A palavra “híbrido”, no seu significado etimológico, significa a união ou cruzamento de dois ou mais elementos, para a formação de um terceiro elemento, peculiar, com características intermediárias aos elementos unidos.
Assim como qualquer processo de fabricação, os diversos processos de soldagem exis-tentes apresentam suas vantagens e limitações e uma forma de criar um processo que associe essas vantagens, é a combinação de dois ou mais processos. Em soldagem, tem-se os processos conhecidos como “Tandem”, cuja característica é o uso de dois ou mais processos em associa-ção simples, ou seja, não há a hibridizaassocia-ção dos processos, mas sim os dois processos atuando concomitantemente [25].
Semelhante aos processos Tandem, quando duas técnicas atuam simultaneamente sobre a mesma zona, com correlação mútua entre si, o mesmo pode ser considerado um processo híbrido. Nesse contexto, o Plasma-MIG, ou Plasma-GMAW, é um exemplo de processo híbrido de soldagem, visto que se trata da união de dois arcos elétricos, com características individuais diferentes, que quando atuando em conjunto tem direta correlação entre eles [26]. Essa união permite aliar a vantagem do aquecimento concentrado gerado pelo arco Plasma, com a capaci-dade de preenchimento do processo GMAW.
Fundamentalmente, o processo Plasma-GMAW é caracterizado no fato dos eletrodos consumível e não consumível bem como suas respectivas poças de fusão e arcos elétricos re-sultantes estarem envoltos de uma corrente de gás termicamente ionizado, atuando simultanea-mente [27].
A primeira concepção de processo híbrido Plasma-GMAW, foi criada na década de 1950, por Yenni [28], na qual o arame-eletrodo do arco GMAW era incidido perpendicular-mente no arco plasma (Figura 14-A). Mais tarde, na década de 1970, uma outra concepção foi desenvolvida, ao invés da alimentação do arame GMAW pela lateral do arco, o arame era ali-mentado pelo centro da tocha, passando através do bocal plasma, sendo que o eletrodo de tungs-tênio permanecia descentralizado com relação ao centro da tocha, para abrir espaço para o arame GMAW, como pode ser visualizado na Figura 14-B [29].
Figura 14 – Esquemático das primeiras concepções de processo híbrido Plasma-GMAW [29].
A partir dessas configurações iniciais, outras concepções de tochas foram surgindo, di-ferenciando-se entre si, principalmente pela disposição e formato do eletrodo não consumível em relação ao eletrodo consumível, cada qual resultando em características únicas na interação dos arcos Plasma e GMAW, bem como nos modos de transferência metálica resultantes, sendo que nos dias atuais existem dois principais tipos de tocha relativamente difundidos na indústria e no meio científico: a coaxial e serial [30].
2.3.1 Plasma-MIG Coaxial
O processo Plasma-MIG coaxial, também conhecido por plasma-MIG anular, ou plasma-MIG com eletrodos concêntricos, é caracterizado pelo arame-eletrodo consumível ser alimentado em direção a peça, passando concentricamente pelo eletrodo não consumível de cobre, em seu formato anular. Os eletrodos ficam dispostos coaxialmente, daí fica evidente a relação dos nomes dado ao processo com a disposição dos eletrodos no mesmo. A Figura 15 mostra um esquema da tocha para esse processo, destacando seus principais componentes.
Figura 15 – Esquema da tocha de soldagem no caso do processo Plasma-GMAW Coaxial [29].
Esse processo foi extensivamente estudado por OLIVEIRA [4] e RESENDE [31] em seus trabalhos de doutorado, onde puderam chegar a uma série de conclusões a respeito desse processo, tais como: tipo de transferência metálica, características térmicas, modelo e interação elétrica, forças envolvidas e a influência dos parâmetros de processo, sendo que suas descober-tas permitiram estabelecer uma ótima base científica para o presente estudo.
Precipuamente, o processo Plasma-MIG coaxial não pode trabalhar com os eletrodos em polaridades opostas devido a repulsão inerente as forças elétricas presentes. Por conse-guinte, o processo deve funcionar com ambos os eletrodos em polaridade positiva, ou negativa.
Estudos conduzidos por OLIVEIRA [4] mostraram que o processo é tecnicamente mais viável em termos de estabilidade e repetitividade quando ambos os eletrodos trabalham em polaridade inversa (eletrodo positivo ou CC+), pois o eletrodo MIG em polaridade direta ocasiona severa instabilidade no processo em termos de transferência metálica.
