Download - Processo de fabricação de tubos
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2 - Reviso Bibliogrfica
Esta reviso bibliogrfica busca abordar os principais aspectos do processo
de fabricao dos tubos da classe API 5L X80, os fundamentos de soldagem
destacando o processo de soldagem com arame tubular, e suas principais variveis
operativas.
2.1. Desenvolvimento de aos de alta resistncia
Muitos fatores tm contribudo para o desenvolvimento dos aos
microligados, estes fatores incluem o desenvolvimento dos princpios
tecnolgicos e cientficos sob os quais estes aos esto embasados e a necessidade
de incrementar a resistncia destes aos e outras demandas para uma variedade de
aplicaes.
A relao entre estes fatores e a capacidade da indstria de fabricao do
ao para responder a solicitaes so mostrados na figura 1 onde os benefcios na
economia de peso esto essencialmente relacionados ao valor, economia de
matria prima e energia tem tido seu impacto na reduo do peso. Altos nveis de
resistncia so obtidos devido adio de elementos de liga e da otimizao dos
processos de fabricao como o resfriamento acelerado. Atualmente a tendncia
o desenvolvimento de mtodos para produo de aos com baixo teor de carbono
e alta resistncia.
O desenvolvimento dos aos microligados coincide com o desenvolvimento
de pesquisas e um melhor conhecimento da relao microestrutura-propriedades.
As propriedades mecnicas esto diretamente relacionadas microestrutura, e
alteraes da microestrutura causa variaes nas propriedades mecnicas [1].
Adies de molibdnio, nquel e cobre tm sido testadas com sucesso, em
conjunto com os processos de resfriamento acelerado, objetivando o
desenvolvimento de tubos da classe API 5L X100. O desenvolvimento de aos do
tipo API 5L X120, foi obtido com uma tecnologia significativamente superior
requerida para os aos X80 empregando novos processos de resfriamento
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acelerado desenvolvidos conjuntamente entre Nippon Steels e Exxon-Mobil
visando obter microestructuras bainticas como mostrado por Asahi et al. [2].
Figura 1 Fatores que contribuem ao desenvolvimento dos aos microligados [1].
2.1.1. Vantagens da utilizao dos aos de alta resistncia
Kalwa et al [3] reportaram que a primeira linha dutoviaria que empregou ao
X80 foi o Ruhrgas Wemeto Schluchtern na Alemanha com 250 km de extenso
em 1992. O peso total de ao X80 utilizado na obra foi de 145 000 toneladas,
permitindo uma reduo de 20 000 toneladas comparados com dutos tipo X70.
Isto ocorre por reduo da espessura da parede do tubo de 20,8 mm do X70 para
18,3 mm do X80.
A principal vantagem da utilizao de dutos com graus elevados de
resistncia mecnica a reduo do custo total de material. Esta reduo se baseia
na premissa de que ao aumentar o limite de escoamento do material, a espessura
de parede requerida para resistir s presses internas (ou externas no caso de
guas profundas) reduzida, alm disso, espessuras de parede finas requerem uma
quantidade menor de metal de solda, reduzindo os custos de consumveis de
soldagem.
Alternativamente, se grandes espessuras de parede forem mantidas, os dutos
fabricados com estes aos podem receber maiores presses de trabalho. Com
maiores presses, possvel diminuir o nmero de estaes de compressores ao
longo da linha, mantendo o mesmo ritmo de produo [4].
Fabricao do ao
Desemvolvimento dos Processos
Cincia Elementos de Liga
Reduo no Peso
Economia de Energa
Soldabilidade Tenacidade
Conformabilidad
Economia de Material
Segurana
AOS MICROLIGADOS
DE ALTA RESISTNCIA
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Algumas desvantagens so: o nmero limitado de fornecedores deste tipo de
material, os processos de soldagem restritos e de controle complexo o que pode
aumentar o tempo de instalao.
2.1.2. Tipos de Aos de Alta Resistncia
Na tabela 1 apresentada a classificao dos aos mais utilizados para a
fabricao de tubos.
Tabela 1 Classificao dos tubos de acordo com as principais normas internacionais de
fabricao [5].
Clasificao do ao API 5L EN 10208-2 DIN 17172
LE (mnimo) (N/mm2)
LR (mnimo) (N/mm2)
Alongamento (%)
A 207 331 28 L210 210 320 26 StE 2107 210 320 26 B 241 413 23 L245MB 245 415 22 StE 2407 240 370 24 X42 289 313 23 L290MB 290 415 21 StE 2907 ( TM ) 290 420 23 X46 317 434 22 L320MB 320 460 21 StE 3207( TM ) 320 460 21 X52 358 455 21 L360MB 360 460 20 StE 3807( TM ) 380 510 20 X56 386 489 20 L385MB 385 530 19 StE 3807( TM ) 385 530 19 X60 413 517 19 L415MB 415 520 18 StE 3207( TM ) 415 550 18 X65 448 530 18 L450MB 450 535 18 StE 4407( TM ) 445 560 18 X70 482 565 18 L485MB 485 570 18 StE 4807( TM ) 480 600 18 X80 550 620 18 L555MB 555 625 18
StE 5507( TM ) 550 690 18
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Geralmente os materiais selecionados para construo de tubulaes
atendem aos requisitos das normas API 5L ou DIN 17172, ou EN 10208-2. Essas
normas classificam os diferentes tubos em subgrupos, de acordo com a resistncia
mecnica facilitando a seleo do material e adequando para cada tipo de
aplicao.
2.2. Processos de fabricao de aos de alta resistncia
Segundo Fedele [5] at os anos 70, os aos de alta resistncia eram
produzidos pelo processo de laminao a quente, seguida de uma normalizao
visando obter uma microestrutura composta de finas lamelas de ferrita, perlita e
gros maiores de ferrita (ASTM 7-8). Nos anos 70, este processo foi modificado
para operaes de conformao termomecnica, permitindo a produo de aos X-
70, com reduzidos teores de carbono, e adies dos elementos de liga, nibio e
vandio. A microestrutura passou a apresentar maior uniformidade e com gros
mais refinados de ferrita ASTM (10-11).
Figura 2 Desenvolvimento dos aos para tubos API [4].
Esta tecnologia foi aperfeioada nos anos 80, com a introduo do processo
de resfriamento acelerado, juntamente com o conceito de laminao a quente. Foi
ento possvel, produzir um ao X80 com teores de carbono ainda mais reduzidos
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melhorando sua soldabilidade. Neste caso a microestrutura apresentava-se mais
refinada, do tipo ferrtica-baintica.
Para atingir nveis de resistncia ainda maiores como 827 MPa (X120),
necessrio produzir um ao utilizando uma composio qumica diferenciada e
processos de laminao controlada onde o refinamento de gro conseguido
atravs do processamento termomecnico de laminao controlada, seguido por
um resfriamento acelerado, tendo como principais produtos de transformao a
bainita inferior e ripas de martensita, como foi mostrado por Fairchild et al [6]. O
refino de gro configura-se como o principal fator de ganho de resistncia
mecnica dos aos de grau X80 e superiores disponveis atualmente no mercado.
2.2.1. Descrio do processo de fabricao do X80 nacional
No Brasil so fabricados industrialmente aos at tipo X70. No entanto,
devido s limitaes dos equipamentos de fabricao para atingir uma velocidade
de resfriamento necessria para a produo de aos com gros to finos, foi
fabricado o ao da classe API X80 com composio qumica diferenciada para
que se atingisse os requisitos mnimos deste grau. Para tal foram adicionados
elementos de liga tais como o nibio, cromo, vandio e molibdnio. Estes
elementos tm o objetivo de aumentar a resistncia mecnica por precipitao,
inibir o crescimento de gro austentico durante o reaquecimento das chapas,
retardar a recuperao e recristalizao dos gros austenticos deformados, alm
de atrasar a transformao da austenita em ferrita [1]. Outros elementos como
alumnio tem sido empregados para produzir combinaes e melhorar a
resistncia e tenacidade.
