A soldagem por eletrogás permite a confecção de juntas de topo com grandes dimensões, na direção vertical ou com inclinação de até 45o em relação à posição vertical. O processo foi desenvolvido de forma independente e simultânea, no final dos anos 1950, no Instituto E.O. Paton para Soldagem Elétrica, na então União Soviética, e pelo Instituto de Tecnologia de Soldagem e União da Escola Superior Técnica RWTH Aachen (Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik – ISF der RWTH Aachen), na Alemanha. Nele, a poça de fusão, ao contrário do que ocorre no processo de soldagem por eletroescória, é produzida pelo arco voltaico e protegida da atmosfera exterior por uma cobertura de gás de proteção(1-4).

A figura 1 (pág. 44) mostra, por meio de sua seção transversal, o princípio do processo de soldagem por eletrogás usando dois moldes-sapata da junta (Nahtformschuhen). A poça de fusão é limitada nos dois lados pelos dois componentes a serem unidos, enquanto nos outros dois lados há moldes-sapata feitos de cobre e refrigerados a água, os quais deslizam sobre a parte superior da junta sob a velocidade de avanço do processo de soldagem. Quando não houver acesso pelos dois lados, pode-se substituir o molde-sapata posterior da junta por trilhos cerâmicos. A lança de soldagem, igualmente feita com cobre na maioria dos casos, encarrega-se de efetuar o

contato com a corrente elétrica, bem como o posicionamento do arco voltaico(1,2,5).

O processo convencional de soldagem por eletrogás consegue processar chapas com espessuras na faixa de 10 a 50 mm em uma posição. No caso de chapas com espessuras a partir de 20 mm é necessário efetuar oscilação do eletrodo em forma de fio. O processo viabiliza capacidades de fusão de até 12 kg/h; os eletrodos em forma de fio tipicamente usados apresentam diâmetros entre 1,6 mm e 3,2 mm(1,6,8).

A alta capacidade de fusão, a qual permite altas velocidades de soldagem, também constitui uma vantagem decisiva para o processo de soldagem por eletrogás em relação à maioria dos outros métodos utilizados para a confecção de juntas soldadas verticais. Por outro lado, uma desvantagem crítica é sua alta energia específica, o que pode fazer com que a temperatura nas proximidades da zona termicamente afetada (ZTA) ultrapasse a temperatura crítica de 1.100°C após longos tempos de permanência, o que pode afetar as propriedades mecânicas e tecnológicas dos componentes que estão sendo unidos, devido ao crescimento do tamanho de grão da microestrutura(1,9,10). Isso faz com que o emprego desse processo seja particularmente crítico no caso dos aços estruturais com tamanho de grão fino com resistência mecânica alta e ultra alta, cujas propriedades dependem muito da morfologia da microestrutura.

No passado foram desenvolvidos muitos esforços no sentido de reduzir o alto aporte de calor que ocorria na soldagem por eletrogás. Foi principalmente estudada a possibilidade de fundir material de adição suplementar na poça de fusão usando o calor excedente, conseguindo-se, assim, elevar a velocidade de soldagem. Contudo, essas abordagens tinham como objetivo lidar com as consequências, mas não com as reais causas por trás do alto nível de calor.

O objetivo dos estudos aqui descritos foi diminuir o aporte térmico por meio de modificações no processo a arco voltaico em si e, simultaneamente, assegurar a fusão dos flancos da união. O uso de um sistema de controle adequado e modificado para o deslocamento do duplo eletrodo em forma de fio possibilitou reduzir significativamente a quantidade de calor incidente sobre o metal-base. A chave para conseguir isso está no estabelecimento de um arco entre os dois eletrodos em forma de fio. Dessa forma, consegue-se fundir uma quantidade suficiente de material de adição e, simultanea-

 

mente, introduzir menos energia no metal-base. Isso possibilita a aplicação do processo de eletrogás também para os aços com alta e ultra alta resistência mecânica, permitindo uma significativa redução de custos ao processar esse grupo de materiais.

