Ligações Metálicas Soldadas

Ligações Metálicas Soldadas

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Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo

Trabalho da disciplina Estruturas I, Curso de Tecnologia da Construção Civil – Modalidade: Edifícios, Orientador: Profª. Jose Nagib Miziara Filho

SÃO PAULO 2007

Lista de Tabelas e Quadros3
Lista de Figuras3
Introdução5
Ligações6
Processos de Soldagem10
Soldagem de Pinos10
Soldagem em Aço Inox12
Soldagem com Eletrodo Revestido13
Soldagem TIG14
Soldagem MIG15
Soldagem por Resistência16
Arame Tubular17
Soldagem por Arco Submerso18
Soldagem em Alumínio19
Soldagem Plasma20
Tipos de Solda24
Símbolos Para Identificação de Soldas28
Energia de Soldagem37
Ensaios Não Destrutivos47
Viabilidade e Custos das Ligações Soldadas54
Conclusão60

SUMÁRIO Referências Bibliográficas 61

1. Tipos de Soldagem10
2. Consumíveis62
Quadro 1 – Juntas com Chanfro36
1. Alguns tipos de Ligações9
2. Processo de Soldagem por Fricção11
3. Processo de Soldagem Luminotérmica13
4. Processo de Soldagem Por Resistência23
5. Processo eletrodo revestido_ SMAW24
6. Processo arco submerso_ SAW24
7. Processo TIG – GTAW25
8. Processo MIG/MAG_ GMAW25
9. Tipos Principais de Cordões de Solda26
10. Soldas de Filete27
1. Soldas de Entalhe29
12.1 Símbolos Básicos31
12.2 Linha de Referência31
12.3 Soldagem em Ambos os Lados32
12.4 Linha de Seta32
12.5 Tipos de Linha de Seta33
12.6 Tipos de Linha de Seta33
12.7 Solda por Costura33
12.8 Solda em Ângulo34
12.9 Solda em Tampão34
12.10 Solda por Ponto34
12.1 Solda de Revestimento34
12.12 Solda por Projeção35
12.14 Junta com uma Face Convexa37
12.15 Solda em Duas Faces Convexas37
12.16 Solda de Fechamento ou de Aresta38
12.17 Solda em Peça Curva ou Flangeada e uma Peça Plana38
12.18 Solda de Suporte38
12.19 Solda de Encaixe para Junta Brasada39
13 Variações de temperatura ao longo de uma junta41
calor43
15 Inspeção Visual51
16 Inspeção por Líquido Penetrante52
17 Inspeções por Partículas Magnéticas 153
18 Inspeções por Partículas Magnéticas 253
19 Inspeção por Ultra-Som54

O presente trabalho procura discorrer sobre o processo de Soldagem em estruturas metálicas, matéria especifica dentro da metalurgia. Apresentando de forma resumida, porém bastante elucidativa um processo de extrema importância perante as novas tecnologias empregadas na construção civil. Desta forma os métodos de Soldagem e as características das juntas soldadas podem ser totalmente diferentes para aplicações específicas e dependem basicamente: da forma, espessura e geometria das peças a serem soldadas; do tipo de material ou materiais que se pretende unir; do processo de Soldagem industrialmente utilizado; e do tipo de desempenho esperado para os componentes soldados frente às condições de serviço, que muitas vezes envolvem solicitações estáticas de grande intensidade, solicitações dinâmicas ou cíclicas, calor ou meio corrosivo. A qualificação de um procedimento de soldagem é realizada segundo os diferentes códigos de fabricação – ASME, AWS, API – e basicamente significa simular a condição real de soldagem e testar o material através de ensaios que avaliem as propriedades que serão requeridas na aplicação. Procuramos abraçar os itens mais relevantes dentro do assunto, a fim de qualquer pessoa que venha a correr os olhos sobre esta pesquisa absorva os conceitos mínimos para falar sobre soldagem com alguma propriedade. Porém após analisar a vasta literatura à disposição referente ao objeto de nosso estudo, não nos passou em momento algum esgotar o assunto. Para atingir nossos objetivos, primeiramente procuramos entender o processo de Soldagem, o que significa e como entendê-lo. Em seguida, passaremos pela simbologia, processos, qualidade, controles e custo.

