Soldagem em Ambientes Incomuns
Depois de ler este artigo, você aprenderá sobre os métodos de soldagem em ambientes incomuns: 1. Soldando no vento 2. Soldando em baixas temperaturas ambientais 3. Soldando no vácuo 4. Soldando no espaço.
Soldagem no vento:
A soldagem em condições de vento resulta no alongamento do arco, o que leva à deterioração da proteção da poça de fusão contra os efeitos prejudiciais dos gases atmosféricos. A tensão do arco deve, portanto, ser mantida em uma faixa de modo a garantir uma solda sem defeitos a uma determinada velocidade do vento.
A blindagem de gás de proteção pela queima do revestimento na soldagem de arco de metal blindado e o gás de proteção na soldagem por arco de metal a gás é seriamente afetada pela velocidade do vento; no entanto, os arames tubulares auto-blindados oferecem proteção consideravelmente melhor.
Assumindo o alongamento do arco como um critério quantitativo de eficiência de blindagem, os resultados para uma marca de fio de soldagem por arco fluxado com auto-proteção (FCAW) relatado por Shlepakov, et al. de experimentos de laboratório simulados são mostrados na Fig. 22.1.
É evidente que soldas sem defeitos podem ser obtidas para comprimentos de arco muito curtos para uma faixa de tensão de arco de 21 a 22, 5 volts para velocidade de vento de até 15 m por segundo. No entanto, a qualidade do cordão de solda foi seriamente afetada por um arco mais longo, particularmente a uma velocidade do vento mais alta. Dados semelhantes para outros tipos de fios FCAW de auto-proteção também foram relatados pelos mesmos autores.
Soldagem a baixas temperaturas ambientes:
A soldagem durante o inverno em regiões montanhosas do norte, ou mais especificamente nas regiões árticas e antárticas, envolve o trabalho em temperaturas muito baixas, até -40 ° C ou até mais baixas. A produtividade de máquinas e estruturas na região do Ártico no inverno é cerca de 1, 5 vezes menor do que a nominal e, portanto, a vida útil real é reduzida de 2 a 3, 5 vezes, resultando em perda generalizada para os países envolvidos.
A falha de componentes e montagens de carros, tratores e tratores nos horários de inverno é de 4 a 6 vezes mais alta que no verão. O trabalho mensal médio de um trator no inverno é de 2, 7 a 7 vezes mais baixo que no verão. Mais de 75% das falhas do total de componentes básicos soldados e conjuntos de máquinas de escavação registradas ocorrem no período de inverno. Fraturas frágeis e fraturas por fadiga são causas de falha de juntas soldadas em dragas e outros equipamentos de movimentação de terra.
Com a diminuição da temperatura no inverno na região do Ártico, falhas maiores são relatadas em dutos, pontes, vigas de carga, tanques, tanques de armazenamento de óleo e vasos de pressão. Entre as principais causas de fraturas frágeis de baixa temperatura de juntas soldadas estão a má seleção de materiais de base e consumíveis de soldagem, bem como a tecnologia de soldagem adotada. Isso leva à formação de regiões com maior suscetibilidade à fragilização e ao início de trincas a frio.
A formação de trincas a frio em juntas de solda feitas a baixas temperaturas ambientes é atribuída ao resfriamento rápido e cristalização da poça de fusão resultando no aprisionamento de hidrogênio, oxigênio ou nitrogênio e materiais não metálicos no metal de solda. Devido ao rápido resfriamento a baixa temperatura; o derretimento do metal também pode ser inadequado, levando à penetração incompleta e à falta de fusão. Além disso, a qualidade dos eletrodos e dos fios de enchimento é afetada de maneira adversa se a umidade se acumular neles.
Para neutralizar os efeitos nocivos da baixa temperatura para obter soldas de qualidade, as seguintes regras devem ser seguidas:
1. O metal original usado deve estar livre de arranhões, recortes ou cortes de superfície para evitar o efeito de entalhe
2. A limpeza das bordas de trabalho é essencial para remover contaminantes e umidade ou neve. Se necessário, as bordas podem ser pré-aquecidas antes da montagem e depois resfriar a junta de solda lentamente.
3. Somente eletrodos de alta qualidade, completamente secos, devem ser usados com técnicas e variáveis de soldagem adequadas. Pode ser necessária uma configuração de corrente mais alta para compensar a baixa temperatura ambiente.
