Caracterização das soldaduras com diferentes gases de protecção

De forma a estudar a influência dos quatro gases de protecção utilizados (100% CO2, 92%Ar+8%O2, 91%Ar+5%CO2+4%O2, 60%Ar+10%CO2+30%He) sobre o perfil e característica do cordão de soldadura obtido, foram efectuados vários testes usando diferentes parâmetros e diferentes juntas de soldadura.

A produtividade do processo MAG, assim como as propriedades mecânicas da junta soldada são influenciadas pela forma do cordão, em que maiores penetrações resultam numa produtividade melhorada através do uso de velocidades de soldadura mais elevadas.

Gás de protecção Depósito sobre chapa Cordões de canto

AR+8%O2

43 Ar+5%C02+4%O2

100 % CO2

Ar+10%CO2+30%He

Figura 4.1 - Exemplos de perfis de cordões de soldadura; 160A

A partir da figura 4.1 pode-se ver que as soldaduras realizadas com O2 como componente do gás de protecção têm uma penetração do tipo “finger tip”, ou seja, a região central da soldadura tem uma maior penetração. Para o cordão realizado com 100% de CO2 como gás de protecção verifica-se uma penetração mais uniforme. Já no caso da soldadura realizada com o gás de protecção com 10%CO2+30%He, verifica-se um meio-termo, onde se verifica uma penetração do tipo “finger tip” mas com uma maior largura do que a verificada para os gases com O2.

Através do cálculo da entrega térmica do processo de soldadura para os diferentes gases de protecção, verifica-se que é com o gás com 100% de CO2 que o processo atinge maior entrega térmica (figura 4.2). Tal acontece por causa de um fenómeno que está associado ao gás CO2, isto é, na presença de um arco eléctrico de alta energia (plasma) este dissocia-se para carbono livre, monóxido de carbono e oxigénio [1]. Isto acontece na região anódica do arco. Na região catódica acontece exactamente o inverso, ou seja, os elementos libertados da molécula de CO2 são novamente recombinados. Este fenómeno requer energia adicional, levando a que a tensão necessária aumente levando a uma maior entrega térmica.

44 Figura 4.2 - Entrega térmica em função da intensidade de corrente

No que se refere à penetração dos cordões de soldadura, a partir da figura 4.3 verifica-se que os valores obtidos são muito semelhantes entre si, embora existam dois valores em que se verificam penetrações superiores relativamente aos outros gases. Para intensidades de cerca de 120 A, o cordão de soldadura efectuado com Ar+10%CO2+30%He como gás de protecção, apresenta uma penetração cerca de 0,5 mm superior comparativamente às soldaduras realizadas com os outros gases de protecção. Já para correntes mais elevadas, cerca de 230 A, é a soldadura com Ar+5%C02+4%O2 como gás de protecção que apresenta maior penetração. Esta diferença poderá ter a ver com o facto de terem ocorrido flutuações nas variáveis do processo (material, corrente e voltagem da soldadura) na zona onde as medições foram efectuadas.

Figura 4.3 - Influência dos gases de protecção na penetração em depósito sobre chapa 0,00

45 Relativamente à largura dos cordões obtidos (figura 4.4), verifica-se que os cordões mais largos são obtidos com a utilização do CO2 como gás de protecção. Durante a recombinação do CO2 existe um nível de energia mais elevado na região catódica, e é essa energia que é responsável pela existência de uma penetração mais larga. Verificou-se através da figura 4.3 que a penetração associada a este gás é similar às obtidas para os outros gases, o que não seria de esperar devido à maior energia existente junto ao material base. O que quer dizer que a energia serviu apenas para alargar o cordão associado ao gás de protecção CO2.

Figura 4.4 - Influência dos gases de protecção na largura dos cordões de soldadura

No que se refere aos cordões de canto, verifica-se que é com o CO2 como gás de protecção que são atingidas as maiores alturas (figura 4.5) no que se refere a cordões de canto. Tal pode ser explicado pelo facto de existir aproximadamente a mesma quantidade de material fundido que no depósito sobre chapa, mas aqui ele encontra-se concentrado numa menor área, que associado à maior energia do arco com o CO2 como gás de protecção, resulta numa maior altura neste tipo de juntas.

