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arcosubmerso.pdf 1 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO � ARCO SUBMERSO é um processo de soldagem por fusão, no qual a energia necessária é fornecida por um arco (ou arcos) elétricos desenvolvido entre a peça e um eletrodo (ou eletrodos) consumível, que é continuamente alimentado à região de soldagem. � O arco está submerso em uma camada de fluxo granular que se funde parcialmente, formando uma escória líquida, que sobe à superfície da poça metálica fundida, protegendo-a da ação contaminadora da atmosfera. � Em seguida essa escória solidifica-se sobre o cordão de solda, evitando um resfriamento demasiado rápido. SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO � Representação Esquemática Da Soldagem A Arco Submerso 2 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO O equipamento para este processo consta basicamente das seguintes unidades: a) fonte de energia; b) unidade de controle; c) conjunto de alimentação do arame; d) pistola de soldagem; e) alimentador de fluxo; f) aspirador de fluxo. As unidades b,c,d,e constituem o elemento conhecido como cabeçote de soldagem; a figura anterior mostra as unidades componentes do sistema. 3 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO No processo automático, o cabeçote pode mover-se ao longo da peça a ser soldada ou ser estacionário, sendo que nesse caso é a peça que se desloca sob o arco. Quando o processo é semi-automático, o alimentador de fluxo e a pistola de soldagem constituem um conjunto separado que é conduzido pelo operador ao longo da junta. SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO 4 SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO Como fonte de energia podem ser usados: � Um transformador →C.A. � Um conjunto transformador-retificador →C.A. / C.C. � Um conversor →C.C. Podem ser utilizadas fontes de tensão constante ou fontes de corrente constante, conforme a unidade de controle do cabeçote. As tensões usuais requeridas situam-se na faixa dos 20 a 55 Volts. As intensidades de corrente mais usuais chegam até 2000 Ampères; em casos excepcionais usam-se intensidades de até 4000 Ampères. VANTAGENS E LIMITAÇÕES DA SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO VANTAGENS � Este processo permite obter um grande rendimento térmico. � Alcança-se uma elevada produção específica de material de adição, que em conseqüência propicia uma grande velocidade de soldagem. � Consegue-se alcançar uma grande penetração com este tipo de processo, o que diminui a necessidade de abertura de chanfro. � Possibilita ao operador dispensar o uso de protetores visuais. � Permite obter maior rendimento de deposição que a maioria dos outros processos. 5 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DA SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO DESVANTAGENS OU LIMITAÇÕES � A soldagem pode se realizar somente nos limites da posição plana ( ou em filete horizontal desde que haja um suporte adequado para o pó). � É praticamente impossível soldar juntas de difícil acesso. � Há necessidade de remoção de escória a cada passe de soldagem. � A superfície do chanfro deve ser regular e a ajustagem da junta bastante uniforme. ESPECIFICAÇÃO DE CONSUMÍVEIS 6 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA ELÉTRICA Métodos nos quais a resistência à passagem de corrente elétrica gera a energia utilizada para a soldagem Principais métodos � Ponto – Dois eletrodos com geometria tal que, sob cada par dos mesmos, forma-se uma pequena região fundida (ponto). 7 Principais métodos � Projeção – A posição da solda é determinada por ressaltos nas peças, que são mantidas em contato através de eletrodos (matrizes) com grande área superficial. Principais métodos � Costura – Dois eletrodos em forma de discos sofrem rotação, deslocando-se sobre a superfície das chapas e produzindo diversos pontos simultâneos que formam um cordão contínuo. 8 Materiais soldáveis por resistência � Aços ao carbono (inclusive zincados) e baixa liga � Aços inoxidáveis � Cobre � Níquel � Alumínio � Magnésio � Titânio Ciclo de soldagem por resistência 9 PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO � Produtos praticamente acabados � Sensível redução de custos � Alta resistência mecânica Características �Soldagem de materiais dissimilares �Grande flexibilidade de projeto �Inexistência de consumíveis �Colocação de materiais caros apenas onde são necessários �Baixo custo de energia 10 PROCESSOS DE SOLDAGEM COM ALTA DENSIDADE DE ENERGIA �Soldagem por Laser �Soldagem por feixe de elétrons Características �Baixa energia de soldagem �Pequena zona fundida e ZAC �Baixo nível de distorções e tensões residuais �Altíssimas velocidades de soldagem �Regiões de difícil acesso 11 Limitações �Alto custo de preparação das juntas �Dificuldades de posicionamento �Alto custo do equipamento �Formação de microestruturas frágeis �Dimensões da câmara (feixe de elétrons) FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO � Curvas características -Corrente constante (tombante) Processos manuais (TIG e eletrodo revestido). Geometria do cordão constante. -Tensão constante (plana) Processos automáticos onde o eletrodo é continuamente alimentado (MIG/MAG, arco submerso, arame tubular). Auto-ajustagem do arco. 12 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO � Fontes convencionais - Transformadores Baixo preço Pouca manutenção - Retificadores Obtenção de CC FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO �Inversores As perdas elétricas e o volume dos transformadores são inversamente proporcionais à freqüência da corrente de entrada (rede 60 Hz). CA regulagem CC CC � alta ���� tensão de ���� sem freqüência saída oscilação Fonte 300 A: convencional 140 Kg inversor 35 Kg 13 FONTES DE ENERGIA PARA SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO � Fontes com pulsos de corrente – Processo MIG/MAG (uma gota p/pulso) Soldagem em qualquer posição Corrente média inferior às fontes convencionais Pequena produção de salpicos Controle Sinérgico (arame x gás) – Processo TIG Pequeno aporte total de calor areiaverde.pdf 1 Fundição em molde de areia por gravidade ¾ A moldagem em areia verde é o mais simples e o mais usado nas fundições. ¾ O processo tem esse nome somente porque a mistura com a qual o molde é feito mantém sua umidade original, ou seja, não passa por um processo de secagem. ¾ A preparação do molde, neste caso, consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de moldar. Fundição em molde de areia por gravidade 2 Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição • Confecção do modelo. Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor; • Confecção do molde. O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário composto de areia e aglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida; Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição • Confecção dos machos. Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido; • Fusão. Etapa em que acontece a fusão do metal; • Vazamento. É o enchimento do molde com o metal líquido; • Desmoldagem. Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos; 3 Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição • Rebarbação. A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas do ambiente; • Limpeza. A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações de areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos. Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição 4 Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição Etapas da Fabricação de Peças Metálicas por Fundição 5 Diagrama simplificado das operações Exemplo de utilização do processo 6 Exemplo de utilização do processo Vantagens 1- O processo a verde é o mais econômico e o mais simples de aplicar. 2- Presta-se otimamente a produções em grande escala devido à sincronização entre as operações de moldagem e de vazamento do metal. 3- Moldes a verde, pela sua colapsibilidade, são facilmente desmoldados. 4- Quando necessário, oferecem a possibilidade de serem submetidos à secagem ao ar ou à secagem superficial. 5- Técnicas modernas de composição e preparo de areias permitem obter peças com precisão dimensional e em peso, e com acabamentos também, comparáveis a processos mais caros. 7 Limitações - Restrições 1- Peças fundidas pelo processo a verde, como é aplicado comumente, são inferiores em acabamento e nas tolerâncias dimensionais e de pesos, em relação a outros processos (mais caros). 2 - Para certas aplicações, nas quais a umidade da areia não é desejável, deve-se empregar o processo a verde com areia “sem água” ou recorrer a outros processos. Materiais usados em moldagem e macharia O conhecimento das propriedades das areias utilizadas para a confecção dos moldes e machos para moldagem em areia é fundamental para a compreensão das características das peças obtidas através do processo. • Areias de fundição São materiais heterogêneos constituídos por: a) Substância granular refratária (geralmente areia silicosa). b) Elementos aglomerantes minerais (argila) e ou orgânicos (óleos aglomerantes derivados de cereais, etc.). c) Outros elementos (aditivos – opcionais). 8 Classificação das areias de fundição • Quanto à origem Areias naturais: são utilizadas diretamente na moldagem de peças, sem preparo especial (apenas adequadamente umedecidas). Areias sintéticas: são obtidas artificialmente, misturando os materiais-base (areia base e aglomerantes) tomados isoladamente. Os materiais-base (areia base, argila base, aglomerantes orgânicos) desempenham, cada um, função específica na areia de fundição sintética: areia silicosa --- dá refratariedade ao molde; argila --- elemento aglomerante; aglomerantes orgânicos --- além da função óbvia,conferem propriedades especiais, como alta resistência mecânica e colapsibilidade. Classificação das areias de fundição • Quanto à granulação e teor de argila A AMERICAN FOUNDRYMEN SOCIETY estabelece uma classificação em função do módulo de finura (representa o diâmetro médio ideal da peneira de malhas igual ao seu diâmetro) e da porcentagem de argila presente. 9 Classificação das areias de fundição • Quanto à parte do molde em que é usada Areias de faceamento: formam as superfícies externas das peças, ficando em contato direto com o metal líquido. Exigem maiores cuidados na preparação. Areias de enchimento: servem para preencher as caixas onde são feitos os moldes, após o revestimento do modelo com areias de faceamento. Areias de macho: areias de fundição especiais contendo ligantes químicos, utilizadas para a fabricação dos machos. • Quanto ao uso Areias novas: areias utilizadas pela primeira vez em fundição. Areias usadas: perdem resistência devido à ação do calor sobre o aglomerante. Devem ter suas propriedades corrigidas antes do reaproveitamento. Classificação das areias de fundição • Quanto ao teor de umidade • Areias verdes: areias de fundição que não são submetidas a nenhum processo de secagem após a confecção do molde, contém praticamente o mesmo teor de umidade utilizado na sua preparação. Areias secas: perdem grande parte da umidade nas superfícies que deverão estar em contato direto com o metal fundido. Podem secar naturalmente ao ar ou com o auxílio de fontes de calor. As areias de fundição são sempre moldadas (compactadas) no estado verde. 10 Classificação das areias de fundição • Quanto à natureza do metal. Para a seleção da areia adequada, deve-se considerar o metal a ser fundido Æ as características que normalmente se leva em conta são as seguintes: temperatura de vazamento, tensão superficial e atividade química (estas características são bastante diversas, exigindo diferentes requisitos do molde). O Al é vazado a cerca de 750ºC, ao passo que o aço em torno de 1450ºC. O Al tem tensão superficial muito inferior ao aço. O aço de alto teor de Mn e o Mg têm atividades químicas que exigem do molde propriedades químicas especiais. Classificação das areias de fundição • Quanto ao formato dos grãos. Grãos redondos: proporcionam grande economia de tempo no socamento e apresentam a maior durabilidade --- são os mais aconselhados nas areias de enchimento. Grãos angulares: produzem maior permeabilidade para um mesmo grau de compactação --- usados em areias para machos. Também empregados, às vezes, em areias de faceamento sintéticas. Grãos subangulares: os mais aconselhados para faceamento em areias sintéticas. Grãos agrupados: desaconselhados pela pequena durabilidade e dificuldade de controle granulométrico. 11 Requisitos básicos de uma areia de moldagem • Escoabilidade A areia deve facilmente preencher o molde, adotando a forma do modelo. A escoabilidade adequada é aquela que produz moldes de densidade uniforme ao longo dos detalhes do modelo com o mínimo de energia. Esta propriedade depende do teor de aglomerante, umidade e tamanho dos grãos. • Consistência Após a compactação a areia deve reter a forma do modelo (possuir resistência a verde). • Refratariedade Capacidade de resistência à fusão ou amolecimento que ocasionaria a sinterização. Depende do tamanho dos grãos, teor de argila e impurezas de baixo ponto de fusão. Requisitos básicos de uma areia de moldagem • Plasticidade Capacidade de deformar-se elasticamente a verde, mediante a aplicação de forças externas, retornando à posição inicial quando estas cessam. Um grau de plasticidade adequado é importante para permitir a extração do modelo e colocação de machos. • Dureza e Resistência Após a compactação a areia deve resistir ao manuseio das caixas e posteriormente à força do metal vazado. • Permeabilidade Capacidade de permitir que os gases gerados durante o vazamento (e o ar presente dentro do molde) escapem da peça. Depende do tamanho de grão, teor de aglomerante, umidade e grau de adensamento do molde. 12 Teor de argila e granulometria Teor de Argila ativa Baixo Alto Mais barato Maior custo Consistência insuficiente Alta plasticidade Alta refratariedade Baixa permeabilidade Granulometria Devem estar presentes, em proporções definidas, grãos grossos, médios e finos para assegurar um equilíbrio nas propriedades do molde: boa permeabilidade, bom acabamento superficial e refratariedade suficiente. Aditivos Para melhorar algumas propriedades das areias de fundição podem ser utilizados os seguintes aditivos: • Carbonáceos (formadores de carbono vítreo (CV)) - Redução da rugosidade superficial das peças. Melhorando o acabamento superficial. - Formação de uma atmosfera redutora. Exemplo: pó de carvão – além de formar CV permite acomodação dos grãos de areia em expansão após o vazamento, permite a utilização de areias com maior teor de umidade e aumenta a plasticidade do molde. 