O ao empregado neste estudo foi fabricado pela USIMINAS, pelo Processo
Termo-Mecnico Controlado, ou TMCP (Thermomechanic Controlled Process),
que mostrado de forma esquemtica na figura 3. O TMCP ocorre em trs fases
principais:
A. Laminao na fase de recristalizao da austenita.
B. Laminao na fase de no recristalizao da austenita.
C. Acabamento na fase austenita mais ferrita.
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Figura 3 Processo Termo Mecnico Controlado (TMCP) [7].
A laminao inicia-se a 1250 C, na fase A, micro-estruturalmente, a cada passe da chapa pelo laminador, a austenita se deforma, alongando-se. Como as
temperaturas so muito altas, rapidamente novos gros de austenita poligonal
nucleiam e crescem nos contornos da austenita deformada, tendo um tamanho
menor que os gros originais. Ocorrem passes sucessivos, at que se inicie a
recristalizao esttica, ou seja, os novos gros de austenita aps deformao e
recristalizao, tm o mesmo tamanho dos antigos. Isto ocorre quando o material
tem gros em torno de 20 a 40 m. A fase B do TMCP ocorre na faixa de temperaturas de no recristalizao da
austenita (Tnr)- abaixo de 1050 C. Ou seja, a cada passe de laminao, a austenita se deforma, mas no ocorre recristalizao nos contornos de gro. Assim
aumenta a relao rea/volume (Sv) da austenita. Nesta etapa, consegue-se uma
reduo de gro em torno de 60 a 80%.
A fase C se inicia abaixo da temperatura de acabamento (Tac), prximo
temperatura de transformao austenita + ferrita (Ar3). Inicia-se o resfriamento da
chapa em gua e, ao atingir Ar3, a ferrita nucleia nos contornos da austenita
deformada. Quanto maior tiver sido a reduo dos gros austenticos em B, maior
ser Sv e, portanto, haver mais stios de nucleao de ferrita, gerando uma
granulometra mais fina. Aps a formao dos gros ferrticos, retira-se o
resfriamento gua e a chapa resfria ao ar [7].
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A microestrutura resultante deste processo predominantemente Ferrita +
Bainita, com disperso fina do micro-constituinte AM (martensita com austenita
retida) podendo conter uma pequena quantidade de perlita. O tamanho de gro
mdio da ordem de 10 m. Blas e Balancin [8] determinaram que as condies de transformao de
fases so fortemente influenciadas pelo estado da austenita prvia e a evoluo
dos gros austenticos durante o processo de resfriamento. Desta maneira, a
microestrutura final e as propriedades mecnicas so determinadas pelo estado da
austenita previa e pelas condies de resfriamento.
Okatsu et al [9] estudando aos bifsicos (ferrita + bainita alongada),
obtiveram um modelamento onde o efeito concentrador de tenses dentro da fase
ferrtica gerado pelo contorno alongado da bainita, concluindo ser esta a razo
pela qual os aos com este tipo de microestrutura tem uma elevada resistncia
mecnica e tenacidade.
2.2.2. Processo de conformao dos tubos
Este processo denominado U-O-E e se inicia com uma inspeo das
chapas com a finalidade de detectar possveis macro-defeitos e prevenir a
formao de trincas longitudinais, logo as bordas da chapa so previamente
usinadas na geometria longitudinal.
Figura 4 Processo de conformao dos tubos.
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O processo U-O-E est esquematizado na figura 4 A primeira etapa de
trabalho consiste no dobramento da chapa em formato de U, em seguida o U
conformado em O, depois do trabalho mecnico necessrio uma inspeo. A
etapa seguinte o ponteamento das faces do O a fim de evitar a distoro
decorrente de contraes e dilataes trmicas para que no ocorram mudanas no
dimetro durante a soldagem final.
Outra etapa importante a soldagem de uma chapinha em cada extremidade
do tubo, onde a solda se iniciar e terminar. Isto importante, pois o inicio e o
final da solda so as regies mais susceptveis ocorrncia de defeitos, em
seguida as soldas internas e externas so realizadas por arco submerso. Para
garantir a ausncia de defeitos na junta soldada, so realizados ensaios de ultrason
e radiografa. Em seguida, o tubo submetido a uma expanso interna E, que
tem a finalidade de ajustar o seu dimetro s tolerncias da norma API 5L, logo o
tubo passa por inspees e teste hidrosttico. Novos ensaios no destrutivos so
realizados na junta soldada. Finalmente a inspeo dimensional e a pesagem do
tubo so realizadas; Comumente, os tubos fabricados pelo processo U-O-E so
chamados de tubos de chapa grossa ou tubos SAW [10].
2.2.3. Efeito do processo de fabricao sobre as propriedades da chapa
A transformao de uma geometria plana (chapa) em uma cilndrica (tubo)
pode ser feita de forma contnua ou intermitente, a conformao contnua,
utilizando uma seqncia de cilindros de conformao utilizada quando a
espessura da chapa inferior a 12,7 mm, j a conformao intermitente aplicada
quando a chapa tem espessura superior, sendo esta ltima tcnica empregada nos
processos de conformao U-O-E. Este trabalho realizado frio, onde as
camadas internas da chapa so deformadas em compresso enquanto as externas
em trao, logo durante a expanso, camadas externas e internas so deformadas
em trao. Os efeitos resultantes desta seqncia de deformaes dependem da
microestrutura do material.
Segundo Sage [11], em aos com microestrutura ferrita-perlita, os efeitos
provocados pela conformao do tubo causam geralmente um escoamento
descontnuo, e por essa razo o material susceptvel a perda de resistncia
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durante a fabricao do tubo devido ao efeito Bauschinger. O efeito Bauschinger
caracteriza-se quando a tenso necessria para reverter a direo do deslizamento
num certo plano de deslizamento menor do que a necessria para continuar o
deslizamento na direo original, ou seja corresponde a uma direcionalidade de
encruamento [12]. Para fins prticos, a diferenca na resistncia ao escoamento entre
a chapa e o tubo acabado igual ao aumento de resistncia devido ao
encruamento menos o efeito Bauschinger, porm uma vez que a quantidade de
encruamento muito pequeno nos aos ferriticos-perliticos, o efeito da converso
chapa tubo uma reduo na resistncia do tubo. No entanto, nos aos de
microestrutura de ferrita-acicular, as reas duras de segunda fase introduzem uma
alta densidade de discordncias na ferrita circunvizinha, por isso o coeficiente de
encruamento alto e a deformao ocorre acima da resistncia ao escoamento da
chapa, resultando uma curva continua tenso deformao. Assim, os processos
de fabricao atuam nas propriedades do tubo, em alguns aos abaixa a resistncia
do tubo comparado com a da chapa e em outros aumenta, mas em quase todos os
aos a tenacidade reduzida pelo encruamento que estes materiais sofrem [11].
2.3. Soldabilidade de aos de alta resistncia e baixa liga
O j citado aumento na demanda de energia trouxe a necessidade de
tubulaes que pudessem operar em condies muito severas como altas presses,
baixas temperaturas e meios agressivos, conseqentemente, existem tambm a
necessidade que a junta soldada (metal de solda e ZTA) tenha propriedades
mecnicas compatveis com o metal de base.
O processo de fabricao dos aos de alta resistncia e baixa liga, envolve
laminao controlada e adio de elementos de liga cujo principal objetivo a
obteno de um tamanho de gro fino. O resultado deste processamento pode ser
parcialmente destrudo durante o processo de soldagem. A soldagem longitudinal
realizada durante a fabricao do tubo, geralmente tem as propriedades mecnicas
garantidas pelo ajuste adequado dos parmetros de soldagem que se torna de mais
fcil controle por ser uma solda de fbrica mecanizada. No entanto durante a
construo e montagem do duto necesario determinar cuidadosamente os
parmetros de soldagem que venham a afetar a performance do duto em operao.
