Apostila de Soldagem

INTRODUÇÃO A PROCESSOS E METALURGIA DA SOLDAGEM

Apostila 1.

Professor Dr. João Batista Fogagnolo

•Operação que visa obter a união de duas ou mais peças,

assegurando,

na

junta

soldada,

a

continuidade

de

propriedades físicas, químicas e metalúrgicas.

•Operação que visa obter a coalescência localizada

produzida

pelo

aquecimento

até

uma

temperatura

adequada, com ou sem aplicação de pressão e de metal de

adição (AWS – American Welding Society)

•Processo

de

união

de

materiais

baseado

no

estabelecimento, na região de contato entre os materiais

sendo unidos, de forças de ligação química de natureza

similar às atuantes no interior dos próprios materiais.

A primeira classificação dos processos de soldagem é

baseada no método dominante para produzir a união.

Soldagem por fusão

Classificação quanto à fonte de calor

Reação química

Arco elétrico

Soldagem oxi-gás

_{Eletrodo revestido}

TIG

MIG / MAG

ARCO SUBMERSO

Laser / Feixe de elétrons

Soldagem por pressão

ou deformação

soldagem por ultra-som

soldagem por fricção

soldagem por forjamento

soldagem por

resistência elétrica

Dada a importância dos processos de soldagem por fusão e, especialmente aqueles em que a fusão é obtida pela energia de um arco elétrico, será feita uma pequena introdução ao arco elétrico.

A Ionização é um processo químico mediante ao qual se produzem íons, espécies químicas eletricamente carregadas, pela perda ou ganho de elétrons a partir de átomos ou moléculas neutras:

onde M é um átomo ou molécula no estado gasoso.

A ionização ocorre quando um elétron localizado em uma órbita sai da influência do campo eletromagnético do átomo e torna-se um elétron livre. Quando um elétron recebe uma quantidade de energia, ele é forçado a subir para uma órbita de maior energia. Conforme a energia que o elétron recebe, ele pode sair da influência do campo eletromagnético do átomo e tornar-se um elétron livre. A energia necessária para retirar um elétron do campo eletromagnético do átomo é a energia de ionização. Quando ocorre o fenômeno de ionização, tem-se um elétron livre e um íon positivo, formando-se consequentemente um meio condutor de eletricidade. Um gás, após ser ionizado, constitui o plasma, ou seja, a matéria no estado plasmático.

A ionização é distinta da dissociação iônica, pois esta é o processo em que compostos iônicos tem seus íons separados:

Em um dia de tempestade, vemos muitos raios que caem sobre a terra. Trata-se de uma descarga elétrica que conduz eletricidade entre as nuvens e a terra. Como entre as nuvens e a terra existe ar, que é eletricamente neutro e, portanto, isolante elétrico, para que a descarga elétrica possa ocorrer, com a consequente condução de eletricidade, é preciso haver a ionização do gás.

de calor nos processos de soldagem a arco elétrico.

Como a mobilidade dos íons positivos é extremamente pequena quando comparada à dos elétrons livres, a produção de calor é causada basicamente pelo choque dos elétrons com átomos e íons positivos.

No caso de eletrodos consumíveis, há também o choque entre as cargas elétricas e os glóbulos de metal fundido gerados pela fusão do eletrodo.

O arco elétrico com eletrodo permanente é aproximadamente cônico e pode ser dividido em três regiões:

1 - Região anódica; 2 - Coluna de plasma; 3 - Região catódica.

A figura abaixo mostra esquema do arco elétrico, em escala atômica, na qual podemos ver que o arco elétrico (coluna de plasma) é constituído por elétrons livres, íons positivos, íons negativos e uma certa quantidade de átomos neutros. Apesar das cargas existentes, a coluna de plasma é eletricamente neutra.

Os elétrons são emitidos na região catódica (polo negativo) e acelerados para região anódica (polo positivo) através do campo elétrico

A todo arco elétrico está associada uma tensão elétrica. Há, portanto, uma queda de tensão ao longo do comprimento do arco elétrico. Esta queda de tensão tem intensidade diferentes nas distintas regiões do arco:

Queda de tensão catódica: 29.000 V/cm (valor estimado)

Queda de tensão na coluna do arco: 3 a 50 V/cm (valor estimado) Queda de tensão anódica: 1 a 25 V/cm. (valor estimado)

Serão agora apresentados os principais processos de fusão que utilizam

o arco elétrico como fonte de calor e são utilizados pela indústria

metal-mecânica.

