Equipamentos e princípio de funcionamento de Plasma pó

A Figura 4 representa o esquema do arco piloto e do arco transferido (principal). Usa–se um circuito elétrico que gera uma alta tensão em alta frequência para produzir a ionização da região situada entre a ponta do eletrodo e o bico constritor. Como o eletrodo de tungstênio encontra-se no interior do bico constritor, torna-se difícil a abertura do arco principal por contato. Com a ionização do meio, abre-se um pequeno arco entre o eletrodo e o bico constritor, denominado de arco piloto (não transferido), vencendo o meio dielétrico (D’OLIVEIRA et al., 2006). O jato de plasma gerado pelo arco piloto, se ioniza e expande, sendo projetado com alta velocidade em direção ao substrato, se tornando uma espécie de condutor elétrico conectando-o ao eletrodo de tungstênio. Desta forma, quando a fonte de energia é acionada, já existe um caminho preferencial de gás ionizado e condutor de eletricidade (condução da corrente), facilitando a abertura do arco transferido entre o eletrodo e o substrato, sendo denominado de arco principal. Em função dos valores baixos de corrente, o arco piloto não possui energia suficiente para promover a fusão e união de peças a partir de certo porte (OLIVEIRA, 2001).

O processo PTA pode ser dividido em três categorias, conforme a taxa de deposição desejada: MPTA (micro PTA), PTA-P (Plasma pó) e HPTA (PTA de alta potência). Quando é utilizado o processo MPTA (0,04 kg/h), o grau de penetração e diluição são mínimos, o reforço dos revestimentos é aproximadamente de 1,5 mm. O HPTA oferece uma taxa de deposição mais elevada (12-15 kg/h) a qual pode ser comparada com o processo de soldagem por arco submerso (10-40 kg/h). Ao contrário do processo de soldagem de arco submerso, o HPTA fornece um revestimento com uma microestrutura fina e uma diluição menor (DEUIS et al., 1998).

Figura 4 – Representação esquemática do processo Plasma pó.

O gás é formado por moléculas e se dissocia em átomos quando energizado. Se esta energização continua, os átomos perdem elétrons tornando-se o gás ionizado. Além da ionização, no plasma, a energia elétrica recebida é convertida em calor, que é utilizada no processo para fundir o metal de adição e o metal base. Estes fatores, juntamente com a constrição do arco, permitem que se atinjam temperaturas da ordem de 30.000ºC (YAEDU, 2003).

O arco piloto do processo por plasma é visível ao soldador, através das lentes de proteção, facilitando o posicionamento preciso da tocha de soldagem na abertura do arco (RIBEIRO, 2007). Então o circuito entre o eletrodo e a peça é fechado, abre-se o arco principal, gerando energia necessária para fundir o pó de adição (GRAF, 2004). Um valor baixo de corrente para o arco piloto é recomendado pelo fabricante (limitado pelo tipo de bico constritor), pois garante a eficácia e segurança na abertura, aumentando a vida útil do eletrodo e do bico constritor.

Na abertura do arco piloto, ocorre-se ignição entre o ponto sobre a superfície interna do bico constritor mais próximo da ponta do eletrodo (menor tensão requerida) e a ponta do eletrodo, chamado arco curto. Uma das teorias indicam que o fluxo de gás de plasma empurra o arco, forçando-o a tomar uma forma de U, pois o ponto anódico permanece fixo. O comprimento total do arco cresce continuamente, pois o jato de gás de plasma continua empurrando a base do U para fora e adicionalmente há atuação da força resultante axial das forcas eletromagnéticas, até que a tensão seja maior do que aquela necessária para que ocorra ignição de outro arco curto. Neste momento, ocorre abertura deste novo arco e o ciclo recomeça (FAUCHAIS & VARDELLE, 1997; MARCONI, 2002).

O arco transferido é de maior energia do que o arco não transferido, em virtude da natureza colimada do feixe de plasma, sendo que o arco piloto é curto, se abre pouco. O arco do processo Plasma pó é essencialmente em forma de sino sua seção transversal, e a área de contato é praticamente inalterada por variações mínimas da DBP (Distância Bico-Peça), sendo este modo mais utilizado em soldagem devido à maior energia transferida à peça, dependendo da aplicação (TAKANO et al., 2007). A distância da face externa inferior do bico constritor até o substrato é denominada de (DBP) ou standoff. O recuo (Rc) do eletrodo ou

electrode setback é medido desde a ponta do eletrodo até a face externa do bico constritor

(DÍAZ et al., 2009).

Na Figura 5 são ilustradas as duas formas de arco: o transferido e o não transferido (arco piloto), mostrando de forma apenas esquemática a distinção entre os dois modos de arco. No entanto, alguns equipamentos plasma podem utilizar apenas o arco não

transferido para operações de soldagem. Neste caso, como não há passagem de corrente entre o eletrodo e a peça, a fusão do material base é feita exclusivamente pelo calor transferido pelo jato de gás a alta temperatura. O fato da peça não ser parte integrante do circuito elétrico permite operações de solda de materiais não condutores de eletricidade (DÍAZ, 1999).