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A soldabilidade, no presente caso pode ser definida como uma medida da
resistncia inerente do ao (tubo) para aceitar um passe de raiz sob dadas
condies de aporte de calor sem que ocorra trinca ou que produza uma estrutura
susceptvel trinca quando sob condies de tenses resultantes da manipulao
da tubulao. No entanto conhecido que o processo de soldagem introduz algum
tipo de defeito nas estruturas soldadas, mesmo que no sejam detectveis pelos
mtodos disponveis de ensaios destrutivos [13].
Em geral um ao apresenta boa soldabilidade se depois de soldado possui
boa tenacidade e o metal de solda no se torne frgil. Os fatores mais importantes
que influenciam na soldabilidade so:
As transformaes produzidas na ZTA. A composio qumica do metal base e do consumvel. As tenses residuais geradas durante a soldagem. O procedimento de soldagem empregado.
por tanto apropriado caracterizar a soldabilidade de aos para tubos como
a resistncia da junta soldada a iniciao da propagao de uma trinca a partir de
um defeito pr-existente, levando a fratura sob condies de operao [13].
2.3.1. Carbono Equivalente (CE)
Um dos critrios mais empregados que relaciona o grau de soldabilidade a
utilizao do ndice chamado carbono equivalente (CE).
Como o carbono o elemento que mais influencia na temperabilidade e na
dureza final do ao, tm se considerado denominar o Carbono Equivalente como
um ndice que permite correlacionar a composio qumica do ao com sua
tendncia a apresentar estruturas frgeis quando este submetido a um processo
de soldagem; porm atualmente existe uma tendncia de reduzir a quantidade de
carbono nos aos como o mostrado por Barnes [14], onde essa reduo tem um
efeito benfico nas propriedades da junta soldada principalmente na tenacidade.
Muitas frmulas foram propostas e encontram-se na literatura, e
principalmente elas foram obtidas sob o ponto de vista da temperabilidade do ao
(tendncia a formar martensita). Duas frmulas foram sugeridas para o clculo da
temperatura de preaquecimento neste tipo de aos para tubulaes, proposta pelo
International Institute of Welding (IIW).
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(%)1556
CuNiVMoCrMnCCE ++++++= (1)
Esta frmula pode ser empregada para aos com contedo de carbono
superior a 0,18% ou em condies de soldagem que requeiram um esfriamento
lento t8/5 > 12 segundos.
Outra frmula muito empregada foi proposta por Ito e Bessyo, e conhecida
como a frmula do tipo Pcm, esta frmula empregada pelo cdigo estrutural
AWS D1.1:2004 [14] para a determinao da temperatura mnima de
preaquecimento esta frmula tambm um mtodo para avaliao do potencial do
ao para formar trincas por hidrognio.
BVMoNiCrCuMnSiCPCM 51015602030++++++++= (2)
Todos os elementos de liga nas duas equaes de acima so expressos em
porcentagem de peso.
Liu [16] apresentou o diagrama mostrado na figura 5, para determinar a
soldabilidade de diferentes tipos de aos com diferentes teores de elementos de
liga relacionando o CE com a porcentagem de carbono, uma vez que o carbono
o elemento determinante claramente na susceptibilidade a formao de trincas.
Podem ser observadas na figura 5, trs regies ou zonas. Na zona I
encontram-se os aos com contedo menor de 0,1% de C e sem restrio nenhuma
de CE, ento a dureza da martensita no muito alta, porm admite certo nvel de
tenacidade e risco a ocorrncia de trincas quase improvvel, podendo ocorrer na
presena de uma porcentagem alta de hidrogeno dentro do cordo de solda.
Na zona II encontram-se aos de baixa liga, mas com um contedo de
carbono maior que 0,1 %, estes aos requerem alguns cuidados como temperatura
de preaquecimento apropriada e tratamentos trmicos aps a soldagem.
Na zona III, encontram se os aos com a maior dificuldade para realizar a
soldagem devido a seu alto teor de carbono e consequentemente alto CE, porm
eles tm uma alta tendncia de desenvolver trincas a frio. Para realizar soldas com
sucesso nestes aos deve-se ter um bom controle dos procedimentos de soldagem,
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por exemplo, nas temperaturas de preaquecimento e ps-soldagem, controle da
temperatura entre passes e os parmetros prprios de soldagem. Alguns aos
contendo Cr e Mo, aos de alta resistncia e baixa liga, e alguns aos produzidos
por processamento termomecnico encontram-se neste grupo.
Figura 5 Mapa de soldabilidade dos aos em funo do CE e do contedo e C [16].
2.3.2. Aporte de calor e ciclo trmico
No processo de soldagem por arco eltrico, a energia produzida no arco
utilizada como fonte de calor para executar a solda. O aporte de calor
desenvolvido pelo arco eltrico expresso em quilojoules por milmetro (KJ/mm),
sendo, portanto o parmetro que incide diretamente sobre o ciclo trmico, e pode
ser calculado pelo uso da seguinte frmula [17]:
Ev
IVH = eq. (3) Onde:
H, o Aporte de Calor (J/mm);
V, a voltagem (volts);
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I, a Corrente (amperes);
v, a velocidade de soldagem (mm/seg).
E, a eficincia do processo empregado (%)
O ciclo trmico aplicado num determinado ponto do material durante um
processo de soldagem caracterizado por um aquecimento at temperatura de
pico, seguido rapidamente de um resfriamento cuja taxa decresce com o tempo [18]. O ciclo trmico influi diretamente nas caractersticas microestruturais da
ZTA, isto nas taxas de aquecimento e esfriamento.
2.3.3. Zona afetada pelo calor
A soldagem afeta uma regio do metal de base adjacente poa de fuso, a
qual submetida a um rpido ciclo trmico de aquecimento e resfriamento o qual
pode vir a alterar a microestrutura e as propriedades mecnicas em relao zona
fundida e o metal de base no alterado, a essa regio d-se o nome de zona
termicamente afetada (ZTA) ou zona afetada pelo calor (ZAC) [19].
Figura 6 Diagrama esquemtico de vrias sub-zonas da ZTA de um ao com
0.15%C [19].
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Segundo Lundim [20] a extenso da ZTA depende da geometria da junta,
espessura da chapa, propriedades trmicas do material, temperatura de
preaquecimento e principalmente do processo e respectivos parmetros de
soldagem.
A ZTA facilmente visvel nos aos por meio de uma macrografia, sua
extenso vai desde a regio onde o ao atinge a temperatura de fuso at a
distncia na qual se atinge a temperatura crtica inferior a Ac1 (723 C).
A ZTA normalmente subdividida em quatro regies:
Regio de Gros Grosseiros (RGG), Esta regio atinge temperaturas de pico entre 1100C e 1400C produzindo um
crescimento de gro austentico, porm uma deteriorao da
tenacidade devido ao maior tamanho de gro. Dependendo da taxa
de resfriamento as fases observadas nesta regio incluem ferrita
poligonal, ferrita de Widmanstatten, ferrita baintica, e martensita
em ripas. Alm disso, as fases enriquecidas em carbono ou fases
secundrias podem transformar-se em perlita, carbonetos ou
constituinte AM. [21].
Regio de Gro Finos (RGF), Esta regio submetida a temperaturas mais baixas, no havendo crescimento de gro
austentico. A grande rea de contorno de gro tende a promover a
nucleao de ferrita, sendo que a austenita enriquecida
remanescente no centro do gro pode transformar-se em perlita. [21].
Regio Intercrtica (RI), Durante o resfriamento, a austenita enriquecida em carbono e mangans, poder transformar-se em uma
grande variedade de microestruturas como perlita, bainita superior,
martensita auto-revenida ou martensita de alto carbono, dependendo
da taxa de resfriamento T8/5. Regio Subcrtica (RS), Embora no parea ocorrer mudana nas
morfologias dos microconstituintes, o efeito combinado do
aquecimento e da tenso residual pode causar envelhecimentos
dinmicos, levando a uma fragilizao da estrutura.