4. As soldas devem ser cuidadosamente cortadas após a conclusão para evitar a formação de arranhões e entalhes no metal de solda e na ZAC.
5. O desenvolvimento da cratera deve ser evitado para evitar a formação de rachaduras na cratera que podem levar a fraturas frágeis.
6. Use fixações em vez de aderências rígidas para evitar o desenvolvimento de tensões excessivas na junta de solda; Uma boa prática é aumentar a entrada de calor em 4 a 5% para cada diminuição de 10 ° C na temperatura ambiente de, digamos, cerca de 20 °.
Devido ao aumento do efeito do dissipador de calor, a ductilidade da solda diminui com o aumento da espessura do trabalho. Para neutralizar o efeito da espessura na ductilidade, a entrada de calor pode ser aumentada, mas isso geralmente leva à redução da resistência do metal de solda. A taxa de resfriamento é um parâmetro crítico nas soldas de topo de filete e multi-carreira, portanto, essas soldas são evitadas na facilidade de soldas importantes feitas em baixas temperaturas ambientes.
Um método alternativo é fazer soldas de seção transversal mais espessa. Por exemplo, a espessura da peça de 16 - 24 mm, 25 a 40 mm e 41 a 50 mm deve ser soldada com seção transversal mínima da junta de solda ou 35 mm 2, 50 mm 2 e 60 mm 2 respectivamente. Além disso, as taxas de resfriamento dessas soldas não devem exceder 30 ° C por segundo.
As hastes de reforço de aços estruturais podem ser soldadas com sucesso em moldes a baixas temperaturas. As propriedades obtidas nesses casos são geralmente semelhantes àquelas obtidas em temperaturas normais de fábrica.
O tipo de revestimento afeta consideravelmente o resultado da soldagem de arco de metal blindado a baixas temperaturas. Os melhores resultados podem ser obtidos com o uso de eletrodos revestidos básicos, pois o metal de solda obtido possui alta propriedade mecânica e de impacto, devido ao baixo conteúdo de hidrogênio do metal de solda, com pouca suscetibilidade ao envelhecimento e fraturas frágeis, além de aumento nos teores de carbono e enxofre . Soldas de boa qualidade podem, assim, ser obtidas por eletrodos básicos revestidos em aços de baixa e alta liga.
Para obter soldas de boa qualidade na soldagem de tubos a baixas temperaturas, a extremidade deve ser presa de acordo com as condições dadas na tabela 22.1:
Soldas de topo em tubulações de aço martensítico de qualquer espessura de parede devem ser feitas a uma temperatura ambiente de aproximadamente 0 ° C; quando a temperatura ambiente estiver abaixo de 0 ° C, tais soldas de topo devem ser feitas em recintos ou recintos aquecidos. A soldagem de dutos de aços e semi-abatidos, bem como a sua elevação, transporte e montagem, deve ser realizada em temperaturas ambiente não inferiores a - 20 ° C.
A suscetibilidade de uma junta soldada a fraturas frágeis aumenta muito quando, até mesmo as menores rachaduras ou danos por fadiga aparecerem sob cargas alternadas, isso se torna mais pronunciado à medida que a temperatura diminui. Para melhorar o desempenho das juntas soldadas sob cargas de impacto e a temperaturas negativas, recomenda-se o revenimento de alta temperatura para o aumento da tenacidade ao entalhe por tratamento térmico na estrutura de metal HAZ.
Outro método para melhorar as propriedades de impacto e fadiga de soldas feitas em baixas temperaturas ambientes é o tratamento com arco de argônio da soldagem. Neste tratamento, o arco de argônio é usado para obter uma transição suave do contorno da solda para o metal base, bem como para melhorar o metal de solda por mudanças metalúrgicas como dessulfurização, desgaseificação, refino de inclusões não metálicas e variação de suas formas.
Este tratamento conduz não apenas à diminuição da concentração de tensão na ZTA, mas também melhora a estrutura da camada superficial do metal, aumentando assim as características mecânicas da união soldada.
Os efeitos da têmpera a alta temperatura e do tratamento com arco de argônio na melhoria da resistência ao impacto do aço de baixo carbono e do aço nitretado em comparação com o mesmo aço sem qualquer tratamento são mostrados na Fig. 22.2.
