direcionamento do arco elétrico - o direcionamento do fluxo do arco elétrico é obtido com a cratera que se forma na ponta dos eletrodos (veja a Figura 2a). O uso de aglomerantes adequados assegura um revestimento consistente que manterá a cratera e dará uma penetração adicional e melhor direcionamento do arco elétrico. função da escória como agente fluxante - a função da escória é (1) fornecer proteção adicional contra os contaminantes atmosféricos, (2) agir como purificadora e absorver impurezas que são levadas à superfície e ficam aprisionadas pela escória, e (3) reduzir a velocidade de resfriamento do metal fundido para permitir o escape de gases. A escória também controla o contorno, a uniformidade e a aparência geral do cordão de solda. Isso é particularmente importante nas juntas em ângulo. características da posição de soldagem - é a adição de certos ingredientes no revestimento, principalmente compostos de titânio, que tornam possível a soldagem fora de posição (posições vertical e sobrecabeça). As características da escória — principalmente a tensão superficial e a temperatura de solidificação — determinam fortemente a capacidade de um eletrodo ser empregado na soldagem fora de posição. controle da integridade do metal de solda - a porosidade ou os gases aprisionados no metal de solda podem ser controlados de uma maneira geral pela composição do revestimento. É o balanço de certos ingredientes no revestimento que tem um efeito marcante na presença de gases aprisionados no metal de solda. O balanço adequado desses ingredientes é crítico para a integridade que pode ser obtida para o metal de solda. O ferromanganês é provavelmente o ingrediente mais comum utilizado para se conseguir a fórmula corretamente balanceada. propriedades mecânicas específicas do metal de solda - pro- priedades mecânicas específicas podem ser incorporadas ao metal de solda por meio do revestimento. Altos valores de impacto a baixas temperaturas, alta ductilidade, e o aumento nas propriedades de escoamento e resistência mecânica podem ser obtidos pelas adições de elementos de liga ao revestimento. isolamento da alma de aço - o revestimento atua como um isolante de tal modo que a alma não causará curto-circuito durante a soldagem de chanfros profundos ou de aberturas estreitas; o revestimento também serve como proteção para o operador quando os eletrodos são trocados.

Classificação dos ingredientes do revestimento

Os materiais do revestimento podem ser classificados em seis grupos principais: elementos de liga - elementos de liga como molibdênio, cromo, níquel, manganês e outros conferem propriedades mecânicas específicas ao metal de solda. aglomerantes - silicatos solúveis como os de sódio e potássio são empregados no revestimento dos eletrodos como aglomerantes. As funções dos aglomerantes são formar uma massa plástica de material de revestimento capaz de ser extrudada e secada no forno. O revestimento final após a passagem no forno deve apresentar uma dureza tal que mantenha uma cratera e tenha resistência suficiente para não se fragmentar, trincar ou lascar. Aglomerantes também são utilizados para tornar o revestimento não inflamável e evitar decomposição prematura. formadores de gases - materiais formadores de gases comuns são os carboidratos, hidratos e carbonatos. Exemplos dessas substâncias são a celulose, os carbonatos de cálcio e de magnésio, e a água quimicamente combinada como a encontrada na argila e na mica. Esses materiais desprendem dióxido de carbo- no (CO2), monóxido de carbono (CO) e vapor d'água (H2O) às altas temperaturas do arco de soldagem. A umidade livre também é outro ingrediente formador de gases que é encontrado particularmente nos eletrodos do tipo celulósico e faz parte da formula- ção em quantidades de 2 - 3%. Ela apresenta uma influência marcante no arco e é um ingrediente necessário no eletrodo do tipo E6010. estabilizadores do arco - o ar não é suficientemente condutor para manter um arco estável, e então se torna necessário adicionar ao revestimento ingredientes que proporcionarão um caminho condutor para a corrente elétrica. Isso é particularmente verdadeiro durante a soldagem com corrente alternada. Materiais estabilizantes são os compostos de titânio, potássio e cálcio. formadores de fluxo e escória - esses ingredientes são empregados principalmente para encorpar a escória e conferir propriedades como viscosidade, tensão superficial e ponto de fusão. A sílica e a magnetita são materiais desse tipo. plasticizantes - os revestimentos são freqüentemente granulados e, para extrudá-los com sucesso, é necessário adicionar materiais lubrificantes e plasticizantes para fazer com que o revestimento flua suavemente sob pressão. Os carbonatos de cálcio e de sódio são os mais utilizados.

