Soldagem

Soldagem

EME001 – Introdução aos Processos de Manufatura

Processo de Soldagem TIG

15856

Guilherme Zanesco

15861

José Hilário Sant'Anna Grilo

15863

Lorenzo Alfonso Caliari de Neves Gomes

15865

Lucas Rafael Leandro Silva

15866

Luís Fernando Fonseca Lobo

15868

Marcus Vinicius de Souza

15870

Nathan Corsini Leitão

Prof. Doutor Sebastião Carlos da Costa

Introdução

O processo de soldagem TIG é largamente utilizado em produção e manutenção industrial, para soldar chapas de baixas espessuras (0,2 mm a 8 mm) de aços carbono, aços inoxidáveis, alumínio e suas ligas, cobre e suas ligas, titânio, zircônio, níquel e suas ligas. Utiliza fonte de energia de corrente constante (retificador ou transformador), cabos, tochas, gás de proteção e refrigeradores de água.

Benefícios

  • Adequada para soldas de responsabilidade (passe de raiz)

  • Facilita a soldagem em locais de difícil acesso

  • O processo pode ser mecanizado ou robotizado

  • Oferece alta qualidade e precisão

  • Ótimas resistências mecânicas da junta soldada

  • Pouca geração de fumos

  • Soldas claras, brilhantes e com ótimo acabamento, sem usar fluxo de limpeza, dispensando acabamento final e reduzindo custos de fabricação

  • Solda em todas as posições

  • Versatilidade - solda praticamente todos os metais industrialmente utilizados

Limitações

  • Dificuldade de utilização em presença de corrente de ar

  • Inadequado para soldagem de chapas de mais de 6 mm.

  • Produtividade baixa devido à taxa de deposição

  • Custo do equipamento

  • Processo depende da habilidade do soldador, quando não automatizado

Variáveis do Processo

As variáveis envolvidas no processo de soldagem TIG são: a tensão do arco, a corrente de soldagem, velocidade de avanço e o gás de proteção. Essas variáveis não agem de forma independente, havendo forte interação entre elas.

Gás de proteção: A utilização do Hélio nos permite obter uma solda com maior penetração, devido ao maior potencial de ionização deste gás.

Corrente de soldagem: De forma geral, controla a penetração da solda, com efeito, diretamente proporcional. Afeta também a tensão do arco, sendo que para um mesmo comprimento de arco, um aumento na corrente causará um aumento na tensão do arco.

  • Corrente contínua: em eletrodo no pólo negativo oferecem elevada penetração e maiores velocidades de soldagem;

  • Corrente alternada é especialmente eficaz na soldagem de materiais com óxidos refratários, como alumínio e magnésio, pois pode-se realizar a chamada limpeza catódica, quando o eletrodo encontra-se no pólo positivo.

Tensão do arco: Designação dada para a tensão entre o eletrodo e a peça, é fortemente influenciada pelos seguintes fatores:

  • Corrente do arco;

  • Perfil da ponta do eletrodo;

  • Distância entre o eletrodo e a peça (comprimento do arco);

  • Tipo do gás de proteção.

Uma vez fixados diversos outros parâmetros, a tensão do arco possibilita o controle do comprimento do arco, que é difícil de monitorar. Por sua vez, o comprimento do arco afeta diretamente a largura da poça.

Há outros fatores que também afetam a tensão como contaminação do eletrodo e do gás de proteção, alimentação imprópria do material de adição, mudanças de temperatura no eletrodo e erosão do eletrodo.

A velocidade de avanço: Afeta a penetração e a largura da solda, sendo esta última, porém, muito mais afetada. Sua grande importância consiste no fato dela determinar o custo do processo. Entretanto, muitas vezes, a velocidade torna-se apenas uma conseqüência a partir da definição de padrões de qualidade e uniformidade. A forma de alimentação do material de adição é outro parâmetro importante.

