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Universidade Federal de Minas Gerais.

Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

Soldagem a Plasma - PAW

Disciplina: Processo de Soldagem. Professor: Alexandre Queiroz Bracarense, PhD.

Belo Horizonte Maio de 2000.

1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO

1.1 - Histórico

O processo de soldagem a Plasma (PAW) foi introduzido na indústria em 1964 como um processo que possuía um melhor controle de soldagem em níveis mais baixos de corrente

1.2 - Definições

1.2.1 - Plasma

Plasma é um gás que é aquecido a uma temperatura extremamente elevada e que também é ionizado, sendo que, a partir disso, ele se torna um condutor de eletricidade.

1.2.2 – Soldagem a Plasma

O processo de soldagem a arco com Plasma (PAW) é um processo de soldagem que produz coalescência dos metais, pelo aquecimento com um arco constrito entre o eletrodo e a peça de trabalho (arco transferido) ou entre o eletrodo e o bocal constrito da tocha (arco não transferido). A proteção é obtida do gás quente e ionizado, proveniente da tocha. Este gás é usualmente suprido por uma fonte auxiliar de gás de proteção. O gás de proteção deve ser um gás inerte ou uma mistura de gases inertes. O metal de adição pode ou não ser usado.

1.3 – Processo de funcionamento

O processo de soldagem a arco com Plasma, assim como o processo GTAW, usa eletrodo não consumível. A tocha tem um bocal que cria uma câmara de gás ao redor do eletrodo. O arco aquece o gás na câmara até uma temperatura em que se torna ionizado e conduz eletricidade. Este gás ionizado é definido como o Plasma, que sai do orifício do bocal a uma temperatura próxima de 16700°C.

FIGURA 01 FIGURA 02

As figuras abaixo mostram as diferenças entre os processos GTAW e PAW.

FIGURA 03

FIGURA 04

A seguir será fornecida uma tabela comparativa de gastos entre o processo PAW e o processo GTAW. Os valores encontrados forma obtidos a partir da utilização de um mesmo modelo de fonte que pode ser utilizada para os dois processos.

ELETRODO TEMPO DE TROCA(min) PARTES PERDIDAS TROCA DE ELETRODO PARTES PERDIDAS GANHO

Horas trabalhadas/Dia 24 Dias trabalhados/Semana 5 Valor por peça(em dólares) 1,0

Ganho com Utilização do

Processo PAW (em dólares)

A figura 05 mostra uma comparação entre eletrodos utilizados nos dois processos após seus respectivos ciclos de trabalho.

FIGURA 05 OBS.:

• Origem das informações: THERMAL ARC • Máquina utilizada com referência: ULTIMA 150

Este processo pode ser empregado para unir a maioria dos metais em todas as posições. Ele fornece um melhor controle direcional do arco e as menores zonas termicamente afetadas, se comparado com o GTAW. O maior problema é o custo relativamente alto dos equipamentos de controle, e um treinamento mais consistente do operador.

O processo de soldagem a arco com plasma é basicamente uma extensão do processo

GTAW. Entretanto, tem maior densidade energética do arco e maior velocidade do gás de plasma em virtude do plasma ser forçado através o bocal de constrição causando um aumento significativo da temperatura no plasma. A figura 06 mostra uma comparação entre os níveis de temperatura alcançados na coluna de plasma dos processos GTAW e PAW.

FIGURA 06

O gás de orifício é aquele direcionado através a tocha para envolver o eletrodo, e se torna ionizado para formar o plasma e sai do orifício na forma de um jato de plasma. Para a maioria das operações, um gás auxiliar de proteção é fornecido através um bocal externo, semelhante ao GTAW. O objetivo do gás de proteção é isolar a área do arco na peça de trabalho e evitar a contaminação da poça de fusão. As figuras 01 e 02 mostram um corte transversal da tocha utilizada no processo PAW. O bocal pelo qual o plasma sai tem duas dimensões importantes: O diâmetro do orifício e o comprimento da garganta. O orifício pode ser cilíndrico convergente ou divergente. A distância do eletrodo com a saída do orifício é chamada de Setback. A distância da face externa do bocal e a peça de trabalho é conhecida como Standoff.

