Metálica

O presente trabalho apresenta as diversas etapas de produção de tiras de aço de baixo teor de carbono, laminadas a frio, para a produção de arame tubular usado em processos de soldagem.
Antenor Ferreira Filho

Resumo

Neste trabalho, são discutidas as principais funções de cada etapa de processo, com ênfase nas especiais, com destaque para os processos de laminação de acabamento com uso de nitrogênio em substituição a laminação convencional com emulsão aquosa, recozimento de alta convecção e processo especial de oscilar, principais responsáveis pelos bons resultados alcançados no produto final.

1. Introdução

Um grande número de processos utilizados na fabricação e recuperação de componentes, equipamentos e estruturas abrangem o termo soldagem. Classicamente, a soldagem é considerada como um método de união, porém, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para deposição de material sobre uma superfície visando à recuperação de peças desgastadas para a formação de um revestimento com características especiais [1].

Data da década de 1920 o início da utilização de proteção gasosa nas operações de soldagem, para resolver problemas da contaminação atmosférica nas soldas de materiais reativos, como alumínio, titânio e ligas de magnésio, tendo dado origem ao processo Tungsten Inert Gás (TIG), por C. L. Coffin (EUA). Utilizando o mesmo princípio de funcionamento do TIG, ou seja, um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo e a peça, envolto por uma atmosfera protetora de gás inerte, surge em 1930 o processo Metal Inert Gás (MIG), por H. M. Hobart e P. K. Devers (EUA), o qual difere do anterior por utilizar um eletrodo consumível de alimentação contínua. No início, somente se utilizava arame sólido, mas por volta dos anos 1930 foi introduzido o uso de arame tubular com proteção gasosa, pela Stoody. Na década de 1960, o arame autoprotegido foi introduzido por pesquisadores e engenheiros da Lincoln Electric (EUA).

O processo de soldagem por arame tubular é definido como sendo um processo de soldagem por fusão, onde o calor necessário à ligação das partes é fornecido por um arco elétrico estabelecido entre a peça e um arame alimentado continuamente. É um processo semelhante ao processo MIG/MAG, diferindo deste pelo fato de possuir um arame no formato tubular, que possui no seu interior um fluxo composto por materiais inorgânicos e metálicos, com várias funções, entre as quais a melhoria das características do arco elétrico, a transferência do metal de solda à proteção do banho de fusão e, em alguns casos, a adição de elementos de liga, além de atuar como formador de escória. O processo trabalha com duas variantes, podendo ser protegido por gás inerte, por gás ativo ou uma mistura destes (Dualshield) ou autoprotegido, sem a utilização de gases de proteção (Innershield). Na figura 1 são apresentados os esquemas para ambos os processos de soldagem [2].

A utilização de arames tubulares autoprotegidos tem experimentado um grande crescimento em consequência da sua versatilidade e possibilidade de aplicação em ambientes sujeitos a intempéries, como na fabricação de plataformas de prospecção de petróleo, estaleiros navais, locais de difícil acesso e condições de trabalho, onde até então era absoluto o domínio do processo de soldagem por eletrodos revestidos.

A alta produtividade é uma das grandes vantagens do processo de soldagem com arames tubulares e está associada, principalmente, a altas taxas de deposição obtidas neste processo. Outra grande vantagem do processo é a possibilidade de automatização e ou robotização, possibilitando aumentar a velocidade de soldagem e, consequentemente, aumentar a produtividade, bem como assegurar uma menor variação das condições operacionais, assegurando assim uma maior repetibilidade nos processos [2,3].

Os aços de baixo teor de carbono, particularmente os planos laminados, são os materiais metálicos utilizados na conformação do arame, e podem apresentar diversas configurações de secção transversal, podendo ser simplesmente um tubo – os mais utilizados – ou apresentar configurações mais complexas. Várias são as composições químicas e dimensões de tiras utilizadas na produção dos arames tubulares, podendo variar desde aços de ultrabaixo carbono (IF), passando por aços de maior teor de carbono, como SAE 1006, ou mesmo aços de médio teor de carbono, nas mais diversas dimensões, como 0,20 a 1,00 mm de espessura e 8,0 a 13,0 mm de largura.

O aço utilizado na tira não necessita reproduzir exatamente a composição química requerida para o metal de solda, já que os elementos de liga podem ser adicionados ao fluxo do arame tubular conforme a conveniência. Entretanto quando o teor total de elementos de liga for alto, restrições de espaço no tubo podem obrigar ao uso de uma fita ligada. A fabricação de arames tubulares requer controles precisos. Como o metal de solda é uma combinação da fita metálica e dos componentes do fluxo, ambos devem ser cuidadosamente verificados quanto às dimensões e à composição química antes do início da fabricação.

Quando se trata de tolerâncias dimensionais restritas, acabamentos de superfície e composições químicas especiais, propriedades mecânicas homogêneas ou especificações e exigências especiais, o uso de tiras relaminadas torna-se altamente recomendado.