13 Aditivos • Bentonita sódica De origem mineral (composição similar à da argila) é encontrada sob a forma de pó. Tem grande poder de suspensão, grande índice de plasticidade e valores elevados de resistência. Produz uma estrutura com maiores vazios (maior permeabilidade do molde), que associada a uma menor umidade resulta em redução da incidência de defeitos como porosidade, nas regiões superficial e sub-superficial. Recomendado para a fundição de metais com alto ponto de fusão e tensão superficial. Aditivos • Pó de madeira (serragem) Usada eventualmente para atenuar os efeitos da expansão do molde (tensões). Apresenta alto teor de voláteis o que limita sua utilização. • Mogul (farinha de milho gelatinizada) Melhora a plasticidade evitando a quebra do molde em determinadas situações. Apresenta como desvantagens a dificuldade de compactação, aumento de rugosidade localizada e geração de gases. 14 Desenho das peças a serem fundidas. Ao se projetar uma peça para ser fundida, devem ser levados em conta os fenômenos que ocorrem na solidificação do metal líquido no interior do molde, evitando assim os defeitos oriundos do processo. Os fatores observados pelos técnicos dizem respeito à estrutura do metal (estrutura em forma de cristais), que aparece assim que o mesmo começa a se solidificar. As tensões provenientes do resfriamento e a espessura das paredes da peça, quando não devidamente considerados, podem resultar num produto não conforme. É preciso dimensionar de maneira proporcional todas seções da peça, de modo a ocorrer uma variação suave e gradual das espessuras, eliminando-se cantos vivos e mudanças bruscas de direção. Desenho das peças a serem fundidas. As figuras seguintes exemplificam como devem ocorrer as mudanças de direção, de modo a não causarem falhas nas peças fundidas. 15 Espessuras de paredes Paredes muito finas não são preenchidas totalmente pelo metal líquido, e em certas ligas (como o ferro fundido), o resfriamento rápido proporcionado por paredes finas pode resultar em pontos mais duros. A tabela seguinte apresenta algumas recomendações a respeito das seções mínimas para peças fundidas: Conicidade ou ângulo de saída do modelo Para que o modelo não fique retido na areia de moldagem, é necessário que exista uma inclinação aproximada de 3º em suas paredes, caso contrário, pode haver quebras de partes do molde quando o mesmo for expulso. Do mesmo modo, se o modelo possuir rebaixos que não tenham sido projetados adequadamente, estes pontos servirão como retenção do modelo na areia. Nestes casos se faz necessário o uso de caixas de macho apropriadas. Veja as figuras. 16 Sobremetal Para usinagem posterior, o modelo deve apresentar sobremetal quando necessário. A tabela seguinte apresenta as recomendações de margens de usinagem para diversas ligas, em função das dimensões das peças. Obs: estes valores são apenas ilustrativos, podendo variar conforme o padrão industrial adotado. eletrodorevestido.pdf 1 SOLDAGEM A ARCO COM ELETRODOS REVESTIDOS Bibliografia: MACHADO, I.G., Soldagem & Técnicas Conexas. Porto Alegre, 1996. AWS, WELDING HANDBOOK. v. 2 – Welding Processes. Florida, 7 ed., 1976 ASM, METALS HANDBOOK, vol.6 – Welding and Brazing. Ohio, 8 ed., 1971. DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO 2 SOLDAGEM A ARCO COM ELETRODOS REVESTIDOS � Grande responsável pela expansão da soldagem � Versatilidade � Baixo custo Esquema simplificado do processo 3 Características do processo � Primeiro processo a obter aceitação como método produtivo e de alta qualidade � Pode ser utilizado em praticamente todas as ligas ferrosas e algumas não-ferrosas (aços ao carbono, baixa liga, resistentes à corrosão, altamente ligados, ferros fundidos, alumínio, cobre, níquel, ...) � Não é indicado para ligas com muito baixo ponto de fusão (Pb, Sn) ou extremamente reativas (Zr, Ti). Metal-base, metal de adição, consumíveis � Os processos de soldagem consistem basicamente na fusão localizada do material a ser soldado (metalbase) com ou sem deposição de algum outro material (metal de adição). � Muitos processos além do metal de adição possuem outros elementos que são utilizados para permitir a correta execução da soldagem, sendo consumidos durante a operação (consumíveis) � Na soldagem a arco com eletrodos revestidos o único consumível do processo é o próprio metal de adição o eletrodo revestido. 4 Consumível – eletrodo revestido � O eletrodo revestido consiste basicamente de uma “alma” metálica (vareta metálica sólida), recoberta por um revestimento composto por uma mistura de compostos minerais e orgânicos aglomerados com um elemento aglutinador Alma do eletrodo revestido � Quando se deseja depositar metal de solda com elementos de liga, pode-se utilizar eletrodo com alma de composição química semelhante ao metalbase, ou adicionar os elementos de liga através do revestimento (eletrodos sintéticos) � Eletrodos sintéticos: alma de aço efervescente (0,10 % C; 0,45 Mn; 0,01% Si; 0,03 % S; 0,02 % P). Solidifica com anel externo de ferrita com impurezas no localizadas no centro � facilidade de trefilação � micro-porosidades auxiliam transferência � baixos teores de Si e Al – maior estabilidade 5 Revestimento do eletrodo - funções Metalúrgicas � Proteção do MS (gases e escória) � Desoxidação da poça de fusão � Transferência de elementos de liga � Mínima transferência de hidrogênio Controle do arco � Ignição e re-ignição (baixo potencial de ionização) � Estabilização do arco � Regulagem de penetração � Redução de salpicos Revestimento do eletrodo - funções Operação e manipulação (escória) � Intervalo de fusão conveniente � Viscosidade adequada � Tensão interfacial com MS adequada � Facilmente destacável 6 Tipos de revestimento - IB � Índice de basicidade (IB): relação entre o somatório dos compostos básicos (CaO, MgO, ...) e o somatório dos compostos ácidos (SiO2, Al2O3, ...) presentes no revestimento � Quanto maior o índice de basicidade, menor o nível de O2 no metal de solda � menor quantidade de inclusões � mais alta tenacidade à temperatura ambiente Tipos de revestimento Revestimento ácido Possui alto conteúdo de oxigênio, produzindo metal de solda (MS) de baixas propriedades mecânico/metalúrgicas. � Alta penetração � Escória abundante e de fácil remoção � MS gerado é o mais suscetível (dentre todos ) a trincas de solidificação Revestimento oxidante Constituído basicamente por óxido de Fe (hematita ou magnetita) � Possui grande espessura formando taça (soldagem por arraste) Baixas propriedades mecânico / metalúrgicas, principalmente tenacidade � Obsoleto 7 Tipos de revestimento Revestimento básico Produz MS com as melhores propriedades mecânico / metalúrgicas (principalmente tenacidade). Usado em situações de grandes solicitações � Escória fluída e facilmente destacável � MS altamente desoxidado e com baixo nível de inclusões � Altamente higroscópicos (reciclagem a 400 º C por 2 horas antes do uso) Revestimento celulósico Possui grande quantidade de elementos orgânicos (celulose) � Elevada produção de gases � Nível de H2 no metal de solda muito elevado restringindo aplicações � Alta penetração � Pequena quantidade de escória formada � Não podem ser aquecidos a mais de 100 º C Tipos de revestimento Revestimento rutílico Possui grande quantidade de dióxido de titânio (rutilo) TiO2 , elemento estabilizante do Eletrodo de uso geral � Penetração média � Propriedades mecânico / metalúrgicas intermediárias (entre básico e celulósico) � Escória facilmente destacável 8 Equipamento � Fonte de Energia � Regulagem de corrente (CCEP, CCEN, CA) � CCEP maior penetração � CCEN maior taxa de deposição � Proteção � Radiação ultravioleta e infravermelha � Roupas de materiais resistentes ao calor � Elmos (filtros p/ cada intensidade de corrente CLASSIFICAÇÃO DOS ELETRODOS REVESTIDOS CONFORME AWS � Os eletrodos são classificados com base nas propriedades mecânicas e na composição química do metal depositado, no tipo de revestimento, posição de soldagem e tipo de corrente. A classificação da AWS (American Welding Society) utiliza uma série de números e letras que fornecem várias informações a respeito do eletrodo, conforme procedimento abaixo. � Para os eletrodos de aço carbono e aços de baixa liga, a classificação utiliza 4 ou 5 algarismos precedidos da letra E, onde E significa eletrodo. Os primeiros dois (ou três) algarismos se referem à tração mínima exigida e é dado em mil libras por polegada quadrada (ksi). O terceiro (ou quarto) algarismo se refere à posição de soldagem, e o próximo algarismo, que é o último para os eletrodos de aço carbono indica o tipo de revestimento, corrente e polaridade. � Para os aços de baixa liga, a classificação AWS coloca após o último algarismo um hífen, seguido de um conjunto de letras e números, indicando classes de composição química, relativas aos diversos tipos de ligas. 9 CLASSIFICAÇÃO DOS ELETRODOS REVESTIDOS CONFORME AWS CLASSIFICAÇÃO DOS ELETRODOS REVESTIDOS CONFORME AWS ÚLTIMO ALGARISMO Eletrodo Tipo de Revestimento Corrente EXXX10 Celulósico (Sódio) CC+ EXXX20 Ácido CC- EXXXX1 Celulósico (Potássio) CC+,CA EXXXX2 Rutílico (Sódio) CC-,CA EXXXX3 Rutílico (Potássio) CC+,CC-,CA EXXXX4 Rutílico (Pó de Ferro) CC+,CC-,CA EXXXX5 Básico (Sódio) CC+ EXXXX6 Básico (Potássio) CC+,CA EXXXX7 Ácido (Pó de Ferro) CC-,CA EXXXX8 Básico (Pó de Ferro) CC+,CA POSIÇÕES DE SOLDAGEM (penúltimo algarismo): � Todas � Plana e horizontal � Plana 10 CLASSIFICAÇÃO DOS ELETRODOS REVESTIDOS CONFORME AWS CÓDIGOS DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA (válido para aços ligas): Códigos Significado A1 Eletrodo de aço carbono-molibidênio (0.40-0.65% Mo) B1 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (0.40-0.65% Cr e Mo) B2 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (1.00-1.50% Cr e 0.4-0.65 Mo) B2L Idem ao acima, com baixo teor de Carbono (0.005%) B3 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (2.5% Cr e 1% Mo) B4L Eletrodo de aço cromo-molibidênio (2.25% Cr e 0.65 Mo, baixo Carbono) B5 Eletrodo de aço cromo-molibidênio (0.6% Cr e 1.25% Mo, traços V) C1 Eletrodo de aço Níquel (2.00-2.75% Ni) C2 Eletrodo de aço Níquel (3.00-3.75% Ni) C3 Eletrodo de aço Níquel (1.10% Ni, Cr<0.15%, Mo<0.35%, V<0.05%) D1 Eletrodo de aço manganês-molibidênio (1.75% Mn e 0.45% Mo) D2 Eletrodo de aço manganês-molibidênio (2.00% Mn e 0.45% Mo) G Outros tipos de eletrodos de aço baixa liga M Especificações militares americanas fundicaoshell.pdf 1 Fundição Moldagem com Ligantes Químicos Fundição de Precisão (cera perdida) o Na aglomeração com argila, as ligações que unem os grãos e dão resistência ao molde são reversíveis podendo ser refeitas indefinidamente (desde que a argila não tenha suas propriedades afetadas pelo calor). Nesta situação os esforços de compactação da areia de fundição para obtenção do molde são bastante elevados. o Existem sistemas de moldagem onde a consistência é obtida através do desenvolvimento de ligações irreversíveis. Estes sistemas utilizam ligantes químicos que, combinados a determinados reagentes ou em presença do calor, sofrem reação química endurecendo a areia. o Areias obtidas desta forma são utilizadas principalmente para a obtenção de machos, onde precisão dimensional e resistência mecânica são fundamentais. o Algumas características dos processos de moldagem com ligantes químicos são: maior facilidade de obtenção dos moldes (menores esforços de compactação) e impossibilidade de reaproveitamento da areia. Fundição: “Shell Molding” O uso de resinas foi um grande aperfeiçoamento na utilização de areia para a produção de moldes de fundição. A areia não precisa mais ser compactada porque o aglomerante, que é como uma espécie de cola, tem a função de manter juntos os grãos de areia. E isso é feito de dois modos: a quente e a frio. Um dos processos, que usa calor para provocar a reação química entre o aglomerante e os grãos da areia, é aquele chamado de moldagem de casca (shell molding). ¾ O processo “Shell Molding” (Moldagem de Casca) é realizado da seguinte maneira: 2 Fundição: “Shell Molding” 1. Os modelos, feitos de metal para resistir ao calor e ao desgaste, são fixados em placas, juntamente com os sistemas de canais e os alimentadores. Fundição: “Shell Molding” 2. A placa é presa na máquina e aquecida por meio de bicos de gás até atingir a temperatura de trabalho (entre 200 e 250ºC). 3 Fundição: “Shell Molding” 3. A placa é então girada contra um reservatório contendo uma mistura de areia/resina de modo que o modelo fique envolto por essa mistura. Fundição: “Shell Molding” 4. O calor funde a resina que envolve os grãos de areia e essa mistura, após algum tempo (±15 segundos), forma uma casca (“shell”) com a espessura necessária (entre 10 e 15 mm) sobre o modelo. 4 Fundição: “Shell Molding” 5. A “cura” da casca, ou seja, o endurecimento da resina se completa quando a placa é colocada em uma estufa em temperaturas entre 350 e 450ºC. Fundição: “Shell Molding” 6. Após 2 ou 3 minutos, a casca é extraída do modelo por meio de pinos extratores. • Por causa da característica do processo, a casca corresponde a uma metade do molde. • Para obter o molde inteiro, é necessário colar duas metades. • Esse processo de moldagem permite que os moldes e machos sejam estocados para uso posterior. Além disso, ele fornece um bom acabamento para a superfície da peça, alta estabilidade dimensional para o molde, possibilidade de trabalhar com tolerâncias mais estreitas, facilidade de liberação de gases durante a solidificação. É totalmente mecanizado e automatizado e é adequado para peças pequenas e de formatos complexos. • A fundição das peças é feita por gravidade. 