Materiais e equipamentos

O metal-base para os ensaios de soldagem aqui efetuados foi o aço estrutural de alta resistência S500M, na forma de chapas com espessura de 30 mm, processado por laminação controlada (termomecânica). Sua composição química está mostrada na tabela 1.

A norma técnica DIN EN 10025-4 informa as condições térmicas para o fornecimento de aços estruturais com grão fino processados por laminação termomecânica. Contudo, ela engloba apenas aços com limite de escoamento mínimo de 460 MPa, de forma que o aço S500A não está coberto por ela. Os dados para esse aço podem ser encontrados no catálogo de seu fabricante (Dillinger Hütte GmbH) e estão presentes na tabela 2. Alternativamente podem ser usados, como orientação, os valores das propriedades mecânicas e tecnológicas constantes da norma DIN EN 10025-6 (condições de fornecimento para aços estruturais de grão fino beneficiados, por exemplo, S500Q), ou conforme as diretrizes do Germanischen Lloyd (GL-D500) (tabela 2) (11).

Soldagem

Como material de adição a ser usado durante a soldagem, foi utilizado o eletrodo em forma de fio Megafil 240 M e Megafil 710 M, fabricados pela Drahtzug Stein, nos diâmetros de 1,6 e 1,2 mm; seus dados podem ser vistos na tabela 1 (pág. 43).

Os ensaios de soldagem foram feitos num equipamento para soldagem por eletrogás do tipo Vertomatic SG, fabricado pela empresa Arcos (figura 2). Como fonte de potência para o processo de soldagem foram usadas uma ou duas fontes modelo TPS 450, fabricadas pela Fronius, conforme a variante de circuito utilizada no ensaio.

Redução do aporte de energia específica durante a soldagem por meio do uso da tecnologia modificada com dois eletrodos em forma de fio

A redução do aporte de calor no metal-base por meio da técnica modificada usando dois eletrodos em forma de fio foi conseguida pela utilização de duas diferentes variantes de circuito, conforme será discutido a seguir. A variante #1, mostrada na figura 3 (pág. 46), trabalha com uma ligação em série entre os dois eletrodos em forma de fio, de forma similar ao arranjo em série dos arcos na soldagem com arco submerso em pó. Devido a essa alteração, o arco ocorre de forma diferente em relação ao que é normalmente observado, não entre o eletrodo e a poça de fusão, mas sim entre ambos os eletrodos em forma de fio. Dessa forma, se impede a queima direta do arco sobre a

Fig. 1 – Princípio do processo de soldagem por eletrogás

 

poça de fusão e o aporte de calor no metal-base ocorre apenas de forma indireta, fazendo com que ele seja significativamente reduzido.

Como mostraram os testes efetuados com a variante de circuito #1, ela reduziu o aporte de calor no metal-base a tal ponto que os flancos do cordão não apresentaram fusão em grau suficiente,

Fig. 2 – Equipamento para soldagem por eletrogás Vertomatic 5G, fabricado pela empresa Arcos.

originando defeitos na junta soldada, os quais, em alguns casos, se estenderam ao longo de todo o comprimento da união. Portanto, essa variante de circuito se mostrou inviável para o processo de soldagem por eletrogás e não mais foi considerada.

Resultados nitidamente melhores foram conseguidos com a segunda variante de circuito a qual, além do arco principal entre os dois eletrodos em fio (arco não transferido), gera um arco adicional entre o eletrodo em fio #1 e a peça sob processamento (arco transferido). Nesse caso, é necessário usar a segunda fonte de potência (figura 4, pág. 46). Todos os estudos descritos a seguir foram efetuados usando-se a segunda variante de circuito.