2. Características das tiras usadas em arames tubulares

A laminação a frio confere ao aço uma série de propriedades para as mais diferentes qualidades o que o torna um produto de excelência pela versatilidade com que pode ser processado. Dentre as características resultantes do produto relaminado e importantes para a aplicação no arame tubular, podem ser destacados:

Acabamento de superfície – Diferentemente dos materiais de qualidade comercial, o acabamento de superfície das tiras relaminadas apresenta uma ampla gama de opções, que podem variar desde fosco e brilhante, podendo chegar a um acabamento de alto brilho, também denominado de espelhado. Em casos especiais, podem-se inclusive produzir tiras com faces diferenciadas, por exemplo: uma fosca e outra brilhante. A homogeneidade no acabamento superficial e, principalmente, a isenção total de defeitos superficiais são de extrema importância, uma vez que, após a formação do tubo, a tira será submetida a elevadas reduções na espessura (parede do tubo) por um processo de trefilação. Falhas, mesmo que pontuais, podem trazer consequências desastrosas durante o processo de soldagem.

Tolerâncias dimensionais restritas e uniformes – Um importante atributo da tira relaminada é sua exatidão dimensional. Por ser laminada a frio, alcança tolerâncias precisas de espessura, o que permite ao usuário especificar tolerâncias restritas e, com isso, aumentar o rendimento do produto, mas principalmente manter o produto com uma espessura de parede uniforme, evitando eventuais falhas que possam ocorrer durante sua fabricação.

Propriedades mecânicas homogêneas – As tiras de aço relaminadas permitem atingir uma ampla gama de dureza ou propriedades mecânicas medidas por resistência à tração e escoamento, variando desde uma condição extremamente mole, ideal para a conformação (ex. os arames tubulares), passando por uma condição de uso estrutural totalmente dura ou encruada. O importante desta característica é mencionar a possibilidade de se trabalhar com faixas restritas de variação, as quais permitem o uso do aço em aplicações especiais.

3. Processo de relaminação a frio

A matéria prima de partida no processo de relaminação a frio, para a produção de arame tubular, são as bobinas laminadas a quente com espessuras típicas na faixa entre 2,0 e 3,0 mm, produzidas nas usinas siderúrgicas. O processo de laminação a frio pode ser visto na figura 2 e envolve, principalmente, as etapas de:

• decapagem;
• corte;
• laminação;
• recozimento;
• operação especial de oscilar, no caso específico para produção do eletrodo.

As características de acabamento de superfície, propriedades mecânicas e microestrutura dos aços relaminados são definidas principalmente pela composição química do aço e pelas condições de processamento durante a laminação a quente e laminação a frio.

A figura 2 apresenta um fluxo completo do processo de relaminação, desde o recebimento da matéria prima (bobinas laminadas a quente) até a tira laminada a frio.

3.1. Decapagem

A primeira etapa do processo é a decapagem, destinada a obter uma superfície limpa, isenta de óxidos (carepa). A bobina laminada a quente recebida da usina é submetida inicialmente a esse processo químico, passando por uma série de tanques contendo uma solução de aço clorídrico a quente, que remove o óxido e resíduos, melhorando o acabamento de superfície e permitindo assim que a bobina apresente um bom acabamento de superfície após o processo de laminação a frio.

3.2. Corte

Etapa onde se realiza o corte longitudinal da bobina, transformando-a em rolos, de forma a adequá-los na largura, conforme a capacidade dos laminadores. Esta etapa permite a seleção de uma melhor uniformidade dimensional do perfil transversal de espessura, para que se possa obter um produto final dimensionalmente perfeito. O perfil transversal da tira deve variar pouco e manter-se uniforme em todo comprimento do rolo.

3.3. Laminação de desbaste

A laminação de desbaste é feita em modernos laminadores quádruos reversíveis, que possuem controles automáticos de espessura, com os quais se assegura a manutenção de tolerâncias muito restritas de espessura ao longo do comprimento da tira. O sensível e preciso sistema de regulagem da força de laminação e controle de espessura é capaz de corrigir a maior parte da variação de espessura da bobina laminada a quente. Por meio de retífica e abaulamento dos cilindros de laminação, associado ao emprego de recursos de flexão, pode-se atuar sobre a precisão dimensional e exatidão de planicidade da tira. Variações de microestrutura ao longo da bobina podem trazer prejuízos à estabilidade dimensional do produto laminado a frio, portanto, é muito importante que se estabeleçam requisitos rígidos no que se refere à estabilidade dimensional e à uniformidade térmica no produto laminado a quente.
Nesta etapa do processo, além de se objetivar a adequação dimensional do produto, promove-se uma melhoria no acabamento de superfície através da redução a frio. A deformação a frio atua como um potencial termodinâmico e induz ao material uma textura cristalográfica adequada para a etapa posterior de recozimento.