Aumentando-se a velocidade de alimentação do arame produz-se soldas com menor penetração e perfis convexos. Diminuindo-se a velocidade, aumenta-se a penetração e tem-se perfis mais achatados. Entretanto, a redução da velocidade tem um limite, pois pode levar a fissuras e falta de material.

Influência da Polaridade

O principal fator de influência nas características citadas é a emissividade termoiônica, pelo fato do cátodo apresentar diferentes condições em cada uma das polaridades. Considerando que a emissividade termoiônica dos óxidos é maior que a do metal puro e que há uma maior formação de óxidos na periferia do fundido, a maior dimensão da poça de fusão em comparação com o eletrodo, implica em maior emissividade termoiônica da poça de fusão que do eletrodo.

   Devido a esta diferença, a utilização da polaridade CC- resulta em um arco voltaico de menor aquecimento e penetração, o que é vantajoso para a soldagem de chapas finas, porém o arco apresenta-se instável, com uma elevada taxa de fusão do arame e resulta em uma transferência metálica na qual a gota está sujeita a forças que tendem a projetar a gota para cima ou para os lados.

   A utilização da polaridade CC+ embora resulte em um elevado aquecimento e penetração, indesejáveis para a soldagem de chapas finas, apresenta uma boa estabilidade do arco, e permite uma transferência metálica por projeção axial, adequada ao processo MIG do alumínio.

Fazendo uso das características das duas polaridades, é possível estabelecer um melhor controle do aporte térmico com estabilidade do arco através da combinação de intervalos em cada polaridade, ou seja, utilizando corrente alternada com intervalos controlados, como apresentado nos oscilogramas ao lado.

    Entretanto, a utilização de corrente alternada gera uma dificuldade quanto à estabilidade do arco voltaico, pelo fato de apresentar instantes em que a corrente e a tensão tendem ao zero, induzindo a uma extinção do arco, o que exige, do equipamento de soldagem e sistema de controle, características especiais.

    Além da dificuldade de estabilização do arco voltaico, deve-se considerar a complexidade de fenômenos que ocorrem durante a operação de soldagem, para as quais dispõe-se de poucas informações técnicas, tanto com relação ao processo de transferência metálica, como da influência dos parâmetros, tornando difícil a seleção dos parâmetros para os intervalos em cada polaridade.

    Visando o desenvolvimento dos estudos da técnica MIG-AC, estão sendo desenvolvidas pesquisas no Labsolda da UFSC, constituindo-se o processo de soldagem MIG-AC do alumínio como tema de tese de doutoramento de Túlio Fernandes dos Santos, junto ao Departamento de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFSC sob orientação do Prof. Jair Carlos Dutra.

Materiais e Gases Utilizáveis

Os consumíveis principais na soldagem TIG são os gases de proteção e as varetas e arames de metal de adição. Os eletrodos de tungstênio, apesar de serem ditos não consumíveis, se desgastam durante o processo, devendo ser recondicionados e substituídos com certa freqüência, assim como os bocais de gás.

Tipos de Gases

Os gases de proteção usados na soldagem TIG são inertes, principalmente o argônio, o hélio e misturas destes. Em alguns casos são usadas misturas especiais como as que contêm hidrogênio, usadas na soldagem de aços inoxidáveis, e as que contêm nitrogênio, opcionais na soldagem de cobre e suas ligas.

Na soldagem pelo processo TIG deve-se tomar alguns cuidados: os gases envolvidos no processo devem ter elevada pureza e o teor de umidade também deve ser bem controlado. O argônio utilizado neste processo de soldagem normalmente possui uma pureza de 99,95 %, sendo aceitável para a maioria dos metais, excetuando-se aqueles reativos ou refratários.

Características dos Gases

Os gases utilizados no processo de soldagem TIG apresentam diferentes características. Na escolha de um gás devem-se levar em conta as suas características, as quais devem cumprir as necessidades da solda.