5 Vantagens do processo • Pode-se obter peças com tolerâncias entre ± 0,127 mm, de modo que, em operações de usinagem de acabamento, menor quantidade de metal é removida. As tolerâncias de usinagem variam de 1,0 a 1,5mm; • As peças fundidas em cascas podem apresentar excelentes níveis de acabamento superficial; • Pode-se obter orifícios relativamente pequenos, por exemplo em torno de 10mm; • Não há necessidade de prever ângulos de saída maiores que 0,5º a 1º, facilitando a operação de usinagem final; • Pode-se fundir secções muito finas (de 2,5 a 5mm), sendo que os ângulos de concordância também podem ser pequenos. É preciso cuidado para que isso não afete a resistência mecânica das peças; • Qualquer tipo de metal, com características de fusão fácil, pode ser utilizado na produção de peças por fundição em casca; as dimensões de tais peças podem atingir 1,2 a 1,5 m (contudo, a maioria das peças fundidas em casca possui a metade, ou menos, dessas dimensões). Desvantagens / Limitações • O custo do modelo é maior, porque o mesmo deve ser metálico (geralmente de alumínio ou ferro fundido). Além disso, os modelos devem estar isentos de defeitos superficiais, os quais podem dificultar a remoção da casca; • A areia à base de resina é de custo relativamente elevado, além de ser mais difícil de armazenar e manusear; • As dimensões das peças fundidas em casca são limitadas, comparando-as às peças produzidas em fundição convencional (contudo, essas dimensões são geralmente superiores às obtidas por intermédio da fundição sob pressão). • Há necessidade de utilização de máquina térmica e condições insalubres (gases e calor) de produção. 6 Moldagem pelo processo CO2 Processo de aplicação relativamente recente, é amplamente utilizado na confecção de moldes e machos referentes a componentes pequenos, médios ou grandes, permitindo obter peças com pesos que vão desde de alguns gramas até dezenas de toneladas. O processo resume-se na utilização de moldes convencionais de areia aglomerados com silicato de sódio. Após a compactação por métodos usuais, os moldes são submetidos a um tratamento com CO2 (gasagem), fazendo-se passar uma corrente do gás através do molde. Devido à reação entre o gás e o silicato de sódio, formam-se: sílica-gel, carbonato de sódio e água, resultando no endurecimento do molde em curto período de tempo. Processo CO2 – Aplicações Fatores dos quais depende o tempo de tratamento: composição e granulometria da areia, temperatura do gás, etc. Resistências da ordem de 200 a 300 psi (14 a 20 kg/cm²) são obtidas após tratamentos com ciclos inferiores a 1 minuto. Os machos para fundição em areia - que são empregados na obtenção de peças com cavidades – devem possuir, entre outras propriedades, elevada resistência aos esforços mecânicos provenientes do empuxo da massa líquida de metal, assim, os machos podem ser obtidos pelo processo CO2, em virtude das ótimas características de resistência oferecidas pelo mesmo. 7 Vantagens - Limitações Vantagens • Dispensam estufagem (aquecimento) para produzir moldes com rigidez comparável ou mesmo superior a dos moldes estufados. • Ferramental barato (o mesmo utilizado para moldagem em areia verde). • Gás utilizado (CO2) também é barato. Limitações • Menor precisão dimensional (comparado ao processo Shell). • Necessita mão-de-obra especializada. • Baixa produtividade. Fundição de precisão O objetivo da fundição de precisão é obter um produto fundido com peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento de superfície e tolerâncias mais estreitas em suas medidas, ou seja, um produto com características aliadas à qualidade do produto usinado. Por esse processo, pode-se fundir ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de cobre, de cobre-berílio, de bronze -silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além do aço e do aço inoxidável para a produção de peças estruturais para a indústria aeronáutica, para motores de avião, equipamentos aeroespaciais, de processamento de dados, turbinas a gás, máquinas operatrizes, equipamentos médicos, odontológicos, ópticos etc. A fundição de precisão se diferencia dos outros processos de fundição na confecção dos modelos e dos moldes. Enquanto nos processos por fundição em areia, o modelo é reaproveitado e o molde é destruído após a produção da peça, na fundição de precisão tanto o modelo quanto o molde são destruídos após a produção da peça. 8 Fundição de precisão Os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir de uma matriz metálica formada por uma cavidade com o formato e dimensões da peça desejada. Para formar os modelos a cera é injetada dentro da matriz no estado líquido. O molde é produzido a partir de uma pasta ou lama refratária feita com sílica ou zirconita, na forma de areia muito fina, misturada com um aglomerante feito com água, silicato de sódio e/ou silicato de etila. Essa lama endurece em contato com o ar e é nela que o modelo de cera ou plástico é mergulhado. Quando a lama endurece em volta do modelo, forma-se um molde rígido. Após o endurecimento da pasta refratária, o molde é aquecido, o modelo derretido, e destruído. Essa casca endurecida é o molde propriamente dito e é nele que o metal líquido é vazado. Assim que a peça se solidifica, o molde é inutilizado. Por causa das características desse processo, ele também pode ser chamado de fundição por moldagem em cera perdida. Fundição de precisão Resumindo, a fundição por moldagem em cera perdida apresenta as seguintes etapas: 1. A cera fundida é injetada na matriz para a produção do modelo e dos canais de vazamento. 9 Fundição de precisão 2. Os modelos de cera endurecida são montados no canal de alimentação ou vazamento. Fundição de precisão 3. O conjunto é mergulhado na lama refratária. 10 Fundição de precisão 4. O material do molde endurece e os modelos são derretidos e escoam. Fundição de precisão 5. O molde aquecido é preenchido com metal líquido por gravidade, centrifugação ou a vácuo. 11 Fundição de precisão 6. Depois que a peça se solidifica, o material do molde é quebrado para que as peças sejam retiradas. Fundição de precisão 7. As peças são rebarbadas e limpas. Em muitos casos, as peças obtidas por esse processo chegam a dispensar a usinagem devido à qualidade do acabamento de superfície obtido. Mesmo quando a usinagem faz-se necessária, demanda acabamento mínimo e isso reduz os custos de produção. 12 Preparação dos cachos • Modelagem Os modelos são criados injetando a cera em moldes metálicos ou de silicone. • Montagem dos moldes (cachos) Dependendo do tamanho e grau de complexidade das peças, muitos cachos podem ser criados em sua forma final, incluindo os modelos adequadamente dispostos em torno do canal de alimentação. Peças muito grandes ou complexas, devem ser injetadas em partes. A montagem final é feita usando uma chama ou espátula para aquecer a região de contato, enquanto os componentes são pressionados até a solidificação da cera. Produção da casca cerâmica do molde Os moldes são obtidos através da aplicação de diversas camadas de revestimento cerâmico sobre o cacho. Inicialmente o conjunto formado por modelos e canal de alimentação é imerso em uma pasta semi-fluída de cerâmica fina, retirado do banho e manipulado para obtenção de uma camada uniforme. A camada úmida é então mergulhada em uma camada de partículas de cerâmica relativamente grossas. A camada fina forma a parte interna do molde, reproduzindo cada detalhe do modelo, incluindo sua superfície lisa, esta camada também contém os agentes ligantes que conferem resistência à estrutura. A camada grossa de cerâmica serve para evitar a saída das partículas finas, prevenir trincas, proporcionar ligação física entre as camadas e aumentar a espessura do molde rapidamente. 13 Vantagens e desvantagens Suas principais vantagens são: · Possibilidade de produção em massa de peças de formatos complicados, difíceis ou impossíveis de se produzir por processos convencionais de fundição ou mesmo por usinagem. · Possibilidade de reprodução de detalhes precisos de construção, cantos vivos, paredes finas etc. · Possibilidade de obtenção de maior precisão dimensional e superfícies com melhor acabamento. · Devido ao bom acabamento e precisão dimensional das peças produzidas por esse processo, não há necessidade da preocupação com a utilização de ligas de fácil usinagem. · Possibilidade de utilização de praticamente qualquer metal ou liga. · Possibilidade de controle rigoroso da estrutura do material fundido de modo a garantir o controle preciso das propriedades mecânicas da peça produzida. . Não há necessidade de utilização de machos. Vantagens e desvantagens Suas desvantagens são: · As dimensões e o peso das peças são limitados (cerca de 5kg), devido ao custo elevado e à capacidade dos equipamentos disponíveis. · O custo se eleva à medida que o tamanho da peça aumenta. · Para peças maiores (entre 5 e 25 kg), o investimento inicial é muito elevado. 14 Tipos de ceras utilizadas Os dois principais tipos de ceras utilizadas para obtenção dos modelos são: • Ceras parafínicas ponto de fusão entre 52 e 68oC. baixo custo baixa viscosidade quando fundidas fragilidade alta contração • Ceras microcristalinas excelente plasticidade boa tenacidade Normalmente os dois tipos de ceras são usadas em conjunto, pois suas propriedades são complementares Existem ainda outros tipos de ceras menos utilizadas: ozocerite (de origem minera), candelilla e carnaúba (origem vegetal) que possuem maior dureza e rigidez, mas têm alto ponto de fusão. Aditivos Embora as ceras possuam propriedades úteis, são deficientes nos seguintes aspectos: - Resistência mecânica e rigidez, especialmente em modelos frágeis. - Controle dimensional (devido à contração que ocorre durante o resfriamento. Composição típica de uma cera de fundição: fusaodemetais.pdf 1 Equipamentos para fusão dos metais Equipamentos para fusão dos metais Existem inúmeros tipos de equipamentos (fornos) construídos para a fusão dos metais. Alguns deles se prestam praticamente à fusão de qualquer liga, enquanto outros são mais indicados para um metal ou liga determinada. Apresenta-se, a seguir, um resumo dos tipos de fornos existentes. * FORNOS A COMBUSTÍVEL ÆCUBILÔ * FORNOS ELÉTRICOS Æ A ARCO Æ DIRETO Æ INDIRETO A RESISTÊNCIA DE INDUÇÃO ÆCOM NÚCLEO ÆSEM NÚCLEO * FORNO DE CADINHO (PODE SER A COMBUSTÍVEL OU ELÉTRICO) Fusão do ferro fundido O ferro fundido, por suas aplicações industriais, é uma das mais importantes ligas de ferro. A rigor, o ferro fundido deve ser considerado uma liga ternária Fe - C – Si que caracteriza-se por possuir teores de carbono (C) relativamente elevados – de 2,5 a 4% - além do silício (Si) igualmente em porcentagens bem acima das encontradas nos aços comuns. Entre os vários tipos de fornos de fusão a combustível, o forno cubilô desempenha importante papel na produção de ferro fundido. 2 Descrição do forno cubilô O cubilô é um forno vertical feito de chapa de aço, revestida internamente por tijolos refratários. A parte superior é aberta e o fundo consta de um par de portas de ferro fundido, cuja finalidade é permitir a remoção do coque (sobre o qual será feita uma discussão mais adiante) não consumido e do metal não fundido após cada corrida. Diâmetro interno do forno: pode chegar a cerca de 1,80m. Altura: pode superar 15 metros. Capacidade de fusão: varia de 1 t/h até cerca de 50 t/h. O furo de vazamento de metal (geralmente circular e com diâmetro de 12,5 a 25mm) está localizado a uma distância do fundo compreendida entre 10 e 15cm. Um furo de 12,5mm, por exemplo, pode descarregar cerca de 5 t de metal líquido por hora. Descrição do forno cubilô O espaço entre o fundo e o furo é coberto com areia de moldagem assentada em rampa, visando facilitar o escoamento do metal. Ao furo é fixada a calha de vazamento, a qual conduz o metal à panela de fundição. Furo de saída da escória situa-se geralmente no lado oposto ao do furo de vazamento. O furo de saída de escória Æ localiza-se mais acima, em uma altura tal que permita formar-se um reservatório para o metal líquido Æ esse reservatório constitui o cadinho do forno, cuja altura depende do tipo de trabalho: - se a fundição for de peças leves, exigindo pequenas quantidades de metal, a altura pode ser pequena; - ao contrário, tratando-se de peças grandes, em que é conveniente o armazenamento de maior quantidade de metal, a altura do cadinho deve ser grande. 3 Descrição do forno cubilô Caixa de vento: localiza-se acima do cadinho e envolve o cubilô o ar, enviado por um ventilador, penetra por aberturas chamadas ventaneiras, feitas na carcaça (chapa e refratário) do forno, chocando-se com a cama de coque (obs: “cama” = certa carga de coque). Secção das ventaneiras: circular ou retangular. Plano das ventaneiras: não deve estar a mais de 50-60 cm acima do fundo do forno. Porta de carga: o carregamento do forno é feito pela parte superior, através desta porta. Altura recomendada para esta porta: 5 a 6 metros, a fim de que sejam aproveitados os gases quentes ascendentes, pré-aquecendo-se a carga Plataforma na altura da porta de carga Æ construída se o carregamento for manual, a mesma é desnecessária no caso de carregamento mecânico. Revestimento refratário O revestimento refratário de fornos cubilô deve resistir: - a temperaturas elevadas; - a ação química corrosiva oriunda dos produtos fundidos. As condições de resistência dependem essencialmente da qualidade e da uniformidade do revestimento. Fatores que afetam o nível de desgaste do refratário: - É muito importante o balanceamento químico das escórias, com graus de acidez ou de basicidade corretos; - Quantidade excessiva de ar ocasiona desgaste prematuro do revestimento; - A má distribuição, ou mesmo porcentagens excessivas de fundentes podem causar desgaste do refratário. 4 Zonas típicas de um forno cubilô - Zona de fusão está logo acima das ventaneiras, sendo a zona de mais alta temperatura do cubilô; - Zona do cadinho está situada logo abaixo das ventaneiras; - Zona de carga está compreendida entre a porta de carga e a zona de fusão; - Zona da chaminé geralmente revestida com parede fina, não superior a 114mm, tem grande durabilidade e não requer atenção especial. Obs: o furo de escória deve ser aberto a cada 4 ou 6 vazamentos de metal; caso se perceba que a escória esteja por atingir as ventaneiras, deve-se então abrir o furo de escória, estando fechado o furo de corrida. Composição da carga A composição da carga compreende: METAL + COMBUSTÍVEL (CARVÃO COQUE) + SUBSTÂNCIA FUNDENTE Metal Æ Composto por sucata metálica de fundição (canais alimentadores, peças defeituosas) + sucata em geral + adições de Fe-Si e Fe-Mn (para acerto da composição química do ferro fundido de acordo com as especificações da norma ABNT NBR6589) Substância fundente Æ Para facilitar a separação das impurezas do metal e do carvão, formando a escória. 