SOLDAGEM NA INDÚSTRIA NAVAL MODERNA: MATERIAIS E PROCESSOS Eng. Ricardo A. Fedele, MSc Engenheiro de Aplicação da Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda Prof. do Dep. de Eng. Mecânica e Metalúrgica da Escola de Engenharia Mauá
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(Artigo publicado na Revista Soldagem & Inspeção – Ano 6. Nº 9 – Suplemento Técnico BR)
RESUMO A indústria naval brasileira permaneceu adormecida nas últimas décadas devido à sua situação econômica desfavorável desfavorável e pouco competitiva em relação ao mercado mundial. No entanto, devido às novas medidas econômicas anunciadas pelo Governo Federal, espera-se a retomada das atividades do setor naval já nos próximos meses. Diante desse quadro bastante promissor, verifica-se a necessidade de atualização tecnológica do segmento naval nacional, visto que muitos estaleiros estrangeiros continuaram ativos nesse período, incentivando o desenvolvimento desenvolvimento de novos materiais e técnicas mais modernas de soldagem. Assim, este artigo tem o objetivo de apresentar e discutir resumidamente as características dos principais metais de base e metais de adição utilizados na construção naval moderna; mostrar o resultado de experiências comparativas realizadas entre alguns processos de soldagem e fornecer exemplos práticos de aplicação desses materiais e processos de soldagem.
ABSTRACT Brazilian shipbuilding industry remained sleeping during the last decades due to its unfavorable and less competitive economical situation in relation to the world market. However, due to the new decisions announced by the federal government, the Brazilian shipbuilding activities are tending to take up again in the next months. In the face of this very promising picture, it is necessary to have a technological updating, since the foreign shipyards have been active during this period, supporting the development of new materials and modern welding processes. Thus, this paper has the following objectives: present and discuss concisely the characteristics of the main base and filler metals employed in modern shipbuilding industry; compare some welding processes in terms of quality and productivity; and give some practical examples of these materials and welding processes application.
Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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1. INTRODUÇÃO A indústria naval brasileira está se preparando para a retomada de suas atividades a partir do segundo semestre do próximo ano. Este impulso está relacionado às novas medidas de financiamento anunciadas no último dia 24 de outubro pelo Governo Federal, que elevam o prazo de amortização dos empréstimos de 15 para 20 anos, reduzem a taxa de juros de 6% para valores entre 4% e 6% e aumentam o valor máximo dos financiamentos de 85 para 90%. Tais medidas já deram resultado. A Transpetro, empresa transportadora da Petrobrás, pretende iniciar a construção de dois navios Suezmax, com 130 mil toneladas de peso bruto cada um e dois Panamax, com 60 mil toneladas de peso bruto cada, totalizando um investimento de US$ 150 milhões. A empresa Mercosul Line investirá US$ 50 milhões na construção de dois navios contêineres nos estaleiros brasileiros. Além disso, segundo a Secretaria Estadual de Energia, Indústria Naval e Petróleo do Rio de Janeiro, outras companhias estão interessadas em construir suas embarcações no Brasil. A Aliança Hamburg Sud pretende montar quatro navios com recursos de US$ 200 milhões, o grupo dinamarquês Maersk investirá US$ 100 milhões na construção de quatro embarcações de apoio offshore e o grupo Neptunia tem um projeto de dois “full containers” no valor de US$ 56 milhões cada (1,2). Diante deste quadro bastante promissor, a comunidade de soldagem deve se preparar para participar e atender as necessidades do segmento naval. Isto porque a soldagem sempre desempenhou um papel fundamental no cenário mundial da construção de embarcações. Basta dizer que a soldagem representa atualmente um terço de todos os serviços executados na construção de um navio de grande porte (3). Por este motivo, o presente artigo tem os seguintes objetivos: apresentar e discutir resumidamente as características dos principais metais de base e metais de adição utilizados na construção naval moderna; mostrar o resultado de experiências comparativas realizadas entre alguns processos de soldagem e fornecer exemplos práticos de aplicação desses materiais e processos de soldagem.
