CONSUMÍVEIS DO PROCESSO

Os consumíveis do processo de soldagem TIG são: • Eletrodos

• Gases de proteção

Eletrodos

A função básica do eletrodo é conduzir a corrente elétrica até o arco. Embora o processo de soldagem TIG utilize eletrodo não-consumível, este pode ser considerado um consumível do processo, visto que se desgastam com o tempo e necessitam ser periodicamente trocados. A condução varia de acordo com a composição química, diâmetro da vareta e tipo de corrente de soldagem.

Os eletrodos utilizados no processo TIG são de tungstênio (W) devido ao seu alto ponto de fusão (3392 ºC) e grande emissividade eletrônica. São fabricados a partir de pó de tugnstênio, ou seja, são varetas sinterizadas.

Os eletrodos podem ser de tungstênio puro ou tungstênio ligado a Cério (Ce), Lantânio (La), Tório (Th) ou Zircônio (Zr). Na classificação AWS são apresentados nove tipos de eletrodos. São designados por EW, indicando tratar-se de eletrodo de W. Em seguida, aparece o símbolo do elemento de liga que compõe o eletrodo e um número que indica o percentual aproximado desse elemento, como 1, 1,5 e 2 %. A letra P é usada para designar o eletrodo de tungstênio puro. Cada tipo de eletrodo, por norma, é identificado com uma cor. A tabela abaixo resume a classificação dos eletrodos de W para soldagem TIG.

A designação EWG indica uma classificação em que o elemento de liga não é especificado (geral).

A seleção do tipo e do diâmetro do eletrodo é feita em função: • do material que vai ser soldado;

• da espessura da peça; • do tipo de junta;

• do número de passes necessários; • dos parâmetros de soldagem.

Eletrodos EWP:

• Contém um mínimo de 99,5% de W. São eletrodos de baixo custo.

• Oferece boa estabilidade de arco quando usado com corrente alternada. • A ponta do eletrodo se mantém limpa com formato arredondado.

• São usados principalmente para ligas de alumínio e magnésio. • A capacidade de condução de corrente é inferior aos ligados.

Eletrodos EW Th:

• Os eletrodos de tungstênio ligados ao tório oferecem melhor iniciação do

arco, pois o óxido de tório melhora a qualidade de emissão de elétrons.

• Tem a capacidade de condução de corrente mais elevada, em cerca de 20% em relação ao de tungstênio puro.

• Normalmente tem uma vida mais longa.

• Esses eletrodos foram desenvolvidos para as aplicações com corrente contínua polaridade direta (CC-)

• Mantém uma configuração de ponta afiada durante a soldagem.

• Raramente são usados em corrente alternada pela dificuldade de manter a ponta arredondada.

Os eletrodos de tungstênio ligados ao cério foram introduzidos no mercado americano nos anos 80, para substituir os eletrodos com Tório, pois o Cério, além de não ser radioativo, é um elemento abundante da família dos ”terras raras”.

Em relação aos eletrodos de tungstênio puro, os eletrodo EW Ce apresentam mais facilidade para abrir o arco e maior estabilidade de arco. Estes eletrodos operam com AC e CC em ambas as polaridades.

Eletrodos EW La:

Os eletrodos de tungstênio ligados ao lantânio foram desenvolvidos na mesma época daqueles com cério pela mesma razão de não ser radioativo. As vantagens são semelhantes às dos eletrodos ligados ao cério.

Eletrodos EW Zr:

Os eletrodos de tungstênio ligados ao zircônio possuem características intermediárias entre aquelas dos eletrodos de tungstênio puro e as dos eletrodos

ligados com tório.

• Contém 0,25% de Zr.

• Em corrente alternada combina as características de estabilidade de arco e ponta arredondada com a capacidade de condução de corrente e abertura de arco semelhantes as dos eletrodos com tório.

• Apresentam uma melhor resistência à contaminação em relação aos eletrodos de tungstênio puro.

• Adequados para aplicações que exigem alta qualidade radiográfica e baixa contaminação de tungstênio.

É comum utilizar metais de adição no processo TIG, na forma de varetas para soldagem manual ou de arame para a soldagem mecanizada ou automatizada.

A soldagem sem metal de adição (autógena) é limitada a materiais de espessura muito fina e ligas não propensas a trincas quando aquecidas. A função do metal de adição é diminuir as fissuras e participar do cordão de solda.

Para soldagem manual, o metal de adição é fornecido na forma de varetas. Para soldagem automatizada, o metal de adição é fornecido na forma de fio enrolado em bobina.

