Arco plasma

Inicialmente, é importante o entendimento do que seja o plasma que consiste em uma mistura de elétrons, íons, e partículas neutras, em neutralidade elétrica (equilíbrio entre as cargas negativas e positivas) e altamente condutivo, em contraste com um gás comum, devido à presença de cargas elétricas livres entre seus constituintes. Tais cargas são geradas mediante processos de ionização por descargas elétricas, ou processos de colisões e vibrações atômicas de gases em temperaturas elevadas (BOULOS et al., 1994).

O arco plasma é ionizado e contem partículas neutras, podendo ser dividida em duas categorias: térmico e de não-equilíbrio. A diferença entre eles é que o térmico possui tendência de possuir temperaturas aproximadamente iguais dos elétrons e átomos com carga positiva, sendo aplicados em condições de mais elevada pressão em comparação com o de não-equilíbrio (polimerização), de modo que os elétrons se tornam mais quentes que os íons (SHOHET, 1991).

O plasma térmico, o obtido nas soldagens a arco, pode ser produzido por meio de fornecimento de energia térmica ou elétrica a uma certa quantidade de gás, tendo como mecanismos básicos o aquecimento e a ionização do gás, o que provoca a liberação de elétrons dos átomos ou moléculas. Diversas técnicas são empregadas para promover tais mecanismos e uma das mais utilizadas é baseada na interação entre o gás a ser ionizado e arcos elétricos abertos de elevada intensidade: os elétrons da corrente colidem com os constituintes do gás, ocorrendo aquecimento deste e das regiões catódicas e anódicas, e o processo gera um número adequado de portadores de carga elétrica, tornando o gás condutor (BOULOS, 1991).

Quando circula corrente entre dois eletrodos imersos neste gás, as moléculas serão aceleradas e irão colidir uma com as outras. Como a energia aumenta, esta excede a força de atração entre os elétrons e seu núcleo. Os elétrons são afastados do seu núcleo e o gás consiste agora de partículas neutras, átomos com carga positiva e elétrons. O gás está ionizado, capaz de conduzir corrente. O gás neste estado é chamado de plasma, o quarto estado da matéria (DÍAZ, 1999).

O processo de soldagem a arco a 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 bico constritor da tocha (arco não transferido). O arco voltaico consiste em uma descarga elétrica, produzindo energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através de fusão localizada das peças (MARQUES, 1991).

A primeira tocha de soldagem plasma foi desenvolvida e patenteada por Robert Gage, pesquisador da Union Carbide Corporation, em 1953 nos Estados Unidos, quando estudava a aplicação de arco TIG no corte de metais (TRIGUINHO, 2005; OLIVEIRA, 2001). Neste período, foram realizadas operações de corte de material utilizando-se o processo TIG com pequenas modificações na saída do bocal de gás, que permitiram um aumento considerável na temperatura do arco e na velocidade do jato plasma em relação aos arcos convencionais (DÍAZ, 1999). O processo de soldagem a plasma, denominado de Plasma Arc Welding (PAW) foi introduzido na indústria em 1964 soldando partes do foguete TITAN III- C nos Estados Unidos, como um processo que possuía um melhor controle de soldagem em níveis mais baixos de corrente (BRACARENSE, 2000). A intenção inicial era de utilizá-lo em operações de cortes de metais, sendo que em pesquisas posteriores revelaram a possibilidade de utilização do processo plasma também para operações de soldagem. No mesmo período, a

Thermal Dynamics apresenta uma nova pesquisa, o uso da corrente alternada, para a soldagem

por plasma de alumínio, em espessuras até 6,35 mm. Sciaky Brothers apresentou uma fonte de energia capaz de fornecer corrente alternada, com forma de onda retangular, para operar com o processo TIG em 1967. Há uma grande diversidade de tochas de plasma térmico, porém o princípio operacional é o mesmo e está fundamentado na passagem do gás através do orifício constritor, estabelecida entre eletrodos (cátodo e ânodo) em corrente contínua ou alternada (FELIPINI, 2005).

Em 1978, a NASA adotou este processo, em substituição ao processo TIG, para soldar tanques de alumínio em aeronaves espaciais. Também implementou um programa computacional para o controle dos parâmetros de soldagem, permitindo o ajuste dos parâmetros em função das variações de espessura do material a ser soldado. Este fatos foram importantes contribuições no desenvolvimento do processo plasma e atualmente o avanço tecnológico dos equipamentos de soldagem viabilizaram a sua utilização em escala industrial (DÍAZ, 1999).

Como visto, o processo de soldagem plasma analisado sob o ponto de suas características físicas, pode ser considerado como uma derivação do processo de soldagem TIG, pois utiliza um eletrodo não consumível de tungstênio e gás inerte para gerar o arco e proteger o eletrodo. A principal diferença do plasma reside no confinamento do eletrodo em

um bico em forma de funil e a adição de um gás plasma, conferindo ao arco uma distribuição espacial em forma de sino com grande estabilidade e maior concentração de energia, o que aumenta a eficiência da fusão (DÍAZ, 1999).

Os processos que utilizam plasma abrangem as mais diversas aplicações industriais, desde deposição de filmes finos e fabricação de microcircuito e a sinterização por plasma na metalurgia do pó (SHOHET, 1991). A Figura 2 mostra a evolução dos principais processos de soldagem ao longo do tempo, e expõe como as técnicas baseadas no plasma vêm ocupando posição de liderança.

Figura 2 – Evolução e aplicação dos processos de soldagem.

Fonte: Adaptado de Marconi (2002).

As principais vantagens da utilização do PAW (Plasma Arc Welding) em relação aos processos de soldagem mais tradicionais são: eletrodo protegido, o que oferece longos intervalos entre sua manutenção; capacidade de soldagem em corrente mais baixa; densidade de energia de arco chega a ser três vezes mais alta do que no processo TIG; as velocidades de soldagem podem ser maiores em algumas aplicações; menores distorções; alto volume de produção; soldagem de elementos de alta (keyhole) e baixa espessura; boa estabilidade do arco (maior rigidez do arco, menor expulsão de material para fora da poça de fusão, menores variações do comprimento do arco ou da sua orientação); cavidades estreitas (razão alta entre profundidade e largura) para uma dada penetração, resultando em menor distorção; menor zona termicamente afetada (BRACARENSE, 2000). Desde a década de 70 há uma

preocupação em relação à redução de complexidade (compreensão, otimização e operacionalização do processo) e do custo de aquisição dos equipamentos do PAW, não sendo mais uma grande barreira para aplicação na indústria (ZHANG & ZHANG, 1999).