2. EVOLUÇÃO DA SOLDAGEM NA INDÚSTRIA NAVAL Em tempos mais remotos, quando não existiam materiais adequados e técnicas de junção eficazes, muitos estaleiros já utilizavam a soldagem na construção de navios e embarcações. Consequentemente, esta época foi marcada por problemas metalúrgicos e graves acidentes, decorrentes principalmente, da inexperiência e falta de treinamento dos profissionais envolvidos nos projetos, da baixa qualidade dos metais de base e de adição empregados e da ausência de suporte técnico especializado. O exemplo mais conhecido deste período da história naval é o caso dos navios ingleses “Liberty Ships”, os quais foram construídos totalmente por soldagem durante a segunda guerra mundial e, quando colocados em operação, literalmente quebraram ao meio (3). Atualmente, a tecnologia de construção de embarcações apresenta-se em um estágio bastante avançado. A experiência adquirida ao longo dos anos permitiu que as necessidades técnicas para a superação dos problemas fossem definidas e as soluções para suprir tais necessidades fossem encontradas. Não somente em termos de desenvolvimento de materiais mais apropriados para a indústria naval, mas também em relação ao estudo de novos processos de fabricação capazes de aumentar a produtividade e reduzir os custos de produção. Portanto, a indústria naval moderna apresenta hoje uma grande variedade de materiais, desde os mais comuns destinados às aplicações tradicionais até os especiais, altamente ligados, para satisfazer as condições Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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particulares de cada projeto. A seguir, as características químicas e mecânicas desses materiais serão discutidas.
3. MATERIAIS CONSIDERADOS COMUNS Com o objetivo de garantir a uniformidade e a qualidade dos serviços executados, a maioria dos navios e embarcaçòes são construídos de acordo com normas técnicas de sociedades classificadoras internacionais. Assim, as principais entidades deste tipo são: a ABS-American Bureau of Shipping, a BV-Bureau Veritas, a LR-Lloyds Register of Shipping, a GL-Germanischer Lloyd e a DNV-Det Norske Veritas. Essas sociedades tem a função de estabelecer os padrões e métodos de classificação de todos os materiais empregados na construção naval, entre outras atribuições(3). Com os materias utlizados na soldagem não poderia ser diferente.
3.1 METAIS DE BASE COMUNS Os aços comuns, empregados na construção de navios e embarcações, são geralmente classificados de acordo com os valores de resistência mecânica em dois grandes grupos: aços de resistência moderada ou normal e aços de resistência elevada . O primeiro grupo subdivide-se ainda em classes A, B, D e E conforme os valores de tenacidade do aço. Já o segundo grupo apresenta uma subdivisão mais detalhada em classes AH, DH, EH e FH de acordo com os valores de tenacidade, seguidos dos dígitos 32, 36 e 40 conforme os valores do limite de escoamento do aço(4-5). A Tabela 1 mostra esta classificação, destacando as características mecânicas dos aços comuns para a construção naval. As propriedades mecânicas apresentadas na Tabela 1 estão diretamente relacionadas às composições químicas destes materiais. Os aços de resistência moderada possuem apenas o carbono e o manganês como elementos endurecedores principais. O carbono provoca a formação de microestruturas mais resistentes enquanto que o manganês colabora para o aumento da tenacidade do material em baixas temperaturas (6-7). No entanto, conforme pode ser visto na Tabela 1, os aços das classes D e E devem atender requisitos mais severos de tenacidade, os quais nem sempre são conseguidos somente com adições de manganês. Por este motivo, é feita a adição de alumínio, o qual funciona como desoxidante durante o processo de fabricação do aço e refinador de grão durante a solidificação do metal fundido. No caso dos aços de resistência elevada, as propriedades mecânicas requeridas pela Norma são atingidas através da adição de carbono, manganês e alumínio de maneira semelhante aos aços de resistência moderada. No entanto, devido aos maiores limites de resistência e tenacidade requeridos por estes aços, outros elementos ainda devem ser adicionados. O nióbio, o vanádio e o titânio apresentam a mesma função do alumínio e, portanto, agem como refinadores de grão (5). O cobre, o cromo, o níquel e o molibdênio podem ser adicionados com o objetivo de endurecer o aço pelo mecanismo metalúrgico de solução sólida substitucional. Nos aços da classe FH, podese ainda acrescentar nitrogênio para o endurecimento por solução sólida intersticial.