5 Exemplo de composição da carga A Tabela abaixo apresenta um exemplo de composição da carga, para produção de ferro fundido num forno cubilô com diâmetro de 1,20m. Coque de fundição Em geral, um bom coque de fundição deve exibir as seguintes características; - umidade 0,5 a 2,5 %; - voláteis 0,8 a 1,0 %; - carbono fixo 88 a 90 %; - cinzas 9 a 12 %; - enxofre 0,40 a 0,60 %; - ensaio de queda (shatter test) 94 a 97 %. O ensaio de queda consiste em deixar cair de uma altura determinada, 4 vezes consecutivas, 22,68 kg (50 libras) de coque passado em peneira de 51 mm. A porcentagem de material que não passa na peneira é considerada como índice de resistência do coque. Para os coques nacionais, este valor é muito baixo, da ordem de 75 a 80 % (revelando que os coques nacionais são impróprios para esse uso). 6 Qualidade do metal obtido O forno cubilô não produz um material de grande uniformidade quanto à composição química, mesmo com os melhores controles operacionais. A temperatura do material líquido igualmente não é de fácil controle. Logo, o cubilô habitualmente é empregado para fundir peças de menor responsabilidade com relação à qualidade. Fusão em fornos elétricos Fornos elétricos são utilizados para a fusão de metais, tanto ferrosos como não-ferrosos, por apresentarem numerosas vantagens sobre os fornos a combustível. Sob o ponto de vista do custo de energia, a energia térmica obtida quimicamente pela queima de combustíveis comerciais é geralmente mais barata do que a obtida via conversão da energia elétrica em calor. No entanto, em aplicações que exigem temperaturas elevadas, como é o caso da fusão de metais, o rendimento da transferência de energia à carga metálica do forno é superior no caso da energia elétrica. Existem três tipos distintos de fornos elétricos: - Fornos a arco - Fornos a resistência - Fornos a indução 7 Fornos elétricos a arco Dentre os vários tipos de fornos elétricos, os fornos a arco são os mais utilizados para a fundição de metais ferrosos, principalmente devido à sua flexibilidade de aplicação, pois se prestam tanto à simples fusão como à fusão com refino. Forno a arco direto. Consiste em uma carcaça cilíndrica de aço, montada sobre um sistema que permite o basculamento do forno para frente e para trás. A parte inferior do forno (ou soleira) é constituída de um revestimento refratário de natureza básica ou ácida; as partes laterais bem como a cobertura ou abóbada, são revestidas de tijolos silicosos. Forno elétrico a arco direto 8 Sistema de aquecimento O sistema de aquecimento é composto por 3 eletrodos, igualmente espaçados, cada um dos quais ligado a uma fase de um suprimento trifásico de eletricidade. São muito empregados eletrodos de grafita por possuírem alta resistência, além de condutibilidade elétrica elevada. O efeito de aquecimento é produzido por arcos que se formam entre os 3 eletrodos. A energia elétrica é suprida em alta voltagem, sendo transformada nas baixas voltagens operacionais mediante transformadores, a partir dos quais é levada aos eletrodos por intermédio de cabos flexíveis de cobre. As condições de fusão são controladas pela variação de voltagem e pelo ajuste automático da posição ou altura dos eletrodos. A faixa de voltagens varia entre 90 e 500V. Características operacionais Carregamento do forno: é feito por uma porta localizada do lado oposto ao da calha de vazamento. Em fornos de grande capacidade, a abóbada pode ser retirada e o carregamento é feito pelo topo. Produção por hora: depende da energia disponível em média, a produção de 1t/h exige cerca de 1.000KVA de capacidade de transformador. O forno a arco direto pode fundir qualquer tipo de sucata. Na fusão do ferro fundido, a carga é constituída, em geral, de sucata de ferro fundido e de aço; o controle dos teores de carbono e silício é feito mediante a adição de carbono, na forma de coque, e Fe - Si. Os fornos a arco direto podem apresentar revestimentos ácidos (simples fusão de aço, sem refino exige sucata selecionada sem P e S) ou básicos (fusão e refino do aço, permite a remoção de P e S). 9 Abóbodas A abóbada do forno é engastada em um anel circular em toda a sua periferia e é construída de maneira a poder ser facilmente manobrada nos casos dos dispositivos de carregamento pelo topo. Abóbadas refratárias geralmente são construídas em tijolos silicosos, mesmo para fornos básicos. Apesar de provocar alguma contaminação do material ácido, prejudicando a operação de um forno básico, o tijolo silicoso é preferido para abóbadas em função das suas propriedades, em especial a resistência a temperaturas elevadas. Fatores dos quais depende a duração de uma abóbada: - qualidade do refratário; - forma da abóbada; - cuidado com que é construída. Forno elétrico de arco indireto O forno de arco indireto é monofásico, tipo basculante, de eletrodos horizontais. O arco é formado entre os eletrodos, sendo o calor transmitido à carga pela irradiação do arco. O forno tem encontrado boa aceitação na fundição de ferro fundido de alta qualidade e na de ligas e metais não-ferrosos pesados. 10 Forno elétrico de arco indireto Com o forno carregado, caso o mesmo permanecesse estacionário ao longo da corrida, apenas parte do calor irradiado pelo arco incidiria sobre a carga. A maior parte do calor do arco seria irradiada ao revestimento refratário e o calor seria perdido por condução através das paredes do forno e por convecção, além de ser utilizado para a fusão do revestimento do forno. Para superar os problemas descritos, carrega-se o forno, liga-se a força e dota-se o forno de um ligeiro movimento basculante para frente e para trás, mediante dispositivos elétricos. Esse movimento aumenta gradativamente até atingir 140° - 160°, quando a carga está completamente fundida. Regulagem do arco: é feita automaticamente (através de dispositivos eletro-mecânicos ou hidráulicos). A medida que os eletrodos se consomem, um deles se aproxima, mantendo-se sempre o arco elétrico. Capacidade: a capacidade normal desses fornos acha-se limitada a um máximo de 2t, embora para casos excepcionais já tenham sido construídos fornos de 5 a 10t. Forno elétrico de arco indireto Apesar da desvantagem de exibirem rendimento inferior ao do forno a arco direto, contam com grande aceitação na fundição de ferros fundidos e ligas pesadas de metais não-ferrosos, e mesmo na fundição de aços inoxidáveis e aços de alto teor de liga, em virtude das numerosas vantagens que apresentam: • representam menor investimento no custo inicial e na instalação; • são de fácil operação, podendo empregar mão-de-obra menos qualificada (os fornos trabalham com voltagem constante e utilizam potência máxima durante quase toda a corrida); • em sua versão moderna, exibem a vantagem adicional de permitirem uma rápida substituição de carcaças. Tornam-se recomendáveis a fundições de serviço variável, pois podem ser fundidos no mesmo forno (e com mínimo desperdício de tempo), tanto ferros fundidos (de vários tipos) como aços especiais e ligas não ferrosas à base de Cu e Ni, meramente substituindo as carcaças equipadas com revestimentos adequados para cada finalidade. Assim, evitam-se prejuízos causados por contaminações; 11 Forno elétrico de arco indireto • permitem a obtenção de temperaturas elevadas; • consegue-se um controle químico do metal fundido mais rigoroso. Forno elétrico a resistência Aplicação: para a fusão e como fornos de espera para ligas leves de baixo ponto de fusão à base de alumínio ou magnésio. Capacidade: pode superar 20t. Efeito do aquecimento: se dá pela passagem de corrente elétrica em uma resistência, geralmente metálica, constituída por ligas de alta resistência elétrica e de ponto de fusão elevado. As resistências são geralmente montadas na abóbada do forno, sendo suportadas por formas refratárias especiais. O aquecimento da carga e do banho ocorre, efetivamente, por irradiação. * Para a fusão de ligas não-ferrosas de mais alto ponto de fusão, e mesmo para ferros fundidos e aços, empregam-se fornos de resistência irradiante de grafita. Utiliza-se bastão de grafita contínuo que irradia calor ao banho. 12 Forno elétrico a resistência Regulagem de temperatura pode realizar-se de várias maneiras, dependendo dos seguintes fatores: - tamanho do forno; - tolerância admissível para variação de temperatura. Dois métodos bastante utilizados para regulagem de temperatura são os seguintes; - liga e desliga o dispositivo regulador liga ou desliga o forno quando a temperatura cai abaixo ou ultrapassa a temperatura desejada; - ligamento e desligamento parcial somente parte das resistências são ligadas ou desligadas, aumentado-se a precisão da regulagem de temperatura. Fornos elétricos de indução Princípio de funcionamento Æ consiste em um transformador: - o primário é constituído por uma bobina que é percorrida por uma corrente alternada; - é induzido um campo eletromagnético alternado na carga do forno, a qual vem a ser o secundário do transformador. Classificação dos fornos de indução : com núcleo e sem núcleo. FORNOS DE INDUÇÃO COM NÚCLEO. Os fornos de indução com núcleo são preferidos para a fusão de metais não-ferrosos, embora também apliquem-se à fusão de ferros fundidos. 13 Fornos de indução com núcleo Neste tipo de forno: - A bobina do forno envolve um núcleo magnético de aço laminado. - O conjunto bobina-núcleo, acha-se envolvido por uma camada refratária e encontra-se disposto de modo a formar-se, ao seu redor, um canal de metal líquido após a fusão do banho do forno. Características Vantagem do forno de indução com núcleo: apresenta elevado rendimento de funcionamento, pois aproveita 95 a 98% da energia alimentada. Maior inconveniente do forno: necessita a permanente manutenção de metal líquido no canal do forno, o que traz duas conseqüências: - impõe a contínua utilização do forno - 24 h/dia - ou, ao menos, durante os horários de não-funcionamento, manter ligada parte da energia para manter fundido o metal do canal; - dificulta a mudança do tipo de metal a ser fundido, pois seria preciso vazar o metal com o objetivo de substituí-lo pelo outro tipo a ser fundido, exigindo a fundição de metal em um forno auxiliar. 14 Características Para iniciar-se a operação do forno (ou para mudanças do tipo de metal): deve-se então dispor de um forno auxiliar para fundir o metal necessário à formação do canal. * Entretanto, para a fusão de ligas de Cu, Zn ou Al, e mesmo para ferros fundidos de composição constante e em regime contínuo, fornos de indução com núcleo encontram grande aceitação. * Fornos de indução com núcleo e canal líquido são construídos com capacidades diversas, segundo o tipo de metal a fundir. Fornos de indução sem núcleo Princípio do transformador: - o enrolamento primário é constituído por uma bobina de cobre resfriada à água; - o enrolamento secundário do circuito é constituído pela carga metálica. A câmara de aquecimento é um cadinho refratário ou é constituída de revestimento refratário (de natureza básica) socado no lugar. 15 Fornos de indução sem núcleo O processo consiste em: 1) Carregar-se o forno com sucata de aço. 2) A seguir, uma corrente de alta freqüência é passada através da bobina primária. 3) Assim, uma corrente secundária muito mais forte é induzida na carga, resultando no seu rápido aquecimento. 4) Assim que se forma uma bacia de metal líquido, inicia uma forte ação de agitação, concorrendo para a aceleração da fusão. 5) Fundida inteiramente a carga, busca-se atingir a temperatura desejada. 6) O metal é desoxidado e está pronto para ser vazado. Características Os fornos de indução sem núcleo apresentam a desvantagem do seu rendimento ser inferior ao do forno com núcleo, variando de 75 a 85% em função: - da freqüência utilizada; - do metal a fundir. Vantagem: são construídos para trabalhar em correntes com freqüências variando desde 50-60 Hz (freqüência de linha) até 15.000 - 20.000 Hz, oferecendo EXCELENTE FLEXIBILIDADE DE APLICAÇÃO A QUALQUER TIPO DE METAL. Assim, encontram ampla aplicação tanto na fusão de metais não-ferrosos (ligas leves, ligas de cobre, metais preciosos) como na fusão de ferros fundidos e aços das mais diversas composições. 16 Características A freqüência desejável leva em conta: - a capacidade do forno (em kg), variando geralmente de 50 a 500kg, embora fornos maiores sejam empregados ocasionalmente; - a capacidade de fusão necessária (em kg/h). Fator limitante das temperaturas que podem ser alcançadas: a resistência do refratário, exclusivamente. Um tipo de refratário bastante empregado é composto de 70% MgO e 30% Al2O3, pois: - seu ponto de fusão é elevado; - a refratariedade é pouco afetada pela absorção de óxidos de ferro ou cromo. Forno de cadinho Aquecimento: a óleo ou a gás, por meio de um queimador. Tipos: - estacionário: uma vez completada a fusão, o cadinho é retirado para que seja vazado o metal líquido; - basculante: o cadinho é fixo na carcaça, a qual contém um bico de vazamento (este é realizado basculando-se o conjunto). 17 Características A maioria dos metais e ligas oxida-se, absorve gases e outras substâncias e forma uma casca superficial, sendo que vários métodos foram desenvolvidos com a finalidade de preservar a pureza dos metais e produzir peças de boa qualidade. O alumínio e suas ligas, p. ex., absorve hidrogênio quando aquecido e esse gás causa porosidade nas peças fundidas, as quais apresentam, ainda, tendência à oxidação. A casca formada serve, de certa forma, como proteção contra o hidrogênio e oxidação ulterior. A tendência à oxidação cresce com a temperatura e o tempo, devendo estes fatores serem rigorosamente controlados. Alguns fundentes podem ser adicionados a fim de melhorar as condições de fusão. Têm sido desenvolvidos processos de fusão a vácuo, de forma a manter metais e ligas não-ferrosas limpas e puras durante a fusão. metalpo.pdf 1 METALURGIA DO PÓ Definição Técnica metalúrgica que consiste em transformar pós de metais ou ligas metálicas e as vezes substâncias não metálicas em peças resistentes, sem recorrer à fusão, utilizando apenas pressão e calor. Desenvolvimento histórico Início do séc. XIX (1829) Wollaston (considerado o pai da metalurgia do pó) desenvolveu processo de produção de platina compacta a partir de pó esponjoso de platina. Até então não havia como processar este tipo de material. Início do século XX (1909) Coolidge desenvolveu processo de produção de fios de tungstênio dúcteis para lâmpadas incandescentes a partir de pó de tungstênio. A partir da 2a G.G. a aplicação industrial popularizou-se através de uma série de aplicações práticas em função da capacidade processamento de ligas especiais ou da obtenção de propriedades especiais. 