PT96372A

PT96372A - Electrodo com nucleo metalico basico com baixo teor de hidrogenio

Info

Publication number: PT96372A
Application number: PT96372A
Authority: PT
Inventors: Chang-Shung Chai; David A Fink; John Gonzalez
Original assignee: Lincoln Electric Co
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1991-10-15
Also published as: AU6324390A; US5055655A; FI906384A; FI906384A0; NO904632L; EP0447666A1; US5300754A; KR910016431A; JPH03268892A; KR930009965B1; NO904632D0

Description

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PATENTE DE INVENÇÃO d e "ELÊCTRODO COM NÚCLEO METÁLICO BÁSICO COM BAIXO TEOR DE HIDROGÉNIO"

Requerente THE LINCOLN ELECTRIC COMPANY, norte-americana (estado de Ohio), industrial, com sede em 22 801, St. Clair Avenue Cleveland, Ohio 44117-1199, Estados Unidos da América. 0 presente pedido de patente é uma continuação do pedido de patente pendente n2. 405 727, depositado em 11 de Setembro de 1989. A presente invenção refere-se à técnica de elementos de soldadura consumíveis, tais como o metal de enchimento e os eléctrodos do tipo consumível usados na soldadura por arco e, mais particularmente, a um eléctrodo com núcleo de metal básico.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um elemento de soldadura consumível, que pode ser usado como metal de enchimento para soldadura TIG (Tungsten Inert Gas Welding-Soldadura por tungsténio em gás inerte), como eléctrodo consumível na soldadura MIG (Magnesium Inert Welding-Soldadura por magnésio em gás inerte); tem no entanto maior aplicabilidade na soldadura MIG de metais de elevada resistência do tipo exigido em certas aplicações militares e industriais, sendo discutida relativamente a essa aplicação. Esta discussão é aplicável a todas as utilizações da presente invenção. 2 -

Na técnica da soldadura por arco eléctrico, é ^ uma prática comum utilizar um processo MIG no qual se faz avançar um arame de metal no sentido da peça em curso de soldadura, enquanto se cria um arco eléctrico entre o arame, designado por eléctrodo consumível, e a peça em curso de soldadura, com a finalidade de fundir a extremidade do arame ou eléctrodo para depositar metal sobre a peça em curso de soldadura. Um tal processo de soldadura MIG implicava uma tecnologia altamente desenvolvida e sofisticada na área da composição precisa do eléctrodo que é consumido no processo da soldadura. A composição do eléctrodo, o sistema de adição de fundente, o tipo de corrente eléctrica, o gás de protecção e outros factores são ajustados e manipulados para obter os objectivos desejados pela soldadura. Um objectivo primário ^ de qualquer processo de soldadura por arco consiste em obter uma taxa de deposição elevada que, para o processo MIG, é usualmente indicada como uma taxa que excede cerca de 2,27 Kg/h (5 libras/hora), para a soldadura no plano vertical. 0 metal na soldadura tem de ter uma boa formação do cordão, quantidades pequenas de escória formada sobre o cordão de soldadura e outras características físicas, que reduzem a quantidade de trabalho necessário para limpar a junta soldada resultante depois do processo da soldadura. Além disso, o metal da soldadura, ou cordão de soldadura, da junta propriamente dita tem de ter propriedades físicas tais como pequena tendência para criar fendas e elevada resistência ao choque, muitas vezes medida como valor de resistência ao choque Charpy. Além disso, é desejável poder empregar o eléctrodo de soldadura, não só numa posição de soldadura horizontal como também fora-de-posição, isto é fora da posição horizontal. Todos estes objectivos têm sido objectos de muita técnica patenteada. Nao se torna necessário repetir pormenores da composição dos eléctrodos para que uma pessoa entendida na matéria compreenda a presente invenção. À medida que a resistência à deformação do metal da peça em curso de soldadura, aumenta para valores elevados, por exemplo nas especificações militares HY-80, HY-100 e mesmo HY-130, têm-se encontrado sérios problemas para a obtenção de baixo nível de formação de fissuras e elevadas resistências ao choque, enquanto se mantém a possibilidade de soldadura fora de posição com elevadas taxas de deposição. Quando se soldam estes aços de elevada resistência, tais como os aços que excedem o HY-80 (80 000 psi (5 625 Kg/cm2 )), o eléctrodo consumivel tomava até agora normalmente a forma de um arame metálico maciço com o diâmetro de cerca de 1,143 mm (0,045"), para a soldadura fora de posição e de cerca de 1,575 mm (0,062"), para a soldadura na posição horizontal. A soldadura de aços de elevada resistência, incluindo os HY-100 ou superiores, tem sido extremamente difícil, mesmo com um tal arame MIG sólido. 0 objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo consumível para soldadura MIG ou um arame de enchimento para soldadura TIG, que pode ser usado para aços de elevada, resistência, acima do HY-80, e idealmente para aços com resistência tão grande como a do HY-130. Os esforços neste sentido feitos no passado envolveram o uso do arame maciço com ajustamentos da composição das ligas juntamente com o pré-aquecimento da peça em curso de soldadura. Estes esforços foram menos que bem sucedidos. Na técnica da soldadura houve sempre um tremendo ímpeto para aperfeiçoar o eléctrodo de soldadura com a finalidade de aumentar a facilidade com que são soldados os aços de elevada resistência com baixa formação de fissuras e elevada resistência ao choque. Este objectivo é atingido pela presente invenção.

