Comparação entre processos de revestimento

O processo Plasma pó possui uma maior durabilidade do eletrodo em comparação com o processo TIG, em relação à manutenção e afiação da ponta do eletrodo, permitindo menor tempo de troca e consequentemente menor custo e maior produtividade. Isto se deve à existência de uma dupla proteção conferida ao eletrodo no processo plasma, ou seja, a ação do bico constritor, impedindo o contato físico do eletrodo tanto com a poça fundida quanto com o metal de adição, e a ação do jato de plasma que impede que respingos ou outras partículas tenham condições de penetrar pelo orifício constritor e chegar até a ponta do eletrodo (OLIVEIRA, 2001).

A eficiência térmica nos processos de soldagem a arco é dividida em duas parcelas: eficiência do arco e eficiência de fusão. A eficiência do arco ( a) é calculada através

da fração de energia absorvida pela peça na soldagem (Ep) em relação à energia total do arco

elétrico (Ea) (DUPONT & MARDER, 1995). A eficiência de fusão ( f) é calculada como a

fração de energia utilizada para a formação da zona fundida (EZf) em relação à energia

recebida pela peça na soldagem (Ep). A energia total do arco elétrico é calculada através do

produto da corrente e tensão, sendo que a energia necessária para a formação da zona fundida depende de seu volume e das propriedades físicas do material fundido. A energia absorvida pela peça de soldagem é medida através de calorímetros específicos para corpos de prova soldados (EVANS et al., 1998). Na Figura 11 são mostrados os principais mecanismos dominantes de transferência de calor para a poça de fusão.

Figura 11 – Principais mecanismos da transferência de calor para a poça de fusão no processo PAW.

Fonte: Evans et al. (1998).

Os processos que utilizam eletrodo consumível apresentam maiores rendimentos térmicos do arco do que os processos que utilizam eletrodo permanente. Por exemplo, o processo MIG/MAG transmite a energia gerada em seus eletrodos para a peça (transferência metálica) , enquanto que nos processos com eletrodo permanente isto não ocorre. O menor rendimento do arco apresentado pelo plasma em relação ao TIG se deve ao calor retirado do arco através do bico constritor e seu sistema de refrigeração, sempre presente nas tochas plasma (SANTOS, 2003).

Pode-se assumir eficiência térmica para o Plasma pó em 0,47, sendo a medida realizada para comprimento de arco igual a 15 mm (DUPONT et al., 1998). Outros autores relatam eficiência térmica do Plasma pó entre 0,5 e 0,6 (MARCONI, 2002). Vale salientar que os valores podem variar muito de acordo com as condições operativas. Segundo a literatura, gerada uma dada potência, a maior parte da potência é absorvida pela peça, sendo aproximadamente 65% (MARCONI, 2002). A atmosfera circundante e água de refrigeração absorve de 10 a 20% e o pó entre 10 a 15% da potência, podendo variar de acordo com os parâmetros utilizados (GLYNN, 2007).

Análises comparativas de fumos na soldagem tem apontado menor poluição atmosférica do plasma em comparação com métodos tradicionais de soldagem, sendo um fator motivacional para a utilização deste processo (COMMERSALD GROUP, 2011). O

Plasma pó possui também baixo impacto ambiental com baixa emissão de óxidos e baixa porcentagem de pós ultra-finos (GATTO et al., 2004).

O processo Plasma pó apresenta como vantagem maior produtividade, maior qualidade nos depósitos e significantemente menores custos (WANG et al., 2003; WANG et

al., 2009). O processo Plasma pó possui custo de equipamentos mais elevados que processos

tradicionais e necessidade de maior qualificação do operador, porém possui menor custo em relação ao processo de deposição a laser (LIU et al., 2007). Oberländer & Lugscheider (1992) verificaram também que a utilização do processo Plasma pó para revestimento possui como vantagem em relação ao laser, maior espessura, além da maior largura do depósito, podendo diminuir custo, não sendo necessária a deposição de mais de uma camada, e deposição de menor quantidade de cordões. Outro aspecto importante observado foi a presença de uma microestrutura mais homogênea e boa ligação metalúrgica entre o substrato e o revestimento e o bom acabamento superficial.

Foltran (2000) comparou revestimentos de superligas à base de cobalto depositados por eletrodo revestido, PTA e laser. O revestimento a laser apresentou uma microestrutura mais refinada que o PTA e eletrodo revestido, em função da elevada velocidade de solidificação. O processo de eletrodo revestido apresentou uma estrutura mais grosseira em comparação com os processos laser e PTA.

Comparando o desempenho de alguns processos de deposição (laser cladding e Plasma pó), conclui-se que revestimentos superficiais com ligas à base de cobalto depositados por Plasma pó e laser produzem valores baixos de diluicão em relação a processos convencionais, e que o laser produz microestruturas mais finas. Ainda, devido às taxas de resfriamento menores para o Plasma pó, os precipitados são relativamente estáveis, ou seja, os tratamentos térmicos posteriores (envelhecimento) não são necessários (D’OLIVEIRA et al., 2002).