Antes de implantar esse circuito no processo original de soldagem por eletrogás foram determinados os parâmetros para o projeto de uma lança de soldagem adaptada, mostrada na figura 5 (pág. 46), por meio de estudos preliminares efetuados com soldagem na posição PA e com auxílio de duas tochas separadas para soldagem a arco sob gás de proteção. Foi então constatado que o ideal é que os dois eletrodos em forma de fio sejam dispostos formando um ângulo de 30° entre si. Os melhores resultados de soldagem foram obtidos com uma combinação de eletrodos em forma de fio, na qual o correspondente ao polo positivo tinha diâmetro de 1,6 mm e o correspondente ao polo negativo tinha diâmetro de 1,2 mm.

Soldagem

Fig. 3 – Variante de circuito #1

Fig. 4 – Variante de circuito #2

 

Devido à utilização de dois arcos foram também definidos dois diferentes níveis de energia específica para a soldagem usando a variante de circuito #2: a energia específica para a soldagem do arco transferido (arco adicional) considera a corrente que está sendo conduzida através da peça que está sendo processada, enquanto a energia específica para a soldagem do arco não transferido (arco principal) considera a corrente que flui através dos dois eletrodos em forma de fio. A princípio, só a ener-

Fig. 5 – Novo projeto da lança de soldagem para o processo modificado que usa dois eletrodos em forma de fio

 

gia específica para a soldagem do arco transferido é relevante para aquecer o metal-base. Por meio da adequação da velocidade de avanço do eletrodo em forma de fio e de outros parâmetros de processo foi possível alterar as energias específicas para a soldagem tanto do arco transferido como do não transferido, sem alterar a capacidade de fusão, e de forma a atender aos requisitos necessários (mais ou menos aporte de energia no metal-base). Uma vez que o arco transferido define fun-

Fig. 6 – Comparação entre seções transversais de uma junta confeccionada pelo processo de soldagem com um único eletrodo em forma de fio e outra feita pelo processo com dois eletrodos em forma de fio usando a variante de circuito #2, ambas com níveis comparáveis de energia específica de soldagem. À esquerda: soldagem com um único eletrodo em forma de fio, energia específica de soldagem de 159,2 kJ/cm; à direita: soldagem com dois eletrodos em forma de fio, energia específica de soldagem de 165,2 kJ/cm, dos quais 77,3 kJ/cm relativos ao arco transferido.

damentalmente as condições de fusão do metal-base, consegue-se desta forma uma ampla separação entre o aporte direto de energia no metal-base e no metal de adição.

Análises metalográficas permitiram constatar que a utilização da variante de circuito #2 levou a uma redução da zona termicamente afetada de aproximadamente 15% em comparação com a soldagem convencional usando um eletrodo em forma de fio, muito embora a energia específica global para a soldagem (valor total resultante da soma das contribuições dos arcos transferido e não transferido) tenha mantido nível similar (figura 6). Por outro lado, deve-se considerar que, no caso da soldagem com um único eletrodo em forma de fio, deve-se utilizar outro tipo de preparação para a junta soldada, de forma a garantir a obtenção de uma união soldada isenta de defeitos. É possível ainda conseguir, sem maiores problemas, uma redução ainda maior do aporte de calor a ser aplicado no metal-base ao se usar a variante com dois eletrodos em forma de fio, mas novamente ocorrendo eventuais defeitos na junta.

Ao efetuar uma comparação entre as superfícies das zonas termicamente afetadas produzidas pelo processo de soldagem com um único eletrodo em forma de fio e pelo processo usando a variante de circuito #2 (figura 7, pág. 48), pode-se constatar que ocorreu uma relação linear entre elas e a energia específica para a soldagem correspondente ao arco transferido ou a relativa ao processo com um único eletrodo em forma de fio. A energia correspondente ao arco não transferido entre os eletrodos

Soldagem

em forma de fio pouco contribui para o aquecimento do metal-base, conforme já foi comentado anteriormente. Isso significa que a relação “energia específica (efetiva) para soldagem – tamanho da zona termicamente afetada” permaneceu basicamente a mesma ao se usar o novo circuito, muito embora a energia específica mínima que se faz necessária para obter uma junta soldada com boa qualidade (com influência mínima exercida pelo calor sobre o metal-base) tenha caído em relação ao circuito original, uma vez que no novo processo a fração correspondente de metal de adição já venha fundida pelo arco que se estabeleceu entre os dois eletrodos em forma de fio.

