O que é soldagem por Eletroescória (ESW)?

Introdução

A soldagem por eletroescória não é um processo a arco, pois nele o arco é apenas usado para dar início ao processo de soldagem. ESW  é a sigla em inglês para Electro Slag Welding.

Na soldagem por eletroescória, uma escória fundida (temperatura de aproximadamente 1700°C) , funde o metal de adição e o metal de base. O banho de escória formado sobrenada a poça de fusão protegendo-a durante a soldagem.

O processo começa pela abertura do arco elétrico entre o eletrodo e um apêndice colocado na base da junta. Fluxo granulado é acrescido e fundido pelo calor do arco. Quando uma camada de escória se forma, toda a ação do arco cessa, e a corrente de soldagem passa do eletrodo para o metal de base através da escória por conduta elétrica.

Este artigo pressupõe que você já tem noções sobre soldagem. Precisa de uma introdução sobre soldagem ou um material sobre o que é soldagem?

Obs.: Aqui falo apenas do processo de soldagem por eletroescória (ESW). Para saber sobre os outros processos de soldagem siga o link.

2. Como funciona o processo ESW

A resistência da escória fundida a passagem da corrente de soldagem e é suficiente para gerar o calor necessário para a soldagem (efeito joule) , sendo este suficiente para fundir o eletrodo e as faces do chanfro. O eletrodo fundido (e tubo guia, se usado) e o metal de base fundido formam a solda abaixo do banho da escória fundida. A figura a seguir demonstra esquematicamente este processo.
Para continuar com este artigo de soldagem por eletroescória, escolha o assunto do seu interesse:

Equipamentos de soldagem

O equipamento utilizado na soldagem por eletroescória é constituído dos seguintes componentes:

  • Fonte de energia.
  • Alimentador de arame e oscilador
  • Tubo guia e eletrodo
  • Deslocador (no caso do guia não ser consumível)
  • Sapata de retenção (sapata de montagem)
  • Sistema de controle.
  • Cabos e conexão elétrica
  • Isolantes

Há necessidade de se colocar uma chapa apêndice para o início da soldagem, pois o processo, na sua fase inicial, é instável, com consequentes prejuízos à qualidade da solda. Este apêndice é descartado posteriormente. Para o avanço vertical da soldagem, usa-se usualmente sapatas de retenção, que podem ser refrigeradas a água. (ver figura abaixo)
As sapatas de retenção servem para conter tanto o metal de solda fundido como o fluxo fundido. A superfície da solda é moldada pelo contorno ou formato das sapatas enquanto a poça de fusão se move para cima na junta. Conforme vai ocorrendo a solidificação, impurezas metálicas flutuam para cima do metal fundido através da escória.

Fontes de energia para o processo de soldagem eletroescória são do tipo transformador / retificador de tensão constante, que operam na faixa de 450 a 1000 A. Elas são similares às usadas no processo de soldagem a arco submerso. A tensão mínima em circuito aberto da fonte de energia deve ser de 60 V. É requerida uma fonte de energia separada para cada eletrodo.

A figura abaixo mostra esquematicamente uma instalação típica de soldagem eletroescória.
O motor do alimentador do arame e o sistema de controle de soldagem são os mesmos usados para soldagem MIG/MAG ou de outro processo que utiliza arame consumível.

A corrente de soldagem e a taxa de alimentação de eletrodo podem ser tratadas como uma só variável, porque uma varia em função da outra. Se a velocidade de alimentação do eletrodo é aumentada, a corrente de soldagem  a taxa de deposição são também aumentadas. Como a corrente de soldagem é aumentada, a profundidade da poça de fusão também é aumentada.

A tensão de soldagem é outra variável que precisa ser levada em consideração. A tensão tem efeito maior na profundidade de fusão no metal de base e também na estabilidade de operação do processo.

Aumentando-se a tensão, aumenta a profundidade de fusão e a largura da poça de fusão e também aumenta o fator de forma (relação largura/profundidade) e, como resultado, a possibilidade de ocorrência de trinca é menor.

Se a tensão é baixa pode ocorrer um curto circuito entre o eletrodo e a poça de fusão. Se a tensão é alta demais, podem ocorrer respingos de solda ou aberturas de arco no topo da escória fundida.

Tipos e funções dos consumíveis – eletrodos e fluxos

O material de adição deve ter uma composição química semelhante à do material de base; eventualmente, podem-se utilizar materiais de adição com características diferentes, mas é preferível que as composições químicas sejam compatíveis, pois se for necessário um tratamento térmico, estará garantida a adequação entre este, o material de base e o material fundido.

Os consumíveis utilizados na soldagem por eletroescória são o arame sólido, acompanhado de fluxo, e o arame tubular, quando há necessidade de adição de elementos de liga.

A composição do fluxo também é importante, visto que ele determina a boa operação do processo. Os fluxos podem ser feitos de vários materiais tais como óxidos complexos de silício, manganês, titânio, cálcio, magnésio e alumínio. As características especiais desejadas para a solda são alcançadas pela mudança ou variação da composição do fluxo.