Como o jato de gás muito potente pode causar turbulência na poça de fusão, as taxas de escoamento de gás de orifício variam de 0.5 até 10ft3/h (0.25 até 5l/min). Os gases de proteção escoam a taxas variando de 20 até 60ft3/h (10 a 30l/min).

1.3.1 - Objetivos da Constrição do Arco

A constrição do arco pode produzir altas densidades de corrente e uma grande concentração de energia. As altas densidades de corrente resultam em maiores temperaturas do arco do plasma, conforme mostrado na figura 06. As maiores vantagens do arco com plasma são a sua estabilidade direcional e focalização proporcionados pela constrição, e a sua relativa insensibilidade com as variações do standoff.

Os parâmetros como o grau de colisão, a força do arco, e a densidade de energia sobre a peça de trabalho, e outras características são principalmente funções de:

• A corrente do plasma; • O diâmetro e forma do orifício;

• O tipo de gás de orifício;

• A taxa de escoamento do gás de orifício;

• O tipo de gás de revestimento.

Obs.: As diferenças fundamentais entre os processos de trabalho a arco com plasma dependem das combinações dos 5 fatores acima citados, que podem ser ajustados para obter energias termicamente muito altas ou muito pequenas.

Exemplo: Para o processo de corte, serão necessários: altas concentração de energia e velocidade do jato de plasma, consequentemente serão preciso, alta corrente, diâmetro de orifício pequeno, alta taxa de escoamento de gás de orifício com alta condutividade elétrica. Já para o processo de soldagem, é preciso um jato de plasma de baixa velocidade i.e., orifício maior, baixas correntes do arco e taxas de escoamento dos gases menores.

Para um jato de plasma de forma cilíndrica, se o comprimento for variado dentro de limites razoáveis, a área de entrada do calor e a sua intensidade permanecerão praticamente constantes, enquanto no processo GTAW, se o arco tiver uma forma cônica, o calor que entra na peça de trabalho varia proporcionalmente ao quadrado do comprimento do arco.

O jato do plasma concentrado, permite o uso de uma distância maior da tocha para a peca, e reduz o nível de perícia do operador na manipulação da tocha. As dimensões usadas para soldar materiais com dimensões pequenas numa corrente de aproximadamente 10 A, chegam a 1/4in.(6.4mm) para o PAW e 0.06in. (1.5mm) para o processo GTAW.

1.3.3 - Ignição do Arco

O arco é iniciado com o auxílio de um gerador de alta freqüência. O bocal de constrição é conectado ao terminal positivo da fonte de potência, através de um resistor limitando a corrente. Um arco piloto de baixa corrente é iniciado entre o eletrodo e o bocal pelo gerador de alta freqüência e o circuito é fechado através o resistor. O gás ionizado do arco piloto forma um caminho de baixa resistência entre o eletrodo e a peça. Quando a fonte de potência é ligada, ocorre ignição do arco principal entre o eletrodo e a peça de trabalho. Depois de deste arco estabelecido, o arco piloto deve ser extinto.

FIGURA 07 - Detalhe para o circuito elétrico do processo PAW 1.3.4 - Sistema de Controle de Plasma:

É um esquema que controla o funcionamento do plasma. Ele consta de dispositivos para estabelecer o fluxo de gases do plasma e de revestimento, fornece uma entrada para tubulações de gases e água. Pode ou não fornecer um circuito de alta freqüência para ignição do arco piloto. Pode existir também um regulador da taxa de escoamento do gás do plasma, e um sistema de circulação de água.

1.4 – Aplicações

Os processos industriais nos quais o processo PAW pode ser utilizado dependem do tipo de arco de Plasma. Alguns dos processos que o utilizam são citados logo a seguir:

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