As tentativas para utilizar a soldadura MIG para os aços com resistências elevadas (superiores a cerca de 5625 Kg/cm2 (80 000 psi) com elevadas taxas de deposição e soldaduras de elevada qualidade têm, como se mencionou, implicado a utilização de um arame maciço. Um tal arame não tem capacidades para criar um nível de hidrogénio difusível relativamente baixo no metal que fundiu; porém, quando fôr necessário um fundente com o eléctrodo, aumenta o hidrogénio difusível no metal que fundiu. Isso aumenta a tendência para o metal que fundiu formar fissuras quando solidifica. Tendo em vista a tendência de os compostos de fundente aumentarem o hidrogénio difusível no metal que fundiu, têm-se compreendido geralmente que os eléctrodos com núcleos metálicos para o processo MIG não seriam satisfatórios para aplicações de elevada resistência, como os referidos atrás. 0 processamen- to e a composição dos materiais do núcleo também aumentam a quantidade de oxigénio no metal que fundiu. Assim, quando se utilizam aços de resistência muito elevada, tais como nos cascos de navios, as especificações militares têm geralmente exigido a utilização de arame de soldadura maciço. Isso limitava a taxa de deposição, na soldadura fora de posição, a cerca de 2,72 Kg (6 libras) por hora, o que era obtido apenas por técnicas de impulsos eléctricos elaboradas. Indepen-dentemente disso, os militares não se satisfazeram com essa soldadura com arame de soldadura maciço, para aplicações acima das resistências do aço HY-100. Se se empregassem eléctro-dos com núcleo fundente, verificava-se um nível de hidrogénio difusível mais elevado no metal que fundiu, o que aumentava a tendência para as fissuras. A utilização de arames de soldadura maciços para soldar aços de elevada resistência tornou-se a prática normal e a única aceitável. Para melhorar as propriedades mecânicas da costura de soldadura, o metal de base era muitas vezes pré-aquecido preparatoriamente para a soldadura. Uni tal material de eléctrodo de arame maciço tinha também obrigatoriamente de conter os materiais de liga em percentagens precisas. Por conseguinte, era extremamente crítico o controlo preciso das composições das ligas do arame maciço. Este é um problema metalúrgico difícil.

Na indústria da soldadura, os eléctrodos com núcleo são muito vulgarmente usados na soldadura MIG. Tais eléctrodos com núcleo reduzem a criticidade do metal da liga que forma o componente tubular do eléctrodo. Isso consegue-se incorporando os metais de liga no interior do núcleo em proporções muito precisas para obter as características desejadas da liga e as percentagens precisas no metal que fundiu resultante. Embora o uso de um eléctrodo com núcleo, com um núcleo de metal em pó, para controlar a composição do metal que fundiu melhore a capacidade de controlo da composição actual do metal que fundiu, um eléctrodo com núcleo metálico tem a tendência para introduzir uma quantidade substancial de oxigénio no metal que fundiu e faz diminuir a resistência ao choque do metal que fundiu. Além disso, são necessários ingredientes de fundente quando se usa um eléctrodo com núcleo metálico em aplicações críticas de elevada resistência. Λ. - 5 -

Daqui resulta um nível mais elevado de hidrogénio difusível no metal que fundiu que o que se verificava na utilização de arame maciço. Além disso, um tal material de eléctrodo com núcleo metálico era um tanto sensível a diferenças de "electrical stick-out" durante o processo de soldadura. Este inconveniente foi atribuído a humidade existente, no núcleo do eléctrodo e na costura e no gás de protecção em torno do eléctrodo. Assim, a utilização de eléctrodos com núcleo com todos os seus inconvenientes relativamente ao controlo da composição actual do metal que fundiu, tinha sérias deficiências e não foi empregada para resolver o problema da soldadura do aço de elevada resistência do tipo encontrado na indústria da construção naval. Além disso, os eléctrodos com núcleo não eram geralmente usados nos processos de soldadura por impulsos, tais como os usados na soldadura fora de posição de aços de elevada resistência.

Ao longo dos anos, a tecnologia associada com a soldadura de aço de alta resistência (acima de 5625 Kg/cm2 (80 000 psi)) tem implicado um processo de soldadura MIG sofisticado, usando um fio de soldadura maciço. As sugestões para utilizar um eléctrodo com núcleo de metal não têm tido aceitação. A utilização de ligas de metal em pó no núcleo do eléctrodo resolveu as dificuldades de criticidade associadas com as percentagens exactas necessárias no metal que se fundiu; porém, a utilização de tais eléctrodos com núcleo aumentou as dificuldades experimentadas com o hidrogénio e o oxigénio no metal que se fundiu na costura resultante. Estes inconvenientes tornam a utilização do eléctrodo com núcleo, inapropriado para os aços de alta resistência. Tendo em vista os inconvenientes implicados na utilização dos eléctrodos com núcleo de metal para a soldadura MIG de aço de alta resistência, não surpreende que a utilização de eléctrodos com núcleo de fundente se tenha limitado à soldadura dos aços de elevada resistência. Os problemas encontrados nos eléctrodos com núcleo de metal estavam presentes nos eléctrodos com núcleo de fundente. Porém, os eléctrodos com núcleo de fundente tinham ainda outras limitações.

Um eléctrodo comum com núcleo de fundente é um eléctrodo que possui um sistema de adição de fundente de dióxido de titânio formado como pós, no núcleo, e envolvido por um invólucro de aço de pequena percentagem de carbono. Tais eléctrodos com núcleo de fundente proporcionam uma boa soldadura com elevadas taxas de deposição, até 3,63 Kg (8 libras) por hora e podem ser usados na soldadura fora de posição. Porém, tais eléctrodos conduzem a um nível mais elevado de hidrogénio difusível que o que pode ser utilizado mesmo no aço HY-80. Além disso, o oxigénio produz uma resistência Charpy relativamente baixa. Consequentemente, a utilização de eléctrodos com núcleo de fundente de aço macio que utilizam o sistema de fornecimento de fundente que utiliza o fundente normal de dióxido de titânio, produz boas características de soldadura, com elevadas taxas de deposição e uma aceitação relativamente grande pelo operador; contudo, o metal que se fundiu resultante, tem oxigénio e hidrogénio num nível que não é aceitável para a maior parte dos aços de alta resistência. Devido à qualidade e às taxas de deposição extremamente elevadas que podem obter-se por outros eléctrodos com núcleo de fundente, foi sugerido o uso de um elêctrodo com núcleo de fundente básico, que utiliza compostos básicos, tais como fluoreto de cálcio. Estes eléctrodos produzem uma boa resistência ao choque, visto que o fluor tem a tendência para expulsar o oxigénio do metal que se fundiu; mas tais eléctrodos com fundentes básicos não podem ser usados satisfatoriamente na soldadura fora de posição. Os eléctrodos com núcleo de fundentes básicos não são em geral aceites pelo soldador, de modo que o seu uso limita-se em geral à soldadura em posição horizontal. Consequentemente, os eléctrodos com núcleos de fundentes básicos não têm sido usados para este tipo de soldadura de aços de alta resistência.

