10. Soldagem a Arco MIG / MAG (GMAW)
10.1.
Introdução
Com a introdução do processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) popularmente conhecido como TIG, tornou-se possível soldar alumínio e aço inoxidável com facilidade e com um alto grau de qualidade. Entretanto, o GTAW é um processo lento e a demanda por uma alta taxa de produção levou ao desenvolvimento da GMAW (Gas Metal Arc Welding), na qual o eletrodo não consumível de tungstênio do processo GTAW é substituído por um eletrodo consumível de pequeno diâmetro e de composição química compatível com o metal de base. Também é mais eficiente pois trabalha com um dcep (corrente contínua eletrodo positivo), fornecendo uma ação limpadora junto à peça de trabalho devido a um ponto de catado móvel. Assim, esse tipo de soldagem não apenas leva a uma alta taxa de deposição de material, como também requer uma certa polaridade para o eletrodo.
Empregando-se o processo GMAW (MIG/MAG), é possível unir todos os metais para os quais já existam eletrodos no mercado. Como inicialmente o processo era principalmente utilizado para soldar alumínio e aço inoxidável com a proteção de um gás inerte, ele ficou mais conhecido como MIG (metal inert gas). Contudo com a utilização deste processo para unir outros tipos de materiais ferrosos e não ferrosos, houve a necessidade de se utilizar dióxido de carbono, nitrogênio, bem como misturados com argônio, hélio, oxigênio, hidrogênio e CO2. Quando só o CO2 é utilizado, o processo é chamado de solda de CO2. Ainda um outro termo para o processo com proteção de gás ativo é MAG (metal active gas).
Apesar destas terminologias especiais, todas as variações deste processo podem ser enquadradas como GMAW. Os equipamentos utilizados para estes processos de soldagem são similares exceto pelo gás protetor utilizado e pela posição do alimentador do eletrodo que pode variar. Por exemplo, na soldagem com CO2, não é só o regulador e medidor de vazão que diferem dos outros gases, mas também há a necessidade de se promover um aquecimento na saída de gás para evitar a formação de CO2 sólido comumente conhecido por gelo seco.
10.2.
Equipamento e Material
O equipamento básico para um sistema semi-automático consiste em fonte, alimentador de eletrodo, tocha, sistema fornecedor de gás e um sistema de refrigeração à água, se utilizado. No processo automático ou sistema mecanizado tem um sistema adicional de movimentação e de direção da tocha.
10.2.1. Fonte de Energia
O processo GMAW utiliza corrente contínua e normalmente usa o eletrodo positivo.
Essa condição de soldagem, possibilita um arco estável com uma transferência de metal suave a qual resulta em pouco respingo e uma boa qualidade do cordão de solda. A corrente alternada não é utilizada no processo GMAW pois a cada meio ciclo o arco se extinguiria ou apagaria. A corrente contínua com eletrodo negativo causa uma grande taxa de deposição de material que não é desejável pois pode resultar em um arco instável e irregular. Além disso, elimina a vantagem da ação limpadora do arco na superfície da peça.
Tanto o transformador retificador como o motor gerador podem ser utilizados como fonte. As fontes para GMAW trabalham freqüentemente entre 60% e 100% do ciclos de trabalho para sistemas semi-automático e automático, respectivamente. A característica estático volte - ampère da fonte podem variar de uma tensão constante ou características
planas para corrente constante. Nos processos automáticos, as vezes, pode ser utilizada uma fonte com característica volte - ampère regulável.
Fontes com características planas são mais usadas no GMAW porque possuem uma autoregulagem do arco de solda. Assim pode ser utilizada uma unidade alimentadora de eletrodo com velocidade constante. Em cada unidade de soldagem a corrente de soldagem está associada diretamente à velocidade de alimentação do eletrodo. Portanto para atingir altas taxas de depósito, o eletrodo deve ser alimentado também a uma velocidade elevada. A fonte fornece uma corrente muito alta quando o eletrodo é curto-circuitado na peça de trabalho. Este tipo de fonte é utilizada na soldagem de todo o tipo de metal.
Para fontes com característica de tensão - ampère decrescente, a corrente desejada é obtida com uma regulagem apropriada da máquina. O tamanho do arco é controlado pelo ajuste automático do alimentador de eletrodo. Para este tipo de fonte o melhor são sistemas com eletrodo de diâmetro maior e de mecanismo de alimentação automático. A maioria das fontes de corrente constante são de característica volte-ampère decrescente, embora fontes de corrente constante verdadeira também são empregadas. Entretanto, fontes de corrente constante não fornecem uma auto-regulagem do tamanho do arco. Um circuito sensível à variação de tensão é utilizado para manter o tamanho do arco variando a velocidade de alimentação do eletrodo.