Figura 4.5 - Influência dos gases de protecção na altura em cordões de canto 5

46 Um outro parâmetro que se estudou e que está relacionado com a entrega térmica foi a diluição, que representa a quantidade de material base fundido que entra na constituição da zona fundida do cordão de soldadura. Seria de esperar que para uma maior entrega térmica, a quantidade de material base fundido fosse maior, devido à maior quantidade de energia que lhe é transmita. E tal é confirmado de facto na figura 4.6, em que se vê uma maior diluição para os cordões feitos com 100% de CO2 como gás de protecção, que é o que apresenta maior entrega térmica (figura 4.2).

Figura 4.6 – Diluição obtida nos diferentes gases estudados

A figura 4.7 representa a área total de material fundido para os gases estudados. Esta área vai depender da quantidade de material de adição que é depositado e da quantidade de material base que é fundido, formando o cordão de soldadura. Para valores de correntes semelhantes verifica-se que a velocidade de alimentação do fio é também semelhante, e dado que as soldaduras foram todas realizadas à mesma velocidade, vai ser a quantidade de material base fundido que mais vai contribuir para uma maior dimensão do cordão de soldadura, neste caso representado pela área do cordão. Devido ao facto de as soldaduras efectuadas com 100%

CO2 como gás de protecção apresentarem uma maior diluição, estas também apresentam uma maior área de material fundido.

05 1015 2025 3035 4045

Diluição [%]

I = 165 A

47 Figura 4.7 – Área total de material fundido na soldadura sobre chapa

A partir da figura 4.8 que representa a área depositada, ou seja, a área referente ao material depositado na chapa, pode-se concluir quanto à taxa de deposição associados a cada gás. Tal é possível devido ao facto de se usarem as mesmas velocidades de soldadura. Sabendo a velocidade de soldadura e a área de material depositado, facilmente se chega à taxa de deposição em mm³/min. Tendo tal facto em conta, verifica-se que para baixas correntes a taxa de deposição é similar em todos os gases estudados. Só para valores mais elevados de corrente é que começam a existir diferenças, que como se pode verificar pela figura 4.8, é o gás composto por 100 % de CO2 que apresenta a maior área depositada e consequentemente uma maior taxa de deposição. É esta a razão principal pelo qual o ensaio efectuado com 100%

de CO2 como gás de protecção apresenta uma maior altura nos cordões de canto como foi verificado anteriormente.

Figura 4.8 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa 0,00

48 4.1.2 Diferentes variantes do processo MAG

4.1.2.1 Comparação entre formas de onda

Neste capítulo vai-se analisar as formas de onda da corrente de cada processo e compará-las entre si de modo a verificar as diferenças e como é que essas diferenças vão afectar a transferência por curto-circuito e a forma como a energia é transmitida para a chapa. Para o STT e FastRoot vai-se ainda comparar as formas de corrente que foram fornecidas pelos fabricantes e as formas de corrente que foram obtidas laboratorialmente.

Como se pode ver pela figura 4.9 numa soldadura MAG por curto-circuito normal a corrente tem um comportamento simples, em que esta começa a aumentar quando existe contacto entre o material de adição e a chapa, e começa a diminuir quando a transferência do material de adição se dá. Verifica-se também que ao dar-se o contacto (voltagem cai), a corrente tem um aumento brusco até ao pico de corrente. Esta transição é normalmente a responsável pelos salpicos que este tipo de curto-circuito provoca, em que se cria pequenas “explosões” de material dando origem aos salpicos comuns neste tipo de processo.