Em resumo, os eléctrodos com núcleo de metal, os eléctrodos com núcleo de fundente e os eléctrodos com núcleo de fundente básico não têm até aqui sido usados de maneira aceitável na soldadura MIG de aços de elevada resistência, isto é, aços com resistências superiores a cerca de 5625 Kg/cm2 (80 000 psi) (HY-80). Apenas têm tido larga aceitação os eléctrodos de arame maciço nas aplicações militares e industriais para esta aplicação de soldadura altamente mecanizada de aços de alta resistência.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um elemento de soldadura, tal como um eléctrodo ou arame de enchimento, que pode ser usado para soldar aços de elevada resistência, acima do HY-100. De facto, o eléctrodo é aplicável para o aço HY-130. Este eléctrodo aperfeiçoado é um eléctrodo básico com núcleo de metal, que não tem os inconvenientes dos eléctrodos com núcleo de fundente básicos, como atrás se descreveu, inconvenientes que conduziam à utilização universal de arame de metal maciço para o processo de soldadura MIG quando se soldavam aços de elevada resistência superior à do HY-80. A presente invenção refere-se a um eléctrodo básico com núcleo de metal que pode ser usado para a soldadura fora de posição, que obtém uma taxa de deposição substancialmente maior que 2,27 Kg (5 libras) por hora, que requere um menor número de passagens e produz uma costura de soldadura resultante que substancialmente reproduz uma costura de soldadura feita com um arame maciço, formando-se apenas ilhas pouco importantes de escória ao longo da superfície da costura.

Segundo a presente invenção, proporciona-se um eléctrodo com núcleo de metal básico que pode ser usado para a soldadura MIG de aços de elevada resistência (superior a 7 031 Kg/cm2 (100 000 psi)) ou um arame de enchimento com núcleo, para o mesmo fim. Segundo a presente invenção proporciona-se um eléctrodo ou elemento de soldadura consumí-veis para soldadura por arco, que compreendem um revestimento de aço que envolve um núcleo compactado contendo uma liga metálica em pó compactada. Este núcleo também inclui um composto substancialmente 100% básico numa quantidade menor que cerca de 1,6% do peso total do elemento, isto é, o eléctrodo. 0 pó de liga metálica utiliza tecnologia padrão para determinar a composição da liga da costura de soldadura resultante. 0 composto básico proporciona um agente de distribuição fundente único, enquanto reduz o oxigénio no metal que se fundiu a um nível inferior a cerca de 0,04% do metal que se fundiu. Segundo a presente invenção, 0 composto 100% básico é fluoreto de cálcio em pó.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, o pó de fluoreto de cálcio está contido no interior do núcleo numa quantidade entre cerca de 0,1% a cerca de 0,9% do peso total do eléctrodo. Com esta baixa percentagem de ingredientes de fundente, designadamente o pó de fluoreto de cálcio, eliminam-se os problemas de soldadura anteriormente encontrados, enquanto que o fluoreto de cálcio. controla a quantidade de oxigénio no metal que fundiu resultante.

De acordo com ainda outro aspecto da presente invenção, o eléctrodo com núcleo metálico básico inclui uma pequena quantidade de um agente para reduzir o hidrogénio difundível no metal que se fundiu. Este agente tem um ponto de fusão menor que cerca de 537,78° C (1 000 °F), de modo que pode ser incorporado no material do núcleo sob a forma de partículas e reter a sua composição durante a formação e o arrasto do eléctrodo. Este agente liberta fluor para capturar o hidrogénio difusível no metal que se fundiu, durante o processo da soldadura por arco. 0 polímero pode ser aumentado até cerca de 0,4% do peso do eléctrodo. Daí resulta uma quantidade de hidrogénio difusível inferior a 1 ppm e tão baixa como 0,6 ppm, um nível de hidrogénio difusível nunca até aqui conseguido. 0 polímero de remoção do hidrogénio não pode ser aplicado num eléctrodo de arame metálico maciço. 0 polímero seria consumido em qualquer processo de fusão ou de formação de liga para a produção do arame maciço.