1 LIGAÇÕES

O termo ligação é aplicado a todos os detalhes construtivos que promovam a união de partes da estrutura entre si ou a sua união com elementos externos a ela, como, por exemplo, as fundações. O conceito é amplo, admitindo diversidade de situações em que é aplicado: • ligação da alma com mesa em perfil I soldado (fig. 1a)

• ligação de coluna com viga de pórtico (fig.1b)

• placa de base (fig. 1c)

• emenda de viga I (fig. 1d)

• ligação flexível de viga I com coluna (fig.1e)

• ligação de peça tracionada (fig. 1f)

• emenda de coluna (fig. 1g)

7 Figura 1 – Alguns tipos de Ligações

2. TIPOS DE SOLDAGEM

A união de materiais por soldagem envolve uma íntima ligação atômica entre as partes a serem unidas, que pode ou não envolver a fusão com posterior solidificação. A tabela 1 apresenta os principais tipos de soldagem – no estado sólido ou por fusão – classificados quanto à natureza da energia utilizada para promover a ligação atômica, ao tipo de processo e com indicações de intensidade de fonte I (expressa em J/s.mm2 ou W/cm2).

O conceito de intensidade de fonte de energia ( I ) – quantidade de energia transferida à peça por unidade de tempo e na unidade de área – é muito importante para a compreensão dos fenômenos envolvidos na soldagem. Processos cujas fontes de energia são de alta intensidade tendem a exigir menor tempo de soldagem e minimizam certos efeitos indesejáveis (como distorções, por exemplo) devido à pequena área aquecida. Em um processo de alta intensidade a energia é transferida tão rapidamente e através de uma área tão pequena que a fusão ocorre quase instantaneamente, antes que ocorra uma perda significativa de calor por condução.

A soldagem no estado sólido envolve basicamente energia mecânica para aproximar a estrutura cristalina dos dois materiais (sem os óxidos superficiais) e desenvolver uma atração atômica, seja através da ação de fricção, impacto ou pressão, realizada segundo processos de soldagem por fricção (figura 2), soldagem por explosão, soldagem por difusão ou ainda soldagem por laminação.

A soldagem por fusão ocorre com o aumento localizado da temperatura do material até que a temperatura da região onde estão os materiais a serem unidos ultrapasse a temperatura de fusão do metal ou da liga e posteriormente as partes sofram solidificação, mantendo uma continuidade física. A energia para aquecer o material pode ser de natureza química, por exemplo, reações de oxidação como na soldagem aluminotérmica (figura 3), ou na queima de gases como na soldagem oxi- acetilênica; a arco elétrico, como nos principais processos de soldagem hoje conhecidos – SMAW, SAW, GTAW e GMAW – ou proveniente de efeito Joule em uma resistência elétrica, na soldagem por postura ou ponto (figura 7); ou ainda pode ser de natureza física como nas soldagens a laser ou feixe eletrônico.

9 Figura 2 – Processo de Soldagem por Fricção

3. PROCESSO DE SOLDAGEM

O processo envolve muitos fenômenos metalúrgicos como, por exemplo, fusão, solidificação, transformações no estado sólido, deformações causadas pelo calor e tensões de contração, que podem causar muitos problemas práticos. Estes podem ser evitados ou resolvidos aplicando-se princípios metalúrgicos apropriados ao processo de soldagem.

Trata-se de um processo de soldagem a arco elétrico que une pinos ou peças semelhantes por aquecimento e fusão do metal base e parte da ponta do pino, seguido de imediata pressão, para melhor união e solidificação. A energia elétrica e a força mecânica são transmitidas através de um porta-pinos num dispositivo de elevação, e protegidos por uma cerâmica, que tem como função a proteção contra os respingos, contaminação atmosférica, e conter o metal líquido.

O arco elétrico é obtido através da operação de toque e retração de pino. Depois de um determinado tempo, onde o pino é submerso no banho de fusão. O anel de cerâmica concentra o arco voltaico, protege contra a atmosfera e limita o banho de fusão. Durante a soldagem, o anel de cerâmica e o pino são colocados manualmente no equipamento apropriado conhecido como pistola para Stud e o processo de solda é executado pelos comandos existentes.

O tempo de operação é da ordem dos milisegundos, é relativamente curto se comparado com os processos a arco convencionais, devido o ciclo de trabalho ser muito curto, temos uma ZTA ( Zona Termicamente Afetada ) muito estreita.

A pistola de soldagem tem por finalidade segurar e movimentar o pino; contém um gatilho que libera a corrente de soldagem, a qual é transmitida para a ponta do pino, que é uma espécie de encaixe, estes encaixes podem ter diferentes geometrias e espessuras, compatíveis com o pino a fixar. A pistola também fornece pressão e alivio ao sistema, através de uma mola controlada por uma válvula solenóide. As unidades de controle são basicamente [[Temporizador|circuitos temporizadores] para aplicação do tempo de soldagem e tempo de pressão, que são ligadas as fontes e à pistola de soldagem, os controladores podem ser integrados as fontes de energia ou separadas.

