Processo de fabricação de tubos

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

DBDPUC-Rio - Certificao Digital N 0321311/CA

20

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


21

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


22

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


23

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.


24

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].


25

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.


26

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


27

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.


28

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).


29

(%)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,


30

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);


31

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].


32

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.


33

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].


34

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


35

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


36

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].


37

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.


38

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


39

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].


40

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.


41

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].


42

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.


43

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).


44

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.


45

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.


46

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


47

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).


48

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.


49

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.


50

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].


51

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.


52

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.


53

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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Processo de fabricação de tubos