De acordo com um aspecto primário da presente invenção, o eléctrodo com núcleo de metal básico inclui, como único ingrediente do agente fundente, pó de fluoreto de cálcio, no núcleo, além do pó usado para a eliminação do hidrogénio, tal como um polímero contendo flúor. Incorpora--se também pó de liga metálica no núcleo com o ingrediente básico único e o polímero de remoção do hidrogénio. 0 núcleo é envolvido por um revestimento de aço com pequena percentagem de carbono, que pode ser distendido para obter um eléctrodo com um diâmetro menor que cerca de 2,54 mm (0,100"). É claro que é concebível que o revestimento do eléctrodo possa ser formado num forno eléctrico de formação da liga para evitar a necessidade de pó de liga metálica no núcleo de ura eléctrodo consumível. Porém, uma característica da presente invenção é a realização de um eléctrodo com núcleo de metal básico que utiliza um único ingrediente, que é 100% básico e geralmente inerte, juntamente com um agente de eliminação do hidrogénio. Se o metal da liga está num metal de revestimento cuidadosamente controlado ou se é controlado pelo pó da liga metálica no núcleo, não é critico para esta importante característica. A tecnologia e os resultados dos conceitos da formação das ligas podem ser modificados de acordo com os conhecimentos normais desta técnica. Contudo, resulta uma vantagem distinta do emprego de metais de liga no núcleo. Assim, a presente invenção implica um eléctrodo com núcleo metálico que pode substituir um arame maciço, obtendo-se os mesmos resultados, mas com a vantagem de se diminuir o oxigénio no metal que se fundiu e reduzindo-se a quantidade de hidrogénio difusível. É este um conceito novo, que nunca foi aplicado na técnica da soldadura. Por meio desta invenção, conseguiu-se fazer a soldadura MIG de aços de resistência extremamente elevada, mesmo na soldadura fora de posição. 0 eléctrodo com núcleo de metal básico da presente invenção é um desenvolvimento que contraria os conhecimentos habituais no campo da soldadura por arco, para a soldadura MIG de aço de elevada resistência. Devido à limitação dos eléctrodos com núcleo, a tecnologia anterior da soldadura implicava a utilização de arame metálico maciço que, por sua vez, tinha os inconvenientes atrás descritos. Não era satisfatório para o aço com uma resistência superior a 5625 Kg/cm2 (80 000 psi). A presente invenção compreende a utilização de um composto 100% básico inerte no interior de um núcleo de um eléctrodo. Utiliza-se para isso fluoreto de cálcio era pó. No passado, quando se utilizava fluoreto de cálcio no núcleo de um eléctrodo, o fluoreto de cálcio estava presente em percentagens relativamente elevadas para equilibrar os constituintes do fundente normalmente ácidos. Como a percentagem de fluoreto de cálcio era relativamente elevada, era difícil a soldadura fora de posição. Assim, a técnica não indicava a utilização de fluoreto de cálcio como um ingrediente num eléctrodo com núcleo, eficiente para ser usado em aplicações de soldadura fora de posição de aços de elevada resistência. Segundo a presente invenção, emprega-se pó de fluoreto de cálcio; mas é usado de uma maneira nova. 0 fluoreto de cálcio é usado na presente invenção como ingrediente único de fundente no núcleo do eléctrodo. Não há sistema de distribuição do fundente, tal como o sistema normal de TI02 ou um sistema de fundente básico. 0 termo "sistema” significa dois ou mais ingredientes de fundente que reagem para criar uma acção de fundente. 0 novo conceito da presente invenção é o de o fluoreto de cálcio não cooperar com qualquer outro agente de fundente, mas sim realizar por si próprio a função de fundente. Segundo a presente invenção, a quantidade de fluoreto de cálcio é reduzida a um nível inferior a cerca de 1,6%, em peso, do eléctrodo total e, de preferência, inferior a 0,9%, em peso. Para esta quantidade baixa de fluoreto de cálcio, a acção de fundente é realizada pelo próprio fluoreto de cálcio. Nao há qualquer sistema fundente. Reduzindo o pó de fluoreto de cálcio a um nível inferior a 1,60% e, de preferência, abaixo de 0,9% do peso do eléctrodo, o fluoreto de cálcio controla o oxigénio no metal que se fundiu sem produzir a operação de soldadura fraca e a incapacidade de soldar fora da posição normalmente, associadas com um eléctrodo com núcleo de fundente com um maior volume de fluoreto de cálcio. 0 fluoreto de cálcio pode ser reduzido mesmo abaixo do limite superior atrás mencionado (1,60%) sem afectar a operação de soldadura; porém, quando o limite inferior de fluoreto de cálcio se aproxima dos 0,2%, a quantidade de oxigénio no metal que fundiu, aumenta até um nível que reduz a resistência ao choque de um aço de elevada resistência, para o qual o eléctrodo é especialmente concebido. Como o fluoreto de cálcio é 100% básico e inerte, ele produz um agente fundente ou ingrediente fundente único para o eléctrodo com núcleo. Como o fluoreto de cálcio é limitado na sua percentagem superior, para criar o eléctrodo aperfeiçoado, o fluor disponível a partir do fluoreto de cálcio para ser usado no metal que fundiu é limitado. Como o fluor é um agente para reduzir o hidrogénio difusível, que provoca a formação de fissuras associadas com a maior parte dos esforços para soldar aços de elevada resistência, - 11 a presente invenção incorpora como ingrediente adicional, um agente de redução do hidrogénio. Este agente é novo e diminui a quantidade de hidrogénio difusível no metal que se fundiu. 0 agente redutor é um polímero que contém fluor, que pode ser numa quantidade até 0,4%, em peso. Isso permite a redução do hidrogénio difusível a menos de 1 ppm (1 ml/100 g).

Como noutro lado se descreve, a presente invenção utiliza pó de fluoreto de cálcio numa quantidade relativamente pequena, numa faixa precisa, juntamente com uma pequena quantidade de um agente de redução do hidrogénio apropriado, tal como um polímero contendo fluor.

Na sua realização prática, a presente invenção é um eléctrodo com núcleo de metal básico; portanto, os metais de liga para o metal que fundiu são na forma de pó e comprimidos para formar um núcleo. È claro que é concebível que os materiais de liga podem ser incorporados no revestimento envolvente do eléctrodo, se puder obter-se uma precisão metalúrgica na formação da liga do aço do revestimento. De acordo com a forma de realização preferida da presente invenção e na forma de realização mais prática da presente invenção, utiliza-se um revestimento de aço com baixa percentagem de carbono ou um aço de liga com baixa percentagem de elementos de liga para envolver o núcleo. Os metais de liga são incorporados no núcleo na forma de pó. Consequentemente, a presente invenção é designada por eléctrodo com núcleo de metal básico. 0 eléctrodo é estirado até às dimensões desejadas, de preferência um cilindro com um diâmetro inferior a 2,54 mm (0,100"). Este arame estirado, com núcleo, construído de acordo com a presente invenção, é usado para a soldadura MIG para obter todas as vantagens de um eléctrodo com núcleo juntamente com as vantagens de um eléctrodo de arame maciço. Utilizando um constituinte básico único em quantidades pequenas, no interior do núcleo com um novo agente de redução do hidrogénio, reduzem-se o oxigénio e o hidrogénio no metal que fundiu. 0 eléctrodo de soldadura pode ser utilizado para soldar aço de elevada resistência, tais como com uma resistência mínima de 7 031 Kg/cm2 (100 000 psi) (HY-100) e mesmo com - 12 - a resistência de 9 140 Kg/cm2 (13 000 psi) (HY-130). Segundo a presente invenção, este eléctrodo com núcleo de metal básico pode ser usado para soldar fora de posição, visto que o fluoreto de cálcio existe num nível máximo controlado limitado, que é inferior a 1,60%, e este fluoreto de cálcio constitui o único constituinte fundente no interior do, ou sobre o eléctrodo.