• Soldagem com eletrodos revestidos (SMAW)

• Soldagem TIG (GTAW)

• Soldagem TIG (GTAW)

• Soldagem MIG MAG (GMAW)

• Soldagem com arame tubular (FCAW)

Histórico:

Inglaterra, 1885, Nikolas Bernardos e Stanislav Olszewsky registraram a primeira patente de um processo de soldagem, baseado em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada.

Em 1890, N.G. Slavianoff (Rússia) e Charles Coffin (EUA) desenvolveram, independentemente, a soldagem com eletrodo metálico nu.

Suécia, 1904, Oscar Kjellberg melhora o processo através de eletrodos revestidos com cal. Com isso, se consegue uma melhor abertura e maior estabilidade do arco.

Definição:

A soldagem com eletrodos revestidos é o processo de soldagem com arco, em que a união é produzida pelo calor do arco criado entre um eletrodo revestido e a peça a soldar.

Vantagens do processo

Trata-se de um processo versátil, pois adapta-se a materiais de diversas espessuras e em qualquer posição de trabalho.

O equipamento necessário tem com custo relativamente baixo.

Seu emprego é indicado tanto dentro da fabrica como em campo.

Atualmente é usado nas indústrias naval, ferroviária, automobilística, metal-mecânica e de construção civil.

É bastante usado para soldar aços-carbono, aços de baixa liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos, alumínio, cobre, níquel, etc.

Metais de baixo ponto de fusão, como Pb, Sn, Zn, e metais refratários ou muito reativos, como Ti, Zr, Mo, Nb, não são soldáveis por eletrodo revestido.

Limitações do processo

Trata-se de um processo MANUAL, estreitamente dependente da habilidade do soldador, o que implica em menor controle dos parâmetros de soldagem,

como corrente de soldagem.

Comparado a outros processos, apresenta baixa produtividade, pela sua baixa taxa de deposição e baixa taxa de ocupação do soldador (tempo com o arco aberto pelo tempo total de soldagem), que fica em torde de 40%.

Gera grande volume de gases e fumos durante o processo, o que o torna um processo condenado do ponto de vista da saúde do soldador.

Consúmivel do processo

O eletrodo revestido, que é constituído por:

• Alma ou núcleo metálico

• Revestimento

O eletrodo apresenta dimensões que variam de 1 a 8 mm de diâmetro e 350 a 470 mm de comprimento.

O diâmetro do eletrodo é fator limitante da faixa útil de corrente de soldagem, pois determina a densidade de corrente elétrica por unidade de área.

O limite máximo, que produz a corrente mínima para o processo, abaixo da qual se verifica a instabilidade do arco.

O limite mínimo produz a máxima corrente admissível no eletrodo. Eletrodos com diâmetros menores causariam grande aquecimento resistivo, degradando as propriedades do revestimento.

Quanto maior o diâmetro do eletrodo, maior a taxa de deposição e, portanto, maior a produtividade. O maior diâmetro utilizável é função da posição de soldagem, do tipo de chanfro e do tipo de revestimento.

Alma ou núcleo metálico

A alma do eletrodo pode ser ou não da mesma natureza do metal base, porque o revestimento, além da proteção, pode completar a sua composição química.

Exemplos:

Material a soldar: aço de baixo carbono e baixa liga.

Núcleo metálico utilizado: aço carbono.

Material a soldar: aço inoxidável.

Núcleo metálico utilizado: aço baixo carbono ou aço inoxidável.

Material a soldar: ferro fundido.

Núcleo metálico utilizado: níquel puro, liga de ferro-níquel, ferro fundido, aço.

Funcões do revestimento:

• Estabilizar o arco elétrico.