2 Produtos praticamente exclusivos da metalurgia do pó Materiais refratários como W, Mo, Ta (impossibilidade de fabricação por outros processos de fabricação); Metal duro - carbonetos de metais como W, Ta e Ti aglomerados com Co; Mancais porosos auto-lubrificantes de bronze ou Fe (efeitos estruturais especiais, impossíveis de obter por outros processos); Filtros metálicos de bronze e aço inoxidável; Discos metálicos à base de Cu ou Fe misturados com substâncias de alto coeficiente de atrito; Certos tipos de contatos elétricos W-Ag, W-Cu, Mo-Ag, Mo- Cu; Escovas coletoras de corrente: Cu + grafite. Exemplos de aplicações 3 Exemplos de aplicações Matéria-prima Pós metálicos e não-metálicos Dimensão máxima de um pó = 1 mm (ISO3252) Tamanho e forma da partícula variam de acordo com o processo de fabricação (esférica, irregular, angular, ...). Para caracterizar um pó deve-se então determinar a distribuição quantitativa das partículas. Densidade aparente (g/cm³) – importante porque (normalmente) o enchimento da matriz é feito por volume, influindo sobre o curso. Compressibilidade: capacidade de um pó ser conformado de um volume pré-determinado a uma determinada pressão (100 Mpa). Resistência à verde: termo que designa a condição como compactado, ou seja, antes da sinterização. 4 A produção dos pós metálicos A primeira etapa da metalurgia do pó é a fabricação dos pós metálicos. As principais rotas são: - Reações químicas - Atomização - Deposição etrolítica - Processos mecânicos A produção dos pós metálicos Produção de pós por reações químicas O método mais comum é a redução de óxidos metálicos por um agente redutor gasoso (CO) ou sólido (carbono). Os metais mais comumente produzidos por essa técnica são o Fe, o Cu e o Mo. Na produção do pó de ferro o processo mais tradicional é o método Hoganaes.Nesse processo, basicamente, pó de minério de ferro é colocado em contato (sem mistura) com uma mistura de coque-calcário a uma temperatura de 1270oC. O óxido de ferro é reduzido pelo CO produzindo uma “esponja de ferro” que depois passa por processos de moagem e peneiramento. Outros gases utilizados na redução de minérios são o hidrogênio e amônia dissociada, por exemplo na produção de pó de Cu, W e Mo. 5 A produção dos pós metálicos Atomização Consiste na fusão do metal e posterior dispersão do mesmo em gotas muito finas. É um processo versátil que permite não só a produção de pós de metais puros mas como também de ligas metálicas. A microestrutura dos pós é muito refinada devido ao processo de solidificação rápida envolvido. Em alguns casos especiais pode-se obter pós metálicos amorfos. A produção dos pós metálicos Os métodos de atomização mais comuns são: - atomização a água: limitado a metais que não sofrem muita oxidação ou cujos óxidos possam ser facilmente reduzidos posteriormente. Produz partículas irregulares. - atomização a gás: as partículas são mais regulares (mais próximas da geometria esférica) é um processo que pode ser muito limpo quando utiliza-se gases inertes como Ar ou He. Pode-se utilizar também o ar ou N2. O ar é limitado a metais e ligas pouco reativos. - Eletrodo rotativo: o arco elétrico funde um eletrodo em rotação produzindo gotículas metálicas. As partículas são esféricas. - atomização a vácuo: desintegração do líquido pela expansão de gases em solução sob vácuo. Produz partículas esféricas e é um processo de elevada pureza. - atomização por disco rotativo: um disco rotativo pulveriza um jato de metal líquido produzindo partículas esféricas e de elevada pureza. 6 A produção dos pós metálicos Deposição Eletrolítica Consiste na deposição de metais no ânodo de células eletrolíticas. Utiliza-se como eletrólito uma solução de um sal contento a espécie metálica desejada. No caso do Cu, por exemplo, usa-se sulfato de cobre. Permite a produção de metais muito puros que na forma de placas friáveis ou esponjas são depois moídos. A produção dos pós metálicos Processos Mecânicos Consiste na moagem dos metais. É aplicada em metais duros e frágeis, como aqueles na forma de esponjas. Há vários tipos de moinhos, o mais comum é o moinho de bolas. Durante a moagem há formação de superfícies metálicas livres e que causam a fácil soldagem e aglomeração das partículas. Para evitar esse inconveniente normalmente utilizam-se lubrificantes. A formação de superfícies reativas também pode causar oxidação indesejada o que é melhorado com o uso dos lubrificantes, pode-se também utilizar moinhos selados com gás inerte. 7 Etapas do processo Mistura dos pós: consiste na mistura dos pós metálicos necessários e adição de lubrificante para obtenção de uniformidade (granulométrica e de composição). Compactação: compressão da mistura resultante utilizando matrizes e prensas. Após esta etapa, o material deve ficar suficientemente resistente para manuseio sem trincas ou fraturas, porém insuficiente para as aplicações de engenharia. Sinterização: Aquecimento em condições controladas (atmosfera e tempo de tratamento) de modo a produzir ligações permanentes entre as partículas, conferindo resistência mecânica à peça. Mistura dos pós Objetivos: misturar pós de naturezas diferentes juntamente com o lubrificante, assegurando uniformidade de tamanho de grãos e composição química. Equipamento: moinho de bolas, misturador de pás ou rolos. Tempo de mistura: existe um tempo necessário para obtenção de uma mistura uniforme. Além deste tempo, pode haver trituração demasiada dos pós. 8 Compactação dos pós A compactação é a etapa mais importante do processo - fundamental na precisão das dimensões finais A viabilidade econômica do processo depende criticamente de produzir componentes com a forma desejada e cujas dimensões após a sinterização estejam tão próximas que praticamente não haja necessidade de usinagem posterior. A compactação ocorre basicamente em 3 estágios que na realidade se sobrepõem: 1 – re-arranjo das partículas eliminando parcialmente os vazios 2 – deformação plástica das partículas reduzindo ainda mais os vazios 3 – quebra das partículas (devido ao encruamento) e formação de aglomerados por soldagem a frio. Compactação dos pós Existem várias técnicas de compactação, mas aqui serão apresentadas somente as mais usuais. Prensagem uniaxial Alta produção, mas limitada na dimensão axial (devido à não total transferência de pressão pelo pó). Pode ser de ação simples ou dupla e feita em múltiplos estágios para garantir densidade uniforme na peça verde. A prensagem pode ser realizada também a quente (já promovendo total ou parcial sinterização). 9 Compactação dos pós Prensagem isostática O pó metálico é colocado num invólucro flexível que sofre a compressão de um líquido (prensagem a frio) e, posteriormente, pode ser compactado sob a ação isostática de um gás a quente. Permite uma transmissão de tensão mais uniforme pelo pó (produção de peças com grande relação comprimento/diâmetro) e permite a produção de peças com geometrias que não podem ser prensadas uniaxialmente. Ainda, a prensagem isostática a quente pode produzir peças já no estado final de densificação, isto é, compactadas e sinterizadas. Compactação dos pós Extrusão a quente O pó é geralmente colocado num recipiente e então extrudado. Consiste numa combinação entre compactação a quente e conformação mecânica. Laminação O pó metálico é comprimido entre dois cilindros rotativos produzindo uma tira ou chapa compactada. Forjamento e laminação de pré-conformados Combina operações de forjamento e laminação (que veremos em outra aula) usando tarugos de pó previamente compactado. Compactação por injeção Utilizam-se ligantes termoplásticos aos pós que sob ação de calor permite a injeção dos mesmos em moldes. O processo consiste na injeção e simultânea compressão da mistura no molde. Permite a produção de peças complexas, resistentes e uniformes, mas é um processo mais caro do que a prensagem usual. 10 Compactação dos pós Aplicação da pressão relação de densidades – 0,7 – 0,9 Atrito com paredes do molde Uma das grandes causas da redução de pressão no centro da peça é causada pela fricção nas paredes da matriz, ou seja, atrito entre a massa de pó e as faces verticais da ferramenta (paredes da matriz e machos), reduzindo a pressão e podendo gerar regiões com densidades diferentes dentro da peça. Para reduzir este atrito é adicionado lubrificante durante a etapa de mistura dos pós. Além disso, na prática utiliza-se a seguinte relação: comprimento / diâmetro <= 3, para que haja uniformidade da densidade ao longo de toda a matriz. Compactação dos pós Tamanho das peças compactadas Usualmente o diâmetro final é maior que o da matriz (matriz sofre deformação durante a aplicação da carga). Se houver variação de densidade no interior da peça, durante a etapa de sinterização ocorrerá deformação permanente. Outro fator importante é a quantidade de pó colocada na cavidade que, dependendo do tipo de prensa utilizada pode ocasionar os seguintes defeitos: prensa mecânica Æ peças têm sempre a mesma altura, havendo variação na quantidade de pó ocorre variação de densidade da peça. Prensa hidráulica Æ aplicam sempre a mesma pressão (densidade uniforme), havendo variação na quantidade de pó ocorrerá variação na altura da peça. 11 Compactação dos pós - projeto Deve ser facilmente ejetada da matriz – não pode haver detalhes, projeções ou furos que não sejam paralelos à direção de compressão; Deve-se evitar variações abruptas de seção e cantos vivos – trincas durante a ejeção; Evitar punções com seções muito finas que não comprimem adequadamente causando variações de densidade. Sinterização Aquecimento das peças com controle absoluto de temperatura e atmosfera, visando o desenvolvimento de ligações permanentes entre as partículas de pó por difusão atômica. Durante o aquecimento formam-se “pescoços” entre as partículas nos pontos de contato que aumentam progressivamente, conferindo resistência mecânica à peça. Os eventuais vazios existentes tornam-se poros residuais. 12 Sinterização A sinterização consiste na compactação final da peça verde em alta temperatura, normalmente de 2/3 a 3/4 da temperatura absoluta de início de fusão do metal ou liga. Ocorre, portanto, no estado sólido embora possa ocorrer sinterização com a presença de fase líquida. A força motriz para a sinterização é a redução da superfície livre das partículas. Quanto maior a superfície específica das mesmas maior a tendência de sinterização. A temperatura aplicada fornece apenas a energia de ativação necessária para o processo. A sinterização é basicamente controlada pelo processo de difusão atômica. Sinterização A difusão de átomos do contorno entre partículas para a superfície do “pescoço” entre elas é o principal mecanismo de compactação e redução da porosidade. A presença de defeitos cristalinos facilita esse processo, já que fornecem “caminhos” energeticamente mais favoráveis para a difusão como é o caso de contornos de grão, encruamento, etc. A sinterização é normalmente realizada em fornos com atmosfera controlada para evitar principalmente a oxidação do metal. As atmosferas mais usuais são compostas de CO, CO2 (normalmente produtos da queima de gases como metano e propano), são também usados metanol ou etanol dissociados, amônia dissociada, hidrogênio e nitrogênio. 13 Tipos de sinterização Sinterização no estado sólido Temperatura de sinterização inferior (e em muitos casos significativamente inferior) ao ponto de fusão dos metais presentes. A ligação das partículas acontece por difusão atômica no estado sólido. Sinterização em presença de fase líquida Ocorre nas ligas metálicas que possuem ampla faixa de solidificação. A temperatura de sinterização pode ser superior à temperatura de fusão de um dos componentes da mistura (presente em menor quantidade) gerando pequena quantidade de líquidos que facilitam o processo de difusão. Para a obtenção de peças com praticamente suas dimensões finais, apenas a formação de pequena quantidade de líquidos é tolerável, de modo que não haja variações dimensionais sensíveis. Técnica Feita em fornos contínuos com esteiras por onde as peças são alimentadas. Pré-aquecimento Æ remoção do lubrificante orgânico (como vapor, sem decomposição). A taxa de aquecimento deve ser tal que saia de toda a seção externa e progressivamente das partes centrais. Sinterização Æ Peças permanecem o tempo necessário à temperatura necessária para ocorrência do processo de difusão. Resfriamento Æ Lenta (para evitar distorções) fazendo a peça sair a temperaturas suficientemente baixas para que não ocorra oxidação. 14 Operações Complementares Após a sinterização as peças podem sofrer operações complementares para ajustes dimensionais, como por exemplo: -re-compressão: para aumentar a densidade da peça. -calibragem: consiste numa leve prensagem para corrigir pequenos empenamentos e distorções -cunhagem: para imprimir detalhes nas superfícies. Outra operação bastante comum é a infiltração onde um metal líquido é forçado para o interior das porosidades da peça por capilaridade ou sob vácuo. A infiltração permite a obtenção de peças totalmente densas e praticamente sem porosidades. Além de melhorar as propriedades finais da peça pode ser usada para facilitar operações de usinagem. A impregnação de óleos também é usada em buchas ou peças autolubrificantes. Embora a usinagem seja indesejável, já que encarece o produto final, em alguns casos ela é necessária principalmente quando certas tolerâncias ou acabamentos superficiais são muito rígidos. Vantagens do método Econômico; Rápido; Produção em grande escala de peças exatamente iguais (tolerâncias estreitas); Sem necessidade de operação final de usinagem ou acabamento; Controle rigoroso da composição do material e eliminação ou redução da possibilidade de retenção de impurezas introduzidas pelos processos convencionais de fabricação; Operação em atmosfera controlada; Redução ou eliminação das perdas de material ou produção de sucata. 