Utilizando a presente invenção, o fluoreto de cálcio é o único ingrediente fundente no interior do núcleo e o eléctrodo resultante solda substancialmente da mesma maneira que um arame MIG maciço, por exemplo na soldadura fora de posição e/ou na soldadura por impulsos. As vantagens de um eléctrodo com núcleo são mantidas, com as vantagens de um eléctrodo de arame maciço.

No passado, a utilização de um eléctrodo com núcleo de metal produzia níveis de oxigénio mais elevados. Este oxigénio, na presente invenção, é reduzido pela inclusão de partículas ou pó de fluoreto de cálcio; no entanto, o nível da inclusão de fluoreto de cálcio limita-se a pequenas quantidades, menores que 1,60%, de modo que as dificuldades antes experimentadas na utilização do fluoreto de cálcio, isto é, a incapacidade da soldadura fora de posição, por impulsos, não é uma característica nociva da presente invenção. A redução do fluoreto de cálcio no núcleo, como se utiliza na presente invenção é nova. Um aspecto da presente invenção baseou-sé no reconhecimento de que não são necessários níveis de fluoreto de cálcio maiores que os usados num sistema de fundente básico, se o fundente for unicamente fluoreto de cálcio. Deste modo, cria-se um fundente básico pelo fluoreto de cálcio. Removendo o outro constituinte do sistema de fundente básico, o fluoreto de cálcio pode ser usado em menores quantidades. Pela redução da quantidade de fluoreto de cálcio, tornam-se aceitáveis as características de soldadura do eléctrodo. Assim, a presente invenção implica o controlo da química do fluoreto de cálcio para utilizar apenas o fluoreto de cálcio para a remoção do oxigénio no metal que fundiu. 0 fluoreto de cálcio não é um dos vários constituintes do sistema de fundente básico. 0 fluoreto de cálcio segundo a presente invenção forma o constituinte - 13 - total do fundente básico. Mediante um tal controlo da química do fluoreto de cálcio, produz-se um eléctrodo com núcleo de metal básico com melhores características de soldadura que as de um eléctrodo de arame maciço. 0 fluoreto de cálcio é em quantidade suficiente para controlar o oxigénio no metal que fundiu para minimizar qualquer diminuição que, de outro modo, produziria na resistência ao choque da soldadura resultante. É claro que podem incorporar-se metais de liga no núcleo ou no metal do revestimento que envolve o núcleo para afectar a resistência ao corte no ensaio de Charpy, sem que por isso nos afastemos da presente invenção.

Como não são necessárias quantidades adicionais de fluoreto de cálcio no eléctrodo para compensar outros constituintes do fundente de um sistema de fundente total de componentes múltiplo, o eléctrodo é utilizável na soldadura por impulsos fora de posição, no mesmo grau que um eléctrodo de arame maciço MIG. Assim, proporciona-se um eléctrodo com núcleo básico com um ingrediente de fundente único, que é 100% básico e inerte. Um tal fundente com ingrediente único distingue-se de outros sistemas de fundente do tipo que inclui dióxido de titânio, que é prejudicial para a resistência ao corte no ensaio de Charpy do metal da soldadura. A utilização de um eléctrodo com fundente convencional não é viável para a soldadura de aço de alta resistência do tipo agora usado pelos militares, com aço, que se aproxima do HY-100 ou superior.

No passado, houve eléctrodos com núcleo de metal e eléctrodos com núcleo de fundente básico. Estes dois eléctrodos nunca foram considerados como substitutos do arame maciço na soldadura MIG de aços de elevada resistência, tais como os que se usam em navios e em aplicações militares e comerciais. Os eléctrodos com núcleo de fundente básico, como atrás se mencionou, não são aplicáveis para a soldadura fora de posição. São pouco solicitados pelos operadores e têm taxas de deposição baixas, inferiores a 2,27 Kg/hora (5 libras/h). A presente invenção refere-se a um eléctrodo com núcleo que é uma combinação de metálico e básico que é aplicável para os fins descritos na presente invenção. Os ingredientes não metálicos no núcleo limitam-se ao fluoreto - 14 - de cálcio e ao polímero que contém o agente com fluor para remoção do hidrogénio, se for escolhido. Não há quaisquer outros materiais não metálicos formando um sistema total de distribuição de fundente, como ê normal na indústria.