As fontes de energia empregadas no processo convencional são semelhantes às usadas para o processo eletrodo revestido, tanto geradores ou retificadores, com os pinos ligados ao polo positivo, é recomendado utilizar fontes com potência acima de 400 Ampères e tensões em vazio de no mínimo 70 Volts, caso haja a exigência de correntes mais elevadas, pode-se ligar as fontes em paralelo, ou utilizar-se de fontes desenvolvidas para goivagem a grafite, que normalmente são projetadas para correntes de até 1600 Ampères, outra variante do processo, utiliza-se uma fonte com descarga capacitiva, com capacitores de alta capacidade.

Aplicações da soldagem à pinos

• Caldeiraria, Fornos e Chaminés, colocação de pinos em tubos de trocadores de calor e fixação de ancoragens para isolamento;

• Estruturas Metálicas e em Concreto Armado, fixação de buchas e ancoramento de concreto.

• Construção Elétrica substitui uniões roscadas complicadas e pequenas peças de fixação; • Construção Naval: Fixadores para mantas isolantes e fixadores de cabos;

• Indústria Automobilística, por exemplo, fixação das armações, revestimentos, parafusos e porcas.

Materiais

Os pinos podem ser de aço SAE 1030, em aço baixa liga com Cr Mo; pino de aço inox com alta liga; pinos de alumínio 9,5 em ligas de alumínio (proteção da poça de soldagem com gás argônio é necessário). É possível solda dissimilar, geralmente com pinos de aço inoxidável para ancoragem de refratário para válvulas siderúrgicas.

Existem diversos modos de se unir duas partes metálicas. Entre elas está a soldagem, que é um processo de união, utilizando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão. Características do Processo de Soldagem:

• Produzir energia para unir dois metais • Evitar o contato da região aquecida com o ar atmosférico

• Remover contaminações das superfícies que estão sendo unidas

• Controlar as transformações de fase na junta soldada

Os processos de soldagem podem ser classificados de acordo com o tipo de fonte de energia ou de acordo com a natureza da união. Industrialmente, os processos de soldagem mais empregados são os que utilizam a eletricidade como geração de energia para realizar a união. A soldagem por resistência envolve as seguintes variantes de processo: soldagem a ponto, soldagem com costura, soldagem topo-atopo e soldagem com ressalto. Já a soldagem com arco elétrico pode ser subdividida entre soldagem com eletrodo consumível e soldagem com eletrodo não consumível. No primeiro caso estão englobados os processos de soldagem com eletrodo revestido, processo de soldagem MIG/MAG, processo de soldagem com eletrodo tubular e processo de soldagem com arco submerso. Os processos que utilizam eletrodo não consumível são soldagem TIG e soldagem com plasma.

Todos os processos citados podem ser utilizados para soldagem dos aços inoxidáveis. A escolha vai depender de diversos fatores que são abordados a seguir.

A escolha do processo de soldagem envolve basicamente quatro fatores:

1. O projeto da junta (tipo, posição,...) 2. A espessura do material 3. A natureza do material a ser soldado 4. O custo de fabricação (produtividade, qualidade da junta, durabilidade do produto...)

Processo a arco elétrico produzido entre um eletrodo revestido e a peça a ser soldada. Eletrodo: alma metálica + revestimento.

Funções do revestimento

• Estabilizar o arco elétrico • Gerar gases de proteção da poça de fusão

• Produzir escória que evita contaminação pelo ar atmosférico da poça de fusão e do cordão de solda: • Adicionar elementos de liga na poça de fusão

• Facilitar a soldagem fora de posição

• Facilitar a fabricação dos eletrodos revestidos

Vantagens

• Baixo custo do equipamento • Versatilidade

• Soldagem em locais de difícil acesso

• Disponibilidade de consumíveis no mercado

Limitações

• Baixa produtividade devido à taxa de deposição • Necessidade de remoção de escória

• Dependente da habilidade do soldador

• Produção de fumos e respingos

• Qualidade do cordão inferior aos processos TIG, Plasma e MIG

• Posição de soldagem restrita

• Não automatizável

O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) é definido como o processo de soldagem a arco elétrico estabelecido entre um eletrodo não consumível a base de tungstênio e a peça a ser soldada. A poça de fusão é protegida por um fluxo de gás inerte.