15 Limitações do método Capacidade limitada das prensas de compactação Peças maiores Æ maiores prensas (pode tornar o processo inviável técnica e economicamente); Dificuldade de obtenção de densidades uniformes e próximas de materiais idênticos fundidos ou conformados mecanicamente (esta limitação praticamente desaparece com o emprego de pós de melhor qualidade e controle e condições de compactação); Limitação quanto à forma da peça que deve ser ejetada da matriz. mig_mag.pdf 1 SOLDAGEM A ARCO COM PROTEÇÃO POR GÁS E ELETRODO CONSUMÍVEL”MIG/MAG” MIG – Metal Inert Gas MAG – Metal Active Gas � Neste processo de soldagem um arco elétrico é gerado entre a peça a ser soldada e um eletrodo nú maciço consumível continuamente alimentado � A poça de fusão assim formada é protegida por uma atmosfera de gás (que pode ser inerte ou ativo) Histórico do processo � 1948 – desenvolvimento inicial do processo, utilizando argônio para soldagem de Al � 1951 – Ar + CO2 � 1953 – CO2 puro 2 Esquema básico do processo Principio do processo MIG/MAG: 1. Arco elétrico 2. Eletrodo 3. Carretel ou tambor 4. Roletes de tração 5.Conduíte flexível 6. Conjunto de mangueiras 7. Pistola de soldagem 8. Fonte de potência 9. Bico de Contato 10. Gás de proteção 11. Bocal do Gás de proteção 12. Poça de fusão. Vantagens do processo �Soldagem automática ou semi-automática �Excelente para robotização �Alta taxa de deposição �Permite soldagem em todas as posições �Formação de pouca ou nenhuma escória �Metal de solda depositado possui baixo teor de hidrogênio �Facilidade de operação 3 Fonte de energia �Utiliza fontes de energia com curva característica do tipo “plana” (tensão constante) normalmente tipo retificador �A maior parte dos casos de soldagem MIG/MAG utiliza a CCEP, ficando a utilização da CCEN apenas para os casos de deposição superficial do material de adição e aplicações onde a penetração não é importante. Não ocorreGrandeBaixaBaixaGrandeCCEN OcorrePoucaAltaAltaPequenaCCEP Dispersão dos Óxidos Quantidade de Respingos Velocidade de TransferênciaPenetração Tamanho de Gota RESULTADOS Corrente Comandos disponíveis �Tensão do arco � Velocidade de alimentação do arame � Vazão do gás de proteção � Indutância � Pré e pós-fluxo do gás de proteção 4 Sistemas de alimentação do arame �Sistema convencional (“push”) – localizado junto ao rolo de arame “empurra-o” podendo causar amassamento (em metais dúcteis) �Sistema “pull” – colocado junto à tocha, traciona o arame eliminando possibilidade de amassamento. Aumenta o peso da tocha �Sistema “push-pull” – utiliza os dois sistemas. Para materiais muito dúcteis ou grandes distâncias entre fonte e local da soldagem Gases de proteção �Gases Inertes Não reagem com os metais sob o arco Argônio Hélio Usados puros (ou mistura de ambos) para soldagem de não-ferrosos Para a soldagem dos aços é necessário adicionar um gás oxidante estabilidade do arco redução de salpicos 5 Gases de proteção � Gases Neutros N2 puro Ar + 20-30 % N2 Usados para soldagem do cobre �alto poder energético baixo custo produção de fumos tóxicos Gases de proteção �Gases Redutores H2 (1-2 %) adicionado a misturas Ar + CO2 ou Ar + O2 Usados para soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos e não-ferrosos (nunca nos aços comuns) � alto calor específico alta condutividade térmica 6 Gases de proteção �Gases Oxidantes O2 ou CO2 Usados para soldagem dos aços ao carbono e baixa liga. Produzem grande número de pontos catódicos sobre o arame estabilizando o arco �Aços ao carbono: CO2 puro CO2 + 10-20% O2 Baixa liga: Ar + 3-5% O2 Ar + 10-30% CO2 SOLDAGEM A ARCO COM ELETRODO TUBULAR � Neste processo o arco elétrico é estabelecido entre a peça e um eletrodo tubular metálico, cujo interior é preenchido com fluxo fusível, continuamente alimentado a partir de um bobina � Utiliza o mesmo tipo de fonte de energia, sistema do alimentação de arame e tocha de soldagem empregados no processo MIG / MAG 7 SOLDAGEM A ARCO COM ELETRODO TUBULAR �Vantagens do processo de soldagem por eletrodos revestidos sem seus inconvenientes operacionais Esquema básico do processo 8 Modos de operação �Auto-protegido: somente escória e gases produzidos pela decomposição do eletrodo protegem o MS da atmosfera �pode operar em local aberto �Com proteção gasosa: utiliza gás de proteção externo adicional. CO2 puro, Ar + CO2 ou Ar + O2 Consumíveis � Sem costura Maior proteção contra a absorção de umidade. Obtidos através de trefilação a partir de tubos de maior diâmetro Produzem metal com baixo nível de H2 � Perfil fechado Formas mais complexas Maior área de metal na seção transversal � arco mais suave 9 Consumíveis Rolo de arame tubular ( observar detalhe) Funções do fluxo � Desoxidação do MS � Transferência de elementos de liga � Aumento da taxa de deposição (pó de Fe) � Formação de escória e gás de proteção � Estabilização do arco � Ajuste da geometria do cordão 10 Características operacionais � Maior taxa de deposição 2 x na posição vertical e 6 x na posição plana (em relação à SAER) � Alta penetração – chanfros menores � Baixo fator de operação � Alta vazão de gás (40% superior ao MIG/MAG) � Necessidade de remoção da escória moldesmetalicos.pdf 1 Fundição em Moldes Permanentes Dependendo do trabalho que se quer realizar, da quantidade de peças a serem fundidas e, principalmente, do tipo de liga metálica que será fundida, o fabricante tem que fundir suas peças em outro tipo de molde: os moldes permanentes, que dispensam o uso da areia e das misturas para sua confecção. Os processos de fundição por molde permanente usam moldes metálicos para a produção das peças fundidas. Por esses processos realiza-se a fundição por gravidade ou pressão. Usar um molde permanente significa que não é necessário produzir um novo molde a cada peça que se vai fundir. A vida útil de um molde metálico permite a fundição de até milhares de peças. Fundição em Moldes Permanentes A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixas do que o ferro e o aço. Esses metais são representados pelas ligas com chumbo, zinco, alumínio, magnésio, certos bronzes e, excepcionalmente, o ferro fundido. O motivo dessa restrição é que as altas temperaturas necessárias à fusão do aço, por exemplo, danificariam os moldes de metal. Os moldes permanentes são feitos de aço ou ferro fundido ligado, resistente ao calor e às repetidas mudanças de temperatura. Moldes feitos de bronze podem ser usados para fundir estanho, chumbo e zinco. Os produtos típicos da fundição em moldes permanentes são: bases de máquinas, blocos de cilindros de compressores, cabeçotes, bielas, pistões e cabeçotes de cilindros de motores de automóveis, coletores de admissão. 2 Fundição em Moldes Permanentes Esses produtos, se comparados com peças fundidas em moldes de areia, apresentam maior uniformidade, melhor acabamento de superfície, tolerâncias dimensionais mais estreitas e melhores propriedades mecânicas. Por outro lado, além de seu emprego estar limitado a peças de tamanho pequeno e produção em grandes quantidades, os moldes permanentes nem sempre se adaptam a todas as ligas metálicas e são mais usados para a fabricação de peças de formatos mais simples, porque uma peça de formas complicadas dificulta não só o projeto do molde, mas também a extração da peça após o processo de fundição. Fundição em Moldes Permanentes A aplicação mais conhecida é a da fundição de “ lingotes”, isto é, peças de forma regular – cilíndrica ou prismática – que sofrerão posterior processamento mecânico. Os moldes, nesse caso, são chamados “lingoteiras”. As lingoteiras podem ser inteiriças, ou com o fundo constituído de uma placa sobre a qual o corpo da lingoteira se apóia. 3 Fundição em Moldes Permanentes Tipos horizontais: são mais utilizados para metais e ligas não-ferrosas. Fundição em Moldes Permanentes Tipos verticais: empregadas geralmente para a fundição de lingotes de aço. 4 Moldes mistos ¾ Em algumas situações pode-se utilizar moldes mistos, ou seja, combinações de moldes metálicos com moldes de areia. Ex.: fundição de um cilindro de laminação “coquilhado”. A parte metálica do molde é chamada “coquilha” e o material solidifica mais rapidamente nessa região, onde adquire maior dureza e alta resistência ao desgaste duas características necessárias para a aplicação mencionada. Os moldes permanentes são geralmente feitos de aço ou ferro fundido; em alguns casos, empregam-se ligas de cobre (bronze, p.ex.). Fundição em matriz por gravidade Pelo processo de fundição em matriz utilizando a ação da gravidade – muitos tipos de peças são produzidos. Neste caso o molde (matriz) é composto por duas ou mais partes que são convenientemente alinhadas e fechadas, formando a cavidade correspondente à forma desejada da peça. Após a solidificação da peça, o molde é aberto e a peça é retirada. Para obter peças vazadas podem ser utilizados machos metálicos ou moldados em areia. Existem fundamentalmente dois tipos de matrizes: - Tipo Livro: a abertura da matriz é feita através de rotação em torno de um ponto (pode haver dificuldade de extração da peça). - Deslizante: uma das partes da matriz é fixa e a outra se desloca sobre trilhos (utilizada para peças onde uma das dimensões dificultaria a remoção em matrizes tipo livro). 5 Tipos de matrizes (fundição por gravidade) Características da matriz O projeto da matriz deve ser feita com base nas características operacionais específicas do processo: - Temperatura de vazamento; - Dimensões das peças; - Número de peças / molde; - Custo do material da matriz. A vida útil das matrizes pode variar entre 100 e 250.000 operações de vazamento. Para resistir às altas temperaturas sem sofrer deformação, abrasão ou mistura com o metal líquido sendo vazado, as matrizes devem ser revestidas internamente com uma pasta adesiva rala feita de material refratário cuja função, além de proteger os moldes, é impedir que as peças grudem neles, facilitando a desmoldagem. Estes revestimentos têm como principais características serem aderentes e de fácil remoção, além de resistentes e não corrosivos. Normalmente são compostos por uma mistura de materiais isolantes com lubrificantes. 6 Vantagens / Limitações Comparadas às peças obtidas em moldes de areia, as peças fundidas em moldes metálicos apresentam as seguintes características: Vantagens: – Maior uniformidade; – Melhor acabamento superficial; – Tolerâncias dimensionais mais estreitas; – Melhores propriedades mecânicas. Limitações: – Devido ao alto custo da matriz o processo é geralmente limitado a peça de pequenas dimensões, tornando-se viável para grandes produções; – Não permite a fusão de todos os metais; – Formas muito complicadas dificultam o projeto do molde e tornam difícil a extração da peça do seu interior; – Há necessidade de revestimento interno das matrizes. Fundição sob pressão Consiste em forçar o metal líquido a penetrar na cavidade do molde, chamado de matriz. A matriz, de aço-ferramenta tratado termicamente, é geralmente construída em duas partes hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. O metal é bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total de todos os seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal se solidifique. Então, a matriz é aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente. A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas sob pressão: tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de arranque, maçanetas, caixas de câmbio. O mesmo acontece com a indústria aeronáutica, que usa peças fundidas principalmente de ligas de alumínio e magnésio. 7 Fundição sob pressão Muitas matrizes são refrigeradas a água. Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz, a fim de aumentar sua vida útil e evitar defeitos nas peças. Para realizar sua função, as matrizes têm que ter resistência suficiente para agüentar o desgaste imposto pela fundição sob pressão, e são capazes de suportar entre 50 mil e 1 milhão de injeções. Variantes do processo Existem duas formas de fazer a injeção do metal na matriz metálica • Câmara quente – Processo original utilizado para materiais de mais baixo ponto de fusão. Neste método o atuador do sistema hidráulico permanece em íntimo contato com o metal fundido, o que pode gerar problemas nestes componentes. Utilizado para fundir ligas de zinco e magnésio. 8 Variantes do processo • Câmara fria – Este método utiliza um reservatório de metal fundido separado do atuador hidráulico. O pequeno tempo de contato permite a fundição de ligas de mais alto ponto de fusão como por exemplo alumínio e cobre. Matriz para fundição sob pressão A máquina é dotada de duas mesas: uma fixa, onde se localizam uma metade da matriz e o sistema de injeção do metal líquido; outra móvel, onde se localizam a outra metade da matriz, o sistema de extração da peça e o sistema de abertura, fechamento e travamento da máquina. 9 Vantagens do Processo • Peças de ligas como a de alumínio, fundidas sob pressão, apresentam maiores resistências do que as fundidas em areia; • Peças fundidas sob pressão podem receber tratamento de superfície com um mínimo de preparo prévio da superfície; • Possibilidade de produção de peças com formas mais complexas; • Possibilidade de produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas; • Alta capacidade de produção; • Alta durabilidade das matrizes. Desvantagens do Processo • Limitações no emprego do processo: ele é usado para ligas não- ferrosas, com poucas exceções; • Limitação no peso das peças (raramente superiores a 5kg.); • Retenção de ar no interior das matrizes, originando peças incompletas e porosidade na peça fundida; • Alto custo do equipamento e dos acessórios, o que limita seu emprego a grandes volumes de produção. 10 Fundição por centrifugação Processos clássico de fundição - metal enche o molde pela ação da força da gravidade; - pressão no molde = f (densidade do metal, altura do canal de vazamento). Fundição sob pressão - gravidade substituída por uma pressão externa aplicada mecanicamente (pistão). Fundição por centrifugação - rotação do molde e do metal nele contido, produzindo uma força centrífuga; - as pressões atingem valores bastante elevados; - vaza-se metal líquido em um molde em rotação Æ força centrífuga origina uma pressão que força o metal líquido contra as paredes do molde. Tipos de fundição por centrifugação Há 3 tipos que têm em comum, o aproveitamento da força centrífuga para melhorar a densidade das peças. 