Verificou-se que um eléctrodo com núcleo de metal básico, como atrás se descreveu e construído de acordo com a presente invenção, é altamente vantajoso para soldar aço de elevada resistência e pode substituir um material de eléctrodo de arame maciço. Todavia, para produzir um eléctrodo com núcleo superior, a presente invenção também prevê um constituinte para reduzir o hidrogénio fusível no metal que fundiu. Crê-se que esse hidrogénio resulta da humidade que entra na costura do revestimento que envolve o núcleo, por acção capilar, ou de outro modo. A tendência para o fissuramento aumenta com o aumento da resistência do metal de base que está a ser soldado. Assim, à medida que aumenta a resistência, diminui a quantidade de hidrogénio que pode ser tolerada no metal que fundiu. 0 hidrogénio entra no metal que fundiu a partir de contaminantes no interior do núcleo, a partir de lubrificantes colocados sobre o eléctrodo e a partir de compostos do estiramento usados no processamento do eléctrodo e de outras fontes. As especificações militares exigem menos de 2 ml/100g para a soldadura à temperatura ambiente, para aços dentro da gama de 5 765,2 a 6187 Kg/cm2 (82 000 a 88 000 psi). Para tentar satisfazer estes requisitos com o arame maciço, o arame é limpo depois do processamento. Esta limpeza reduz a capacidade de alimentar o arame e satisfazer ainda estes requisitos. 0 aquecimento dos metais de base tem uma tendência para arrastar humidade da superfície do metal de base. Assim, o aquecimento antes da soldadura é uma outra via para limitar o hidrogénio no metal que fundiu. Para reduzir o hidrogénio, algumas companhias fabricam tubos sem costura, para os eléctrodos com núcleo, para limitar a humidade que entra através da costura do tubo para o interior do material do núcleo. Porém, seja qual for o processo que se utilize, o hidrogénio está sempre presente no metal que fundiu. 0 hidrogénio tem origem na superfície ou é retido na junta entre as estruturas do metal de base que está a ser soldado. Outras fontes de hidrogénio existem - 15 - para complicar qualquer procedimento para a eliminação de pequenas quantidades que podem trazer problemas nos aços de alta resistência, isto é, com resistência superior a cerca de 5624,6 Kg/cm2 (80 000 psi). Assim, a presente invenção dirige-se a um conceito que consiste em aceitar a existência de quantidades indesejadas diminutas de hidrogénio e remover essas quantidades diminutas por meio de uma nova formulação do eléctrodo. Como a quantidade de fluoreto de cálcio é relativamente pequena, apenas se dispõe de uma pequena quantidade de fluor para reduzir o hidrogénio difusível. Mas o nível de hidrogénio tem de ser inferior a 2 ppm para o aço de elevada resistência, tal como o HY--100, especialmente quando soldado à temperatura ambiente. A presente invenção pode atingir esse objectivo utilizando fluoreto de cálcio na quantidade limitada.

Porém, é muito desejável reduzir o hidrogénio mesmo abaixo do limite de 2 ppm, reconhecido pelas especificações militares, como um requisito para a soldadura de aço de elevada resistência. Segundo a presente invenção, utiliza--se um agente de redução do hidrogénio para reduzir o hidrogénio difusível prejudicial. Este agente é um polímero contendo fluor, tal como um fluorcarbonato. Este agente liberta fluor para se combinar com o hidrogénio difusível. É sólido às temperaturas usadas no processamento dos eléctrodos. Isto pode efectuar-se utilizando um polímero susceptível de resistir a uma temperatura superior a cerca de 537,78°C (1 000°F). 0 agente do tipo de polímero tem de poder reduzir--se a partículas de um pó fino para se misturar com pó metálico e pó de fluoreto de cálcio. 0 agente do tipo de polímero tem de ser deliquescente e não higroscópico e, no restante, inerte. É claro que, não deve haver no polímero quaisquer átomos de hidrogénio nem quaisquer átomos de azoto. Na forma de realização preferida, o agente do tipo de polímero atrás descrito é utilizado com pó de fluoreto de cálcio para produzir o sistema que é combinado com os pós de liga de metal no núcleo do eléctrodo. 0 fluor provenien te da pequena quantidade de fluoreto de cálcio ajuda a remover o hidrogénio. 0 polímero que contém fluor reduz a quantidade de hidrogénio mesmo mais, conduzindo a substan- cialmente menos de 2 ppm de hidrogénio no metal que fundiu. Como é sabido, o hidrogénio no estado monoatómico é um constituinte prejudicial primário que provoca o aparecimento de fissuras no metal que fundiu. A combinação do hidrogénio com o fluor reduz este tipo de hidrogénio livre. Além disso, se o hidrogénio se combinar consigo próprio para formar uma molécula de hidrogénio, ele não afecta seriamente as características de formação de fissuras do metal que fundiu. Assim, o fluor reduz a tendência para a fissuração do metal que fundiu. Esta diminuição substancial do hidrogénio difusí-vel é mesmo mais benéfica quando a resistência de amostras providas de um entalhe representar um problema, como sucede por exemplo no aço HY-130.

Como atrás se descreveu, os eléctrodos com núcleo, no passado eram sensíveis às variações de "electrical stick--out" relativamente à quantidade de hidrogénio que se encontra va no metal que fundiu. Determinou-se que o agente redutor do hidrogénio considerado na presente invenção não tem essa elevada sensibilidade e produz substancialmente os mesmos níveis de hidrogénio difusível no metal que se fundiu para as variações normais dos valores de pico no processo de soldadura MIG.

De acordo com a presente invenção, um revestimento de aço com pequena percentagem de carbono envolve um núcleo de material em partículas cujo diâmetro se reduz para compactar o material do núcleo com um diâmetro exterior inferior a cerca de 2,54 mm (0,100"). Esse revestimento de aço macio ou com baixa percentagem de carbono envolve uma pequena quantidade de pó de fluoreto de cálcio e um vestígio de polímero redutor de hidrogénio contendo fluor. Inclui-se pó metálico no núcleo a fim de obter a liga do metal que fundiu resultante, depositado pelo uso de um eléctrodo construído de acordo com a presente invenção. Por meio desta construção, proporciona-se um eléctrodo com núcleo metálico que pode substituir um arame maciço normal para a utilização na soldadura MIG de aço de elevada resistência, sendo o hidrogénio difusível resultante inferior a 2 ppm e, com 0,02 a 0,04% de polímero, inferior a 1 ppm. Isso nunca foi feito antes. Pode utilizar-se a presente invenção - 17 - para arame de enchimento para a soldadura TIG, igualmente. 0 objecto primário da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo de metal um tanto convencional, com um ingrediente básico, tal como fluoreto de cálcio em pó. Isso produz uma família de eléctrodos com núcleo de metal.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo de metal, básico, que pode ser usado numa situação em que se pretende um teor mais baixo de oxigénio no metal que se fundiu. 0 teor de oxigénio é controlado pela química do ingrediente básico, tal como o fluoreto de cálcio em pó.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo que pode ser usado na soldadura por impulsos fora de posição de uma maneira até aqui reservada na soldadura MIG aos eléctrodos de arame maciço.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo de metal básico que pode ser usado em aplicações de soldadura de aços de elevada resistência, tais como os HY-80, HY-100 e HY-130, nos quais ê mais corrente o aparecimento de fissuras.