A Tabela I mostra alguns constituintes típicos dos revestimentos e suas funções para dois tipos de eletrodos para aços carbono. Observe que o teor de umidade no eletrodo celulósico E6010 é muito maior que o do tipo de baixo hidrogênio E7018. A umidade no revestimento do eletrodo E6010 é necessária para produzir as características de atuação do arco e não é prejudicial na soldagem de aços de baixa resistência, visto que a agitação promovida na poça de fusão é muito intensa e permite a liberação de boa parte do hidrogênio. O hidrogênio pode causar problemas na soldagem de aços de alta resistência.

Classe Composição Função Proteção celulose (C6H10O5) 35% formador de gases rutilo (TiO2) 15% formador de escória - estabilizador do arco

ferro-manganês 5% desoxidante - ferro-liga talco 15% formador de escória silicato de sódio 25% aglomerante - agente fluxante umidade 5% carbonato de cálcio 30% formador de gases - agente fluxante fluorita (CaF2) 20% formador de escória - agente fluxante ferro-manganês 5% desoxidante - ferro-liga

silicato de potássio 15% aglomerante - estabilizador do arco pó de ferro 30% agente de deposição umidade 0,1%

Tabela I - Composição e função dos constituintes do revestimento dos eletrodos

Tipos de revestimento

Celulósico

O revestimento celulósico apresenta as seguintes características: elevada produção de gases resultantes da combustão dos materiais orgânicos (principalmente a celulose); principais gases gerados: CO2, CO, H2, H2O (vapor); não devem ser ressecados; a atmosfera redutora formada protege o metal fundido; o alto nível de hidrogênio no metal de solda depositado impede o uso em estruturas muito restritas ou em materiais sujeitos a trincas por hidrogênio; alta penetração; pouca escória, facilmente destacável; muito utilizado em tubulações na progressão descendente; operando em C+, obtém-se transferência por spray.

Rutílico

O revestimento rutílico apresenta as seguintes características: consumível de uso geral; revestimento apresenta até 50% de rutilo (TiO2); média penetração; escória de rápida solidificação, facilmente destacável; o metal de solda pode apresentar um nível de hidrogênio alto (até 30 ml/100g); requer ressecagem a uma temperatura relativamente baixa, para que o metal de solda não apresente porosidades grosseiras.

Básico

O revestimento básico apresenta as seguintes características: geralmente apresenta as melhores propriedades mecânicometalúrgicas entre todos os eletrodos, destacando-se a tenacidade; elevados teores de carbonato de cálcio e fluorita, gerando um metal de solda altamente desoxidado e com muito baixo nível de inclusões complexas de sulfetos e fosfetos; não opera bem em CA, quando o teor de fluorita é muito elevado; escória fluida e facilmente destacável; cordão de média penetração e perfil plano ou convexo; requer ressecagem a temperaturas relativamente altas; após algumas horas de contato com a atmosfera, requer ressecagem por ser altamente higroscópico;

Altíssimo rendimento

O revestimento de altíssimo rendimento apresenta as seguintes características: adição de pó de ferro (rutílico/básico); aumenta a taxa de deposição; pode ou não ser ligado; aumenta a fluidez da escória, devido à formação de óxido de ferro; melhora a estabilidade do arco e a penetração é reduzida, principalmente com alta intensidade de corrente, o que pode minimizar a ocorrência de mordeduras; possibilidade de soldar por gravidade (arraste); reduz a tenacidade do metal de solda.

Os eletrodos de altíssimo rendimento possuem uma aplicação com altas taxas de deposição, que é a soldagem por gravidade em estaleiros navais com o dispositivo (tripé) mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Equipamento para soldagem por gravidade do eletrodo OK 3.80

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