Soldagem sob campo magnético permite o uso de pinos de

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Corte & Conformação de Metais – Junho 2015
Processo
Soldagem sob campo
magnético permite o
uso de pinos de maior
diâmetro
Na soldagem de pinos sob campo magnético com simetria radial, o arco voltaico
é protegido das influências externas por meio da combinação da atmosfera
formada pelo gás de proteção e de um campo magnético com simetria radial. O
resultado disso são menores custos de processo devido à maior reprodutibilidade
dos níveis de qualidade da junta soldada, sem os problemas causados pelo
sopro magnético. Na prática isso significa a ocorrência de fusão muito
uniforme e definida na região entre o pino e a chapa, sob aporte de energia
significativamente menor na junta soldada, menor geração de salpicos e menores
cordões de solda.
H. Cramer, A. Jenicek, M. Müller, G. Forster, K. Hartz-Behrend, J. Schein e H. Soyer
N
a soldagem de pinos sob campo magnético com simetria
radial, devido à combinação decorrente da presença desse campo e da atmosfera adequada formada pelo gás
de proteção, o arco voltaico na região
do ponto de solda é protegido contra
influências externas – por exemplo, do
fluxo de corrente unilateral na chapa.
Sem essa proteção adicional, frequentemente o arco sofre perturbações
decorrentes dos efeitos do sopro
magnético. Isso leva a consequências
significativas no caso da soldagem a
arco de pinos suspensos: pode ocorrer
a formação incompleta do cordão de
solda ou de ranhuras. Isso faz com que
o usuário tenha de investir mais esforços na monitoração do processo de
manufatura, além de ter de atender
normalmente aos requisitos dos testes
de controle de produção ou de processo, conforme a norma técnica DIN EN
ISO 14.555.
O novo processo de soldagem de
pinos sob campo magnético com simetria radial poderá fazer uma importante
contribuição à redução dos custos associados à soldagem a arco de pinos pelo
aumento da consistência da qualidade
das juntas soldadas, essencialmente
devido à supressão dos problemas associados ao sopro magnético. Portanto,
uma característica específica desse
novo processo é a fusão extremamente uniforme e definida na interface
entre pino e chapa, sob um aporte
de energia significativamente menor
da junta soldada, menor formação de
salpicos e cordões menores.
Transferindo as vantagens
para pinos com maior
diâmetro
A soldagem a arco de pinos com ajuda
da tecnologia do campo magnético
com simetria radial foi testada pela
primeira vez sob condições práticas
em 2005, sendo usados pinos com
diâmetro de até 10 mm feitos com
Heidi Cramer ([email protected]), Andreas Jenicek ([email protected]) e Marc Müller ([email protected]) atuam no Instituto Técnico de Ensino e Ensaios
de Soldagem de Munique, uma divisão da Associação Internacional de Tecnologia de Soldagem (GSI Gesellschaft für Schweiβtechnik International MbH, Niederlassung SLV Schweiβtechnische Lehr-und Versuchsanstalt GmbH München). Günter Foster ([email protected]), Karsten Hartz-Behrend ([email protected]) e Jochen
Schein ([email protected]) são da Universidade das Forças Armadas Alemãs em Munique (Universität der Bundeswehr München), localizada em Neubiberg. Heinz Soyer
([email protected]) trabalha na Heinz Soyer Bolzenschweiβentechnik GmbH, com sede em Wörthsee-Etterschlag. Todas as entidades estão localizadas na Alemanha. Este
artigo foi publicado originalmente na edição 06/2014 do periódico alemão Der Praktiker, editado pela Associação Alemã de Soldagem (DVS). Copyright by DVS-Verlag. Direitos
para o português adquiridos por Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni.
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conseguir um deslocamento
aço ligado. Em 2009, a emuniforme do arco sobre a
presa Heinz Soyer Bolzenseção transversal oca, de
schweiβtechnik GmbH, com
forma similar ao que ocorre
sede em Wörthsee, Alemana soldagem sob pressão
nha, apresentou essa técnica
com arco deslocado magao público internacional por Fig. 1 – Soldagem de buchas e porcas com auxílio de campo
ocasião da feira Schweiβen & magnético sob deslocamento uniforme do arco em seção transversal neticamente (figura 1). Os
anular vazada: junta soldada em bucha de aço ligado com cordão
processos de soldagem de
Schneiden, em Essen, Alema- apresentando bom aspecto (parte superior); um campo magnético
nha. Verificou-se, então, uma envolve o ponto de solda e atua em conjunto com o gás de proteção buchas ou de porcas (2,3) usam
ressonância extremamente para movimentar o arco (parte inferior).