O revestimento possui elementos estabilizadores de arco, que se dissociam no arco, gerando gases com baixo potencial de ionização. São exemplos de estabilizadores de arco:

carbonato de bário, potássio, lítio, zircônio, silicato de potássio, titanato de potássio, rutilo (TiO₂)

• Proteger contra a ação da atmosfera, através da geração de gases e da

formação da camada de escória.

Elementos contidos no revestimento (Dextrina, carbonatos, celulose) queimam ou se dissociam (carbonato de cálcio) com o calor do arco elétrico, e geram gases como CO, CO₂ e H₂, que formam a atmosfera protetora para evitar a oxidação do cordão de solda.

Carbonatos, especialmente CaCO₃, fornecem atmosfera protetora com sua decomposição.

CaCO₃+ calor → CaO + CO₂

Nota: o hidrogênio, apesar de proteger o cordão de solda da oxidação, é altamente solúvel no metal líquido e causa suscetibilidade a trincas a frio.

• Reduzir a velocidade de resfriamento do cordão de solda, por meio da formação

da camada de escória, que é uma camada líquida, geralmente impermeável ao oxigênio, que flutua sobre o banho sem reagir com o mesmo.

Além de reduzir a velocidade de resfriamento do cordão de solda, o que possibilita maior possibilidade de escape de bolhas, evitando a formação de porosidade, a escória protege contra a oxidação, retira oxigênio do banho por ação redutora, evitando porosidade, controla o contorno, a uniformidade e a aparência geral do cordão de solda.

Funcões do revestimento: (continuação)

• Refino metalúrgico, por meio de desgaseificação, desoxidação, dessulforação, e etc.

Os desoxidantes retiram oxigênio do banho por ação redutora, evitando porosidade. Ferro-silício e ferro-manganês são os mais utilizados.

• Facilitar a soldagem em diversas posições de trabalho, pelo poder de concentrar e direcionar o arco-elétrico, guiando as gotas de fusão na direção da poça de fusão, com consequente redução do nível de respingos.

• Introduzir elementos de liga no cordão de solda.

• Isolar eletricamente na soldagem de chanfros estreitos de difícil acesso, para evitar que o arco se forme em posições indesejadas.

• Aumentar a taxa de deposição, com o uso de pó de ferro misturado ao revestimento, o que aumenta a taxa de deposição e o rendimento do eletrodo.

• Dissolver óxidos e contaminações na superfície da junta.

Aglomerantes e Plastificantes também compõem o revestimento, e têm como

função formar uma massa plástica durante a fabricação do eletrodo que torna possível sua extrusão, além de tornar o revestimento não inflamável e evitar sua

GRUPOS DE REVESTIMENTOS DE ELETRODOS

Os revestimentos para soldagem a arco, denominados de fluxos nos processos de soldagem com arame tubular e arco submerso, são agrupados de acordo com sua composição: • Oxidante • Ácido • Rutílico • Celulósico • Básico

Os revestimentos oxidantes, pouco usados atualmente, são compostos basicamente de óxido de ferro e manganês.

A escória produzida é abundante e fácil de destacar, com caráter oxidante.

Produz um cordão com baixo teor de carbono e manganês, baixa penetração e boa aparência.

Pode ser usado em corrente contínua (CC) ou alternada (CA). As propriedades resultantes da junta soldada são inadequadas para aplicações de responsabilidade.

Os revestimentos ácidos são uma evolução dos revestimentos oxidantes, modificados a adição de sílica (dióxido de silício, SiO₂)

Seu uso resulta em cordões com boa aparência. com penetração média e propriedades mecânicas melhores na junta soldada, quando comparados com os revestimentos oxidantes.

A escória produzida é abundante e fácil de destacar, porém porosa. Também pode ser usado em CC ou CA

As desvantagens dos revestimentos ácidos são:

Promove uma alta taxa de fusão, o que resulta em uma poça de fusão volumosa e limita a aplicação desse grupo de revestimento às posições plana e horizontal.

O cordão de solda produzido é susceptível a trincas de solidificação. Neste aspecto, este grupo é o pior entre os tipos de revestimento.

O cordão de solda produzido possui alto teor de inclusões de óxidos e materiais não-metálicos, o que é negativo para a ductilidade e tenacidade da solda. Por isso, este tipo de revestimento não é recomendado para a soldagem de aços com mais que 0,25% C e 0,05% S.