Normalmente os metais de adição são similares ao metal de base, exceto pelos elementos adicionados especificamente para garantir a soldabilidade.

A AWS classifica os metais de adição para o processo TIG com base nas propriedades mecânicas e químicas. As normas são específicas para cada classe de materiais, e são as mesmas utilizadas para o processo de soldagem MIG-MAG.

• A 5.7 cobre e ligas de cobre • A 5.9 inoxidáveis

• A5. 10 alumínio e ligas

• A5. 13 p/ recobrimento superficial • A5. 14 níquel e ligas

• A5. 16 titânio e ligas • A5. 18 aços carbono • A5. 19 ligas de magnésio

• A5. 21 para recobrimento superficial de compostos • A5. 24 zircônio e ligas

• A5. 28 baixa liga • A5. 30 para insertos

Gás de proteção

A função do gás é proteger o eletrodo e a poça de fusão da contaminação atmosférica e transferir corrente elétrica quando ionizado. Os gases usados como

vapor d’ água deve ser mantida abaixo de 12 ppm.

A alimentação é feita pela própria tocha e, em alguns casos, utiliza-se um fluxo de gás no outro lado da poça de fusão, chamado de “backing”.

O uso de gás como backing em condições controladas assegura uniformidade de contorno do cordão, eliminação de mordedura e em alguns casos reduz o surgimento de trincas e porosidade na raiz.

O gás usado influencia o comportamento do arco e o resultado da soldagem. As características do gás de proteção que e f

atores de influencia são:

•

a

densidade do gás, • o calor específico e • a energia de ionização.

A influência da densidade do gás. O argônio tem massa atômica = 40, e o hélio tem

massa atômica = 4. Ou seja, enquanto 1 mol de argônio pesa 40 gramas, 1 mol de helio pesa apenas 4 gramas. O argônio é aproximadamente 1,5 vezes mais pesado que o ar e 10 vezes mais pesado que o hélio. Sendo mais pesado que o ar, o argônio, ao sair pelo bocal da tocha, tende a formar uma cobertura sobre a poça. Já o hélio, sendo bastante mais leve que o ar, tende rapidamente a se dispersar. Para se obter a mesma proteção, o fluxo de hélio deverá ser de duas ou três vezes a do argônio.

A influência do calor específico. O Calor específico do hélio é 5193 J/(kg·K), o que

significa que são necessário 5193 Joules de energia para aquecer 1 kg de hélio em 1 Kelvin ou 1º C. O calor específico do argônio é bastante inferior, 520 J/(kg·K). Este diferença significa que o hélio necessita de muito mais energia para se aquecer e uma vez aquecido tem condições de transferir esta energia bastante maior ao metal de solda. Desta forma, o uso do gás hélio aumenta a penetração do cordão de solda e é indicado para a soldagem de chapas grossas.

camada eletrônica com dois elétrons girando em torno a um núcleo com 2 prótons e dois neutros. O argônio é significativamente maior que o hélio, possui três camadas eletrônicas, onde 18 elétrons giram em torno a um núcleo com 18 prótons e 22 neutros. A figura abaixo mostra esquema simplificado os átomos hélio e argônio.

O potencial de ionização é a energia necessária para retirar um elétron do campo eletromagnético de um átomo isolado no estado gasoso. O primeiro potencial de ionização, ou seja, a energia necessária para retirar o primeiro elétron da camada mais externa, é de 2372 kJ/mol para o hélio e 1521 kJ/mol para o argônio. Assim, a energia necessária para retirar um elétron do hélio é mais alta que para retirar um elétron do argônio. Para o processo de soldagem TIG, isso significa que uma tensão necessária para ionizar o hélio será mais alta que a tensão para ionizar o argônio, o que fará que a energia do arco seja maior com o uso do argônio. Esta fator também contribui para a maior penetração do cordão de solda com o uso de hélio.

Vantagens do uso de argônio

• Arco mais estável (menor tensão, maior corrente);

• Penetração reduzida (favorece na soldagem manual de chapas finas); • Favorece a limpeza, principalmente com alumínio e magnésio;

• Menor custo e maior disponibilidade;

• Menor taxa de vazão para uma boa proteção;

hélio

• Arco mais estável (menor tensão, maior corrente);

• Penetração reduzida (favorece na soldagem manual de chapas finas); • Favorece a limpeza, principalmente com alumínio e magnésio;

• Menor custo e maior disponibilidade;

• Menor taxa de vazão para uma boa proteção; • Facilita o início do arco.