1º) Fundição centrífuga verdadeira. O eixo de rotação pode ser horizontal ou inclinado: - eixo horizontal Æ a superfície interna da peça é sempre um cilindro; - eixo inclinado Æ ação combinada das forças da gravidade e centrífuga produz superfície interna com forma parabólica. Escolhendo corretamente temperatura e velocidade, a diferença entre os diâmetros será pequena, podendo ser eliminada facilmente por torneamento. Duas particularidades (desvantajosas): - rotação deve ser bastante elevada; - superfície interna da peça solidifica por último, resultando em propriedades mecânicas inferiores às da superfície externa. 11 Tipos de fundição por centrifugação 2º) Fundição semi-centrífuga. - utiliza uma espécie de macho central (geralmente de aço) para promover a solidificação rápida da superfície interna da peça; - o eixo de rotação é sempre vertical; 3º) Fundição centrifugada. - radicalmente diferente dos outros 2 (semelhante aos processos de fundição convencionais); - moldes (de qualquer formato e geralmente pequenos) dispostos fora do eixo de rotação, onde há um canal para alimentá-los; - A fixação do molde pode ser feita diretamente no eixo de rotação (através de parafusos) ou este pode ser colocado no interior de recipientes (quando forem feitos de areia. Equipamento O equipamento é bastante variado dependendo do processo adotado e do tamanho das peças a serem fundidas: Fundição horizontal de peças pequenas Há uma placa na extremidade do eixo no qual o molde (de aço ou ferro fundido) é fixado. Fundição horizontal de peças com grandes diâmetros ou comprimentos O molde é constituído de um cilindro girando sobre roletes. Pode-se revesti-lo internamente com areia para obter diferentes diâmetros. Fundição centrifugada O molde é sempre vertical. As peças devem estar simetricamente dispostas em relação ao eixo de rotação 12 Vantagens / Limitações Vantagens - O peso da peça acabada atinge 90 % (ou mais) do metal vazado; - Obtém-se propriedades mecânicas excelentes (30 – 40 % superiores a peças semelhantes fundidas estaticamente) e uniformes ao longo de toda a peça; - Método econômico para grandes volumes de produção. Limitações - Alto investimento inicial; - A combinação metal fundido – equipamento giratório é extremamente perigosa exigindo elevados fatores de segurança no projeto, manutenção impecável e cuidados extremos durante a operação. oxigas.pdf 1 Soldagem por Oxi-Gás (Solda a Gás) � A soldagem por oxi-gás é um processo de soldagem por fusão, no qual a união entre os metais é conseguida através da aplicação do calor gerado por uma ou mais chamas, resultantes da combustão de um gás, com ou sem o auxílio de pressão, podendo ou não haver metal de adição. � As superfícies dos chanfros dos metais de base e o material de adição quando presente, fundirão em conjunto formando uma poça de fusão única, que após o resfriamento se comportará como um único material. Soldagem por Oxi-Gás (Solda a Gás) � O sistema é simples, consistindo dos cilindros dos gases comprimidos, reguladores de pressão, manômetros, mangueiras, válvulas de retenção e uma tocha de soldagem, com bico adequado; podem ser conseguidas diferentes atmosferas pela variação da quantidade relativa de comburentes e combustível. � Há uma grande variedade de gases disponíveis para a soldagem a gás, sendo que normalmente o Acetileno é o preferido, tanto pelo custo, como pela temperatura de chama; entretanto outros gases combustíveis são também utilizados, tais como o Butano, Propano, Metano, Etileno, gás de rua, Hidrogênio e ainda as misturas produzidas pelas industrias de gases. 2 Características do processo � Utiliza equipamento barato e portátil (cilindros, reguladores de pressão, válvulas de segurança, mangueiras e maçarico) � Pode-se soldar a maioria das ligas ferrosas e não- ferrosas (aço, ferro fundido, níquel, alumínio, cobre e suas ligas, ...) � Não permite a soldagem de materiais reativos (titânio e zircônio) ou refratários (tungstênio e nióbio) � Mais econômico para soldagem de chapas finas � Processo lento Estação Típica de Soldagem Oxiacetilênica 3 Princípio do processo Características dos gases combustíveis 4 Vantagens no uso do Acetileno 1. Possui alta temperatura de chama ( aproximadamente 3100ºC). 2. Composição da chama com notáveis propriedades redutoras. 3. Chama facilmente regulável, permitindo fácil identificação de atmosfera. 4. Baixo custo do Acetileno em relação a vários gases. 5. Elevado teor de Carbono na molécula (92,24% em peso). 6. Boa velocidade de propagação (velocidade com que a chama percorre a massa gasosa). 7. Formação endotérmica do Acetileno, permitindo liberação de calor na dissociação, durante a combustão. Cuidados no Manuseio dos Cilindros de Gases OXIGÊNIO 1. O oxigênio não pode entrar em contato com graxa, óleo ou matéria gordurosa. 2. O cilindro não deve sofrer impactos violentos. 3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção. 4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã. 5. Não use o cilindro deitado. 6. Não utilizar o oxigênio para aeração, limpeza de máquinas, roupa, pele, etc. 7. Utilizar mangueiras verde ou preta para distribuição e conexões com rosca à direita. 5 Cuidados no Manuseio dos Cilindros de Gases ACETILENO 1. Não transportar o cilindro deitado ( aguardar de 36 a 48 hs para estabilização). 2. A pressão máxima da rede não pode ultrapassar 1,5 kgf/cm2. 3. O transporte do cilindro deve ser realizado com seu capacete de proteção. 4. Não eleve ou transporte cilindros utilizando cabos de aço ou eletroimã. 5. Não use o cilindro deitado. 6. Não utilizar canalização de Cobre (formação de Acetileto de Cobre, explosivo). 7. Consumo máximo de Acetileno: 1000 litros/hora. 8. Não usar até a pressão zero. 9. Utilizar mangueiras vermelha para distribuição e conexões com rosca à esquerda. Oxigênio � É o gás comburente, apresentando-se inodoro, insípido e incolor e encontrando-se em abundância na natureza. Industrialmente pode ser obtido por liquefação e destilação do ar, reação química ou eletrólise da água. � O processo mais usado é o primeiro, sendo o ar inicialmente purificado e em seguida, após várias compressões, expansões e resfriamentos sucessivos, o mesmo é liquefeito. � Em uma coluna de destilação e retificação realiza-se a separação dos vários componentes do ar, obtendo-se assim no final oxigênio de alta pureza. 6 Acetileno O Acetileno é obtido da reação da água sobre o Carbureto de Cálcio, que por sua vez é produzido em fornos apropriados pela reação entre o Carbono (C) e o Cal (CaO). 3C + CaO → CaC2 + CO – 108 Kcal.g/mol CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 (+400 cal/kg CaC2) A formação do Acetileno propriamente dito é resultante de uma reação endotérmica reversível, que melhora o rendimento calorífico da chama, mas ao mesmo tempo contribui para aumentar o perigo no manuseio do gás em caso de uma dissociação. 2 C + H2 ←→C2H2 – 53.200 cal Chama oxi-acetilênica 7 Tipos de chama Chama Redutora: �Utilizada para revestimento na soldagem dos aços com o intuito de elevar o percentual de Carbono na zona de soldagem, e isto faz com que abaixe a temperatura de fusão. Esta chama ocorre quando a proporção de Acetileno é aumentada, surgindo assim um cone brilhante que se sobrepõe ao cone normal, e que cresce com o aumento da proporção de Acetileno. Esta chama contem um elevado teor de Carbono e tem o risco de enriquecer o aço com este elemento, tornando-o mais duro e mais frágil. É utilizada na soldagem de ferros fundidos, com pré-aquecimento e fundente, Alumínio e Magnésio também com o uso de fundente e aços-liga ao Cromo e ao Níquel. Tipos de chama Chama Neutra ou Normal: Corresponde a uma alimentação do maçarico em volumes iguais de Oxigênio e Acetileno. O cone á branco, brilhante e somente visível através do óculos de soldador. É a chama utilizada na maior parte dos casos de soldagem, soldabrasagem e aquecimento. 8 Tipos de chama Chama Oxidante: A chama oxidante é resultante da mistura de Acetileno com Oxigênio em excesso, e isto faz com que o cone e a zona de combustão primária se encurtem, com o cone menos brilhante e mais azul; simultaneamente a zona de combustão secundária fica mais luminosa. Esta chama, rica em Oxigênio, oxida o aço com o risco de formação de porosidades pela reação com o Carbono; normalmente esta chama é utilizada para a soldagem de latão, pois o Oxigênio em excesso forma óxido de zinco na superfície da poça que impede a continuidade de reações posteriores, impedindo a contínua volatilização do Zinco, o qual iria se oxidar em seguida na atmosfera. Processos de corte térmico �Oxicorte � Corte com plasma � Corte com laser 9 Oxicorte � No oxicorte a superfície da chapa deve ser aquecida por uma chama de pré-aquecimento até que se atinja a temperatura de ignição do metal. Atingida esta temperatura, um jato de oxigênio de alta pureza é liberado provocando oxidação catastrófica da peça ao longo de toda a sua espessura. Os produtos da reação são expulsos por este jato resultando a superfície de corte. �Temperatura de ignição (experiência de Lavoisier) – o Fe, por exemplo, se aquecido a 1350°C e imerso em uma atmosfera de oxigênio puro, há instantânea oxidação do metal, mesmo após a interrupção da fonte de calor. O calor gerado pela reação exotérmica funde o óxido expondo a superfície do metal continuamente. Características �Processo extremamente versátil podendo ser utilizado nas mais diversas condições e circunstâncias. �Operação geralmente realizada mais rapidamente e a um custo inferior do que por qualquer meio mecânico. �Possibilidade de obtenção de praticamente qualquer perfil desejado. �Menor precisão dimensional do que aquela obtida nos processos de corte mecânico. 10 Condições básicas para oxicorte �Metal a ser cortado deve possuir alto calor de combustão e baixa condutividade térmica. �A reação de oxidação precisa ser exotérmica, mantendo o metal na temperatura de ignição. �O(s) óxido(s) formado(s) tem que possuir temperatura(s) de fusão inferior(es) à do seu metal. �A temperatura de ignição deve ser menor do que a temperatura de fusão do metal. Temperaturas de fusão de metais e óxidos �Ferro - funde a 1536 °C óxidos: FeO - 1370 °C Fe3O4 - 1590 °C Fe2O3 - 1460 °C (dissociação) �Cobre – funde a 1083 °C óxidos: Cu2O - 1230 °C CuO - 1150 °C �Cromo – funde a 1875 °C óxido: Cr2O3 - 1990 °C 11 Qualidade do corte �Aderência, tenacidade e volume da escória �Descontinuidades na superfície de corte �Largura do rasgo �Nível de distorção do componente �Geometria da superfície de corte Corte com plasma A tocha para corte por plasma é semelhante àquela utilizada no processo de soldagem “TIG”. Um arco elétrico é estabelecido utilizando um eletrodo de tungstênio. O arco é obrigado a passar por um orifício de pequenas dimensões sofrendo constrição e formando um jato altamente ionizado que remove o material por arraste. As temperaturas alcançadas são da ordem de 25000 K podendo ser aplicado sobre qualquer material. 12 Características �Versatilidade �Capaz de cortar todos os metais (ferrosos e não ferrosos) �Aço ao carbono pode ser cortado 2 ou 3 vezes mais rápido do que utilizando o oxicorte �Equipamentos de alta potência mecanizados podem cortar metais de até 75 mm de espessura Modos de operação �Arco transferido �Arco não-transferido 13 Corte com laser Um feixe com alta densidade de potência (entre 104 e 105 W/mm2) funde ou vaporiza o metal base, produzindo um furo controlado (“keyhole”) na peça. Posteriormente é utilizado um jato de gás auxiliar para remover o material fundido e acelerar o processo. Esquema básico do processo 14 Vantagens do processo �Altas velocidades de corte �Pouca perda de material �Alta qualidade da superfície obtida �Mínima distorção �Alta reprodutibilidade Vantagens do processo �Altas velocidades de corte �Pouca perda de material �Alta qualidade da superfície obtida �Mínima distorção �Alta reprodutibilidade prototipagem.pdf 1 PROTOTIPAGEM RAPIDA Princípios básicos No final da década de 80 surgiram os resultados das primeiras pesquisas que buscavam desenvolver tecnologias capazes de produzir objetos diretamente de um modelo tridimensional projetado em um programa CAD (Computer Aided Design). Estas tecnologias ficaram conhecidas como Prototipagem Rápida, pois fabricam objetos que visavam, inicialmente, auxiliar equipes de engenharia simultânea na visualização, montagem e teste de produtos, acelerando o seu desenvolvimento. Atualmente, no entanto, existe uma grande discussão a respeito de uma definição mais apropriada uma vez que os objetos construídos não são necessariamente protótipos. PROTOTIPAGEM RAPIDA Generalizando, todo processo de manufatura que proporcione a fabricação de objetos 3D, a partir de um modelo CAD, com o auxílio de um sistema CAM (Computer Aided Manufacturing), em um curto espaço de tempo (incluindo o tempo de programação CAM), pode ser considerado um processo de prototipagem rápida. Neste contexto podem ser citadas: Estereolitografia (SL), Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), Sinterização Seletiva a Laser (SLS), Thermojet, Fabricação de Objetos Laminados (LOM), Impressão Tridimensional (3DP), Eletroerosão por penetração (EDM), Usinagem à Alta Velocidade (HSC), além de muitos outros processos. 