As funções normais dos fluxos são:
  • Condução da corrente de soldagem
  • Fornecimento de calor para fundir o eletrodo e o metal da base,
  • Possibilita uma operação estável.
  • Proteção do metal fundido da atmosfera.
É necessária apenas uma pequena quantidade de fluxo para a soldagem. Um banho de escória de 40 a 50 mm de profundidade é usualmente requerido de maneira que o eletrodo consiga permanecer no banho e fundir-se debaixo da superfície.

Características e aplicações

O processo de soldagem por eletroescória tem aplicação limitada, é usado para fazer soldas verticais em espessuras médias de aços carbono, de baixa liga, de alta resistência, de médio carbono, e de alguns inoxidáveis. O processo se aplica melhor a espessuras acima de 200mm, para espessuras máximas praticamente não há limitações. Embora a habilidade manual não seja requerida, o conhecimento da técnica é necessário para operar o equipamento.

O processo de soldagem por eletroescória tem muitas aplicações, principalmente devido às altas taxas de deposição, tornando o processo economicamente viável. Entre as vantagens da utilização do processo por eletroescória podemos citar:

  • Alta taxa de deposição e boa qualidade de solda com relação a ensaios não destrutivos faz desse processo desejável para seções espessas encontradas em inúmeras aplicações industriais, tais como maquinarias pesadas, vasos de pressão, navios e fundidos grandes.
  • Requer pouca ajustagem e preparação da junta (usualmente juntas sem chanfro).
  • Solda materiais espessos num só passe, com um único ajuste.
  • É um processo mecanizado com um mínimo de manuseio de material. Uma vez iniciado o processo, ele continua até o término.
  • Requer tempo mínimo de soldagem e apresenta uma distorção mínima.
  • Não há arco de soldagem visível e nenhum lampejo de arco.

A grande desvantagem do processo é devida à soldagem eletroescória ser feita em um só passe. O deslocamento da fonte de calor é suficientemente lento para permitir o super aquecimento e, consequentemente, o crescimento de grãos da zona afetada termicamente, o que conduz a uma solda com propriedades deficientes no que tange à tenacidade da junta da soldada.

A fragilidade da solda assim obtida necessita, para ser corrigida, de um tratamento térmico posterior à soldagem – a normalização. Lógico que essa é uma generalização pois o N2 deve avaliar essa necessidade após testes e da qualificação do procedimento de soldagem.

Descontinuidades induzidas pelo processo

Soldas feitas com o processo de soldagem eletroescória sob condições de operação adequadas são de alta qualidade e livres de descontinuidades. Descontinuidades podem aparecer, porém, se não for seguido um procedimento de soldagem adequado.

O inspetor de solda deve ficar atento a algumas descontinuidades que podem resultar deste processo são:

Falta de Fusão

Soldas de chapas espessas, nas quais o calor é distribuído por oscilação do eletrodo, podem apresentar falta de fusão na parte central ou perto das sapatas.

O efeito de resfriamento das sapatas pode impedir a fusão do metal de base próximo à superfície em que a sapata está apoiada.

A indicação resultante assemelha-se com uma mordedura.

Podem ocorrer também num início de soldagem com temperatura abaixo da necessária.

Inclusões

São incomuns, mas podem acontecer. É o caso de pedaços de arame introduzidos na poça de maneira muita rápida pela unidade de alimentação de arame e que não se fundem.

Também têm sido encontradas na zona fundida, varetas e até mesmo partes do equipamento de soldagem como, por exemplo, a extremidade do guia tubular de eletrodo.

Inclusões de Escória

Podem ocorrer se a solda for quase interrompida e reiniciada. O processo de soldagem exige uma poça de escória aquecida a aproximadamente 1.700°C. Um reinício de soldagem inadequado pode não fundir perfeitamente o metal, resultando em escória na solda.

Sobreposição

Pode ocorrer se as sapatas não forem bem ajustadas às chapas, permitindo o vazamento de material fundido.

Porosidade

Quando ocorre, é grosseira e do tipo vermiforme, podendo ser causada por pedaço de abesto úmido utilizado como vedação entre a sapata de retenção e a peça a ser soldada, fluxo contaminado ou úmido, eletrodo, tubo guia ou material para inicio de soldagem úmido.

Trinca Interlamelar

Não tem sido observada na soldagem eletroescória de juntas de topo porque não se registram tensões no sentido da espessura das chapas do metal de base.

Trincas

Trincas a frio não são encontradas na soldagem eletroescória. Isso é devido ao lento processo de aquecimento e resfriamento da junta, inerente ao processo. Já as trincas a quente são comuns na soldagem eletroescória, principalmente no caso de soldas com alto grau de restrição, devido à granulação grosseira da junta soldada. Essas trincas propagam-se ao longo dos contornos de grãos.
Obs.: A origem/motivos das trincas não é escopo do N1 e sim do N2.

Duplas Laminações

Não se constituem em grandes inconvenientes para a soldagem eletroescória. A escória fundida atrai para fora qualquer inclusão existente na dupla laminação e sela a dupla laminação ao longo da solda. Analogamente, lascas e dobras são absorvidas pela soldagem eletroescória.

Resumo sobre a soldagem eletroescória

A figura a seguir contém resumidamente, algumas das informações mais importantes sobre a soldagem eletroescória.

Links, referências e processos relacionados

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Soldagem: O que é soldagem por Eletroescória (ESW)?
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