Soldagem em Vácuo:
Na soldagem por fusão, a proteção efetiva da poça de solda contra os efeitos nocivos dos gases atmosféricos (oxigênio e nitrogênio) é essencial para obter soldas de qualidade. O metal de solda também pode pegar hidrogênio da umidade, ferrugem, revestimento de eletrodo, fluxo, etc.
Embora diferentes gases reajam diferentemente com o metal da poça de fusão, eles inevitavelmente degradam as propriedades físico-mecânicas do metal de solda. Quando presos em grandes quantidades, os gases dissolvidos podem levar à formação de bolhas, bolhas e porosidade e reduzir a densidade do metal, com conseqüente redução da plasticidade e resistência. Os gases presentes, mesmo quando compostos químicos, como óxidos, nitretos e hidretos, também podem prejudicar acentuadamente a resistência e a tenacidade do metal, o que pode levar a falhas frágeis.
Este é particularmente o caso dos metais ativos. Além de prejudicar as propriedades mecânicas, a oxidação reduz a resistência dos metais à corrosão. As inclusões de óxido também podem produzir porosidade de gás porque absorvem e retêm gases enquanto o metal está no estado fundido.
Para proteger a poça de solda, diferentes meios de proteção são empregados, cada um com suas vantagens e limitações. A maioria dos metais de engenharia é adequadamente protegida por argônio e hélio, mas esses gases são considerados inadequados como meio de proteção para a soldagem de metais como zircônio e tântalo. O hidrogênio também é facilmente absorvido pelo zircônio, tântalo e nióbio para formar hidretos que aparecem como estrias ao longo dos limites dos grãos.
Mesmo uma quantidade mínima de hidrogênio em zircônio, tântalo ou nióbio pode produzir porosidade e reduzir sua plasticidade e resistência. Assim, para fazer soldas de plasticidade suficiente em metais reativos e refratários, o meio de proteção deve conter quantidades mínimas de oxigênio, nitrogênio, hidrogênio e umidade.
A eficácia do vácuo como meio de proteção é determinada pela quantidade de impurezas presentes por unidade de volume da câmara de vácuo. A Tabela 22.2 mostra que mesmo um vácuo relativamente pobre tem um baixo teor de impureza por unidade de volume. Comparado com os teores de oxigênio e nitrogênio de 0, 005% e 0-01%, respectivamente, de argônio grau A altamente purificado e caro, um vácuo de 01 mm de Hg tem os teores de oxigênio e nitrogênio de 0, 003% e 0%, respectivamente.
As propriedades mecânicas superiores das soldas feitas, no vácuo, são confirmadas pelo fato de que a dureza do metal nas soldas de zircônio feitas pelo processo de arco de argônio foi quase o dobro das soldas a vácuo. Além disso, o teor reduzido de gás do metal de solda por proteção contra vácuo melhora sua plasticidade como é encontrado no caso de soldas feitas em molibdênio.
A proteção a vácuo afeta a atividade do metal de solda, desgaseificando-a, aumentando sua densidade, removendo óxidos, impurezas e contaminantes da superfície e do volume de metal. À medida que a contaminação do metal de solda é reduzida, os limites de grão tornam-se mais limpos, resultando em maior resistência à corrosão do metal de solda. Soldas feitas pelo processo de arco de argônio corroem a uma taxa mais rápida do que as soldas feitas no vácuo.
A blindagem a vácuo também elimina a possibilidade de formação de bolsões de gás no metal de solda, pois não há gases disponíveis para serem absorvidos por ele; Assim, a soldagem a vácuo de muitos metais reativos e refratários produz soldas livres de porosidade.
A proteção contra vácuo reduz o conteúdo de gás do metal de solda devido à dissociação de óxidos, nitretos e hidretos. O hidrogênio, mesmo se presente no estado combinado, pode ser facilmente removido do metal de solda.
O oxigênio e o nitrogênio podem ser removidos do metal de solda somente quando a pressão parcial desses gases na câmara de soldagem estiver abaixo da pressão de dissociação de óxidos e nitretos na temperatura da poça de fusão. Como o oxigênio tem pressão parcial extremamente baixa, é muito difícil removê-lo completamente da esmagadora maioria dos metais, exceto cobre, níquel e cobalto.