Fontes com característica Volt - ampère crescente são utilizadas em alguns processos automáticos de GMAW nos quais se utilizam eletrodos mais finos do que os utilizados nos processos semi-automático. A variação de tensão deste tipo de fonte é bem maior do que nas fontes de tensão constante e, ainda, quando a corrente aumenta a tensão também aumenta.
10.2.2. Unidades de Alimentação de Arame
No processo automático do GMAW a unidade alimentadora de eletrodo também inclui a tocha, já no processo semi-automático elas estão separadas para garantir uma maior flexibilidade ao processo. Para empurrar o eletrodo através de vários metros de conduíte a uma velocidade de 2,5 a 25 m/min, é imperativo que haja um motor alimentador potente com roletes recartilhado ou chanfrado em forma de V. Esses motores são geralmente elétricos (do tipo corrente continua) com velocidade ajustavel. O alimentador do eletrodo é mantido a uma velocidade constante através de um ajuste feito previamente, assim a maioria dos motores de alimentadores são do tipo enrolado em derivação ou de imã permanente. Motores de velocidade variável são geralmente usados em conjunto com fontes de corrente constante. A velocidade destes motores varia de acordo com o sinal que mantém o comprimento do arco constante.
A unidade alimentadora é constituída, além do mecanismo do motor que empurra o eletrodo, de um aparato para controlar o fluxo de gás e uma chave liga-desliga para fornecimento de corrente e uma outra para ajustar o eletrodo.
10.2.3. Montagem da Tocha e Conduíte do Arame
A maioria das tochas de solda suportam até 200 A e são refrigeradas a ar. Existem três tipos de tocha: tipo empurra, tipo puxa e tipo puxa-empurra.
O tipo empurra é normalmente conectado à unidade alimentadora de eletrodo através de um conduíte flexível com comprimento máximo de 4 m. O eletrodo é empurrado através do conduíte pelo mecanismo alimentador. Este tipo de tocha é considerada satisfatória quando se utiliza eletrodos de aço de 0,8 a 2,4 mm de diâmetro e eletrodos de alumínio de 1,2 a 3,2 mm de diâmetro.
A tocha tipo puxa possui embutido um mecanismo de alimentação que traciona o eletrodo de um carretel através de um conduíte de até 15 m. Quando este tipo de tocha é utilizado em associação com um alimentador tipo empurra, o conjunto é chamado de puxa- empurra, e os mecanismos são sincronizados para evitar avarias no eletrodo. Eletrodos de aço ou alumínio de 0,8 a 1,6 mm de diâmetro podem ser usados com este tipo de mecanismo.
As tochas para eletrodo de alumínio com menos de 1,6 mm de diâmetro possuem um mecanismo alimentador e carretel embutidos. O carretel de eletrodos possui normalmente 100 mm de diâmetro e pesa entre 0,5 a 1,0 kg. O mecanismo de alimentação tipo puxa é empregado em algumas tochas com eletrodo de diâmetro entre 0,8 a 1,2 mm.
Tochas para altas correntes (200 - 750 A) são resfriadas à água, onde dutos de circulação de água resfriam o tubo de contato e o bico de gás. A mobilidade dessas tochas é reduzida devido ao acréscimo de peso, o emprego desse conjunto se justifica em sistemas automáticos ou mecanizados.
O suprimento de corrente elétrica da tocha é fornecido por um tubo de liga de cobre chamado de tubo de contato. Tubos de diferentes diâmetros são encaixados para diferentes diâmetros de eletrodo para que se atinja um melhor contato elétrico.
O conduíte do eletrodo deve ter uma cavidade lisa e suave o suficiente para evitar que o eletrodo entorte. O mesmo deve ser flexível mas rígido o suficiente para evitar quinas quando dobrado em ângulos pequenos. Freqüentemente conduítes em espiral de aço são satisfatórios na função de guiar o eletrodo. Os eletrodos de alumínio, normalmente, desgastam podem entupir o interior do conduíte, para evitar este desgaste deve utilizar uma proteção de nylon ou PTFE.
10.2.4. Sistemas de Gás de Proteção e Resfriamento a Água
Existem nos cilindros de gás válvulas de pressão para manter constantes o fluxo e a pressão do gás protetor. Medidores de vazão, na forma de tubos de plásticos calibrados, são utilizados para manter uma taxa constante de vazão do gás. A unidade de calibração destes tubos é dada em litros/min. Os medidores de vazão viram com o tipo de gás, isto se deve a variação de densidade dos mesmos, assim, não pode haver um único medidor de vazão para todos os gases.