Figura 4.9 - Forma de onda de corrente no processo MAG

Começando pelo processo FastRoot que utiliza um curto-circuito controlado (tal como o STT e CMT, mas com algumas diferenças como se vai ver mais à frente). No gráfico fornecido pelo fabricante (figura 4.10) verifica-se que quando se inicia o contacto do material de adição a corrente não tem um aumento brusco como o verificado no MAG convencional, existe sim um pequeno aumento quando o contacto se inicia seguido então de aumento na corrente até atingir o pico. Segundo o fabricante esta transição reduz substancialmente os salpicos produzidos comparando com MAG convencional. Na altura em que a gota se começa a destacar do fio de alimentação existe uma diminuição na corrente. Esta diminuição tem como função assegurar uma separação do fio de alimentação e transição para a formação do arco

49 eléctrico mais estável [artigo do STT], prevenindo uma transição violenta e uma excessiva formação de salpicos como acontece no MAG convencional. Numa fase seguinte quando o fio se separa completamente a corrente aumenta novamente levando à formação de um arco eléctrico que vai transportar energia para a chapa a soldar melhorando a fluidez do cordão e a penetração. Também nesta fase a ponta do fio de alimentação fica mais fluido para facilitar o inicio do contacto com a chapa e o reinício do processo.

Figura 4.10 - Forma de onda de corrente do processo FastRoot fornecida pelo fabricante

Comparando a forma de onda fornecida pelo fabricante e a obtida laboratorialmente verifica-se de facto que estas são semelhantes. Existem dois picos de corrente embora o segundo seja mais pequeno do que o demonstrado na figura anterior. Nota-se também que quando o fio de alimentação inicia o contacto com a chapa a corrente tem apenas um pequeno aumento, cujo efeito foi explicado anteriormente e que é confirmado pela figura 4.11.

Figura 4.11 - Forma de onda do processo FastRoot da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

Relativamente ao processo STT, tal como no FastRoot, observa-se a existência de dois picos de corrente, um para a transferência da gota de material de adição, outro para a formação do arco eléctrico (figura 4.12). Uma das diferenças para o FastRoot está na fase inicial de formação do primeiro pico de corrente, em que existe um aumento mais gradual da corrente o que poderá levar a uma minimização da formação de salpicos.

50 Figura 4.12 - Forma de onda do processo STT da corrente fornecida pelo fabricante

Comparando a onda com a onda obtida laboratorialmente (figura 4.13) nota-se de imediato que embora os degraus não estejam todos bem definidos, a corrente de uma maneira geral comporta-se de forma semelhante ao anunciado pela marca. Ao longo da soldadura nota-se algumas diferenças na forma de onda devido à dinâmica do processo, mas de uma forma geral o comportamento é sempre semelhante.

Figura 4.13 - Forma de onda do processo STT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

Por fim relativamente ao processo CMT, embora não se tenha uma forma de onda fornecida pelo fabricante, vai-se efectuar uma comparação com os outros processos. Através da figura 4.14 verifica-se que à semelhança do FastRoot e STT, no CMT também se denotam dois picos distintos, um para a transferência do material de adição e outro para o arco eléctrico. Este controlo da corrente durante o curto-circuito diminui de facto a formação de salpicos durante a

51 soldadura. De notar que neste processo além do controlo da corrente, tem também associado o sistema mecânico “push & pull”, que vai melhorar o destacar da gota de material de adição.

Figura 4.14 - Forma de onda do processo CMT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

4.1.2.2 Caracterização dos cordões de soldadura

Neste capítulo vão-se estudar três processos relativamente recentes e que derivam do processo MIG/MAG: Cold Metal Transfer (CMT), Surface Tension Transfer (STT) e FastRoot.

Através de soldaduras sobre chapa e de canto vai-se estudar e comparar as características das soldaduras entre os diversos processos, nomeadamente a penetração e largura dos cordões, diluição e área fundida dos cordões de soldadura. Através do estudo destas características espera-se verificar se de facto estes processos trazem vantagens relativamente ao MAG normal em certas aplicações. Estas variantes têm como principais aplicações a soldadura de chapa fina e passes de raiz, devido a estarem associadas baixas entregas térmicas e bom controlo do processo. Prevê-se que a transferência em curto-circuito controlado leve a um processo mais estável, com menos salpicos e sem ocorrência de faltas ou excesso de fusão na raiz ou nos cordões de topo em chapa fina.