um dispositivo adicional que
positiva a partir dos resultados
gera o campo magnético e a
de energia relativamente menor e
obtidos pela aplicação da soldagem
cobertura de gás de proteção, o qual
da penetração geometricamente
sob campo magnético com simetria
já se encontra disponível no mercado
pequena, mas muito uniforme, para
radial usando-se simultaneamente os
há anos. A blindagem do ponto de
pinos com dimensões M12 e M16.
pinos de soldagem especiais do tipo
solda por meio de campo magnético
Também para pinos desse porte é
HZ1, patenteados e fabricados pela
para evitar desvios não intencionais
possível confeccionar juntas soldadas
Soyer. Contudo, naquele momento
do arco é um recurso igualmente cocom bom aspecto estético, as quais
ainda não haviam sido feitas experiênnhecido há vários anos, mas somente
não requerem acabamento posterior
cias práticas com pinos apresentando
era usado em casos isolados – por
devido à ocorrência de cordões com
diâmetro superior a 10 mm. Surgiram
exemplo, em aços ligados.
aspecto defeituoso ou da geração
consultas sobre a aplicabilidade do
O processo de soldagem sob camde salpicos. A determinação dos
novo processo, sobretudo no caso de
po magnético com simetria radial é
parâmetros relevantes e a otimização
pinos com maiores diâmetros, bem
uma expansão da soldagem a arco
das condições de soldagem e de seus
como em posições restritas, da parte
de pino suspenso usada em aços
limites foram feitos no âmbito de
da indústria e do Instituto Técnico
comuns, ligados e não ligados, adeum projeto de pesquisa promovido
de Ensino e Ensaios de Soldagem de
quados para a soldagem de pinos.
pela Fundação Bávara de Pesquisa
Munique (Schweiβtechnische LehrA preservação da poça de fusão é
(Bayerischen Forschungsstiftung),
und Versuchsanstalt München GmbH,
feita usando-se gases de proteção
com sede em Munique, Alemanha.
SLV), bem como de fabricantes de
comercialmente disponíveis (argônio
A utilidade da tecnologia do cammáquinas.
puro ou misturas gasosas com gás
po magnético com simetria radial foi
Nesse meio tempo, os desenvolcarbônico) em combinação com a
descoberta por acaso em 2005. Anvimentos adicionais feitos na técnica
influência magnética do arco voltaiteriormente, já eram usados campos
de soldagem sob campo magnético
co. Não é necessário o uso de anel
magnéticos nos processos de soldacom simetria radial objetivaram
cerâmico. O processo de soldagem
gem de pinos, principalmente para
transferir as vantagens do aporte
sob campo magnético com simetria
radial apresenta as seguintes características particulares:
a) alta qualidade da junta soldada,
cujo cordão apresenta superfície lisa, baixa profundidade de
queima e alta capacidade para
suportar cargas mecânicas;
b) processo de soldagem com baixo efeito de sopro;
c) alta reprodutibilidade;
d) baixo aporte de energia, com
a consequente minimização
da distorção dos componentes
soldados;
Fig. 2 – Evolução do processo durante a soldagem com campo magnético apresentando simetria
e) todas as posições de soldagem são
radial, na forma de uma variante da soldagem a arco de pinos suspensos: a influência magnética
possíveis (soldagem em posição
sobre o arco leva a uma fusão uniforme de toda a superfície frontal e também em toda a seção
plana, em parede vertical, no teto).
transversal, podendo-se constatar efeitos de rotação durante a fase de corrente principal.
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Processo
No caso dos pinos das dimensões
M12 e M16, após o estabelecimento
das condições adequadas de gás
de proteção-campo magnéticodispositivo para metal de adição
para o processo de soldagem, são
conseguidos pinos soldados com
alta capacidade para suportar cargas
mecânicas, os quais atendem aos
requisitos atuais das normas DIN EN
ISO 14555 em termos de solicitações
de dobramento e tração, bem como
do formato de queima.
Os equipamentos
adicionais requeridos
são simples
A figura 2 (pág. 27) mostra a sequência
de etapas da soldagem sob campo
magnético com simetria radial como
uma variante do processo de soldagem
a arco de pino suspenso. Com exceção
do dispositivo de controle do campo
magnético com simetria radial, esse
novo processo corresponde exatamente à soldagem a arco de pino suspenso
sob gás de proteção. O campo magnético adicional é ativado antes do início
da fase da corrente principal, o qual
influencia a seguir o arco, em termos da
capacidade de deslocamento do ponto
de abertura do arco entre pino e chapa
por meio de toda a seção transversal.