Cada tipo de gás em particular é vendido em cilindros de alta pressão, e as misturas podem ser encomendadas aos fornecedores. No entanto, mistura gasosa pode ser obtida por meio de um misturador que é conectado aos dois cilindros com os gases que deseja misturar, normalmente a mistura é feita com CO2 e argônio, e a mistura desses gases é ajustado de acordo com a necessidade.
Tochas que usam corrente acima de 200 A usam água para esfriar o bocal. O resfriamento a água aumenta, consideravelmente, a vida útil do tubo de contato e do bocal de gás. Sistemas para trabalho pesado ou automatizados também possuem tubos de contato resfriados à água. Tochas com sistemas refrigerados possuem um mecanismo de segurança que interrompe a corrente quando o fluxo de água para, o que protege a tocha do super aquecimento no caso de uma interrupção repentina do fluxo de água.
O fluxo de gás e água é regulado por válvulas solenóides, enquanto os relés liga ou desliga o motor que alimenta o eletrodo e os conectores elétricos. Normalmente uma única chave acoplada à tocha faz todo este controle.
10.2.5. Materiais Usados
Os materiais usados na GMAW são o metal de adição e o gás de proteção. De acordo com o processo a ser empregado (MIG, MAG, CO2), o eletrodo e o gás protetor devem ser cuidadosamente selecionados para ser compatível com o material a ser soldado,
O eletrodo a ser escolhido tem considerar o metal de base e o metal depositado para que se obtenham características semelhantes na composição bem com na resistência na junta soldada. As Normas Nacionais e Internacionais estabelecem as diretrizes para a seleção do eletrodo para cada metal base.
Os eletrodos são vendidos em carretéis de peso e tamanho variados e com um guia para a introdução na tocha com a menor perda de elemento. Eletrodos muito duros (alta têmpera) às vezes podem torcer causando dificuldades na alimentação devido à força elástica restauradora. Estes eletrodos também tendem a espiralar ao sair do carretel causando deflexões indesejadas. Os eletrodos são alimentados por roletes que mantêm uma pressão constante. Há um mecanismo de travamento do eletrodo para que não haja deslocamento devido à inércia quando a corrente é bruscamente interrompida.
A seleção do gás baseia-se na composição do material de trabalho, do tipo de eletrodo, da posição de soldagem, da variação do processo e da qualidade desejada da solda.
A taxa de vazão do gás depende do tamanho do bocal da tocha e varia entre 4 e 40 litros/min, entretanto as taxas mais usadas são de 7 a 12 lit./min.
10.3.
Circuito de Soldagem e Disposição (Setup)
A figura 10.1 mostra o esquema elétrico, o esquema do gás e o sistema de água. A figura 10.2 mostra um diagrama esquemático de um sistema GMAW convencional.
Figura 10.1 - Diagrama do circuito GMAW com resfriamento da tocha à água
Figura 10.2 - Desenho esquemático da configuração convencional do GMAW
10.4.
Variáveis GMAW
A GMAW, na sua versão semi-automática, o operador segura a tocha com a mão ligando ou desligando o sistema. Antes de abrir o arco, normalmente o circuito elétrico é ajustado no painel da fonte.
Além do ajuste da tensão é também necessário a escolha das outras variáveis de soldagem para controlar o processo a fim de se obter os resultados esperados. Estas variáveis são a velocidade de alimentação do eletrodo, a distância do bocal à peça, o stickout, a inclinação de trabalho do eletrodo, e o fluxo de gás. Essas variáveis requerem uma monitoração constante por parte do operador. A velocidade se soldagem, a posição de soldagem e o diâmetro do eletrodo também influenciam consideravelmente na geometria do cordão de solda. Essas variáveis serão discutidas nas seções seguintes.
10.4.1. Tensão do Arco
Numa fonte de característica linear a tensão do arco é controlada principalmente através de ajuste do circuito aberto (O.C.V.). Uma pequena diferença entre a tensão do arco e a tensão ajustada é devido à queda de tensão no cabo ou uma pequena queda na V-I que é característico do circuito do equipamento. A variação da tensão do arco no circuito é mostrada na figura 10.3.