Aumento da tenacidade devido à redução da energia específica para a soldagem

Os estudos sobre a redução da energia específica para soldagem mostraram que é possível conseguir uma diminuição do aporte de calor pela utilização da tecnologia modificada com dois eletrodos em forma de fio. Contudo, um fator decisivo para a qualidade da junta soldada não é somente a diminuição da zona termicamente afetada, mas, principalmente, a elevação da tenacidade da união.

Ensaios comparativos entre a soldagem com um único eletrodo em forma de fio e a versão modificada com dois eletrodos em forma de fio, aplicada ao aço estrutural de grão fino S500M

com alta resistência, comprovaram uma significativa melhoria na tenacidade a partir de ensaios efetuados sob temperatura de 0oC na região da interface entre o

Fig. 7 – Dependência da área superficial da zona termicamente afetada em relação à energia específica de soldagem (processo com um único eletrodo em forma de fio: energia específica global de soldagem; processo com dois eletrodos em forma de fio: energia específica de soldagem relativa ao arco transferido).

 

metal fundido e o metal-base, em que ela é considerada como sendo particularmente crítica (figura 8). Nesta região a junta atende aos requisitos de soldagem específicos para o aço GL-D500 conforme a diretriz do Germanischen Lloyd(11). Os locais a partir de onde os corpos de prova para o ensaio de impacto foram extraídos podem ser vistos na figura 9 (pág. 50).

É notável a forte queda da tenacidade na região de metal fundido da junta soldada. Isso se deve à falta de elementos que promovam a nucleação de grãos refina-

Fig. 8 – Comparação entre a energia absorvida no ensaio de impacto pelas juntas confeccionadas pelo processo com um único eletrodo em forma de fio e pelo processo com dois eletrodos em fio. Metal-base, S500M; temperatura do ensaio, 0°C; eletrodo convencional sem elementos para nucleação de grãos finos.

 

dos na poça de fusão, uma vez que esses elementos não foram transferidos a partir do metal-base para o metal fundido. Uma vez que o metal de adição original para a soldagem por eletrogás igualmente contém teores muito baixos desses elementos nucleantes, a microestrutura do metal solidificado no cordão de solda apresentou grãos grosseiros, reduzindo a tenacidade da junta soldada. Por meio da utilização de metais de adição adequados, os quais foram especialmente fabricados pela empresa Drahzug Stein para este estudo sobre soldagem, os valores de tenacidade na região de metal fundido na junta soldada foram consideravelmente melhorados, permitindo a obtenção de níveis muito bons de tenacidade nas três regiões da junta soldada (metal fundido, interface entre o metal fundido e o metal-base, zona termicamente afetada), mesmo quando o ensaio foi efetuado sob temperatura de -20°C, conforme mostra a figura 10 (pág. 50). Todos os corpos de prova ensaiados aten-

Fig. 9 – Representação esquemática dos locais de onde foram extraídos os corpos de prova para os ensaios de impacto e a localização de seu entalhe para as várias regiões da junta soldada(11).

 

Fig. 10 – Energia absorvida no ensaio de impacto de juntas confeccionadas pelo processo modificado usando dois eletrodos em forma de fio. Temperatura do ensaio, -20°C; metal-base, S500M; eletrodo especial contendo elementos para nucleação de grãos finos.

 

deram tanto aos requisitos técnicos gerais especificados para as juntas soldadas na construção naval para os aços estruturais com grão refinado de alta resistência, bem como os impostos pela norma técnica DIN EN 10026-6.