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Tem-se verificado que a fragilidade da ZTA pode ocorrer nas RGG, RI e
RS, dependendo do tipo do ao e processo de soldagem. Caso a RI seja mais
frgil, torna-se difcil localizar a sua fragilidade, pois devido ao pequeno tamanho
de gro dessa regio difcil distingu-la da RS. Entretanto para os aos de
tubulaes, a RGG aquela que sempre tem apresentado a maior fragilidade
dentre as demais regies da ZTA [10].
2.3.3.1. Efeito de vrios passes de solda na ZTA
Na soldagem multipasse a situao mais complexa que a solda de um
nico passe, devido transformao parcial da microestrutura da ZTA inicial pelo
passe subseqente, isto cada cordo de solda tratado termicamente pelo cordo
seguinte, tendo como resultado uma ampla gama de microestruturas as quais
dependem da distncia que se encontra aquela regio at a zona fundida [14]. A
regio de gros grosseiros (RGG) dependendo de sua localizao experimenta um
ou mais ciclos trmicos, podendo passar a ser, dependendo da temperatura de
reaquecimento, regio de gros finos, regio intercrtica e regio subcrtica [22], na
figura 7 mostra-se o efeito das transformaes produzidas pela seqncia de
passes.
Figura 7 Regies da ZTA em soldas multipasse [19].
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O reaquecimento tambm refina a microestrutura nas partes adjacentes da
zona termicamente afetada. Koso et al [23] fizeram um estudo com um ao tipo
ARBL temperado e revenido, utilizando tcnicas de simulao de ciclos trmicos
e verificaram que a regio de gros grosseiros reaquecida inter-crticamente
apresentou ilhas de martensita indicando uma baixa tenacidade.
Uma regio crtica na qual a tenacidade desejvel o topo da solda, visto
que a ltima camada a ser depositada em uma solda multipasse pode no receber o
beneficiamento do tratamento da recristalizao. preciso um planejamento
cuidadoso do cordo final (ou dos cordes finais) para assegurar que ocorra o
refino dos gros onde for necessrio [17].
2.3.3.2. Efeito da Composio Qumica e dos parmetros de soldagem sobre a microestrutura do metal de solda
A microestrutura do metal de solda funo da taxa de resfriamento e da
composio qumica, desse modo, o procedimento de soldagem pode influenciar
de forma determinante a microestrutura obtida. Segundo Castello et al [24],
possvel obter microestruturas diferentes para um mesmo eletrodo, mudando a
posio de soldagem de vertical ascendente para vertical descendente, mantendo-
se os demais parmetros de soldagem fixos.
Segundo Siqueira et al [25], independentemente do tipo de processo de
soldagem, as propriedades mecnicas dos metais de solda esto diretamente
relacionadas a sua microestrutura, mais precisamente com os percentuais dos
diferentes tipos de microconstituintes presentes nesta regio da junta soldada. Os
principais microconstituintes de metais de solda de aos ferriticos so: a Ferrita
Acicular (FA), constitudo por gros extremamente finos, que associa uma alta
resistncia mecnica com boa tenacidade, a Ferrita Primaria (FP), de gros
relativamente grosseiros que pode ser nucleada nos contornos de gro da austenita
ou no seu interior e se caracteriza por possuir uma baixa dureza e resistncia
mecnica, e Ferrita com Segunda Fase (FS).
Um estudo feito por Dos Santos e Trevisan [26] em juntas de ao API 5L
X70 empregando arame tubular autoprotegido, mostraram que os cordes de solda
apresentaram uma solidificao caracterizada por gros colunares, tpica de
processos de soldagem por fuso. A decomposio da austenita primaria forma
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gros colunares grosseiros, delimitados nas bordas por ferrita em forma de veios
no contorno de gro, conhecida como Ferrita de Contorno de Gro (FCG).
Tambm mostraram que a composio principal intragranular formada por
Ferrita Acicular (FA), nucleada principalmente em incluses, caracterstica da
soldagem de aos de alta resistncia e baixa liga.
2.3.3.3. Formao do microconstituinte AM e sua influncia na tenacidade
O constituinte AM consiste de martensita de alto carbono e austenita retida,
e costuma aparecer durante a soldagem de aos de alta resistncia, sendo quase
impossvel eliminar sua formao especialmente quando o ao soldado com
altos aportes de calor. Sua formao tambm esta relacionada com a presena de
elementos de liga como C, Si, Mn, Mo, Ni, e com altas taxas de resfriamento aps
a soldagem [21].
Em soldas multipasse, ou seja, quando a ZTA de um primeiro passe sofre
um segundo ciclo trmico e a temperatura de pico menor que Ac1, a
microestrutura chega a ser a mesma do primeiro ciclo trmico.
Quando a temperatura de pico menor que Ac1 e Ac3, ou seja, provocar
uma nova regio intercrtica, o constituinte A-M forma-se preferencialmente ao
longo dos limites de gro da austenita, a qual foi transformada desde uma regio
rica em carbono, e foi re-austenizada durante o segundo ciclo trmico.
Quando a temperatura de pico do segundo ciclo trmico atinge temperaturas
superiores a Ac3, a austenita forma-se nas regies ricas em carbono, para logo o
carbono se difundir uniformemente na matriz. Durante o resfriamento, a austenita
se transforma em ferrita baintica e ferrita poligonal, com baixo contedo de
carbono, ficando uma austenita com alto contedo de carbono, a qual gerar o
constituinte AM. Estes fenmenos ocorrem na regio de gros finos e gros
grosseiros da ZTA [27].
A presena do microconstituinte AM (austenita martensita) na junta
soldada tambm traz algum efeito nas propriedades mecnicas da mesma; assim
Matsuda et al [28] simularam condies de resfriamento t8/5 para aos de alta resistncia e baixa liga, concluindo que um incremento da frao na percentagem
da rea de constituinte AM massivo (aprox. > 2,2%) reduz rapidamente a
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tenacidade. Estudos feitos por Ikawa et al [29] em aos ARBL e por Thompson e
Krauss [30], atribuem uma queda da tenacidade nos materiais estudados com o
aumento da frao volumtrica do microconstituinte AM.
2.4.Transferncia do metal de adio
A forma pela qual o metal de adio fundido transfere-se para a poa de
fuso influencia o nvel de respingos e fumos gerados, a capacidade de soldar fora
da posio plana, o formato do cordo e a prpria estabilidade do processo.
Na figura 8 se apresenta as diversas formas de transferncia do metal
proposto pelo IIW (Instituto Internacional de Soldagem).
Diversas formas de transferncia so observadas para os diferentes
processos e condies operacionais. O modo de transferncia de uma dada
condio de soldagem depende de fatores como os parmetros eltricos do arco, o
dimetro e composio do metal de adio, tipo e composio do meio de
proteo, comprimento do eletrodo, entre outros. A seguir so apresentados os
principais modos de transferncia do metal de solda [31].
Figura 8 Modos de transferncia de acordo com a classificao do IIW [31].
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2.5. Soldagem de tubulaes
Segundo Widgery [32], tem-se noticia de que a soldagem de tubulaes
iniciou-se em 1929 assumindo, porm caracterstica produtiva somente a partir de
1933 que foi aplicada em produo. A soldagem circunferencial de tubos
representa um papel fundamental na montagem de dutos. Entretanto, mesmo
considerando toda a experincia j adquirida, a tecnologia de soldagem de
tubulaes encontra-se em constante desenvolvimento, atualizando-se para
atender aos requisitos de soldabilidade de novos materiais e s crescentes
necessidades de aumento da produtividade.
Os principais processos utilizados na soldagem de tubulaes e aceitos pela
norma API 1104, so: processo SMAW (Shielded Metal Arc Welding), soldagem
com eletrodo revestido; processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), conhecido
como processo TIG; processo GMAW (Gas Metal Arc Welding), comumente
conhecido como soldagem MIG/MAG e o processo FCAW (Flux Cored Arc
Welding), que a soldagem com arame tubular.