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Tabela 1 – Principais aços comuns utilizados na construção naval (5). Classe
L. Esc (N/mm2)
L. Res (N/mm2)
Along. (%)
Resistência ao Impacto (J) e 50 L
T
50 e 70 L T
27
20
34
24
41
27
31
22
38
26
46
31
34
24
41
27
50
34
41
27
-
-
-
-
T(ºC) A B
+ 20 235
D
400 520
22
0 -20
E
-40
AH 32
0
DH 32
315
EH 32
440 590
22
-20 -40
FH 32
-60
AH 36
0
DH 36
355
EH 36
490 620
21
-20 -40
FH 36
-60
AH 40
0
DH 40 EH 40
70 e 100 L T
390
510 650
FH 40
20
-20 -40 -60
e=espessura L=cp longitudinal T=cp transversal
3.2 METAIS DE ADIÇÃO COMUNS Os metais de adição normalmente empregados para a soldagem dos aços comuns na industria naval são os eletrodos revestidos, utilizados no processo manual ou por gravidade, os arames sólidos, para os processos MIG/MAG e Arco Submerso, e os arames tubulares, para a soldagem com ou sem proteção gasosa (3,8). A Tabela 2 relaciona os consumíveis de soldagem utilizados com maior freqüência na indústria naval. Segundo um levantamento estatístico realizado no ano de 1987 em estaleiros nacionais e estrangeiros, 60% de todas as soldas mensais eram executadas pelo processo eletrodo revestido manual. Os 40% das soldas restantes dividiam-se entre MIG/MAG(11%), eletrodo revestido por gravidade(8%) e arco submerso(21%) (8). Atualmente, grande parte das soldas realizadas por eletrodo revestido estão sendo gradualmente substituídas por processos que oferecem maior produtividade tais como MIG/MAG e Arame Tubular. Além disso, essa busca por maior produtividade tem sido responsável pela crescente utilização de processos automatizados, tais como a soldagem por eletroescória na união do chapeamento do costado e das longarinas do convés de navios de grande porte (8), do processo por arco submerso, com três arames, na fixação dos membros longitudinais (3) e do processo à laser, na fabricação de escoras topo a topo e de placas de painel enrijecidas(9). Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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Tabela 2 – Principais consumíveis de soldagem para os aços comuns na indústria naval. Eletrodos revestidos AWS A5.1 E 6012 E 6013 E 7018-1 E 7024 E 7028
Revestimento rutílico com sódio Revestimento rutílico com potássio Revestimento básico com adição de Mn e 30% de pó de ferro Revestimento rutílico com adição de pó de ferro Revestimento básico com adição de 50% de pó de ferro
Arames sólidos – MIG/MAG AWS A5.18 ER 70S-3 Ensaio Charpy 27J a temperatura de -18ºC ER 70S-6 Ensaio Charpy 27J a temperatura de -29ºC Arames sólidos + fluxos – Arco submerso AWS A5.17 EL 12 0,25-0,60% Mn – Fluxo F7A0 EM 12 0,80-1,25% Mn – Fluxo F7A0 Arames tubulares AWS A5.20 E 71-T1
Fluxo rutílico-básico
No entanto, a seleção de um processo de soldagem deve envolver outros fatores além da produtividade. O tipo de junta, chanfro e espessura, a posição de soldagem e a habilidade dos soldadores disponíveis, a natureza do material a ser unido e o nível de qualidade requerido também devem ser levados em consideração. Uma vez escolhido o processo de soldagem, a seleção do metal de adição deve ser feita com base nos valores de propriedades mecânicas. Assim, os valores de limite de escoamento, limite de resistência e tenacidade do metal de adição devem ser compatíveis com os valores do metal de base. Além disso, o conhecimento sobre a disponibilidade dos metais de adição no mercado é muito importante e auxilia a escolha de um produto com prazos de entrega satisfatórios.