À vista disso, o processo Plasma-MIG coaxial apresenta uma limitação em termos de quantidade máxima de corrente que é possível aplicar no eletrodo plasma. Devido a polaridade de trabalho ser a positiva, o desgaste no eletrodo é muito mais intenso, sendo que a aplicação de elevadas correntes tornaria o processo inviável devido a constante reposição que seria ne-cessária no eletrodo. Logo, mesmo havendo a combinação de dois arcos, a potência máxima do processo é limitada [31].
Outra limitação, ainda, é a faixa operacional de trabalho de ambos os processos. Uma vez que o eletrodo-arame MIG passa por dentro do eletrodo anular plasma, a combinação dos
dois processos tem influência mais direta, ou seja, a variação dos parâmetros de plasma tem que ser acompanhada por uma variação relativamente proporcional nos parâmetros do GMAW para que o processo seja crível. Aliado ao fato da corrente de plasma apresentar um patamar máximo, contribui na limitação do processo.
A fim de tentar contornar as limitações apresentadas, a concepção de uma nova tocha de soldagem para o processo Plasma-GMAW foi criada, a tocha do tipo serial.
2.3.2 Plasma-MIG Serial
Em meados de 1995, a empresa PLT (Plasma Laser Technologies) desenvolveu a tocha para o processo híbrido Plasma-GMAW do tipo serial. Nesse caso, os eletrodos estão dispostos em série, sendo que o eletrodo Plasma gera o arco isoladamente iniciando a fusão da peça de trabalho, e o arame-eletrodo GMAW atua na mesma poça de fusão, após o eletrodo Plasma. Do contrário do processo coaxial, nesse caso o eletrodo é configurado na forma cilíndrica, assim como no processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). A premissa inicial para a criação dessa tocha, é a maior independência dos parâmetros do Plasma em relação aos do GMAW, o que no processo coaxial apresenta maior restrição [32].
De modo geral, o arco plasma inicia a fusão formando uma cavidade na peça de trabalho, a mesma que poderá atuar ou não no modo keyhole de acordo com a parametrização imposta no processo Plasma. Concomitantemente, o arco GMAW contribui na fusão da mesma poça ao tempo que fornece metal de adição. A Figura 16 mostra a configuração da tocha Plasma-GMAW do tipo serial, bem como a posição dos arcos Plasma e Plasma-GMAW em relação a poça de fusão.
Figura 16 – Esquema da tocha de soldagem no caso do processo Plasma-GMAW Serial (PLT, 2014).
Ao contrário da tocha coaxial, cujo arco Plasma envolve o arco GMAW, resultando em uma atuação combinada na poça de fusão, no processo serial os arcos atuam em regiões relati-vamente distintas durante a soldagem, sendo que a intersecção entre os arcos se dá em apenas uma pequena interface da poça de fusão.
Ainda em contraste ao processo coaxial, cujas aplicações até então estudadas, são foca-das em operações de brasagem e na soldagem de ligas especiais. A premissa proposta pelo fabricante para o processo serial, é a soldagem de alta potência, visando a aplicação do processo em chapas espessas, sendo que sua construção foi focada inicialmente de forma a soldar juntas com características intermediárias ao que se é aplicado comumente aos processos Plasma e GMAW individualmente.
Isto é, no processo GMAW é comum preparar a junta a ser soldada com chanfro de elevado grau e até presença de espaçamento entre as peças a serem soldadas. Já na soldagem Plasma, é comum a soldagem de peças sem espaçamento algum. O processo Plasma-GMAW propões exatamente chanfros de baixo grau e baixo ou nenhum espaçamento entre as peças, vide exemplo na Figura 17.
Figura 17 – Comparação entre as geometrias propostas para cada tipo de solda antes da operação de soldagem, e a soldagem resultante das mesmas para os processos GMAW, Plasma-GMAW, e Plasma respectivamente [33].
Utilizando o processo proposto, pode-se atingir velocidades de soldagem superiores às praticadas no processo GMAW, ao mesmo tempo, é possível realizar a soldagem em passe único, como ocorre no processo Plasma, reduzindo consideravelmente o tempo de arco aberto.
YURTISIK [33] realiza uma comparação entre os tempos de arco aberto e a quantidade de material de adição necessária nos três processos conforme Figura 18.
Figura 18 – Comparação dos tempos de arco aberto e quantidade de material de adição utilizado nos três proces-sos GMAW, PAW-GMAW e PAW [33].
2.4 Interações Físicas e Comportamento Elétrico do Processo Plasma-GMAW