Processos MAG CMT STT FastRoot

Soldadura

Figura 4.15 - Exemplo do perfil de soldaduras dos diferentes processos, 200 A e Ar+8%CO2 como gás de protecção

Na figura 4.15 pode-se ver exemplos dos perfis das soldaduras dos diferentes processos. No MAG e CMT verifica-se a penetração do tipo “finger tip”, característica explicada pelo elemento

52 dominante no gás de protecção, o árgon. Mas no caso do STT e FastRoot não se verifica a penetração do tipo “finger tip”, contrariamente ao que seria de esperar devido ao gás de protecção (Ar+8%CO2). Na verdade verifica-se que para estes dois processos a penetração é mais uniforme.

Figura 4.16 – Penetração dos diferentes processos em função da entrega térmica

Em termos de valores de penetração em depósito sobre chapa verifica-se através da figura 4.16 que é o processo MAG que tem as maiores penetrações, embora com o FastRoot no último ensaio com uma maior entrega térmica se tenha obtido uma maior penetração. Verifica-se também que o CMT é o processo com as menores penetrações e também com as menores entregas térmicas. O processo que apresenta a maior entrega térmica é o FastRoot (exceptua-se o primeiro ensaio, em que este apre(exceptua-senta uma menor entrega térmica comparativamente ao STT pois aqui a corrente utilizada foi maior, tabela 4.1), onde se verifica na sequência de ensaios de cada processo (figura 4.16) que o FastRoot apresenta uma maior entrega térmica, isto tendo em consideração que a sequência de ensaios dos processos estudados foram feitos em condições semelhantes, como pode ser confirmado na tabela 4.1. Considerando ainda o segundo ensaio do STT e do FastRoot, embora o STT utilize uma maior corrente que o FastRoot, verifica-se que é o último que apresenta a maior entrega térmica, confirmando o que foi dito anteriormente relativamente à entrega térmica.

Processo de

53

Tabela 4.1 - Sequência de valores dos ensaios realizados nos diferentes processos

A partir da tabela 4.1 pode-se verificar a razão para que exista essa diferença entre as entregas térmicas. Dá-se como exemplo os valores sombreados (corrente de aproximadamente 200 A). Como se pode verificar a velocidade de soldadura é mantida constante, a corrente é aproximadamente igual, o único parâmetro que é diferente é a voltagem, e como esta é mais elevada no caso do FastRoot, é este que tem maior entrega térmica. No caso do CMT como este funciona com voltagens mais baixas, este tem as menores entregas térmicas.

Figura 4.17 – Largura do cordão de soldadura em função da entrega térmica

Relativamente à largura dos cordões (figura 4.17), verifica-se que existe um hiato entre os processos CMT, MAG e STT, FastRoot. Existe aqui uma clara diferença entre os processos com curto-circuito controlado e curto-circuito tradicional. Apenas o CMT contraria este argumento sendo este um processo por curto-circuito controlado, em que obteve larguras similares às obtidas pelo processo MAG. A largura dos cordões do processo MAG já era esperada devido aos valores que se obteve no capítulo dos gases de protecção, mas o facto de o CMT obter larguras similares pode ser explicado pelo facto deste processo utilizar voltagens mais reduzidas, o que leva ao aumento da largura do cordão de soldadura [2]. A maior quantidade de material depositado (semelhante ao MAG: ver figura 4.20) pode também explicar estes valores para a largura do cordão.

0,00

54 Figura 4.18 – Altura dos cordões de canto em função da entrega térmica

No que se refere aos cordões de canto observa-se que é com o processo MAG que se obtém maior altura de cordão. Mas como se pode verificar pela figura 4.18 o CMT obtém valores similares de altura de cordão até aos 500 J/m de entrega térmica, e seria de esperar que se este processo conseguisse obter maiores entregas térmicas estivesse a par com o processo MAG. No caso do STT, este leva a menores alturas, devido principalmente ao facto deste processo ter baixas taxas de deposição, como se vai ver mais à frente. Não se efectuaram ensaios para o FastRoot, mas seria de esperar resultados semelhantes ao STT devido à semelhança existente entre os dois processos.