Toda a superfície central do pino se fundirá uniformemente sob períodos de
tempo mais curtos que os observados
nos processos atualmente conhecidos
de soldagem de pino suspenso. Constata-se nessa fase uma rotação parcial
do arco ao redor do eixo do pino
sob valores crescentes de raio de
rotação.
Os equipamentos adicionais
necessários para executar a soldagem a arco de pinos sob campo
magnético com simetria radial
são muito simples. Conforme o
diâmetro do pino, emprega-se
a pistola de soldagem PH-3N
para o pino M12 ou PH4L para o
pino M16; ambas se encontram
Fig. 3 – Dispositivos adicionais
com diferentes conceitos de
evacuação para geração de
campo magnético e cobertura
de gás de proteção: a) tamanho
pequeno, até pino M12;
b) dispositivo maior, para a
soldagem de pinos até M16, com
alteração na direção do fluxo de gás.
comercialmente
disponíveis. Ambas já se encontram
dotadas de um dispositivo otimizado
para soldagem sob gás de proteção e
campo magnético com simetria radial,
conforme mostrado na figura 3. No
caso dos pinos do tipo M12, encontrase disponível uma versão compacta
do dispositivo (figura 3a), o qual é
pouco maior que o dispositivo comum
para gás de proteção. Já para os pinos
do tipo M16, com maior tamanho, o
dispositivo mostrado na figura 3b foi
expandido de forma correspondente,
uma vez que foram alterados a direção
do fluxo de gás e o conceito de evacuação. O controle do campo magnético
ocorre por meio da fonte inversora de
corrente “BMK-16i” (até o pino M12)
ou “BMK-30i” (atualmente até o pino
M16), fabricadas pela Heinz Soyer Bolzenschweiβtechnik, por meio de um
módulo adicional para soldagem sob
campo magnético com simetria radial.
Essas fontes de inversão de corrente
são particularmente adequadas para a
soldagem de pinos usando a técnica do
campo magnético com simetria radial.
A execução da soldagem sob campo magnético com simetria radial não
requer treinamento específico dos
operadores. Os parâmetros para a
soldagem de pinos são, a princípio,
os usuais aplicados nas pistolas e cabeçotes de soldagem, bem como nas
fontes de corrente. A única diferença
é a aplicação de corrente para gerar o
campo magnético com simetria radial,
cuja intensidade apresenta ordem de
grandeza de até 1,5 A, dependendo
da bobina magnética.
A figura 4 mostra um dispositivo
adaptado para geração de campo
magnético-atmosfera de proteção
no suporte de apoio da pistola de
soldagem PH4-L, o qual é dotado de
conexão elétrica adicional que alimenta a bobina magnética. A princípio
essa abordagem também é possível
ao usar o cabeçote de soldagem, o
qual se mantém estacionário durante
o processo. Pode ser usado como gás
de proteção ou argônio puro ou, sobretudo, misturas gasosas contendo 2,
5, 10 ou 18% de gás carbônico. Ficou
claramente comprovado que a mistura
gasosa constituída de argônio mais
10% de gás carbônico atende a rígidos
requisitos da junta soldada produzida
sob ação do campo magnético com
simetria radial, em termos da aparência
do cordão de solda e da sua capacidade
para suportar carga mecânica.
Resultados similares na
soldagem de pinos dos
tipos M12 e M16
Resultados para pinos M12
Os efeitos proporcionados pelo arco
alterado durante a soldagem de
pinos sob campo magnético com
simetria radial mostraram-se particularmente pronunciados na
geometria de queima. A fusão
Fig. 4 – Pistola para
soldagem sob campo
muito uniforme obtida com
magnético com simetria
o novo processo foi similar à
radial de pinos M16 – a
obtida na variante do processo
conexão do dispositivo
para geração de campo
de soldagem de pinos na qual
magnético/gás de
o arco se forma entre a chapa
proteção na coluna de
e a ponta do pino, caso em
apoio das pistolas e
cabeçotes de soldagem
que a chapa apresenta pequepode ser feita de forma
na profundidade de queima
simples também em
após a execução do processo.
trabalhos estacionários.
A capacidade para suportar
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Processo
de pino suspenso mostradas na figura 6. Para essa comparação foram
confeccionadas juntas pelo processo
de soldagem de pinos com anel cerâmico aplicando-se energia de aproximadamente 6 kJ, soldagem de pinos
sob gás de proteção com energia de
aproximadamente 5 kJ e soldagem
de pinos sob campo magnético com
simetria radial com energia de aproximadamente 4 kJ. Em contraposição
ao que ocorreu nas juntas soldadas
sob campo magnético com simetria
radial, nas juntas confeccionadas por
meio da soldagem de pinos com anel
cerâmico ou sob gás de proteção, em
que se aplicou a energia mínima de
soldagem de 4 kJ, frequentemente
a falha ocorreu na zona de solda.