No entanto, nitretos de alumínio, nióbio, cromo, magnésio, silício e tântalo têm uma pressão relativamente alta de dissociação de nitretos, exceto no caso de zircônio e tântalo, porque seus nitretos têm baixa pressão de dissociação. A proteção contra vácuo é, portanto, um meio de proteção ativo, pois permite que o metal de solda elimine os contaminantes da superfície, absorvendo gases de filmes líquidos. Geralmente, o metal tem um alto brilho dentro de uma ampla zona adjacente às bordas sendo soldadas.
A proteção contra vácuo não é apenas simples e fácil de manter, mas também oferece vantagens econômicas. Por exemplo, a proteção contra vácuo é quase metade da dispendiosa proteção contra o argônio e, às vezes, pode custar tanto quanto a proteção contra CO 2 . Também elimina a necessidade de cilindros de gás e o custo de seu transporte e manuseio.
A proteção contra vácuo não apenas fornece uma blindagem ideal para a soldagem de metais, mas também é eficaz na proteção de juntas soldadas de alta qualidade em materiais não metálicos. Para alguns materiais, a blindagem a vácuo é o único meio de proteção para realizar as soldas de qualidade necessárias.
Soldando no espaço:
Com o desenvolvimento de estações orbitais de grande porte que abrigam muitos tripulantes, radiotelescópios de grande porte, antenas, telas refletivas e absorventes, sistemas de engenharia de radiação solar, a necessidade de reparo e recuperação em voo está aumentando com a extensão do tempo de operação, enquanto os problemas de implantação, montagem e montagem tornam-se cada vez mais urgentes com o aumento de massa e tamanhos de estruturas.
Além disso, a necessidade de atenção urgente aos satélites doentes para manter a rede de comunicação mundial funcionando sem problemas torna-se imperativo desenvolver métodos apropriados de integração de materiais. Os processos de soldagem parecem indispensáveis para uso no espaço, onde as condições para soldagem diferem radicalmente das da Terra.
Comparado com o ambiente na Terra, o espaço é caracterizado por três fatores principais: gravidade zero, vácuo de alto espaço e alto contraste devido aos limites de luz-sombra.
uma. Gravidade zero:
Isto provoca a ausência ou supressão da força de flutuação e convecção. No entanto, a característica especial do zero-G é que o cosmonauta precisa trabalhar sem suporte, causando considerável inconveniência nas operações manuais.
b. Vácuo de alto espaço:
A pressão atmosférica na região de baixa altitude onde as grandes estações orbitais estão agora voando e devem voar em um futuro próximo é de 10-2 a 10 -4 Pa. Esta região de pressão pode ser dominada muito bem pela indústria de terra que usa feixe de elétrons. e soldagem por difusão. A característica especial do vácuo espacial, no entanto, é a taxa de evacuação extremamente alta ou quase infinita.
c. Alto contraste devido aos limites de sombra clara:
Devido à mudança repentina da luz para a zona de sombra, a diferença de temperatura pode estar entre 150 e 500 ° C. Também devido à natureza reduzida da transferência de calor e massa no espaço, a zona com as diferenças de alta temperatura pode estar próxima uma da outra na peça de trabalho.
Devido a estas características especiais de soldagem no espaço, é essencial selecionar um processo de aplicação industrial com versatilidade, simplicidade, confiabilidade, segurança, baixo consumo de energia, massa mínima e volume de equipamentos. Tendo em vista todos estes requisitos, verifica-se que o EBW é o método mais eficiente para a soldagem no espaço.
O fator básico do espaço que mais afeta ativamente os processos de soldagem associados à presença da fase líquida é a gravidade zero. Sob zero-G, a ação pronunciada das forças de superfície é a agitação do metal fundido sob a influência dos efeitos do feixe de elétrons e da dissipação causados pela viscosidade e difusividade térmica. A maioria dos materiais metálicos fundidos tem baixa viscosidade cinética, difusividade térmica moderada e alta tensão superficial.
A possibilidade de queima em material de folha sob zero-G em soldagem não suportada com baixa concentração de energia térmica é difícil. No entanto, o diâmetro do tanque de soldagem pode ser dez vezes maior (ou até mais) do que a espessura do material, com conseqüentes dificuldades no manuseio de grande quantidade de fundido contido nele.
As vantagens da alta tensão superficial com zero-G no espaço é que, no caso de ocorrer uma queima ou um corte em uma folha, o metal derretido se agarra à borda inferior do trabalho ou pode até mesmo fechar o furo ou o "salto". o corte. Se não fosse assim, seria muito perigoso devido a esses pedaços de metal que voam no espaço.