Figura 4.19 – Diluição dos diferentes processos, I = 200A

Na figura 4.19 representa-se a diluição das amostras estudadas, que como se referiu anteriormente está directamente relacionada com a entrega térmica. Verifica-se que para um mesmo valor de corrente é o FastRoot o processo com uma maior percentagem de diluição, justificado pelo facto de este processo apresentar a maior entrega térmica entre os processos estudados. Embora o MAG e o STT tenham entregas térmicas semelhantes para este valor de

0

0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00

CMT

55 corrente (ver tabela 4.2), o STT apresenta uma maior diluição. Isto poderá querer dizer que a diluição não dependerá apenas da quantidade de energia que é transmitida para a chapa, mas também da forma como esta é transmitida, ou seja, sabe-se que para o STT vão existir dois picos de corrente e no MAG apenas um pico, e que esses picos de corrente são mais elevados no caso do STT o que poderá ter levado à criação de um arco mais intenso, conduzindo a uma maior quantidade de material base fundido. O mesmo se passa com o FastRoot, que ainda apresenta uma diluição maior que o STT, pois embora a sua forma de onda seja diferente da do STT, o princípio será o mesmo. Esta poderá também ter sido a razão devido ao qual a penetração do STT e FastRoot tenham sido mais uniformes. Quanto ao CMT, este apresenta a menor diluição tal como seria de esperar, pois é o processo que apresenta a menor entrega térmica.

Na tabela 4.2 são apresentados os valores de diluições e respectivas entregas térmicas dos processos estudados. Verifica-se que o STT e o FastRoot apresentam valores de diluição que são sempre superiores aos apresentados para MAG (o menor valor de diluição de STT e FastRoot é superior ao maior valor de diluição do processo MAG), em que mesmo com maiores entregas térmicas no processo MAG, este apresenta diluições menores comparativamente aos processos STT e FastRoot, o que vem mais uma vez demonstrar que a forma como a energia é transmitida tem alguma influência. Quanto aos baixos valores de diluição do CMT, estes podem ser explicados pelas baixas entregas térmicas que este processo apresenta, mas o sistema mecânico “push & pull” também pode ter alguma influência na mesma, embora tal facto não possa ser provado neste trabalho.

Processo de soldadura Entrega Térmica [J/m] Diluição [%] Área depositada [mm²] FastRoot

Tabela 4.2 - Diluição dos processos estudados e respectiva área depositada

A figura 4.20 representa a área depositada de material de adição na chapa para uma intensidade de 200 A. Na tabela 4.2 estão também representados os valores das áreas depositadas nos ensaios feitos, onde se evidencia a semelhança existente entre CMT e MAG,

56 e entre o FastRoot e STT, onde se verifica uma clara diferença entre MAG, CMT e FastRoot, STT. Os ensaios apresentados na figura foram realizados com a mesma velocidade de soldadura, pode-se então concluir sobre a taxa de deposição do material de adição e fazer uma comparação directa através dos valores apresentados na Tabela 4.2. Verifica-se a existência de uma clara diferença entre os valores obtidos para CMT e MAG, e FastRoot e STT, sendo que os últimos apresentam baixas áreas depositadas relativamente ao CMT e MAG, ou seja, baixas taxas de deposição.

É devido ao facto de o FastRoot e o STT apresentarem baixas áreas depositadas (taxas de deposição), que se obteve valores baixos de largura para os cordões em depósito sobre chapa, e no caso do STT na altura dos cordões de canto, na medida que a altura dos cordões de canto e a largura das soldaduras em depósito sobre chapa estão directamente relacionados com a taxa de deposição, pois são consequência directa da quantidade de material que é depositado.

Figura 4.20 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa

4.1.3 Emissão de fumos do processo MAG e CMT 4.1.3.1 Influência do diâmetro do fio de alimentação

Neste capítulo vai-se estudar de uma forma preliminar a formação de fumos em soldadura.

Para isso realizaram-se vários ensaios com diferentes fios de alimentação para verificar quer a influência que a corrente tem na formação de fumos, quer a influência que diferentes

Para isso realizaram-se vários ensaios com diferentes fios de alimentação para verificar quer a influência que a corrente tem na formação de fumos, quer a influência que diferentes