Tal “conceito de baixa energia” da
soldagem sob campo magnético com
simetria radial ficou caracterizado,
de forma muito particular, por apresentar cordões pequenos e poças de
fusão com espessura reduzida. Como
resultado dessa investigação, ficou
constatado que, sem sombra de dúvida, a soldagem de pinos sob campo
magnético com simetria radial é uma
alternativa inovadora em relação aos
Fig. 6 – Comparação entre os dados estatísticos relativos aos resultados dos
ensaios de tração feitos com juntas soldadas de pino M12: 20 ensaios por variante
de processo; fratura situada no pino em todas as juntas estudadas; pinos feitos
de aços S235 (classe 5.8 de resistência mecânica) pertencentes a um mesmo
lote; parâmetros de soldagem: ver figura 7. A reprodutibilidade e consistência do
processo de soldagem de pinos sob campo magnético com simetria radial são
equivalentes às do processo convencional de soldagem de pinos.
processos de soldagem de pinos convencionais (com anel cerâmico ou gás
de proteção) em termos da capacidade de suportar carga mecânica sob
solicitações estáticas de dobramento
ou de tração, bem como em termos
de reprodutibilidade.
Em outras séries de ensaios a
fratura ocorreu no metal-base da
chapa, devido a falhas em seu material que se manifestaram na forma de
valores inadequados de estricção-Z
(ou seja, baixa ductilidade na direção
da espessura). O novo processo re-
quer boa preparação da superfície
e boa compatibilidade entre o gás
de proteção e os parâmetros de soldagem. Caso não se proceda dessa
forma, não se pode excluir a possibilidade de ocorrência de falhas nas
juntas confeccionadas pelo processo
de soldagem de pinos sob campo
magnético com simetria rotacional.
Resultados para pinos M16
Os ensaios de dobramento foram
executados sem problemas nas juntas
confeccionadas por meio da soldagem
Fig. 7 – Comparação entre diversas variantes de soldagem de pino M12 suspenso feito com aço S235 (classe 5.8 de
resistência mecânica). Todos os pinos foram feitos a partir de um mesmo lote de aço; chapa feita de aço S355 com 10 mm
de espessura.
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Corte & Conformação de Metais – Junho 2015
Processo
sob campo magnético com simetria
radial de pinos do tipo M16, adotando-se restrições e parâmetros de soldagem adequados. A figura 8 mostra
o aspecto e a micrografia de uma junta
soldada sob campo magnético com
Fig. 8 – Aspecto e formato da queima de uma junta soldada sob campo magnético com
simetria radial de pino M16 x 60 sobre uma placa feita de aço S355: a) Foi atendido o
simetria radial de um pino M16 feito
requisito que especifica um ângulo mínimo de 60° ao submeter a junta ao ensaio de
com aço S235 sob energia de soldadobramento; b) Zona de fusão fina; fusão insignificativamente maior na metade devido à
gem de 6 kJ. Do ponto de vista do
influência do gás de proteção. Condições de soldagem: intensidade de corrente, 1.170 A;
tempo, 0,6 mm; campo magnético com simetria radial, 1.100 mA; energia para soldagem,
aspecto e do formato de queima esta
6,0 kJ; gás de proteção: M21-ArC-18.
junta soldada se assemelha aos resultados obtidos até o momento com
sob campo magnético com simetria
os pinos M12. O tempo de soldagem
com simetria radial, gás de proteção
radial também possui potencial para
a ser aplicado não precisa ser mais
M21-ArC-18, com dispositivo adicional
ser aplicada, de forma econômica,
longo que os aplicados em pinos com
para geração de campo magnético,
no caso de pinos com diâmetros
menores diâmetros. Para assegurar um
igualmente constituída por chapas
superiores a 12 mm.
grau suficiente de fusão é necessário
de aço não-ligado. Ao se comparar
apenas definir um valor de intensidade
as faces superior e inferior da junta
de corrente entre aproximadamente
soldada (figura 9), pode-se constatar
Processo mais consistente
900 e 1.200 A, bem como elevar, de
a formação de um cordão plenamente
mesmo em posições
forma correspondente, a corrente a ser
formado e similar em ambos os locais.
restritas
aplicada no dispositivo para soldagem
A micrografia mal permite detectar a
sob campo magnético com simetria rainfluência da posição de soldagem PC
Uma vantagem específica do processo
dial, que apresenta maior porte neste
em comparação com os resultados obde soldagem sob campo magnético
caso, conforme mostrado na figura
tidos na posição PA (chapa horizontal).