Vantagens do uso de hélio

• O hélio transfere mais calor para a peça do que o argônio numa determinada amperagem e comprimento de arco, o que é vantajoso quando se solda metais com alta condutividade térmica e em chapas grossas.

Mistura Argônio / Hidrogênio (Ar/H₂)

O hidrogênio atua com um agente redutor inibindo a formação de óxidos, resultando

superfícies mais limpas.

A adição de hidrogênio ao argônio aumenta a energia do arco para uma determinada corrente → aumenta a penetração.

Pode-se aumentar a velocidade de soldagem aumentando-se a quantidade de H₂na mistura.

O excesso de H₂causa porosidade. Normalmente utilizam-se misturas contendo de 1% a 8% de H₂na soldagem de aços inoxidáveis e ligas de níquel-cobre e de níquel.

A mistura mais comum de Ar / H₂contém cerca de 5% de H₂, que permite a soldagem tanto de chapas finas como as de maior espessura.

Requisitos para o arco elétrico no processo de soldagem TIG:

• Um arco elétrico, idealmente, deve fornecer a máxima quantidade de calor ao metal-base e a mínima ao eletrodo.

• No caso de alumínio e magnésio e suas ligas, o arco deve também promover a remoção da camada de óxidos que recobre estes materiais. No processo de soldagem TIG, o arco elétrico pode ser produzido utilizando-se as seguintes configurações elétricas:

•

C/C-

corrente contínua com eletrodo negativo

•

C/C+

corrente contínua com eletrodo positivo. • C/A corrente alternada

Dependendo a situação e de acordo com as necessidades do trabalho, cada um dos modos de se produzir o arco apresenta um ou mais dos requisitos acima descritos.

O uso da corrente contínua com eletrodo negativo faz com que os elétrons fisicamente saiam do eletrodo e incidam no metal-base, enquanto que os íons positivos viagem no arco na direção da peça ao eletrodo.

Como são os elétrons que, devido ao seu pequeno tamanho quando comparados com os íons positivos, possuem maior mobilidade e por isso geram a maior quantidade, esta configuração direciona aproximadamente 70% do calor para o metal base e 30% para o eletrodo. Com isso, obtém-se maior penetração.

O uso da corrente contínua com eletrodo positivo faz com que os elétrons fisicamente saiam do metal-base e incidam no eletrodo, enquanto que os íons positivos viagem no arco na direção da eletrodo à peça.

Esta configuração inverte o direcionamento do calor do arco, sendo aproximadamente 30% do calor para o metal base e 70% para o eletrodo. Com isso, a penetração torna-se rasa e mais larga. Devido ao choque dos íons positivos com a camada de óxido do cordão de solda, ocorre um efeito de limpeza, necessário para a soldagem de alumínio, magnésio e suas ligas.

Há um maior aquecimento do eletrodo, o que faz necessária a utilização de eletrodos com maiores diâmetros e densidades de correntes de soldagem aproximadamente 10 vezes menores.

O uso da corrente alternada faz com que os elétrons fisicamente saiam do metal-base e incidam no eletrodo durante o primeiro meio ciclo e realizem o movimento contrário durante o segundo meio ciclo.

Esta configuração direciona praticamente a mesma quantidade de calor para o metal base e para o eletrodo, resultado em penetração intermediária. O efeito de limpeza ocorre a cada meio ciclo, fazendo desta configuração a ideal para a soldagem de alumínio, magnésio e suas ligas.

Soldagem em corrente alternada com onda senoidal

Apagamento instantâneo do arco na soldagem TIG em corrente alternada O uso da corrente alternado faz com

que o arco elétrico apague sempre que a tensão alcance valores próximos a zero. Isto faz com que o arco seja instável, acendendo e apagando a cada meio ciclo da corrente elétrica.

tensão de acordo com uma senoide. A tensão máxima (amplitude da senoide) é denominada de tensão em vazio (V₀₁).

Para a formação do arco, necessita-se alcançar a tensão mínima para abrir o arco (V_i), o que leva um determinado tempo (t_a). A abertura do arco elétrico inicia a corrente elétrica e faz com que a tensão caia e se estabilize em um valor denominado tensão no arco (V_a), conforme esquema da figura abaixo.

Quando a tensão volta a cair para valores inferiores a Va, obedecendo a variação senoidal da fonte, o arco novamente apaga-se (a corrente cai a zero) e apenas voltará a abrir quando a tensão encontrar, no sentido oposto, V_i. Existe, portanto, um tempo de arco apagado (t₁), tempo este necessário para a tensão variar de +Vi para –Vi.