O espaço e o caráter especial do trabalho nele requerem a garantia da maior confiabilidade possível do equipamento, a segurança absoluta das pessoas que trabalham com ele e a eliminação do risco de danos causados por qualquer nave espacial. Além disso, a ferramenta desenvolvida deve ser caracterizada por compactação, baixo consumo de energia, peso leve e caso de operação.
Uma ferramenta de soldagem versátil desenvolvida para satisfazer todos esses requisitos na medida do possível é baseada no uso de EBW e é chamada de VHT, ou seja, Versatile Hand Tool. No entanto, o EB W está associado à alta tensão de aceleração e pode resultar na geração de raios-X. O contato do envelope externo com metal fundido ou feixe de elétrons também pode levar a graves conseqüências.
Um VHT desenvolvido por engenheiros russos que cumprem a maioria dos requisitos acima mencionados tem as seguintes especificações.
Amostras soldadas usando o VHT acima no espaço atendem a todos os requisitos industriais ativos. Ao contrário de outros processos de soldagem a arco, o EBW manual permite manter o tamanho da poça de solda e a profundidade de penetração dentro do controle, não apenas pelo manuseio da ferramenta, mas também pela alteração da focagem do feixe; isso minimiza qualquer risco de queimadura. O defeito mais frequentemente encontrado na soldagem espacial usando VHT é a falta de penetração, que é geralmente atribuída à reação humana ao próprio medo do operador de causar um defeito irreparável de queimadura.
Apesar da ocorrência de falta de penetração, a soldagem realizada no espaço é altamente estimada.
Embora o EBW tenha sido usado com sucesso para soldagem no espaço desde cerca de 1990, mas os recentes desenvolvimentos no processo de soldagem por fricção Stir (FSW) projetaram algumas de suas variantes para seu uso em soldagem no espaço e reparos de solda. Alguns destes desenvolvimentos incluem, alta velocidade FSW (HS-FSW), ultra-sônico Stir Welding (USW) e Thermal Stir Welding (TSW).
uma. Alta velocidade FSW :
Baseia-se no conceito de que altas velocidades de fuso de até cem mil rpm em FSW reduzem as forças necessárias para produzir soldas sólidas até um nível que permite dispositivos manuais manuais. O trabalho já está em andamento para a soldagem de uma liga de cobre de 1, 5 mm de espessura com velocidade de rotação de até 30.000 rpm e uma velocidade de soldagem de até 5 m / min.
Uma investigação paralela está em andamento para o desenvolvimento da operação robótica de um aparelho manual portátil de estado sólido para uso do HS-FSW.
b. Soldadura por agitação ultra-sónica (USW):
Esta energia ultra-sônica aquece os materiais no estado plástico. Ao contrário do padrão FSW, não há ombros e pinos giratórios para produzir calor friccional. Espera-se que este conceito seja mais prático do que o HS-FSW como um processo de reparo e soldagem em órbita, pois o problema de alta estabilidade de velocidade rotacional será eliminado.
c. Soldagem térmica por agitador (TSW):
Este é mais um processo de soldagem para soldagem de membros mais grossos. O TSW é diferente do FSW em que os elementos do processo de aquecimento, agitação e forjamento encontrados no FSW são controlados independentemente. Há pouco aquecimento por atrito e não há pinos / ressaltos giratórios de alta velocidade. Como o USW, o TSW também evita problemas de estabilidade associados a peças rotacionais de alta velocidade. Além de seu uso em soldagem e reparo no espaço, o TSW pode ser usado para construção naval para uso em soldagem de ligas de titânio para construção naval, bem como para a fabricação de iates pessoais de alto desempenho em titânio.
Além da soldagem; corte, brasagem e pulverização de metal também foram realizados no espaço. A brasagem é considerada o processo mais difícil de realizar no espaço. Isto é atribuído ao fato de que no espaço o brilho da radiação solar é extremamente alto, é quase impossível ver a mudança de cor no metal com a temperatura, e assim o soldador-cosmonauta tem que determinar a extensão do aquecimento do trabalho no momento. intervalo.
A pulverização de metal não é de todo difícil de realizar no espaço e os componentes pulverizados no espaço cumprem os requisitos dos mais rigorosos padrões.