4. MATERIAIS CONSIDERADOS ESPECIAIS Em princípio, os materiais especiais utilizados na indústria naval são os aços inoxidáveis, as ligas de níquel e as ligas de cobre. Os aços inoxidáveis são largamente empregados na construção de tanques para cargueiros químicos, petroleiros, embarcações para o transporte de produtos corrosivos, gases liqüefeitos e tubulações de interligação entre tanques de armazenamento. As ligas de níquel destinam-se às aplicações que necessitam de resistência à corrosão em altas temperaturas ou elevados valores de tenacidade em temperaturas reduzidas. Já as ligas de cobre são recomendadas para componentes que devam apresentar boas propriedades mecânicas, elevada resistência á corrosão e ausência de magnetismo, evitando interferências nos controles de direção do navio. Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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4.1 METAIS DE BASE ESPECIAIS Conforme comentado anteriormente, existe uma variedade de ligas especiais que podem ser empregadas na fabricação de um navio. No entanto, as operações de soldagem realizadas em aços inoxidáveis são muito mais freqüentes do aquelas envolvendo as ligas de níquel ou de cobre. Isto se deve à grande quantidade de aços inoxidáveis empregada na construção naval em relação aos outros materiais especiais. A Tabela 3 relaciona os aços inoxidáveis mais utilizados na fabricação de tanques para a indústria naval, com suas respectivas propriedades mecânicas e composições químicas resumidas conforme a Norma ASTM A 240-83 (10).
Tabela 3 – Principais aços inoxidáveis utilizados na construção naval Composição química (%)
Aço
304 304L 304LN 316 316L 316LN 317 317L S31803 S32550 S32760
(10)
.
Propriedade mecânica (mín.)
C
Cr
Ni
Mo
N
0,08 0,03 0,03 0,08 0,03 0,03 0,08 0,03 0,03 0,04 0,04
18,0-20,0 18,0-20,0 18,0-20,0 16,0-18,0 16,0-18,0 16,0-18,0 18,0-20,0 18,0-20,0 21,0-23,0 24,0-27,0 24,0-26,0
8,0-10,5 8,0-12,0 8,0-12,0 10,0-14,0 10,0-14,0 10,0-14,0 11,0-15,0 11,0-15,0 4,5-6,5 4,5-6,5 6,0-8,0
2,0-3,0 2,0-3,0 2,0-3,0 3,0-4,0 3,0-4,0 2,5-3,5 2,0-4,0 3,0-4,0
0,10-0,16 0,10-0,16 0,08-0,20 0,10-0,25 0,30 máx.
LE (N/mm2) 205 170 205 205 170 205 205 205 450 550 550
LR (N/mm2) 515 485 515 515 485 515 515 515 620 760 750
A (%) 40 40 40 40 40 40 35 40 25 15 15
O aço inoxidável do tipo 304 apresenta uma microestrutura austenítica com moderada resistência à corrosão intergranular e por pites. A susceptibilidade à corrosão por pites pode ser reduzida a partir da utilização de ligas com adição de molibdênio tais como os aços 316 e 317. Já o problema da corrosão intergranular pode ser resolvido através da utilização de ligas com teores reduzidos de carbono tais como os aços “L” (Low carbon) nas versões 304L, 316L e 317L. No entanto, esta redução das quantidades de carbono pode provocar a deterioração das propriedades mecânicas do aço. Caso esta deterioração mecânica seja um problema para os requisitos de projeto, ao invés da opção por aços da série “L”, é preferível utilizar ligas da série “LN”, com baixos teores de carbono e adições de nitrogênio, o qual promove o endurecimento do aço pelo mecanismo metalúrgico de solução sólida intersticial, substituindo o efeito endurecedor do carbono. Além disso, as adições de nitrogênio também apresentam outras vantagens como o aumento da resistência à corrosão por pites e a redução da temperatura crítica de transição (11). A Figura 1 mostra um tanque para transporte marítimo de produtos químicos inteiramente construído por soldagem em aço inoxidável 316LN com eletrodo revestido especial E 316LN. Além dos aços inoxidáveis austeníticos da série 300 discutidos até o momento, a indústria naval também utiliza em larga escala os aços inoxidáveis duplex S31803 e S32550. Esses materiais apresentam uma excelente combinação de propriedades mecânicas e elevada resistência à corrosão. Em geral, os aços inoxidáveis duplex possuem o dobro do limite de escoamento dos Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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aços inoxidáveis convencionais, conservando os mesmos valores de tenacidade (12). Isto significa que as espessuras de projeto podem ser reduzidas à metade, economizando no material, no transporte e no peso das embarcações.