Efeito da tensão da fonte. Quando se diminui a tensão da fonte (tensão em vazio)

de V₀₁para V₀₂, conforme a figura a baixo, um tempo maior é necessário para que a tensão atinja V_i. Como consequência, o tempo do arco apagado é maior para a tensão em vazio menor.

apenas quando ambos eletrodos (peça a ser soldada e eletrodo propriamente dito) possuem a mesma emissividade eletrônica. Na prática de soldagem, os valores da emissividade eletrônica dos eletrodos são sempre diferentes: o eletrodo de tungstênio terá sempre maior emissividade eletrônica que o metal a ser soldado. Dada sua maior emissividade eletrônica, o eletrodo de tungstênio necessitará de uma tensão menor para abrir o arco, V_i, que o eletrodo de menor emissividade, que necessitará de uma tensão maior para abrir o arco, V´_i. Como consequência, o tempo de arco aberto quando a polaridade for negativa no eletrodo de tungstênio (t_d) será mais longo que o tempo de arco aberto quando a polaridade for negativa no eletro de tungstênio (t_i). A figura abaixo ilustra a relação entre a variação da tensão e da corrente de soldagem com o tempo para eletrodos similares (teórico) e dissimilares (caso prático).

Soldagem em corrente alternada com onda quadrada. Existem fontes de

soldagem que fornecem corrente alternada com onda quadrada, na qual a tensão assume valores praticamente constantes, alternando positivo e negativo. conforme mostra a figura abaixo.

quando a tensão alcança o valor mínimo para abrir o arco no eletrodo de tungstênio (V_i), que ocorre de forma quase instantânea. Com a corrente elétrica, a tensão se estabiliza em um valor um pouco mais baixo, V_a. Quando a onda inverte a polaridade, o arco tem início quando a tensão alcança o valor mínimo para abrir o arco (V´_i> V_i), agora no eletrodo menos emissivo, ou seja, na peça a ser soldada, e a tensão se estabiliza em V´_a, maior que V_a. Tem-se assim que o tempo de arco aberto é o mesmo na polaridade direta (t_d), com o eletrodo de tungstênio no polo negativo, e na polaridade inversa (t_i). A grande vantagem da soldagem em corrente alternada com onda quadrada é o menor tempo de extinção do arco (t₁). A figura abaixo ilustra a relação entre a variação da tensão e da corrente de soldagem com o tempo, com o uso da onda quadrada.

Algumas fontes também permitem o ajusto do tempo de forma independente para as duas polaridades. Dessa forma, pode-se desbalancear a onda quadrada, aumentando o tempo em que a tensão é negativa e diminuindo o tempo em que a tensão é positiva, e vice-versa. Com o aumento do tempo de polaridade direta, tem-se mais penetração que limpeza. Com o aumento do tempo de polaridade inversa, tem-se mais o efeito de limpeza. A figura da próxima página ilustra a variação da corrente de soldagem para uma onda quadrada balanceada (a),

Soldagem em corrente contínua pulsada. A característica desta técnica é o uso de

uma tensão constante e a corrente variando entre um valor mínimo (corrente de base) e um valor de pico (corrente de pico). Devem ser estabelecidos a corrente de base (I_b), a corrente de pico (I_p), o tempo da corrente de base (t_b), o tempo da corrente de pico (t_p) e a frequência de pulsação. Após estabelecidos estes parâmetros, obtém-se a corrente média (I_m). A figura abaixo mostra as variações da tensão e da corrente com o tempo para a soldagem em corrente contínua pulsada.

delas determina a corrente média. Quanto menor a corrente média, menor será a quantidade de calor e a distorção.

A vantagem do uso da corrente contínua pulsada é a obtenção de soldas com maiores penetrações com menor aporte térmico, o que minimiza as distorções da peça. Bastante útil na soldagem de chapas finas.

ETAPAS DO PROCESSO

1. Preparação da superfície, por meio de lixamento, escovamento, decapagem, para remoção de óleo, graxa, sujeira, tinta, óxidos.

2. Abertura do gás (pré-purga) para expulsar o ar da mangueira de gás e da tocha.

3. Pré-vazão ou formação da cortina protetora antes da abertura do arco. 4. Abertura do arco por meio de um ignitor de alta freqüência.