Vantagens

• Soldas de excelente qualidade • Acabamento do cordão de solda

• Menor aquecimento da peça soldada

• Baixa sensibilização à corrosão intergranular

• Ausência de respingos

• Pode ser automatizado

Limitações

• Dificuldade de utilização em presença de corrente de ar • Inadequado para soldagem de chapas de mais de 6 m.

• Produtividade baixa devido à taxa de deposição

• Custo do equipamento

• Processo depende da habilidade do soldador, quando não automatizado

No processo de soldagem MIG (Metal Inert Gas) o arco elétrico é aberto entre um arame alimentado contínuamente e o metal de base. A região fundida é protegida por um gás inerte ou mistura de gases (argônio, CO 2, Hélio ou O2).

Vantagens

• Facilidade de operação • Alta produtividade

• Processo automatizável

• Baixo custo

• Não forma escória

• Cordão de solda com bom acabamento

• Gera pouca quantidade de fumos

• Soldas de excelente qualidade

Limitações

• Regulagem do processo bastante complexa • Não deve ser utilizado em presença de corrente de ar

• Posição de soldagem limitada

• Probabilidade elevada de gerar porosidade no cordão de solda

• Produção de respingos

• Manutenção mais trabalhosa

Ao contrário dos outros processos, a soldagem por resistência elétrica utiliza o aquecimento por efeito Joule para realizar a fusão da face comum entre as duas peças. O efeito Joule ocorre pela geração de calor através da passagem de corrente elétrica em uma resistência.No caso da soldagem de chapas, a maior resistência está localizada exatamente na superfície interna das chapas, utilizando-se as condições corretas de soldagem. Com aplicação da pressão pelos eletrodos de cobre e a posterior passagem de corrente, ocorre a fusão desta face em comum,

Vantagens

• Soldagem de chapas muito finas • Facilidade de operação

• Velocidade do processo elevada

• Facilidade para manutenção

• Não depende da habilidade do soldador

Limitações

• Não aceita peças com formatos muito complexos e pesadas • Custo elevado do equipamento e da manutenção

• Demanda de energia elétrica durante a soldagem

Data da década de 30 o início da utilização de proteção gasosa nas operações de soldagem, para resolver problemas da contaminação atmosférica nas soldas de materiais reativos (i.e. alumínio, titânio e ligas de magnésio), tendo dado origem ao processo TIG (Tungsten Inert Gas). Utilizando o mesmo princípio de funcionamento do TIG, ou seja um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo e a peça, envolto por uma atmosfera protetora de gás inerte, surge em 1948 o processo MIG, o qual difere do anterior por utilizar um eletrodo consumível de alimentação contínua. Inicialmente utilizado para ligas altamente reativas, pois a utilização de gases inertes tornava seu custo elevado para utilização em aços carbono e baixa liga. Quando da introdução do CO2 como gás de proteção revelou-se um processo bem aceito para soldagem de aço carbono e baixa liga, uma vez que barateou o custo do processo.

Esquema de um aparelho de soldagem por Arame Tubular No início apenas arame sólido era utilizado e por volta dos anos 50 foi introduzido o uso de Arame Tubular com proteção gasosa. Na década de 60 o Arame autoprotegido foi introduzido por pesquisadores e engenheiros da Lincoln Eletric [Miskoe 1983].

A utilização de Arame Tubular deu uma alta qualidade ao metal de solda depositado, excelente aparência ao cordão de solda, boas características de arco, além de diminuir o número de respingos e possibilidade de solda em todas as posições, tendo ganhado popularidade para soldagem de aços carbono e baixa liga, em chapas de espessura grossa e fina. Muitas vezes sendo utilizado em fortes espessuras onde a geometria de junta e posição de soldagem não permitia a aplicação de outros processos de alto rendimento tal como arco submerso ou eletroescória.

O processo de soldagem por Arame Tubular tem duas variantes, podendo ser protegido por gás inerte, por gás ativo ou mistura destes ("dualshield") ou autoprotegido, sem a utilização de gases de proteção ("innershield"). Atualmente a utilização de Arames Tubular autoprotegido tem tido grande interesse em conseqüência da sua versatilidade e possibilidade de aplicação em ambientes sujeitos a intempéries como, na fabricação de plataformas de prospeção de petróleo, estaleiros navais, locais de difícil acesso e condições de trabalho, onde até então era absoluto o domínio do processo de soldagem por eletrodos revestidos, assim como vem aumentando sua utilização em estações de trabalho automatizadas e ou robotizadas. Definição:

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