com simetria radial pode ser vista
3b (pág. 30). Caso essa mesma junta
A figura 10 (pág. 38) apresenta
na soldagem de pinos em posições
fosse feita por meio de soldagem de
juntas confeccionadas por soldagem
restritas, sobretudo quando ela é feita
pinos com anel cerâmico, seria necessob campo magnético com simetria
sobre paredes verticais (posição PC).
sário aplicar uma energia de soldagem
radial de pinos M16, nas quais o
A figura 9 mostra uma junta soldada
de aproximadamente 18 kJ para esse
processo ocorreu em posição restrita
com pino M12, na posição restrita PC,
mesmo valor de diâmetro de pino.
(sobre uma parede vertical) e sob
confeccionada sob campo magnético
A queima reduzida e uniforgás de proteção M21-ArC-18.
me promove grau de distorção
Na junta vista na figura 10a, a
consideravelmente menor do
soldagem sob campo magnético
componente. Por exemplo, do
com simetria radial promoveu a
ponto de vista do efeito de
formação de um cordão plenasopro, a queima uniforme tammente formado inclusive na face
bém pode ocorrer no caso de
superior da união. Os requisitos
aterramento unilateral. Durante
especificados para o ensaio de
os ensaios de tração estáticos,
dobramento foram atendidos.
as fraturas das juntas soldadas
Por sua vez, a junta vista na fide pino M16 confeccionadas
gura 10b, confeccionada sem se
sob misturas de gases de proaplicar o campo magnético com
teção argônio puro e argônio
simetria radial, mas adotando-se
mais 18% de gás carbônico,
os demais parâmetros de solocorreram no metal-base do
dagem do caso anterior, a face
pino, sob tensões da ordem de Fig. 9 – Soldagem de pino sob campo magnético com
superior apresentou um cordão
simetria radial na posição restrita PC (em parede vertical)
560 N/mm², valor típico para sob gás de proteção M21-ArC-18 com dispositivo adicional
com formação deficiente. Os
o lote de pinos empregados. para campo magnético; pino M12, feito com aço 235;
ensaios de dobramento feitos
Pode-se concluir, a partir dos chapa, aço S355. Parâmetros de soldagem: intensidade
com essas juntas apresentaram
de corrente, 900 A; tempo de soldagem, 170 ms;
resultados obtidos para os pinos elevação, 2 mm; profundidade de imersão, 0,5 mm;
resultados insatisfatórios. PoM16, que a soldagem de pinos gás de proteção: M21-ArC-18.
de-se constatar a presença de
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radial protegem eficientemente o arco
voltaico contra os efeitos de sopro
magnético, mesmo durante as soldagens efetuadas em posições restritas.
Duas misturas de gases de proteção,
argônio puro e argônio com até 18%
de gás carbônico, mostraram-se adequadas para a soldagem de pinos sob
campo magnético com campo radial
até pinos do tipo M16 (aço não-ligado). Esse novo processo requer um
dispositivo eficiente para geração de
campo magnético-gás de proteção,
bem como uma cuidadosa combinação
dos parâmetros de soldagem e das
restrições locais.
Em muitos casos, os equipamentos
adicionais requeridos para aplicar esse
novo processo podem se restringir a
inversores de soldagem já disponíveis
no mercado. Pistolas ou cabeçotes
de soldagem podem incorporar, sem
maiores problemas, os dispositivos para
aplicação de gás de proteção e geração
do campo magnético, os quais podem
ser instalados sobre os dispositivos de
proteção já existentes.
A nova técnica de soldagem sob
campo magnético com simetria
radial continuará a ser desenvolvida
para inovar ainda mais a soldagem
de pinos. Além do potencial já
existente para a soldagem de pinos
com maiores diâmetros, neste momento ainda há questões a serem
esclarecidas, como a determinação
da capacidade de carregamento
mecânico sob degradação cíclica
do material em função da aplicação
de cargas alternadas. Isso colocará
a resistência à fadiga no foco das
futuras investigações.
Uma parte dos resultados descritos
nesta contribuição técnica foi obtida no
âmbito de um estudo atual de pesquisa
e desenvolvimento sobre a soldagem
39
de pinos sob campo magnético com
simetria radial, o qual foi promovido
pela Fundação Bávara de Pesquisa
(Bayerische Forschungsstiftung), estabelecida em Munique, Alemanha.
Referências
1)
2)
3)
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Niederlassung der GSI mbH. München,
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Niederlassung der GSI mbH. München,
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