Figura 10.3 - Efeito da alteração do OCV (Open Circuit Voltage) na tensão do arco A variação na tensão do arco acarreta uma variação no tamanho do arco e afeta, diretamente, o tamanho do cordão. A variação na tensão do arco não afeta somente as características geométricas do cordão de solda, mas também, afeta a sua microestrutura e consequentemente o sucesso ou fracasso da operação de soldagem pela quantidade de metal transferido. Quando a tensão do arco é muito baixa a transferência de metal é feita tanto por curto circuito (com baixa velocidade de alimentação) ou por transferência globular (dip transfer) (alta velocidade de alimentação). Tanto um quanto outro modo de transferência de metal faz o processo próspero para uso nas várias posições de soldagem e normalmente é realizado com baixas temperaturas e com menor perda de elementos de liga.
10.4.2. Taxa de Alimentação do Arame
Para fontes com característica plana, a corrente de soldagem varia com a variação da velocidade de alimentação do eletrodo, uma relação geral entre estas variações é dada na figura 10.4. A figura mostra que a relação é linear para baixas velocidades de alimentação, entretanto a medida que a velocidade aumenta, particularmente quando o diâmetro do eletrodo é pequeno, a curva da razão de fusão torna-se não linear. Isto é normalmente atribuído ao aumento da resistência térmica que aumenta por si só com o aumento da velocidade de alimentação. Para uma mesma velocidade de alimentação, o aumento no diâmetro do eletrodo demandaria um aumento na corrente. O aumento na corrente, mantendo- se as outras variáveis constantes, resulta em uma maior profundidade de penetração da solda, aumentando, também, a taxa de deposição de material e o tamanho do cordão de solda em sua seção transversal.
Figura 10.4 - Efeito da corrente de soldagem na taxa de fusão para diferentes tamanhos de eletrodos de aço carbono
10.4.3. Velocidade de Soldagem
A penetração da solda é maior em uma certa velocidade de avanço da tocha e diminui com o aumento da velocidade. Entretanto o decréscimo na velocidade de avanço é acompanhado por um aumento na largura do cordão, enquanto o acréscimo da velocidade resulta em um estreitamento do cordão de solda. A diminuição na penetração com a redução da velocidade é causada devido ao excesso de material fundido escoando dentro da poça de solda, resultando em borra. Assim o aumento de temperatura por unidade de comprimento, devido à baixa velocidade, é por si só uma forma de aumentar o tamanho do cordão de solda e o inverso ocorre com o aumento da velocidade. Uma velocidade de soldagem muito alta pode acarretar descontinuidade do cordão pela fusão inadequada do material.
10.4.4. Comprimento Energizado do Eletrodo “Stickout”
A distância entre o tubo de contato e a ponta do eletrodo é chamada de comprimento energizado do eletrodo - stickout - e é mostrada na figura 10.5. É um importante parâmetro de soldagem que controla a taxa de deposição do material e a geometria do cordão de solda. Com o aumento do stickout a resistência elétrica aumenta, causando um pré aquecimento do eletrodo, o qual necessitaria de uma corrente mais baixa para qualquer velocidade de alimentação. Um stickout muito longo resulta em deposição excessiva de material, penetração
superficial da solda e uma inadequada geometria do cordão devido à baixa temperatura do arco. Também pode causar instabilidade do arco e dificultar a movimentação da tocha. Já um stickout muito curto pode danificar o tubo de contato, causar um arco muito grande e até interromper o processo. O stickout é mantido entre 5 e 15 mm para transferência por curto circuito, e, entre 16 e 25 mm para outros tipos de transferência de metal.
A distância do bocal à peça também é importante no controle da qualidade e geometria do cordão de solda. Uma distância muito pequena pode causar dano ao bocal devido ao excesso de calor, enquanto que uma distância muito grande afeta a eficiência do gás de proteção. A distância normal deve ser de aproximadamente 1 a 1,5 vezes o diâmetro interno do bocal de gás utilizado.
Figura 10.5 - Terminologia GMAW
10.4.5. Ângulo de Trabalho do Eletrodo
A posição da tocha em relação à direção de avanço pode afetar consideravelmente a geometria do cordão. Nos processos automatizados, a tocha é posicionada perpendicularmente à peça. Já nos processos semi-automáticos a tocha pode ser posicionada para soldar para frente ou para trás como mostra a figura 10.6. Isso ajuda o soldador a enxergar o trabalho e executar as manobras necessárias.
A posição de solda para frente resulta em um cordão com pouca penetração, mas bastante largo. A posição de solda para trás resulta em um cordão bastante estreito e com boa penetração. A posição de solda para trás é a posição mais comum usando ângulos de trabalho do eletrodo entre 60º e 85º. O ângulo de 75º é o mais comum, mas o de 65º é o que dá a maior penetração, arco mais estável e menos espirro.