O mtodo tradicional de soldagem circunferncial de tubos, utilizados
principalmente para a distribuio de gs e leo, realizada com o processo
SMAW utilizando eletrodos revestidos principalmente por sua versatilidade. No
entanto, com a adoo de aos de alta resistncia, a reduzida tenacidade e os
elevados teores de hidrognio no metal depositado por eletrodos revestidos
celulsicos, os quais podem chegar nveis de 50 ml/100g, torna este tipo de
consumvel pouco atraente, uma vez que esta combinao poder levar a
formao de trincas na zona termicamente afetada [24].
Porm, para reduzir estes problemas os pesquisadores esto desenvolvendo
novos processos de soldagem semi-automticos ou totalmente automticos com
arames tubulares de alma metlica ou no metlica. A tabela 2 apresenta uma
comparao entre os trs principais processos de soldagem que podem ser
empregados na montagem de dutos [33], e na qual pode-se observar que o processo
de soldagem com arame tubular possui custo menor de metal depositado e
eficincia intermediria entre os outros dois processos, alm de ofrerecer uma
fcil automao.
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Tabela 2 Comparao de 3 processos de soldagem empregados em tubulaes [33].
PARMETROS SMAW FCAW-S GMAW
do Consumvel (mm) 3.25 1.2 1.2
Fator de Operao % 25-35 45-55 45-55
Corrente (Amp) 120 210 125
Eficincia % 65 86 96
Polaridade DC + DC + DC +
Taxa de deposio (Kg/hr) 0.29 2.68 1.89
Classe AWS E7018 E71T-1 ER 70 S-6
Custo do consumvel (R/Kg) 6.60 9.0 5.94
Custo efetivo do consumvel (R/Kg) 10.15 10.47 6.06
Custo do gs (R/m3 ou R/kg) --- --- 12
Custo do metal depositado (R/kg) 91.03 14.17 18.10
Automao Difcil Fcil Fcil
Segundo Pereira da Costa [34] nas linhas dutoviaras em construo na China,
algumas com trmino previsto em 2005, o processo com arame tubular
autorotegido foi dominante nas maiores extenses, combinado com eletrodo
revestido para o passe de raiz. Foram aproximadamente 600.000 juntas em tubos
API X65 e X70 soldadas com arame aubular autoprotegido, algumas destas obras
utilizaram tubos API X80 soldadas tambm com arames tubulares. As altas taxas
de deposio, somadas a alimentao automtica, ausncia do gs de proteo e
eliminao do tempo utilizado para trocar do eletrodo, no caso de eletrodo
revestido, tm resultado em significativo aumento da produo e economia.
2.6. Processo de soldagem com eletrodo revestido
A soldagem a arco eltrico com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc
Welding SMAW), tambm conhecida como soldagem manual a arco eltrico, o
processo mais empregado entre os vrios processos de soldagem. A soldagem
realizada com o calor de um arco eltrico mantido entre a extremidade de um
eletrodo metlico revestido e a pea de trabalho. O calor produzido pelo arco
funde o metal (alma do eletrodo) e o revestimento [35]. O metal depositado por
meio das gotas ejetadas pelo metal fundido e recebe proteo, alm disso, uma
camada de escoria formada pela queima de alguns componentes do
revestimento, onde a escoria protege o metal de solda da atmosfera durante a
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solidificao [36]. As outras funes do revestimento so; proporcionar
estabilidade ao arco, controlar a forma do cordo de solda, adicionar elementos de
liga ao metal de solda, formar escoria como agente fluxante e direcionar o arco
eltrico.
O equipamento utilizado neste processo consiste de uma fonte de energia,
cabos de ligao, um porta-eletrodo, um grampo (conector de aterramento) e o
eletrodo consumvel. O suprimento de energia pode ser tanto corrente alternada
(transformadores), como corrente continua (geradores ou retificadores), com
eletrodo negativo (polaridade direta), ou corrente continua com eletrodo positivo
(polaridade inversa), dependendo das exigncias de servio, por exemplo:
Corrente continua Polaridade direta (CC-): eletrodo ligado ao plo negativo. Com essa configurao produz-se uma maior taxa de fuso do
eletrodo, associada a uma menor profundidade de penetrao.
Corrente Continua Polaridade inversa (CC+): eletrodo positivo e a pea negativa. Com essa configurao, maiores penetraes e menores taxas
de fuso do eletrodo so obtidas.
Corrente Alternada (CA): a polaridade alterna a cada inverso da corrente. Com este tipo de configurao, a geometria do cordo ser
intermediaria a aquela obtida em CC+ e CC- [37].
2.6.1. Vantagens e desvantagens do processo com eletrodo revestidos
So vrias as vantagens do processo de soldagem por eletrodos revestidos.
o processo de soldagem mais simples disponvel, e necessita apenas de uma fonte
de energia de corrente constante, dois cabos eltricos e o eletrodo. tambm o
processo de soldagem mais flexvel, no sentido que pode ser empregado em
qualquer posio de soldagem para quase todas as espessuras dos aos carbono.
As desvantagens so as baixas taxas de deposio em comparao a outros
processos, tornando-o menos eficiente. Alm disso, o uso de eletrodos revestidos
para aos carbono requer mais treinamento e habilidades dos soldadores do que os
processos de soldagem semi-automticos e automticos [37].
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2.7. Processo de soldagem com arame tubular
Arames tubulares com gs de proteo foram desenvolvidos no inicio da
dcada de 50, e tornaram-se comercialmente disponveis em 1957, j em 1972
foram desenvolvidos arames tubulares de pequeno dimetro, constitudos no seu
interior de um fluxo no metlico para a soldagem em todas as posies o que
tornou a aceitao para o emprego destes em aplicaes especificas na indstria [38]. O processo de soldagem com arame tubular (FCAW), um processo de
soldagem onde a coalescncia entre metais obtida atravs de arco eltrico entre o
eletrodo e a pea a ser soldada. A proteo do arco neste processo feita pelo
fluxo do arame podendo ser ou no, complementada por um gs de proteo.
Alm da funo de proteger o arco eltrico da contaminao pela atmosfera,
o fluxo interno do arame pode tambm atuar como desoxidante atravs da escria
formada, acrescentar elementos de liga ao metal de solda e estabilizar o arco. A
escria formada, alm de atuar metalurgicamente, protege a solda durante a
solidificao. Este processo combina as caractersticas do processo com eletrodo
revestido, o processo de arco submerso e o processo GMAW.
A tcnica de soldagem com arame tubular diferencia-se do processo GMAW
no tipo de eletrodo que como seu nome indica, neste caso, o arame tem um buraco
na sua seo recheio de um fluxo, o qual ao fundir-se pela ao do arco eltrico,
deposita o metal fundido protegido com uma fina capa de escria. Este fato lhe
permite compartilhar um alto ciclo de trabalho e taxa de deposio caracterstica
da soldagem GMAW. Por outro lado, atravs da soldagem com arame tubular,
possvel obter a alta versatilidade da soldagem com eletrodos revestidos no ajuste
de composio qumica e facilidade de trabalho em campo [39].
O Processo FCAW possibilita tambm a soldagem nas quatro posies. A
qualidade da solda produzida por este processo depende do tipo de eletrodo
utilizado, do mtodo (com proteo gasosa ou autoprotegido), das condies do
metal de base, do projeto da junta e do procedimento de soldagem.
Segundo Moura de Oliveira e Bracarense [40] o processo FCAW agrega trs
virtudes fundamentais do pensamento industrial moderno:
Produtividade relacionada utilizao de arames contnuos. Alta qualidade devido aos benefcios metalrgicos provenientes do fluxo
interno do arame.
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Baixos custos de soldagem. A soldagem FCAW possui duas variantes: o autoprotegido e com proteo
gasosa adicional. Ambos os mtodos formam escria que cobre e protege o metal
at solidificar, em ambos os casos tambm a proteo do arco pode suportar o
vento e os agentes atmosfricos com maior eficincia que outros processos com
proteo gasosa. A escolha do tipo de processo (autoprotegido ou com proteo
gasosa) depende das propriedades mecnicas desejadas, do tipo de arame
disponvel e do tipo junta. Geralmente utiliza-se o autoprotegido nas mesmas
aplicaes em que se optaria por utilizar a soldagem com eletrodo revestido, e o
processo com arame tubular com proteo gasosa, utiliza-se mais nas aplicaes
em que se utilizaria o processo MIG-MAG.