Características da soldagem com argônio:

  • melhor estabilidade do arco;

  • menor consumo;

  • menores tensões de arco;

  • menor custo;

  • maior facilidade na abertura do arco;

  • melhor efeito de limpeza dos óxidos na soldagem com corrente alternada.

Características da soldagem com hélio:

  • maior consumo, já que se trata de um gás mais leve que o ar;

  • maiores tensões de soldagem e maior energia de soldagem para uma mesma corrente e comprimento de arco;

  • maior penetração do cordão de solda;

  • custo muito mais elevado (custo do gás e maior vazão);

  • possibilidade de uso de maior velocidade de soldagem.

Através das características dos gases argônio e hélio, percebemos que o uso do argônio possui certas vantagens em relação ao hélio, por isso o argônio é mais utilizado que o hélio neste processo de soldagem.

Aplicação para os Diferentes Tipos de Gases

Como vimos acima, o Hélio transmite maior calor para uma mesma corrente e tensão que o argônio e, portanto, é particularmente importante na soldagem de peças espessas ou materiais com alta condutividade térmica como o cobre. Características intermediárias podem ser obtidas através da mistura dos dois gases. A principal característica envolvida no processo de proteção é a densidade dos gases. Neste aspecto, o argônio, por ter uma densidade aproximadamente dez vezes maior que a do hélio, forma uma camada sobre a área de solda após deixar o bocal, ao contrário do hélio que, por ser extremamente leve, tende a subir em torno do bocal ao deixá-lo. Assim, para prover a mesma eficiência de proteção, a vazão de hélio deverá ser de 2 a 3 vezes maior que a vazão de argônio.

Em relação ao arco, as características dos gases são definidas pela sua curva tensão-corrente. Como se pode avaliar pelas curvas, a tensão do arco obtido com hélio é significativamente maior que com o argônio. Assim sendo, o hélio fornece mais calor ao processo, permitindo as vantagens discutidas acima.

Misturas de ARGÔNIO-HIDROGÊNIO também podem ser utilizadas, especialmente em casos de soldas mecanizadas de tubos finos de aço inoxidável. Aumento na velocidade pode ser obtido de forma diretamente proporcional à quantidade de hidrogênio adicionada à mistura, limitado, entretanto, para não permitir a porosidade. As misturas mais comuns deste tipo contém cerca de 15 % de Hidrogênio. A vazão de gás é baseada no movimento do ar, no tamanho do bocal e na dimensão da poça. O ponto mínimo é determinado pela necessidade de manutenção de uma corrente firme do gás, enquanto vazões excessivas causam turbulência que pode aspirar contaminantes da atmosfera. Quando o ambiente for sujeito a ventos cruzados, devem-se introduzir telas de proteção, ao invés de aumentar a vazão do gás, o que além de mais oneroso pode levar ao problema da turbulência.

Metais de Adição

O metal de adição para a soldagem manual é fornecido na forma de varetas com comprimento em torno de 1,0 m. Para a soldagem mecanizada, o metal é fornecido na forma de um fio enrolado em bobinas com diferentes capacidades, dependendo do equipamento usado. Os diâmetros dos fios e varetas são padronizados e variam entre 0,5 e 5 mm aproximadamente.

Metais de adição estão disponíveis numa ampla faixa de materiais e ligas. Geralmente a composição química de metais de adição tem limites de tolerância muito inferiores aos de metal de base do mesmo tipo e custo bem mais elevado. Eles são classificados de acordo com sua composição química e com as propriedades mecânicas do metal depositado.

A escolha do metal de adição para uma determinada aplicação é feita em função da composição química e das propriedades mecânicas desejadas para a solda. Em geral se usa metal de adição similar ao metal de base, mas não necessariamente idêntico.

O diâmetro do fio ou vareta é escolhido em função da espessura das peças a unir, da quantidade de material a ser depositado e dos parâmetros de soldagem. Os catálogos dos fabricantes geralmente apresentam informações úteis na escolha de metal de adição e aplicações típicas dos produtos.