A taxa de deposição do plasma é tipicamente menor em relação a processos com eletrodos consumíveis, tais como: MIG/MAG e arco submerso. No entanto, o controle independente do arco e da taxa de alimentação do metal de adição (pó ou arame) contribui para um elevado nível de controle sobre a diluição (DUPONT et al., 1998). Oliveira (2001) relatou que na soldagem plasma com adição de arame, a taxa de deposição do processo plasma é similar comparado ao TIG, mesmo sendo um processo com maior potência de arco, e menor que o MIG/MAG. Este comportamento pode ser devido à diferença de rendimentos térmicos dos processos plasma e TIG, além da utilização de uma maior DBP do processo plasma.

A vantagem da utilização do Plasma pó em relação ao arco submerso está na ausência de inclusões do fluxo ou da escória no depósito (BEWLEY, 1978). Na comparação entre Plasma pó e a Aspersão Térmica realizada era esperada maior resistência à corrosão da segunda, devido à sua diluição teórica de 0 % contra, aproximadamente, 5% do concorrente. Entretanto, ocorreu o contrário, fato que levou à hipótese de que a existência de porosidade (presente na aspersão térmica) é mais prejudicial à resistência à corrosão do que a diluição com o substrato (presente no Plasma pó), também ocorrendo maior resistência ao desgaste no processo Plasma pó (KIM & KIM, 1999). Comparando Plasma pó e soldagem com chama oxiacetilênica, esta apresenta maior ciclo de soldagem, maior aporte térmico e maior crescimento de grão (MILLIGAN & NARASIMHAN, 1980).

Comparando depósitos realizados com TIG e Plasma pó foi verificado maior teor de ferro no metal de solda na soldagem realizada por Plasma pó (GLYNN, 2007). Comparando produtividade de revestimentos aplicados em assentos de válvulas do setor petroquímico, a operação com processo TIG demandava três passes de solda com duração de 14 a 20 minutos para evitar efeitos da diluição (inclusão de óxidos e porosidades), sendo que o ciclo realizado pela deposição por Plasma pó foi reduzido para 5 minutos (DESIR, 1983). Pode-se assegurar, em comparação com outros processos, que uma menor quantidade de material pode ser usada para alcançar as mesmas propriedades nos revestimentos (GATTO et

al., 2004).

As dimensões dos bocais utilizados no Plasma pó são geralmente maiores em relação à soldagem plasma, de modo que em conjunto com as dimensões do orifício do bico constritor, há obtenção de uma coluna de arco mais larga, devido a menor constrição do arco (SANTOS, 2003). Estas características resulta em uma densidade de energia relativamente menor que vem a favorecer a deposição, uma vez que isto permite a deposição de cordões mais largos e com maior reforço. Com isto, traz como vantagens a diminuição do tempo de operação e a menor diluição (WINKELMANN, 2001). Também possui ausência de porosidades e inclusões, dependendo dos parâmetros de soldagem (ARCRAFT PLASMA, 2011; ZHANG et al., 2008; ILO et al., 2012) e menor custo de utilização do pó em relação a arames e varetas (SHUBERT, 1984). No entanto, em geral, arames são mais baratos que pós (DRAUGELATES et al., 1995).

O equipamento Plasma pó é de maior complexidade, o que gera maior custo de manutenção e o consumo do gás argônio é maior que no processo TIG (TAKANO et al., 2007). As tochas do processo PAW são mais complexas do que no TIG, sendo que uma série de passagens é necessária para alimentar a tocha, com gás de plasma, de proteção, o líquido

de refrigeração para resfriar o conjunto do bico de constrição. A principal diferença construtiva entre a tocha PAW e Plasma pó consiste nos canais para a alimentação do pó e na necessidade da utilização de um fluxo adicional de gás para o transporte do mesmo na tocha Plasma pó (RIBEIRO, 2007).

A coluna do arco do Plasma pó é mais homogênea e menos divergente em relação ao processo TIG, indicando pressão de contração magnética auto-induzida, como no “efeito

pinch” (XIBAO & HUA, 1998). Efeito pinch é caracterizado pela instabilidade no

confinamento. Este último, ao conduzir corrente sofre pressão do seu próprio campo magnético. Qualquer assimetria produzida no campo magnético pode provocar o estrangulamento do plasma naquela região, levando a uma instabilidade no processo. Na Figura 12 seguinte são mostradas diferenças esquemáticas dos processos MIG, TIG e Plama pó. Vale ressaltar que o arco do processo Plasma pó não possui forma cilíndrica como mostrado na ilustração.

Figura 12 - Comparação de temperaturas do arco para diferentes processos de soldagem.

Fonte: Pekarek (2006).

A temperatura no arco plasma aumenta à medida em que se aproxima do eletrodo e do centro da coluna do arco. A distribuição de temperaturas é influenciada pela corrente do arco; vazão e tipo de gás; comprimento do arco; diâmetro e tipo do bico constritor (OLIVEIRA, 2001). O arco plasma é consideravelmente mais quente que o arco TIG, sendo que essas altas temperaturas são possíveis em função do alto suprimento de gás no bocal da tocha plasma formar uma fria camada circular de gás não ionizado nas paredes do mesmo, permitindo um alto grau de constrição do arco e elevada densidade de corrente (GLYNN, 2007).