2.7.1. Processo de fabricao dos consumveis tubulares
No processo de fabricao de arames tubulares uma fita ou fio mquina
passa por um conjunto de rolos de conformao at sua seco transversal possuir
o perfil "U", a seguir o fluxo interno alimentado e outro conjunto de rolos de
conformao fecha sua seco. Posteriormente, o arame tem seu dimetro
reduzido at atingir a dimenso desejada. Esta reduo pode ser feita atravs de
trens de laminao ou trefilao. A figura 9 apresenta, esquematicamente, o
processo de fabricao de arames tubulares utilizando fita.
Figura 9 Processo de fabricao dos arames tubulares (esquematico) [38].
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2.7.2. Seces transversais dos arames
Os arames tubulares podem ter diferentes tipos de seo. As mais usuais so
com fechamento de topo e sobreposto (overlap), na figura 10 apresenta-se os tipos
de sees dos arames tubulares.
O percentual de fluxo no interior do arame pode variar de 15 a 50% do seu
peso. Este percentual vai depender, entre outros fatores, das funes a serem
desempenhadas pelo fluxo. Geralmente os arames que possuem fechamento por
sobreposio tm percentuais de fluxo variando entre 30% e 50%, e os que tem
fechamento por topo os percentuais de fluxo variam entre 18% e 33% dependendo
do dimetro do arame tubular, porm apresentam a parede metlica da fita mais
fina ofrecendo a vantagem de apresentar densidades de corrente maiores e
portanto maiores taxas de deposio [38].
Figura 10 Seces de arames tubulares [38].
Com relao composio do fluxo interno os arames podem ser bsicos,
rutlicos e com p metlico (metal cored). Os bsicos produzem soldas com
excelentes propriedades mecnicas e baixos teores de hidrognio, os rutlicos
proporcionam uma soldagem "suave" e um cordo com excelente aspecto visual e
os do tipo metal cored, que possuem alto percentual de p de ferro em sua
composio, proporcionam altas taxas de deposio e rendimento [41].
Os arames tubulares so praticamente imunes umidade e no requerem
nenhum tipo especial de armazenamento, este um fator especialmente
importante na soldagem no campo, onde o controle da umidade no lugar onde se
realiza a solda uma tarefa difcil. Soldas produzidas com arames tubulares
tirados diretamente do pacote possuem menor quantidade de hidrognio que os
eletrodos revestidos, mesmo que armazenados cuidadosamente.
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2.7.3. Funes dos componentes do fluxo
A composio do fluxo pode ser variada dependendo das aplicaes
especificas, de uma forma geral as funes dos componentes do fluxo so:
Desoxidante e formador de nitretos como o nitrognio e o oxignio podem causar porosidade e fragilidade, so adicionados desoxidantes
como o mangans e o silcio. No caso de arames tubulares
autoprotegidos, so adicionados formadores de nitretos como o
alumnio. Ambos auxiliam na purificao do metal de solda.
Formadores de escria compostos formadores de escria como xidos de clcio, potssio, silcio, ou sdio, so adicionados para
proteger a poa de fuso da atmosfera. A escria ajuda a melhorar o
perfil do cordo de solda, e escrias de rpida solidificao ajudam a
suportar a poa de fuso na soldagem fora de posio. A escria tambm
reduz a taxa de resfriamento, ao especialmente importante quando se
soldam aos de baixa liga.
Estabilizadores do arco elementos como o potssio e o sdio auxiliam na obteno de um arco suave e reduzem a quantidade de
respingos.
Elementos de liga elementos de liga como o molibdnio, cromo, carbono, mangans, nquel e vandio so empregados para aumentar a
resistncia, ductilidade, dureza e a tenacidade.
Geradores de gases minerais como a fluorita e o calcrio so normalmente usados para formar uma atmosfera protetora nos arames
tubulares autoprotegidos [40].
2.7.4. Modos de transferncia na soldagem com arame tubular
Neste processo, o fluxo fica localizado no interior da parte metlica do
arame. Sendo a parte metlica responsvel pela conduo da maior parte da
corrente eltrica at o arco, o qual ocorre externamente ao fluxo. Deste modo, as
condies para a fuso do fluxo so menos favorveis do que em outros processos
(eletrodo revestido e arco submerso).
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Arames com o ncleo de p metlico e que contm muito poucas adies
no metlicas (metal cored), comportam-se de forma similar aos arames no
tubulares. Contudo a presena, de adies capazes de estabilizar o arco,
possibilitam a operao com transferncia no repulsiva com eletrodo negativo.
Arames tubulares rutlicos operam normalmente a altas correntes com uma
transferncia spray projetada no axial. Arames tubulares bsicos operam com a
transferncia globular no axial para correntes elevadas e curto circuito para
menores correntes. Nos arames tubulares auto-protegidos, as transferncias por
curto circuito e globular repelida so tpicas. Na figura 11, apresenta-se de modo
esquemtico as formas de transferncia tpicas para cada tipo de arame tubular [31].
Figura 11 Formas tpicas de transferncia na soldagem com arames tubulares.
Arames: (a) metal cored (b) rutlico, (c) bsico e (d) auto-protegido [31].
2.7.5. Parmetros de soldagem do processo FCAW
A seguir so apresentados os principais parmetros de soldagem
empregando arame tubular.
2.7.5.1. Corrente de soldagem
A corrente de soldagem proporcional a velocidade de alimentao do
arame para um determinado dimetro, composio e extenso do eletrodo. Se as
outras variveis forem mantidas constantes, para um determinado dimetro de
eletrodo, o aumento da corrente de soldagem ir provocar: aumento da taxa de
deposio do eletrodo, aumento da penetrao e um cordo de solda convexo com
aparncia ruim para aumentos excessivos de corrente.
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Tm-se tambm registros da influncia da corrente, na quantidade de
hidrognio depositado num cordo de solda com arame tubular, como o
comprovaram De Souza Costa e Bracarense [42], eles determinaram que quanto
maior a corrente, maior o teor de hidrognio difusvel no metal de solda
depositado ocorrendo numa taxa de aproximadamente 70%, ou seja, a cada
aumento de 100% na corrente de soldagem, ocorrer um aumento em torno de
70% no teor de hidrognio no metal de solda.
Por outro lado, uma corrente insuficiente ir produzir transferncia do tipo
spray, respingos excessivos e porosidade no metal solda devido a absoro de
hidrognio (quando soldado com arame tubular autoprotegido).
Para uma velocidade de alimentao fixa, a corrente vai variar em funo do
comprimento do eletrodo, aumentado a extenso do eletrodo, a corrente de
soldagem tende a diminuir e vice-versa.
2.7.5.2. Tenso de soldagem
A tenso do arco e o seu comprimento esto diretamente relacionados. A
aparncia, penetrao e propriedades do cordo de solda obtido atravs do
processo FCAW podem ser afetadas pela tenso do arco. Altas tenses
(comprimento de arco maior) podem resultar em respingos excessivos e contorno
irregular do cordo de solda.
Em eletrodos autoprotegidos, o aumento da tenso pode provocar aumento
na absoro de hidrognio, em eletrodos de ao baixo carbono podem causar
porosidade. Tenses baixas (arco menor) resultaro em uma superfcie estreita,
excesso de respingos e reduo de penetrao.
Em muitas aplicaes, uma boa forma do cordo de solda obtida pelo uso
de tenses de arco elevadas sem causar porosidade [41].
2.7.5.3. Extenso do eletrodo
Chamado tambm de stickout descreve a distncia entre o bico de contato
da tocha e a pea. Um aumento na extenso do eletrodo tende a aumentar a
temperatura do eletrodo devido ao efeito Joule. A temperatura do eletrodo afetar
a taxa de deposio e a penetrao. Alm disso, um aumento da extenso do
eletrodo vai diminuir a corrente de soldagem e vice-versa.