Os eletrodos mais comumente usados são varetas sinterizadas de tungstênio puro ou com adição de elementos de liga, tória (óxido de tório) ou zircônia (óxido de zircônio) e sua função é conduzir a corrente elétrica até o arco. A capacidade de condução varia com a composição química, com o diâmetro do eletrodo e com o tipo de corrente de soldagem a ser usada.

Eletrodos de tungstênio puro têm menor custo e são usados com corrente alternada. Eletrodos com adição de zircônia apresentam melhor desempenho que eletrodos de tungstênio puro e também são usados com corrente alternada. Eletrodos com adição de tória são normalmente usados com corrente contínua.

Os eletrodos de tungstênio normalmente são apontados por meios químicos ou mecânicos, antes de se iniciar a operação de soldagem e, no caso de soldagem mecanizada, a configuração da ponta do eletrodo pode ser uma variável importante para se garantir uma boa repetitividade de resultados.

Possibilidades de Desenvolvimentos

Soldagem TIG por Fonte Pulsante

Processo relativamente novo, a soldagem por corrente contínua pulsada envolve a variação repetitiva da corrente do arco entre um valor mínimo (“background”) e um valor máximo (“high peak”). A deposição do metal ocorre durante o pico de corrente, formando uma pequena deposição a cada pulso. O pico do pulso produz a penetração desejada rapidamente e a corrente base mantém o arco aberto entre os pulsos. A fonte pulsante permite um ganho na penetração sem que haja excessivo fornecimento de calor a região da ao redor da solda (o pico é longo o suficiente para fundir o metal de adição ao metal base na penetração necessária- caso haja metal de adição). Durante a fase de baixa corrente a região fundida tem tempo suficiente para se estabilizar (em alguns casos ele resfria e solidifica).

Vantagens :

  • Boa penetração com menos aplicação de calor , afetando menos as regiões periferias a Zona Fundida( Zonas termicamente afetadas);

  • Provoca menos distorção no material soldado;

  • Bom controle da deposição mesmo em posições não horizontais;

  • Facilita a soldagem de materiais finos;

  • Facilita a soldagem de 2 materiais com espessuras diferentes ;

  • A corrente media utilizada no sistema pulsado é menor que a corrente continua utilizada no TIG convencional (economia de energia);

  • Minimiza a possibilidade de perfuração do material base;

Desvantagens:

  • Equipamentos que suportam esse tipo de solda são muito mais caros que os convencionais;

  • Os gases utilizados no processo são caros;

  • A utilização de altas amperagens exige equipamentos de segurança adicionais;

  • O processo de execução da solda é mais complexo (possui mais variáveis a serem controladas);

  • Ocorre uma redução na velocidade de soldagem - 20% a 40%;

Apesar de exigir fontes caras (que devem ser capazes de pulsos com freqüências entre 30 e 400 pulsos por segundo) e alto custo operacional, o processo vem se popularizando por não gerar muito aquecimento e ser capaz de soldar superfícies finas , assim como ligas não ferrosas.

Ao regular o equipamento para executar a solda o operador deve atentar as seguintes variáveis a serem reguladas de acordo com a solda a ser executada.

O equipamento permite regular a corrente máxima do pulso (pico) e a corrente mínima do pulso (base), o tempo de duração do pulso, e finalmente o tempo de duração do pico de corrente com relação ao tempo de duração total do pulso.

Este gráfico reproduz o comportamento da corrente elétrica fornecida pela fonte em relação ao tempo de um pulso completo. As principais variáveis representadas no gráfico da solda TIG-P são Corrente de Pico, Tempo de Pico, Corrente Base, Tempo do pulso ou Freqüência.

A tabela a seguir deixa evidente porque o processo de soldagem TIG por corrente pulsada é pouco difundido. O custo do processo por gerador pulsado varia de 5a 6 vezes mais caro que os outros processo TIG convencionais.

Fluxograma- Seleção de processos de soldagem

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