De acordo ainda com outro objecto da presente invenção proporciona-se um eléctrodo com núcleo que proporciona fluoreto de cálcio no núcleo a um nível em geral dentro da gama de 0,1% a 1,6%, em peso do eléctrodo e, de preferência, na gama de 0,1% a 0,9%. Como o fluor no interior do arco de soldadura, cria uma acção de contracção que produz salpicos e ingredientes de escória, no eléctrodo com núcleo de metal, também deteriora a velocidade da soldadura nas aplicações de soldadura fora de posição, aumentando a limitação de fluoreto de cálcio no eléctrodo a não mais de cerca de 0,9% do peso total do eléctrodo a qualidade da soldadura resultante utilizando a presente invenção.

Ainda outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo para utilizar na soldadura de aços de elevada resistência, no qual um teor mais baixo de oxigénio produz melhores características de resistência ao choque e melhora as microestruturas do - 18 - metal da soldadura.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um eléctrodo com núcleo de metal básico para utilizar na soldadura de aços de elevada resistência que pode utilizar pós de fluoreto de cálcio ou de fluoreto de bário, ou possivelmente de fluoreto de lítio, de fluoreto de sódio, ou de fluoreto de potássio. De acordo com a forma de realização preferida da presente invenção, utilizam--se pós de fluoreto de cálcio.

Estes e outros objectos e vantagens tornar-se--ão mais evidentes na descrição seguinte, feita com referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As figuras dos desenhos anexos representam:

Fig. 1 - uma vista em corte transversal esquemática de um eléctrodo com núcleo de metal básico segundo a presente invenção;

Fig. 2 - uma vista em corte transversal de uma modificação da forma de realização preferida da presente invenção;

Fig. 3 - um gráfico que ilustra a relação entre a composição básica do eléctrodo e

J o teor de oxigénio no metal que fundiu;

Fig. 4 - um gráfico que representa a relação entre a percentagem de um polímero contendo fluor do peso total do eléctrodo e a concentração de hidrogénio difusível no metal que fundiu.

FORMA DE REALIZAÇÃO PREFERIDA

Faz-se agora referência aos desenhos, que se destinam apenas a ilustrar um exemplo da presente invenção. Neste exemplo, duas placas com a espessura de 25,4 mm (1") são soldadas com um gás de protecção que inclui 98% de árgon e 2% de oxigénio, com uma entrada de calor de 21,65 a 43,31 J/cm (55-110 J/polegada), com um pré-aquecimento das placas a uma temperatura de 121,11°C (250°F). As placas são feitas de aço para fins militares de elevada resistência HY-100. Proporcionou-se um eléctrodo com núcleo de metal básico (10), com um revestimento (12) de aço de baixa percenta gem de carbono, unido numa junta (14), como se ilustra esquematicamente na Fig. 1 . Esta figura mostra as caracterís-ticas da invenção que serão descritas genericamente. A junta (14) do revestimento (12) pode ser uma junta com sobreposição, ou formada de outro modo, de acordo com uma prática normalizada para a fabricação de barras de soldadura (10). No interior do revestimento (12) há um núcleo compactado e formado por partículas (20) de material de liga (representadas por quadrados), partículas de fluoreto de cálcio (representadas por círculos) e uma pequena quantidade de polímero contendo partículas de fluor (24) (representada por círculos pequenos). Este núcleo é compactado estirando o eléctrodo (10) até um diâmetro inferior a 2,54 mm (0,1"). Neste exemplo, o polímero que contém fluor é o 0,16% do peso total do eléctrodo para o Exemplo A, ou 0,40%, em peso, para 0 Exemplo B (ver a Fig. 4). A percentagem das partículas de fluoreto de cálcio é o 0,5% do peso total do eléctrodo. As partículas de liga metálica (20) têm uma percentagem de cerca de 19% do peso total do eléctrodo. 0 peso restante é do revestimento ou tubo (12). Os exemplos (A) e (B) produzem uma soldadura satisfatória com aços para fins militares de elevada resistência, tais como o HY-100. A Fig. 2 é uma modificação da forma de realização da presente invenção, na qual o núcleo no interior do revestimento (12) inclui apenas o pó de fluoreto de cálcio (22) e os pós (24) do agente de redução do hidrogénio. Neste caso, o metal que forma o revestimento (12) inclui os agentes de liga. As várias composições dos agentes de liga não fazem parte da presente invenção, podendo ser ajustados, sem nos afastarmos da presente invenção, que se refere apenas ao conceito de um ingrediente fundente essencialmente único, isto é, fluoreto de cálcio, juntamente com o pó - 20 - de liga no núcleo com, no aspecto preferido, a adição de uni agente redutor do hidrogénio no núcleo. Como pode ver- -se, a presente invenção não se refere aos conceitos e à tecnologia relacionados com a selecção do agente de liga para a operação de soldadura particular a realizar.