2 PROTOTIPAGEM RAPIDA Contudo existe um consenso entre a comunidade internacional, que considera todo processo de fabricação por adição sucessiva de camadas bidimensionais (LMT, Layer Manufacturing Technologies) como sendo um processo de prototipagem rápida. Tais processos, apesar de possuírem princípios físicos distintos, apresentam uma seqüência muito parecida para a obtenção de um objeto 3D. PROTOTIPAGEM RAPIDA O primeiro passo consiste na obtenção de uma representação tridimensional, do objeto a ser gerado, a partir de um software de CAD, geralmente no formato STL (representação de uma malha triangular). modelo CAD 3D modelo STL 3 PROTOTIPAGEM RAPIDA Após a obtenção do arquivo STL, o modelo 3D é enviado para um sistema CAM, geralmente específico para cada processo/máquina, onde será secionado em finas fatias paralelas entre si e perpendiculares ao eixo de construção Z, conforme ilustrado. planos de fatiamento PROTOTIPAGEM RAPIDA Na seqüência de etapas, o sistema CAM processa a trajetória da ferramenta para cada uma das camadas bidimensionais e o arquivo para o comando numérico (NC) da máquina é gerado. O arquivo NC é então enviado para máquina, normalmente via intranet. intersecção de um pano de fatiamento fatia gerada 4 PROTOTIPAGEM RAPIDA A máquina de prototipagem rápida inicia a fabricação do objeto 3D pela adição de camadas bidimensionais, onde cada camada construída é adicionada sobre a camada anterior. adição sucessiva de camadas PROTOTIPAGEM RAPIDA Existem diferentes princípios físicos que distinguem os protótipos em precisão, qualidade superficial, material, operações de acabamento, tempo de fabricação e espessura de camadas. Uma característica marcante na maioria destes processos é a presença do efeito-escada que é causado pela sobreposição de camadas. Quanto mais finas as camadas, menor será o efeito-escada. Para reduzir este efeito, geralmente são realizadas operações de lixamento, jateamento com material abrasivo e recobrimento na superfície da peça. 5 PROTOTIPAGEM RAPIDA Orientação e resolução Cada processo de prototipagem rápida possui uma etapa de pós- processamento após a construção do objeto. Dependendo dos fins de utilização do objeto podem ser feitos diferentes tipos de pós-processamento. Cabe a equipe de projeto definir os testes para os quais o protótipo deve ser utilizado para que juntamente com o centro de RPM&T seja definida a melhor estratégia de acabamento com base em propriedades mecânicas, rugosidade, tolerâncias e outros aspectos relevantes. Na figura a seguir podem ser observados dois resultados diferentes, (a) e (b), dependentes da orientação selecionada para a construção na plataforma. O resultado (c) mostra a mesma peça (b) após ter sido pós- processada pelo processo de manual de lixamento (exemplo hipotético, cada camada possui espessuras de, por exemplo, 0,150mm). PROTOTIPAGEM RAPIDA Diferentes resultados obtidos dependentes da orientação de construção e pós-processamento 6 PROTOTIPAGEM RAPIDA Como o custo do protótipo está associado a sua orientação de construção, os objetos devem ser orientados segundo o menor tempo de construção e menor custo. Quando o objeto possuir superfícies livres ou volumes retidos, a orientação dependerá mais de quanto o efeito escada (efeito decorrente da sobreposição das camadas de construção) prejudicará a resolução da superfície e se o objeto, ao sofrer acabamento, poderá ter uma retirada excessiva de material através da lixação e polimento, como visto na figura anteiror. O acabamento ainda pode ser melhorado com operações de recobrimento e pintura da superfície do objeto que dependem da aplicação do protótipo. PROTOTIPAGEM RAPIDA Estereolitografia - Princípio Básico A estereolitografia proporciona a fabricação de objetos tridimensionais através da foto-polimerização de uma resina pela incidência de luz ultravioleta (UV). Um esquema simplificado do funcionamento do processo pode ser visualizado na figura a seguir. O feixe de laser UV, indicado na figura, é direcionado por um conjunto de espelhos sobre a superfície da cuba com resina foto-sensível, polimerizando a resina para formar uma camada do objeto em construção. Ao final da polimerização da camada, a plataforma é abaixada por um elevador, adicionando resina líquida sobre a camada anterior. . 7 PROTOTIPAGEM RAPIDA Uma faca regulariza a camada de resina líquida, devido a viscosidade elevada, e novamente o feixe de laser é direcionado sobre a resina líquida, polimerizando e grudando uma camada à outra. PROTOTIPAGEM RAPIDA FDM - Fused Deposition Modeling O processo de modelagem por fusão e deposição é baseado na extrusão de filamentos de plásticos aquecidos. A máquina FDM possui um cabeçote que se movimenta no plano horizontal (plano xy) e uma plataforma que se movimenta no sentindo vertical (eixo z). No cabeçote, fios de material termoplástico que são forçados, por guias rotativas, a atravessarem dois bicos extrusores aquecidos. Um bico recebe material para a construção do objeto 3D enquanto outro recebe material para ser utilizado como suporte para a fabricação de superfícies suspensas ou complexas. 8 PROTOTIPAGEM RAPIDA O cabeçote movimenta-se no plano xy enquanto as guias rotativas empurram o fio para o interior do bico extrusor fazendo com que o material seja aquecido, extrudado e depositado. Ao final de cada camada a plataforma se desloca para baixo, com uma distância igual à espessura de camada, e o cabeçote começa a extrudar novos filamentos para construir uma nova uma camada sobre a anterior, repetindo este procedimento até formar por completo o objeto 3D. A figura a seguir apresenta um esquema simplificado do processo FDM. PROTOTIPAGEM RAPIDA Esquema simplificados do processo FDM. 9 PROTOTIPAGEM RAPIDA Através do processo FDM é possível fabricar objetos com ABS (acrilonitrila-butadieno-estireno), PC (policarbonato), elastômero e cera. A tabela a seguir apresenta alguns dos materiais comercialmente disponíveis para a fabricação de objetos pelo processo FDM, quase todos fornecidos pela empresa Stratasys (E.U.A.). PROTOTIPAGEM RAPIDA 10 PROTOTIPAGEM RAPIDA LS - Laser Sintering A sinterização seletiva a laser é baseada na fusão de materiais particulados através de uma fonte de calor fornecida por um feixe de laser. Uma das vantagens deste processo de prototipagem rápida é a possibilidade de utilizar diversos materiais como metais, cerâmicas e polímeros. Existem duas abordagens para a sinterização por laser: Direta e Indireta. A direta é quando o material é sinterizado pela ação direta do laser e a indireta (somente para metais e cerâmicas) ocorre quando um material ligante é utilizado para dar forma ao objeto fabricado que posteriormente será sinterizado em um forno. PROTOTIPAGEM RAPIDA Os sistemas disponíveis de sinterização a laser são similares e funcionam basicamente como o esquema apresentado na figura a seguir. O equipamento funciona com uma plataforma onde são depositadas camadas de pó e, para cada camada de pó depositada, um escâner de espelhos galvanométricos direcionam um feixe de laser sobre a superfície de pó, fazendo com que o só seja sinterizado e unido a camada anteriormente feita. 11 PROTOTIPAGEM RAPIDA Esquema de um sistema de sinterização a laser (EOS, 2002). PROTOTIPAGEM RAPIDA Atualmente existem dois principais fabricantes de equipamentos de sinterização a laser: a 3D Systems (E.U.A.) e a EOS (Alemanha). O sistema norte-americano da 3D Systems funciona para metais, cerâmicas e plásticos. No entanto a sinterização direta só ocorre para os plásticos. A EOS possui uma máquina específica para cada classe de material, sendo que a sinterização de metais e cerâmicas é diretamente realizada pelo feixe de laser para todos os materiais. A tabela a seguir apresenta os materiais comercialmente disponíveis para a fabricação de componentes. 12 PROTOTIPAGEM RAPIDA PROTOTIPAGEM RAPIDA Os parâmetros mais importantes para a fabricação de objetos através da sinterização a laser são: a potência do laser, a velocidade de deslocamento do feixe e o espaçamento entre as "passadas" do feixe do laser. 13 PROTOTIPAGEM RAPIDA LENS - Laser Cladding O processo LENS (Laser Engineering Net-Shape ou volume laser cladding) é fundamentado na adição através da fusão de partículas que são aspergidas com um gás inerte sobre o foco de um potente feixe de laser. Este por sua vez, funde as partículas que ao solidificarem uma nas outras formam as camadas. Podem ser utilizadas ligas de titânio: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MO, Ti- 48Al-2Cr-2Nb, Ti-22Al-23Nb e aços como o H13. Os componentes fabricados por esta técnica de prototipagem rápida possuem baixa porosidade, no entanto a precisão dimensional é pequena. A Figura a seguir apresenta uma simplificação do processo LENS. PROTOTIPAGEM RAPIDA Esquema simplificado do processo LENS. 14 PROTOTIPAGEM RAPIDA Geralmente em objetos fabricados pelo processo LENS são realizadas operações posteriores de acabamento como fresamento e torneamento. Há limitações geométricas para superfícies complexas além de ser necessário o uso de uma base para poder iniciar a fabricação de objetos. As aplicações principais, até o momento, são voltadas para a obtenção de componentes de ligas especiais e restauração de matrizes. Exemplo de acabamento obtenível pelo processo LENS (Atwood et alii, 1998). PROTOTIPAGEM RAPIDA 3DP - 3D Printing O processo 3D Printing possui como princípio a aglutinação de pós pela ação de um líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote tipo "jato-de-tinta", muito parecido com os utilizados em impressoras comuns. O jato de aglutinante gerado pelo cabeçote é aspergido sobre uma camada de pó depositado sobre uma plataforma que se movimenta na direção Z. Um rolo é utilizado para depositar novas camadas de material e compactar uma camada sobre a outra. O processo, esquematizado na figura abaixo, foi desenvolvido pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts , E.U.A.) e a patente do processo foi segmentada em diferentes atividades industriais. 15 PROTOTIPAGEM RAPIDA Existem máquinas específicas para a fabricação de objetos com plásticos, cerâmicas e metais, além de outras aplicações mais específicas como a fabricação de próteses biomédicas e o encapsulamento de remédios. A Tabela a seguir resume as aplicações, diferenças e materiais empregados na tecnologia 3DP. PROTOTIPAGEM RAPIDA 16 PROTOTIPAGEM RAPIDA Esquema básico do processo 3D Printing. tig.pdf 1 SOLDAGEM A ARCO COM PROTEÇÃO POR GÁS E ELETRODO NÃO CONSUMÍVEL”TIG” � TIG – Tungsten Inert Gas Neste processo de soldagem um arco elétrico é gerado entre um eletrodo não consumível e a peça a ser soldada A poça de fusão assim formada é protegida por uma atmosfera de gás inerte (geralmente argônio) Esquema básico do processo 2 Esquema básico do processo Características do processo � Soldagem por simples fusão do MB ou com adição de material � Desenvolvido a partir da 2ª Grande Guerra para soldas de alta responsabilidade (Al, Mg) � Produz metal de solda de excelente qualidade � Permite excelente controle do operador sobre o metal de solda depositado � Baixa taxa de deposição 3 Formas de abertura do arco � Diferente da soldagem a arco com eletrodos revestidos, neste processo não se pode “riscar” a peça para provocar a ignição do arco, pois isto acarretaria desgaste do eletrodo e contaminação do metal base � Formas de abertura do arco: � Encostando o eletrodo na peça � Utilizando fonte de alta freqüência Características da fonte de energia � Curva característica tipo corrente constante “tombante” Este tipo de fonte é utilizado por processos de soldagem manual onde pode haver grande variação da distância eletrodo – peça durante a soldagem Grandes variações de tensão (distância) ocasionam pequenas alterações na corrente de soldagem ���� penetração uniforme 4 Polaridade x distribuição de calor Polaridade - aplicações CCEN �Mais usado �Maior penetração �Soldagem de chapas de maior espessura �Soldagem de materiais que não formem camada de óxido refratário superficial 5 Polaridade - aplicações CCEP �Poça de fusão larga e com pequena Profundidade �Excelente ação de remoção da camada de óxidos superficiais �Tendência a superaquecimento do eletrodo – não permite utilização de correntes de soldagem muito elevadas Polaridade - aplicações CA �Penetração intermediária �Boa ação de remoção de óxidos refratários superficiais �Preferido na soldagem de materiais reativos �Deve-se sobrepor fonte de alta freqüência para re-ignição do arco 6 Eletrodo TIG Classificação AWS (American Welding Society) EWx-y E ���� Eletrodo W � Tungstênio (TIG) x � Símbolo químico do óxido metálico adicionado (P - puro) y ���� % do elemento adicionado Eletrodo TIG Preparação da ponta do eletrodo de Tungstênio 7 Eletrodo TIG Cinza0,5----94,5EWG Marrom0,50,15-0,4---99,1 EWZr- 1 Vermelha0,5-1,7-2,2--97,5EWTh-2 Amarela0,5-0,8-1,2--98,5EWTh-1 Preta0,5--0,9-1,2-98,3EWLa-1 Laranja0,5---1,8-2,297,5EWCe-2 Verde0,5----99,5EWP Cor da ponta Outros % max. ZrO2 % ThO2 % La2O3 % Ce02 % W % Classe AWS Gases de proteção �Proteção da poça de fusão (antes, durante e após a execução da solda) �Proteção do eletrodo (oxidação) Argônio Menor preço 1,3 x mais denso do que o ar (10 x He) Hélio Mais caro Maior penetração, poça quente e fluída 8 Vazão do gás de proteção Depende de vários fatores: � Tipo de gás � Distância bocal / peça � Tipo de junta � Geometria do bocal � Intensidade de corrente � Inclinação da tocha � Comprimento do arco Técnica de soldagem �Eletrodo deve projetar-se para fora do bocal no máximo um comprimento igual a seu diâmetro (oxidação do eletrodo) �Comprimento do arco deve ser de, no máximo, 1,5 x Ø do eletrodo �Metal de adição (vareta) deve ser alimentada na região limite da poça de fusão, junto à chapa 9 Proteção do operador � Como a produção de radiação neste processo é muito intensa, deve-se utilizar filtros de maior capacidade: Corrente < 50 A � Filtro 10 50 – 150 A 12 > 150 A 14 Problemas mais comuns 1. Arco errático � Eletrodo W puro � Soldagem CCEN de materiais refratários � Arco muito longo � Eletrodo contaminado � Ø do eletrodo muito grande � Contato elétrico defeituoso 10 Problemas mais comuns 2. Contaminação do MB pelo eletrodo �Arco iniciado riscando o eletrodo na peça �Corrente excessiva para Ø do eletrodo utilizado �Polaridade inadequada �Eletrodo com trincas Problemas mais comuns 3. Desgaste excessivo do eletrodo �Arco iniciado riscando o eletrodo na peça �Proteção gasosa insuficiente �Eletrodo em CCEP �Superaquecimento na tocha (mau contato elétrico, falta de arrefecimento) 11 Problemas mais comuns 4. Metal de solda com porosidade �Gás com impurezas �Vazão de gás inadequada �Falta de limpeza do metal base Parâmetros operacionais �Corrente de soldagem: 10 a 600 A �Bitola de eletrodo de W: 1 a 7 mm �Espessuras de soldagem: a partir de 0,5 mm �Taxa de deposição: até 2 kg/h �Taxa de diluição: 2 a 20% com metal de adição 100% sem metal de adição �Tipos de juntas: todas �Posições de soldagem: todas 12 Processo automatizado HOT-WIRE