Figura 1 – Tanque para o transporte marítimo construído por soldagem em aço inoxidável E316LN com eletrodos revestidos também E316LN-17. (Cortesia: Boehler Thyssen) Além disso, as ligas duplex apresentam o dobro da resistência à corrosão por pites em relação aos aços inoxidáveis austeníticos convencionais. Tais propriedades se devem à composição química e à microestrutura ferrítica-austenítica desses materiais. A Figura 2 mostra um navio cargueiro químico com tanques totalmente construídos por soldagem em aço inoxidável duplex UNS S31803.
Figura 2 – Cargueiro químico com tanques de armazenamento construídos por soldagem em aço inoxidável duplex UNS S31803 com arame tubular E 2209 T0-4. (Cortesia: Boehler Thyssen) Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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4.2 METAIS DE ADIÇÃO ESPECIAIS A Tabela 4 relaciona os principais metais de adição inoxidáveis empregados na indústria naval. Observando esta tabela, verifica-se que os processos Eletrodo Revestido, MIG e Arame Tubular novamente aparecem como sendo os mais utilizados na construção de navios e embarcações. Tanto a seleção de um desses processos como a do metal de adição adequado para o serviço deve levar em consideração alguns pontos importantes já discutidos anteriormente.
Tabela 4 – Principais consumíveis de soldagem para aços inoxidáveis utilizados na indústria naval. Eletrodos revestidos AWS A5.4 E 308L-XX E 316L-XX E 309L-XX E 309L-XX E 309LMo-XX ~E 316LN E 2209-XX (duplex) * EN 1600 25 9 4 NL B22
XX =15 → revestimento básico XX =16 → revestimento rutílico XX =17 → revestimento rutílico-básico
(Superduplex)
Arames sólidos para GTAW e GMAW AWS A5.9 ER 308L ER 316L ER 309L ER 309LMo ER 2209 (duplex) * EN 12072 W 25 9 4 NL (superduplex) Arames tubulares para FCAW AWS A5.22 Posição plana e horizontal E 308LT0-4 E 316LT0-4 E 309LT0-4 E 309LMoT0-4 E 308 HT0-4 E 317 LT0-4 E 2209 LT0-4
Todas as posições (arames PW) E 308LT1-4/1 E 316LT1-4/1 E 309LT1-4/1 E 309LMoT1-4/1 E 308 HT1-4/1 E 2209 LT1-4/1 * European Norm
Em princípio, o processo de soldagem por Arame Tubular apresenta maior produtividade do que os outros dois processos mencionados (13). Como exemplo desta superioridade, pode-se citar que no tempo de soldagem igual à 01 minuto, deposita-se um cordão de 800 mm de comprimento com arame tubular, 670 mm com MIG e 280 mm com eletrodo revestido. A Figura 3 mostra os cordões de solda obtidos nesta experiência. Além disso, a soldagem com arames tubulares promove uma penetração mais uniforme e segura em comparação ao processo MIG, como pode ser verificado na Figura 4. No entanto, o custo dos arames tubulares é mais elevado em comparação ao dos Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda.
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arames sólidos ou eletrodos revestidos, e a tecnologia de aplicação deste processo ainda encontra-se menos difundida do que a dos outros dois processos citados.
Figura 3 – Cordões de solda depositados em juntas de ângulo, destacando a superior produtividade do processo de soldagem por Arame Tubular em relação aos processos de soldagem por Eletrodo Revestido e MIG/MAG.