Figura 5 - Representação esquemática do arco piloto e do arco transferido.

Fonte: Oliveira (2001).

A tocha tem como função fixar o eletrodo, direcionar o arco e metal de adição, possuindo um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo de uma liga de tungstênio e canais para a passagem de gás e da água de refrigeração. Possui ainda um bico de cobre com o orifício para a constrição do arco e um bocal geralmente de cerâmica ou cobre para a isolação. A tocha é resfriada por um fluxo e canais de água para evitar o seu superaquecimento, aumentando a vida útil de seus componentes (TAKEYAMA, 2005). A tocha deve ser capaz de transformar energia elétrica em térmica, ter flexibilidade, faixa de operação aceitável, vida útil satisfatória do eletrodo e perda por refrigeração não superior a 50% (FAUCHAIS & VARDELLE, 1997). O projeto do circuito de refrigeração da tocha é importante, no tocante à redução nas dimensões da tocha, na manutenção de uma satisfatória capacidade de corrente, maior tempo de vida dos componentes e na conservação das propriedades superficiais dos canais de injeção de pó (SILVA, 2010).

Existem alguns tipos de injeções do pó, sendo que a injeção externa de pó é a mais difundida comercialmente. Ela se caracteriza pelo fato de os orifícios injetores se encontrarem na superfície inferior do bico constritor. Dessa maneira, o material aportado viaja

por determinado tempo fora do arco até ser injetado no mesmo. O ponto focal será determinado pelo ângulo dos orifícios injetores em relação ao eixo do arco elétrico e pela distância dos primeiros ao segundo. Com o ponto focal sendo acima da superfície, como normalmente deve ser em revestimentos, a maior parte da energia do arco é consumida para fundir o pó, reduzindo a parcela de calor transferida à peça e a fusão da mesma. Além disso, as partículas permanecem mais tempo no arco e chegam à poça mais quentes, resfriando menos a poça. Havendo defeitos, como falta de fusão, é recomendado que a distância focal seja igual à DBP, podendo também ocasionar menor extensão da ZAC, pois o pó vai estar em menor temperatura, retirando mais calor da poça de fusão (SILVA, 2010; DÍAZ, 2005). O tipo de injeção externa em comparação a interna, acarreta em menor tempo das partículas no plasma, podendo causar fusão insuficiente em partículas maiores, logo é importante partículas pequenas. Apresenta também menor desgaste da tocha, maior simplicidade, alta taxa de fusão e confiabilidade em termos de contaminação dos canais (SOM, 2011).

De um modo geral, no processo Plasma pó são utilizados três fluxos de gases: plasma, proteção e de arraste (D’OLIVEIRA et al., 2006). Nas aplicações em soldagem e deposição por plasma, o gás de arraste é frequentemente o mesmo utilizado como gás de plasma, devido à praticidade, custo e a não necessidade de equipamentos para mistura de gases.

Como gás de plasma é utilizado um gás inerte, que é forçado a passar através do orifício do bico constritor, normalmente de cobre, onde o eletrodo é fixado concentricamente, sendo um dos responsáveis pela qualidade do depósito. O gás de proteção, passa por um bocal externo, concêntrico ao bico constritor. O gás de arraste ou de transporte é utilizado para guiar o material consumível. O alimentador de pó é responsável pela dosagem da liga metálica em pó a ser injetada no arco, através da tocha de soldagem (SILVA, 2010). A válvula rotativa é um tipo de alimentador de pó (ADP) bastante utilizado. A rotação do tambor da válvula, junto à regulagem do gap entre o tambor e a face do canal de queda, determina a vazão de pó metálico que está armazenado em um silo pressurizado. Para cada pó dever ser realizada uma calibração, devido a diferentes propriedades de escoamento. Isto vale também para os outros tipos de ADP (SILVA, 2010).

Segundo Díaz (1999), o ângulo da ponta do eletrodo de tungstênio não tem efeito sobre a penetração, pois afeta a abertura e estabilidade do arco principal e deve ser reafiada ao menor sinal de mudança do comportamento do arco. Além disso, o autor relata que ao contrário do processo TIG, onde o sentido da afiação, se paralelo ou transversal ao eletrodo, tem influência na configuração do plasma, isto não é verificado para o processo Plasma pó.

O diâmetro do orifício do bico constritor tem uma grande influência sobre a qualidade do revestimento por estar relacionado diretamente com a largura e penetração do cordão produzido (DÍAZ et al., 2009). Há uma relação inversa entre o diâmetro do bico constritor e a tensão e potência médias de soldagem e também leve queda na taxa de deposição. Ou seja, nota-se uma tendência a aumento da taxa de deposição com aumento da constrição pela redução do diâmetro do orifício constritor, ao contrário do que ocorreu para aumento da vazão do gás de plasma (SILVA, 2010).

Segundo Gatto et al. (2004) a temperatura máxima no processo é na faixa de 20000 a 30000 ºC. O bico age como colimador e focaliza o feixe de plasma (TAKANO et al., 2007). O bico pelo qual passa o gás plasma (gás central) possui duas dimensões importantes: diâmetro do orifício e comprimento da garganta ou de saída (TRIGUINHO, 2005).