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Uma extenso menor do eletrodo permite obter uma maior penetrao do
que com uma extenso maior. Os fabricantes recomendam a extenso de 19 a 38
mm para eletrodos com proteo gasosa e 19 a 95 mm com eletrodos
autoprotegidos, dependendo da aplicao [41].
2.7.5.4. Vazo do gs de proteo
Na soldagem com proteo gasosa, a vazo do gs uma varivel que afeta
diretamente na qualidade do metal depositado. Vazo inadequada propiciar
pouca proteo da poa de fuso e conseqentemente ocorrncia de poros e
oxidao. Vazo excessiva de gs resultar em turbulncia e aumento do metal
depositado.
A escolha correta da vazo do gs depender do tipo e dimetro do bocal da
tocha, distncia do bocal at a pea de trabalho e correntes de ar durante a
soldagem.
2.7.5.5. Velocidade de alimentao do arame
Se as outras variveis mencionadas foram mantidas constantes,
incrementando a velocidade de alimentao do arame, ir provocar que tambm se
incremente o metal fundido e, porm a taxa de deposio.
Uma velocidade excessiva de alimentao do arame produz cordes
convexos que resultam em aparncia de baixa qualidade e perda do metal de
solda, j uma baixa velocidade de alimentao do arame ir promover o tipo de
transferncia globular e pouca penetrao [41].
2.7.5.6. Velocidade de soldagem
A velocidade de soldagem influencia na penetrao e contorno do cordo,
para altas velocidades de soldagem a penetrao baixa. Excessivas velocidades
de soldagem incrementam a convexidade do cordo de solda e causa bordas
irregulares.
Baixas velocidades e altas correntes podem resultar na ocorrncia de
incluses de escria e fuso do metal de base. Murta et al [43] fizeram um estudo
em arames tubulares com proteo gasosa e mostraram que a velocidade de fuso
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funo da corrente de soldagem, porm a taxa de deposio tambm tem a
mesma influencia com respeito corrente, como mostrado na figura 12.
Figura 12 Efeito da Corrente de Soldagem na Velocidade de soldagem e na Taxa de
Deposio empregando FCAW-G (100%CO2) [43].
Nas consideraes anteriores se faz referncia taxa de deposio e a
eficincia, mas precisso observar que estas variveis mostram duas coisas
distintas: a taxa de deposio a quantidade de eletrodo (em peso) depositado por
unidade de tempo e depende de parmetros de soldagem como: dimetro do
eletrodo, composio, extenso do eletrodo e corrente de soldagem. No entanto a
eficincia a quantidade de metal depositado por quantidade de eletrodo
consumido.
2.8. Processo de soldagem FCAW auto-protegido
Neste processo a proteo obtida pelos ingredientes que compem o fluxo,
que se vaporizam e se deslocam para escria que cobre a poa para proteg-la
durante a soldagem.
O arame tubular emerge de um tubo guia eletricamente isolado e o contato
eltrico fica mais distante da extremidade do arame. Este tipo de processo
conhecido pelos seguintes nomes:
FCAW-S, self-shielded flux cored arc welding, arame tubular autoprotegido (ANSI/AWS A3.0).
Soldagem por arco com arame tubular sem proteo gasosa (UNE-EM ISSO 4063).
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Os arames tubulares autoprotegidos utilizam uma maior extenso de
eletrodo (stick-out) do que os arames tubulares com proteo gasosa. Essa
extenso varia de 19 a 95 mm, dependendo da aplicao. Aumentando a extenso
do eletrodo se aumenta a resistncia passagem de corrente por efeito Joule, este
preaqueciendo o eletrodo e diminuindo a tenso requerida do arco. Em alguns
casos a corrente de soldagem diminui e reduz o calor disponvel para fundir o
metal de base, resultando assim uma solda estreita e rasa. Grandes extenses de
eletrodos no podem ser igualmente aplicadas para os mtodos de proteo a gs,
por causa de efeitos desfavorveis na proteo [44].
Normalmente, o processo com eletrodo autoprotegido usado para
trabalhos em campo, porque eles permitem trabalhar com correntes de ar mais
intensas. Na figura 13 apresenta-se o esquema do processo de soldagem FCAW-S.
Figura 13 Soldagem com arame tubular autoprotegido [39].
As caractersticas de desenvolvimento deste processo incluem tambm
caractersticas operacionais tais como a posio de soldagem, taxa de deposio,
penetrao, camada de escria e respingos. A capacidade para soldar fora de
posio influenciada pelo tamanho da gota, volume de escria, dimetro do
eletrodo e tipo de corrente.
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Todos os arames tubulares autoprotegidos so capazes de realizar soldagem
na posio plana com uma alta taxa de deposio, obtendo-se soldas com muito
mais produtividade. Os dimetros de 1,6 mm e 2,0 mm so os mais comuns para a
soldagem fora de posio, embora o dimetro de 2,4 mm possa ser empregado em
alguns casos. Extenses de eletrodo entre 12,5 mm e 25 mm so as recomendadas
para esses arames. A composio do fluxo e a capacidade de transporte de
corrente do arame tm influncia na taxa de deposio. A camada de escoria
depende do fluxo do arame. O tipo de escoria produzida pode ser quebradia e
porosa ou densa e slida protegendo ao metal fundido dos contaminantes
atmosfricos no processo de solidificao.
Os eletrodos autoprotegidos que produzem um baixo volume de escria so
apropriados para soldagem vertical e sobre-cabea; tambm so ideais para a
soldagem de alta velocidade em chapas de ao onde a escria pode ser facilmente
removida. A quantidade de respingos e o tamanho deles variam com as
caractersticas do arco; os eletrodos que tm uma transferncia tipo spray
produzem respingos mais finos que aqueles que tm transferncia globular.As
caractersticas do arco eltrico no processo FCAW autoprotegido, so as
principais responsveis pela penetrao, algumas variaes do tipo de corrente e o
stick-out tambm podem afetar a penetrao.
2.8.1. Equipamento utilizado na soldagem FCAW autoprotegido
Para a soldagem com arame tubular autoprotegido pode-se utilizar o
equipamento de solda GMAW j que ambos processos so similares, uma
diferena no caso do processo FCAW autoprotegido destaca-se a ausncia do gs
de proteo.
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Figura 14 Equipamento para a soldagem com arame tubular [39].
O equipamento utilizado geralmente est composto conforme mostrado na
figura 14. O equipamento para a soldagem FCAW-G (com proteo gasosa)
similar, s que neste caso precisa de um gs protetor.
Algumas consideraes a serem feitas na operao e na seleo do
equipamento para a soldagem FCAW autoprotegido so:
Fontes de energia com corrente continua e tenso constante, so utilizadas geralmente para a soldagem semi-automtica FCAW e utiliza correntes
menores do que 600A. Equipamentos com ciclo de trabalho de no mnimo
60%, atendem perfeitamente a maioria das aplicaes e processos semi-
automaticos.
O alimentador do arame pode estar localizado perto da tocha quando soldamos com um processo automtico ou pode estar um pouco mais afastado quando se
solda com um processo semi-automatico.
Pistola de soldagem pode ser de dois tipos: para soldagem automtica e semi-automatica. Estas pistolas carregam o bocal por onde sai o arame, e que tem
influncia direta na extenso do eletrodo, na figura 15 apresenta-se um bocal
utilizado no processo de soldagem FCAW autoprotegido [41].
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Figura 15 Detalhe de um bico utilizado na soldagem com arame tubular autoprotegido [41].
2.8.2. Aplicaes da soldagem FCAW - autoprotegido
As principais aplicaes dos arames tubulares autoprotegidos so para
revestimento e recuperao de peas onde se desejam ligas com propriedades
especiais como resistncia ao desgaste. Este tipo de aplicao economicamente
interessante, pois aumenta significativamente a vida til de peas alm de permitir
sua recuperao quando desgastadas. Indstrias de construo pesada,
mineradoras e usinas de cana de acar so hoje os maiores clientes deste tipo de
aplicao.