Figura 4 – Macrografias de juntas de ângulo soldadas, destacando a maior uniformidade de penetração do cordão de solda do processo de soldagem por Arame Tubular em comparação ao processo MIG/MAG.
Outro ponto importante que deve ser considerado na seleção do metal de adição adequado é a posição em que a solda será feita. Na maioria das vezes, não existe a possibilidade de posicionar a peça para a soldagem na posição plana, sendo necessárias as deposições verticais ou até mesmo sobre-cabeça. No passado, existiam apenas eletrodos revestidos e arames sólidos capazes de atender as necessidades das soldagens fora de posição. Atualmente, já existem arames tubulares para a soldagem em todas as posições, conhecidos pelo nome “PW” (Positional Welding). Este avanço tecnológico foi possível graças ao desenvolvimento de um fluxo interno ao arame que proporciona a formação de uma escória de resfriamento rápido, evitando que o material fundido escorra durante a soldagem em posições adversas (14). Por estes motivos, a
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utilização de arames tubulares na construção de navios-tanques e equipamentos offshore tem apresentado um comportamento crescente nos últimos anos. Como exemplo da aplicação dos arames tubulares PW, a Figura 5 mostra um injetor de água para o sistema anti-incêndio de uma plataforma marítima de prospecção de petróleo norueguesa. Este equipamento foi confeccionado inteiramente por soldagem a partir de tubos de aço inoxidável duplex S31803, com espessuras de 15-25 mm e metal de adição AWS E2209 T1-4 de 2,0 mm de diâmetro. Nota-se que existem soldas circunferenciais horizontais (posição 2G) e soldas circunferenciais verticais (posição 5G), em locais de difícil acesso, executadas sem nenhum problema.
Figura 5 – Injetor de água para sistema anti-incêndio de uma plataforma marítima de prospecção de petróleo, construído totalmente por soldagem em aço inoxidável duplex, utilizando os arames tubulares PW. (Cortesia: Frank Mohn Flatoy A.S. Norway)
Além do desenvolvimento de novos processos e materiais, o aperfeiçoamento do homem é imprescindível para o progresso de qualquer setor industrial. Em princípio, o soldador ou operador do equipamento de soldagem é responsável por uma grande parcela da qualidade final das soldas executadas. Assim, é importante lembrar que, além dos mercados fornecedores de matéria-prima para a construção naval, as instituições destinadas ao treinamento e qualificação de profissionais da área de soldagem também devem estar preparadas para suprir as necessidades deste segmento industrial nos próximos anos. Cursos, palestras e seminários são fundamentais para atrair as pessoas interessadas e incentivá-las ao aperfeiçoamento técnico. Nesse sentido, parcerias entre escolas técnicas como SENAI e associações de classe como ABS vêm apresentando excelentes resultados.
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5. CONCLUSÕES A indústria naval mundial tem incentivado o desenvolvimento de novos materiais para atender aos seus requisitos de produtividade e qualidade, os quais se mostram cada vez mais exigentes. Assim, a crescente utilização dos aços inoxidáveis duplex em substituição às ligas inoxidáveis convencionais e o desenvolvimento dos arames tubulares PW para a soldagem em todas as posições são exemplos desse avanço tecnológico. Além do estudo de novos materiais, a aplicação de modernos processos de soldagem em substituição àqueles tradicionais também vêm sendo desenvolvida. Como exemplos desses desenvolvimentos, pode-se citar a utilização do processo de soldagem por Arco Submerso com três arames, ao invés de um único arame; a substituição progressiva dos processos Eletrodo Revestido e MIG/MAG pelo processo Arame Tubular; e o emprego da Soldagem a Laser na montagem de navios. Do ponto de vista socio-econômico, pode-se concluir que a preparação técnica das empresas brasileiras, em antecipação à esse novo impulso da indústria naval, certamente contribuirá para a redução da importação de materiais e mão de obra, favorecendo o crescimento das atividades industriais nacionais e a diminuição do desemprego local.
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