Conclusões

Este trabalho mostrou que é possível melhorar as propriedades das juntas confeccionadas pelo processo de soldagem por eletrogás em aços com alta e ultra alta resistência mecânica por meio do emprego de circuito modificado com dois eletrodos em forma de fio que foi desenvolvido dentro deste projeto de pesquisa. A razão por trás dessa melhoria é a redução da energia específica efetiva para soldagem, por meio da qual foi diminuído o aporte de calor no metal-base. Por meio de uma seleção adequada do metal de adição pode-se elevar a tenacidade do aço de alta resistência S500M medida sob temperatura de -20°C, atendendo aos requisitos gerais impostos pela indústria naval e pela norma técnica DIN EN 10026-6.

Agradecimentos

O projeto 16.172 N/DVS-Nummer 03.093 da Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem (Deutscher Verband für Schweißen, DVS), sediada em Düsseldorf, Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF) dentro do programa para promoção das atividades cooperativas industriais de pesquisa e desenvolvimento (Industriellen Gemeins-chaftsforschung und Entwicklung, IGF) do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bun-desministerium für Wirtschaft und Technologie, BMWi) com base em uma decisão da Casa Baixa do Parlamento Federal Alemão. Os autores agradecem ao apoio proporcionado por essas instituições.

O Instituto de Tecnologia de Soldagem e União da Escola Superior Técnica RWTH Aachen (Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik – ISF der RWTH Aachen) agradece às empresas participantes do grupo de trabalho que participou deste projeto, como a Butzbacher Weichenbau,

Conferdo, Dillingen Hütte, Drahtzug Stein, ESAB, Flensburger Schiffbau-Gesellschaft, Gronemeyer & Banck, Mecos Ingenieur Büro, MJH Janβen + von Hehl, SMS Meer, SMS Siemag, Thyssen Krupp Metallurgie e Weltron, por seu apoio durante e após o período de execução deste projeto.

 

Referências

 

1. Dilthey, U. Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlim, 2006.

2. Engindeniz, E. Beitrag zur Leistungssteigerung des Elektrogas-Schweißens bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung der Schweißverbindungen. Diss., TH Aachen, 1983.

3. N. N. The electrogas welding process. Wdg. J. 84. 2005. H. 2. p. 54.

4. Krieweth, W. das elektrische Vertical-CO2 – Schweißen mit zwangsweiser Schweißnahtbegrenzung. Diss. TH Aachen, 1960.

5. Dilthey, U. u. a. Optierung der Technologie und Schweiβnahtqualität beim EG-Engspalschweiβen mit bandförmigem Zusatzwerkstoff für senkrechte Schweiβpositionen. Froschung der Praxis, Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, 1991.

6. H chmoller, L.; Engel, D. Elektrogasschweißen in der schiffbaulichen Fertigung. Tagungsbd. 7. Sondertagung Schweißen im Ingenieurbau und Schffbau. Hamburg, 2006. p. 47-56.

7. Sasaki, K.; u. a. Development of two-electrode electrogas arc welding process. Nippon Steel Technical Report. 2004. n. 90. p. 67-74.

8. Wietrzniok, H. Beitrag zur Weiterentwicklung des Metallschutzgas-Engspalt-Schweißens in senkrechter Zwagposition. Diss. TH Aachen. 1992. Schweißtechnische Forschungsberichte Bd. 46. DVS Media, Düsseldorf, 1992.

9. Berger, H.; Probs t, R. Metallurgische Untersuchungen zum Elektrogasschweißen. Schweisstechnik, Berlim, 19. 1969. n. 7 . p. 289-296.

10. Bae, S.; u. a. A study on the electro gas welding with na additional solid wire. Wdg. in the World 53. 2009. p. 437-442.

11. N. N. Werkstoffe und Schweißtechnik – Schweißen – Gestaltung, Herstellung und Prünfung der Schweißverbindungen – Mechanische und technologische Prünfung. Richtlinie des Germanischen Lloyd, Kapitel II-3-2- Abschnitt 5. Hamburg, 1999.