Este tipo de processo tambm utilizado para soldar aos carbono de baixa
liga, e aos inoxidveis na construo de vasos de presso e tubulaes para a
indstria qumica, petrolfera e de gerao de energia. A soldagem robotizada
utilizando arames tubulares do tipo "metal cored" tambm um exemplo de
aplicao desenvolvida recentemente.
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2.9. Defeitos comuns na soldagem
A seguir sero mostrados alguns problemas que so ocasionados durante e
aps a soldagem de dutos, mostrando tambm as possveis solues para estes
impasses.
2.9.1. Trincamento a frio induzido pelo hidrognio
A fissurao por hidrognio, ou trinca a frio, so descontinuidades que
ocorrem algum tempo aps a soldagem, o que a torna extremamente crtica, sendo
ainda mais perigoso do que a trinca a quente, pois depende de procedimentos
especiais, como por exemplo, inspeo com ensaios no destrutivos (END) 48
horas aps a execuo da soldagem. Este tipo de defeito coloca a integridade de
peas, equipamentos e estruturas em risco de fratura catastrfica. s vezes o
aparecimento destas trincas pode demorar levando alguns dias aps a soldagem
para surgir, e podem possuir tamanhos abaixo do limite de deteco dos ensaios
no destrutivos adequados. Segundo Da Silva e Paranhos [45], as trincas a frio ou
fissurao a frio, normalmente aparecem na ZTA, podendo tambm ocorrer na
linha de fuso, sendo conseqncia da ao simultnea de quatro fatores:
Presena de Hidrognio dissolvido no metal fundido. Tenses residuais associadas soldagem. Microestruturas frgeis. Temperaturas abaixo de 150 C. As principais fontes de hidrognio em cordes depositados com arames
tubulares so: umidade e compostos hidrogenados presentes no fluxo, presena de
resduos, lubrificantes na superfcie do arame e condies atmosfricas imprprias
durante a soldagem. O hidrognio quimicamente ligado se dissocia em hidrognio
atmico sob a ao do calor do arco, o metal de solda fundido tem a capacidade de
dissolver o hidrognio atmico; no entanto, logo que o metal de solda se
solidifica, perde sua capacidade de manter o hidrognio em soluo, e este
expelido para a atmosfera ou se difunde para fora da regio do metal de solda e
atinge a ZTA que uma rea importante na soldagem, especialmente nos aos de
alta resistncia.
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A ZTA a regio da solda que no se funde durante a soldagem, porm
sofre mudanas microestruturais resultantes do calor induzido pela soldagem.
Essa regio pode se tornar um elo fraco em uma junta soldada que, em condies
normais, seria suficientemente resistente. Primeiramente, a estrutura granular da
ZTA no to refinada e, portanto, mais fraca que o metal de base circunvizinho
ou que o metal de solda com estrutura bruta de fuso. Em segundo lugar, se a
ZTA se resfriar muito rapidamente em determinados aos, pode-se formar
martensita. Giraldo e Chaves [46] indicam quando ocorre a transformao
martenstica da austenita enriquecida com hidrognio se idealizam as condies
para a formao de trincas a frio na ZTA de juntas soldadas em aos ferriticos.
Os aos carbono e os de mais baixa resistncia possuem plasticidade
suficiente para acomodar as tenses internas resultantes da presso do hidrognio
de forma que no causem trincas no ao. Por outro lado, aos que possuam alta
dureza e alta resistncia no apresentam plasticidade suficiente para acomodar as
tenses, e se houver muito hidrognio pode ocorrer fissurao.
As medidas para prevenir este tipo de defeitos so:
Manter os consumveis guardados em lugares adequados e secos nos ajudar ter uma atmosfera com menor teor de hidrognio possvel.
Evitar a formao de microestruturas frgeis, utilizando um preaquecimento.
Tentar promover a soldagem com o menor grau de restrio possvel, para evitar a ocorrncia de tenses residuais elevadas, pois estas
promovem deformaes plsticas do material, que por sua vez
aumentam o numero de discordncias, que so responsveis pelo
transporte do hidrognio. 2.9.2. Fissurao a quente
A fissurao a quente se produz quando o cordo de solda ainda esta numa
faixa de temperatura prxima temperatura de solidificao do metal fundido ou
ligeiramente por abaixo desta. A fissurao a quente est associada a mudanas de
volume durante a solidificao devido contrao que experimenta o metal
fundido durante a solidificao. Mas a fissurao a quente no esta s associada a
trocas de volume, tem sido demostrado que estes fenmenos esto ligados com a
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segregao (acumulao) de determinados elementos presentes no ao em
algumas regies do metal solidificado, assim quando o metal passa do estado
liquido para slido, alguns tomos so expulsos da rede cristalina para outra
regio que pode admiti-los, e para a zona do metal que ainda est no estado
liquido, isto permite que as interfaces metal-lquido se enriqueam de impurezas
(principalmente P e S), ou outros elementos (Ni, B, As, Sn, Ta e Cu), durante a
solidificao produzindo regies mais ricas em determinados elementos que
outras, como conseqncia as transformaes e a solidificao heterognea ocorre
no cordo de solda [47]. De todos esses elementos que favorecem a fissurao a
quente o S o mais perigoso, porque pode formar o composto Fe2S que funde a
988C. Uma forma de controlar a quantidade de S no ao adicionando Mn,
precisso uma relao Mn/S = 20 para inibir a fissurao a quente [48]. A fissurao
a quente do tipo intergranular, onde a fissura se propaga pelos contornos de
gros e pode ter uma orientao longitudinal ou transversal ao cordo de solda.
Para evitar que se produza este tipo de problema deve-se restringir o
contedo de impurezas especialmente P e S, tanto no metal de base como no metal
de solda. O procedimento de soldagem (tipo de corrente e a velocidade de
soldagem) no formato do cordo de solda, obtendo cordes mais grossos e menos
profundos ajuda a evitar este tipo de defeito.
2.9.3. Falta de penetrao
Resulta de uma tcnica de soldagem inadequada; soldagem rpida,
preparao inadequada da junta ou do material, corrente muito baixa, e eletrodo
com dimetro grande demais [49].
Na soldagem com arame tubular este defeito devido utilizao de
corrente muito baixa, extenso do eletrodo muito longa para a corrente aplicada e
velocidade de soldagem inconsistente ou incorreta. Para solucionar estes
problemas devemos aumentar a corrente, verificar a extenso do eletrodo e ajustar
a velocidade de soldagem para adequ-la penetrao.
2.9.4. Porosidade
De um modo geral causada pelo emprego de tcnicas incorretas (grande
comprimento do arco ou alta velocidade de soldagem), pela utilizao de metal de
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base sem limpeza adequada ou por eletrodo mido. A porosidade agrupada ocorre,
s vezes, na abertura e fechamento do arco. A tcnica de soldagem com um
pequeno passe na direo inversa, logo aps comear a operao de soldagem,
permite ao soldador refundir a rea de incio do passe, liberando o gs deste e
evitando assim este tipo de descontinuidade. Um estudo feito por Wei et al [50],
para avaliar a sensibilidade de formao de poros utilizando FCAW-S, concluiu
que a formao de poros est relacionada com o contedo de oxignio e
nitrognio sendo que a adio de alumnio e elementos terras raras ao fluxo do
arame podem reduzir a formao destes poros no metal de solda.
2.9.5. Incluses de escria
So provocadas pela manipulao inadequada do eletrodo e pela limpeza
deficiente entre passes. um problema previsvel, no caso de projeto inadequado
no que se refere ao acesso junta a ser soldada ou mesmo com pequenos ngulos
de bisel. Na soldagem com arame tubular as incluses de escria esto
relacionadas com uma alta velocidade de soldagem [38].
2.9.6. Falta de fuso
Resulta de uma tcnica de soldagem inadequada; soldagem rpida,
preparao inadequada da junta ou do material, corrente muito baixa.
Na soldagem com arame tubular a falta de fuso esta ligada transferncia
por curto-circuito, ou pode ser devida m manipulao da tocha, para resolver
isso deve-se verificar as especificaes recomendadas pelo fabricante [49].
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