5. Formação da poça de fusão.

6. Adição do metal na poça de fusão, quando aplicável;

7. Ao final da junta, extinção do arco por interrupção da corrente elétrica;

8. Passagem do gás inerte sobre a última parte soldada para resfriamento do eletrodo e proteção da poça de fusão em solidificação (pós- vazão).

9. Fechamento do fluxo de gás.

As etapas 3 e 8 são automáticas, fazem parte das características técnicas do equipamento.

No início da soldagem, a tocha deve permanecer no ponto de partida por um tempo entre 3 e 5 segundos, para que se forme uma poça de fusão.

A vazão do gás influencia a qualidade do cordão de solda. A tocha deve permanecer perpen-

dicular em relação à superfície da junta de modo que o ângulo de trabalho seja 90o_.

A vareta deve formar um ângulo de 15o

em relação à superfície da peça.

O comprimento do arco deve variar entre 3 e 10 mm, dependendo do tipo e da localização da junta.

A bitola da vareta deve ser função da quantidade de metal a ser depositado.

soldagem por fusão, que utiliza o calor de um arco elétrico formado entre um

eletrodo metálico consumível e a poça.

Tanto o arco quanto a poça de fusão são protegidos contra a contaminação pela atmosfera por um gás ou uma mistura de gases.

GMAW (Gas Metal Arc Welding) é a sigla internacional que significa “Gas Metal Arc Welding”, ou Soldagem a Arco com Proteção Gasosa e Eletrodo Consumível. TIG é a abreviatura de “Tungsten Inert Gas”, que faz referência ao eletrodo de tungstênio e o gás inerte utilizados no processo.

Os gases de proteção usados no processo são a diferença fundamental entre os processos MIG e MAG. MIG, abreviatura de “Metal Inert Gas”, usa um gás ou mistura de gases inertes; MAG, abreviatura de “Metal Active Gas”, usa um gás ativo ou mistura de gás ativo com inerte.

Os primeiros trabalhos com estes processos foram feitos com gás ativo, em peças de aço, no início dos anos 30. Após a segunda guerra mundial, o processo foi desenvolvido para a soldagem de magnésio e suas ligas e em seguida para outros metais, com gás inerte.

O CO₂foi introduzido parcial ou totalmente no argônio para a soldagem de aços. A soldagem MIG/MAG e com arame tubular foram as que apresentaram o maior

• aços-carbono,

• aços de baixa, média e alta liga, • aços inoxidáveis,

• alumínio, • magnésio,

• cobre e suas ligas.

O processo MAG solda aços de baixo carbono e aços de baixa liga. O processo MIG/MAG é empregado na:

• Fabricação de componentes e estruturas;

• Fabricação de equipamentos de médio e grande porte, como pontes rolantes, vigas, escavadeiras e tratores,

• Indústria automobilística,

• Manutenção de equipamentos e peças metálicas, • Recuperação de peças desgastadas,

• Revestimento de superfícies metálicas com materiais especiais.

A grande vantagem do processo MIG/MAG é sua alta produtividade, que advém da elevada taxa de deposição, da alta velocidade de soldagem e do alto fator de ocupação do equipamento/soldador.

Além disso, as seguintes vantagens podem ser citadas:

• Processo semiautomático, bastante versátil, que pode ser adaptado para a soldagem automática.

• Exige menor habilidade do soldador que o processo de eletrodo revestido.

• O eletrodo nu é alimentado continuamente, evitando perda de arame. • A soldagem pode ser executada em todas a posições.

• Versatilidade em relação ao tipo de material e á espessura de soldagem.

• Não há formação de escória.

• A penetração é mais uniforme quando comparado ao processo de eletrodo revestido.

As maiores limitações do processo MIG/MAG são:

• A maior velocidade de resfriamento por não haver escoria tende a aumentar a ocorrência de trincas no caso de aços temperáveis.

• A soldagem deve ser protegida de correntes de ar.

• A soldagem é dificultada em juntas de difícil acesso, devido à geometria da tocha.

• O processo produz soldas com alto nível de respingos. • Ocorre grande emissão de raios ultravioletas.

• O custo do equipamento é relativamente alto.

• O equipamento é menos portátil que o do processo de eletrodo revestido.

• Maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação.

EQUIPAMENTO BÁSICO

O equipamento MIG/MIG pode ser semiautomático, no qual a alimentação do eletrodo é feita mecanicamente pela máquina e as demais operações são realizadas pelo soldador, ou automático, no qual após a regulagem feita pelo soldador, este não interfere mais no processo.

No documento Apostila de Soldagem (páginas 36-72)