Fazendo agora referência à Fig. 3, as partículas de fluoreto de cálcio no interior do núcleo são menos de 1,6% do peso total do eléctrodo. A 1%, ou num valor próximo dessas quantidades de fluoreto de cálcio, começa a reduzir--se a aceitabilidade da qualidade da soldadura e, para um valor superior a cerca de 1,6%, resultaria um eléctrodo de soldadura não satisfatório para utilização na soldadura de aços de elevada resistência nas várias posições de soldadura. Quando o fluoreto de cálcio diminui, aumenta a quantidade de oxigénio no depósito de metal que fundiu. Quando aumenta a resistência do aço de elevada resistência, pode estar contida uma menor quantidade de oxigénio no metal que fundiu para obedecer às especificações militares e proporcionar uma resistência ao choque aceitável. Para o aço de elevada resistência, na gama mais elevada, por exemplo o HY-130, a quantidade de oxigénio incluído no metal que fundiu tem de ser menor que para um aço de elevada resistência como o HY-80. Assim, no gráfico, o nível mínimo de fluoreto de cálcio para o HY-130 é na posição (A). Para o aço de elevada resistência com a resistência mais baixa, como o HY-80, o oxigénio incluído no metal que fundiu pode ser ligeiramente mais elevada. Este conceito está ilustrado na posição (B) no gráfico. Assim, o limite mínimo de fluoreto de cálcio varia de acordo com a resistência do aço de elevada resistência a que a presente invenção é especificamente aplicável. Em todos os casos, a liga do metal que fundiu tem um teor de oxigénio baixo, necessário para a soldadura de aço de elevada resistência, A capacidade para incluir mais oxigénio está apenas ilustrada na Fig. 3, com a finalidade de descrever a presente invenção e representar os limites mínimos de fluoreto de cálcio necessário para a prática da presente invenção.

Fazendo agora referência à Fig. 4, no gráfico a percentagem de polímero contendo fluor, por exemplo tetra- fluoretileno, é comparada com o hidrogénio difusível encontrado no metal que fundiu. 0 valor do hidrogénio está indicado pelo parâmetro ml/100g, que tem geralmente uma relação directa com ppm. Na prática, os aços de elevada resistência devem ter hidrogénio difusível em quantidades inferiores a 2 ppm. Hidrogénio em quantidade inferior a 1,0 ppm não têm sido em geral possíveis de atingir, excepto em condições extremamente controladas, não aplicáveis no campo prático. Como pode ver-se, incorporando pó de fluoreto de cálcio com os pós da liga metálica, atinge-se este objectivo de menos de 2,0 ppm, mesmo sem qualquer agente redutor do hidrogénio. Porém, de acordo com um aspecto da presente invenção, incorpora-se um agente de redução do hidrogénio para reduzir ainda mais o hidrogénio no metal que fundiu.

Incluindo 0,16% de polímero contendo fluor, como se usa no primeiro exemplo A, uma pequena quantidade do agente de redução do hidrogénio reduz drasticamente o hidrogénio do metal que fundiu. Assim, a forma de realização preferida da presente invenção, e um aspecto da presente invenção, implica a utilização de um tal agente de redução do hidrogénio para diminuir a quantidade de hidrogénio difusível prejudicial no interior do metal que fundiu. A linha a cheio superior no gráfico da Fig. 4 representa um "electrical stick out" para 3/8". A linha a cheio inferior, para um "electrical stick out" de 3/4". Como pode ver-se, a utilização deste agente no núcleo do eléctrodo (10) tem uma sensibilidade muito pequena para o "stick out", no que se refere ao hidrogé nio. Isto é uma vantagem sobre outras disposições para minimizar o hidrogénio difusível a estes níveis baixos.

Estes dois gráficos estão traçados relativamente ao Exemplo A, mas poderiam estender-se ao Exemplo B com níveis ultra--baixos com 0,4% de polímero. Para mostrar como a redução do enxofre a menos de 0,008% do peso do eléctrodo e a valores tão baixos como 0,004% do peso do eléctrodo pode permitir a redução do magnésio de cerca de 0,16%, a menos de 0,3%, aumentando assim o polímero, apresentou-se o Exemplo B. 0 Exemplo B é um Exemplo real no qual o enxofre era de cerca de 0,004% e o magnésio menos de 0,3%. - 22 - %· 0 metal que fundiu tinha cerca de 0,6 ppm de hidrogénio difusível. Este é um nível excelente para a soldadura do aço de elevada resistência, e não foi até aqui possível de obter-se para utilização prática.

J

Claims

23 - REIVINDICAÇÕES
12. - Eléctrodo com núcleo metálico básico com baixo teor de hidrogénio, constituindo um elemento de soldadura consumivel para a soldadura por arco voltaico, caracterizado por compreender um revestimento de aço que envolve um núcleo que contém um sistema de fundente essencialmente com um só ingrediente, formado a partir de fluoreto de cálcio em pó numa quantidade suficiente para proporcionar o fundente para o referido elemento de soldadura, tendo o referido núcleo até cerca de 0,4% de um agente para reduzir a quantidade de hidrogénio difusivel no metal que fundiu, compreendendo o referido agente um polimero que contém fluor.
22. - Eléctrodo constituindo um elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido núcleo conter menos de cerca de 1,60% de fluoreto de cálcio relativamente ao peso total do referido elemento.
32· - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o referido núcleo conter entre cerca de 0,1% e cerca de 0,9% de fluoreto de cálcio em relação ao peso total do referido elemento.
42· - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido núcleo conter menos de cerca de 0,30% do referido agente de redução do hidrogénio em relação ao peso total do referido elemento.
52. - Eléctrodo com núcleo metálico básico constituindo um elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido núcleo conter de cerca de 0,2% a cerca de 0,40% do referido agente de redução do hidrogénio em relação ao peso total do referido elemento. v - 24 - \
62. - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o referido núcleo incluir materiais de liga metálica em pó.
79. - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o referido núcleo incluir materiais de liga metálica em pó.
82. - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o referido núcleo incluir materiais de liga metálica em pó. 9a. - Eléctrodo com núcleo metálico básico constituindo um elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os referidos materiais de liga e o referido revestimento de aço, em conjunto, conterem menos de cerca de 0,2% de carbono em relação ao peso total do elemento.
102. - Elemento de soldadura de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por os referidos materiais de liga e o referido revestimento de aço, em conjunto, incluírem pelo menos manganês, silício, molibdénio, níquel e titânio. j Lisboa, 27 de Dezembro de 1990

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