Para um boa soldagem a tocha deve ser posicionada de modo tal que o eletrodo tenha a mesma inclinação em relação às duas peças a serem soldadas. Assim, adota-se a posição de solda para trás com ângulo de 75º a 85º com a direção de soldagem.
Tanto a penetração quanto o tamanho do cordão podem ser manipulados, trocando-se a posição de solda para frente para a posição de solda para trás, mas não é um método de controle da geometria do cordão tão bom quanto a alteração na corrente de soldagem ou na tensão do arco.
Figura 10.6 - Diferentes posições de trabalho para o eletrodo no processo GMAW
10.4.6. Posição de Soldagem
A geometria do cordão de solda também é afetada pela posição da tocha em relação à peça. A solda de topo é a que fornece o melhor cordão e suporta todas as formas de transferência de metal. Entretanto a posição vertical ou sobre a cabeça exigem que a transferência de metal se dê por spray ou por curto-circuito. Para estas posições de soldagem recomenda-se a utilização do eletrodo de 1,2 mm de diâmetro, caso contrario, a poça de solda torna-se muito grande para que se tenha um controle mais fácil da mesma. O tamanho do cordão é também freqüentemente pequeno nestas posições. A solda de cima para baixo é comumente adotada quando se quer unir duas placas de metal na vertical, enquanto que a solda de baixo para cima é usada para soldar tubos.
Figura 10.7 - Efeito do ângulo de trabalho do eletrodo na geometria do cordão
10.4.7. Tamanho do Eletrodo
Cada tipo de eletrodo possui um limite de trabalho no qual ele pode ser eficientemente utilizado. Uma corrente de soldagem abaixo da faixa ótima resulta em falta de fusão, e uma corrente muito acima dessa faixa resulta em aumento do respigo, porosidade e uma má aparência do cordão. O diâmetro do eletrodo também afeta na penetração e a largura da solda, onde para a mesma corrente, um diâmetro mais fino dará uma penetração mais profunda, enquanto que um cordão largo com uma penetração superficial é obtida com eletrodos de maior diâmetro.
No geral há uma tendência a usar eletrodos mais finos devido às seguintes razões:
rápido ajuste do tamanho do arco;
modo de transferência de metal tipo spray;
facilidade de bobinar e;
grande eficiência na deposição de material.
Quando a altura do arco muda devido a uma alteração na posição da tocha ou na velocidade de alimentação, leva a uma mudança na tensão do arco de acordo com o gráfico da figura 10.8. A mudança na tensão do arco acarreta uma mudança na corrente como mostra a figura 10.9. Torna-se evidente que esta variação na corrente é mais significativa em fontes com Tensão Constante do que em fontes com Corrente Constante. Na figura 10.10 mostra a variação de alimentação do eletrodo com a corrente de soldagem, para diferentes diâmetros de eletrodo. Em outras palavras, para uma mesma corrente a velocidade de alimentação do arame é maior para eletrodos mais finos do que para eletrodos mais grossos, isso explica porque o tamanho do arco é mais facilmente corrigido em eletrodos finos.
Figura 10.8 - Comprimento do arco versus tensão para diferentes processos
Figura 10.9 - Interação da fonte de potência e das características do arco
Figura 10.10 - Taxa de alimentação do arame versus corrente de soldagem para diferentes diâmetros de arames de alumínio em argônio
Para uma mesma corrente de soldagem a densidade da corrente é muito maior para eletrodos finos do que para eletrodos grossos, como mostra a figura 10.11. O efeito combinado da tensão do arco (ou tamanho do arco) com a corrente nos modos de transferência de metal é mostrado na figura 10.12. Torna-se óbvio que o modo spray é obtido com a menor corrente e uma fonte de baixa capacidade. Isso leva a um maior controle da posição de soldagem e melhoria na qualidade da solda.
Figura 10.11 - Densidades de corrente para diferentes diâmetros do eletrodo
Figura 10.12 - Efeito combinado da tensão do arco e da corrente no modo de transferência de metal no processo GMAW
Até aqui foi discutida a regra geral, mas para obter um panorama completo dos modos de transferência do metal é essencial o conhecimento do efeito da proteção do gás no material do eletrodo. Por exemplo: é quase impossível obter o modo spray utilizando eletrodo mais fino com dióxido de carbono como gás de proteção. O número de "gotas" transferidas do eletrodo para a poça de solda, é chamado de freqüência de transferência, freqüentemente decide a forma e a qualidade do cordão; menos de 20 gotas por segundo é considerado insatisfatório. A figura 10.13 mostram os efeitos das combinações gasosas mais utilizadas na freqüência de transferência.