Os revestimentos rutílicos são fabricados com areia de rutilo (óxido de titânio, TiO₂) ou ilmenita (óxido de ferro e titânio, FeTiO₃). Possuem mais de 20% destes óxidos em sua composição, daí o nome deste grupo de revestimento.

O uso deste grupo de revestimento proporciona alta estabilidade do arco elétrico, que permite a soldagem em tensões mais baixas. O cordão de solda tem bom aspecto superficial, com baixa quantidade de respingos.

O rutilo reduz a viscosidade da escória e reduz seu intervalo de solidificação; a escória produzida é abundante, densa e fácil de destacar.

Também pode ser usado em CC ou CA, além disso, solda em qualquer posição. O cordão de solda apresenta penetração média, tendendo a baixa, e é susceptível a trincas a quente.

Os revestimentos celulósicos são assim denominados por possuírem grande quantidade de material orgânico, especialmente celulose, em sua composição.

Durante a queima, ocorre oxidação da celulose, segundo a reação:

2 C₆H₁₀O₅+ 7 O₂→ 12 CO₂+ 10 H₂

O que gera uma atmosfera redutora que protege a poça de soldagem.

Dada a presença de hidrogênio, o nível deste gás no banho pode ser elevado, aumentando a tendência de formação de trincas a frio. Exceto a fragilização pelo hidrogênio, as propriedades mecânicas da solda são boas.

A escoria formada é fina e solidifica-se rapidamente. A taxa de deposição é baixa, o que resulta em poça de fusão pouco volumosa. Estas características permite a soldagem fora de posição.

Em comparação com outros tipos de revestimentos, a tensão do arco é alta, o que confere alta energia do arco e alta penetração do cordão de solda. Porém, o volume de respingos é alto e o aspecto do cordão de solda é ruim.

A alta penetração, a baixa taxa de deposição e o alto volume de respingos fazem seu uso inadequado para o enchimento de chanfros.

Os revestimentos básicos possuem carbonato de cálcio (CaCO₃) em sua composição. Com o calor do arco elétrico, o carbonato de cálcio se decompõe em óxido de cálcio (CaO) e dióxido de carbono (CO₂):

CaCO₃+ calor → CaO + CO₂

O dióxido de carbono torna redutora a atmosfera, sem a presença de hidrogênio. O óxido de cálcio torna a escória básica, daí a denominação deste grupo de revestimento.

Escória básica permite a redução de compostos óxidos do banho, a eliminação de sulfetos e enxofre (dessulforação), o que reduz o problema de trincas de solidificação. Desta forma, produz soldas com os mais baixos teores de inclusões que qualquer outro tipo de revestimento, resultando em maior tenacidade do cordão.

O baixo teor de hidrogênio (este grupo não possui componentes orgânicos em sua composição) promove soldas com menor susceptibilidade a trincas a frio.

A alta tenacidade do cordão e a baixa susceptibilidade a trincas a frio fazem deste grupo de revestimento a melhor opção em aplicações de alta responsabilidade mecânica, soldagem de grandes espessuras, estruturas de alta rigidez e soldagem de aços de baixa soldabilidade (alto teor de carbono e enxofre).

A baixa tendência de oxidar metais durante a transferência no arco torna este revestimento o mais adequado para a soldagem de aços-ligas e ligas não-ferrosas.

Bastante higroscópico, este revestimento requer secagem e manutenção cuidadosas para assegurar baixo teor de hidrogênio no metal depositado.

Eletrodos deste grupo podem ser usados CA e CC direta, soldam em todas as posições e o cordão de solda tem penetração média.

GRUPOS DE REVESTIMENTOS DE ELETRODOS RESUMO

Celulósico Rutílico Ácido Básico

Componentes Materiais orgânicos Óxido de titânio óxidos de ferro óxidos de manganês sílica carbonato de cálcio e fluorita Posição de soldagem

todas todas plana e

horizontal

todas

Tipo de corrente CC ou CA CC ou CA CC ou CA CC ou CA Propriedades

mecânicas

boas razoáveis razoáveis muito boas

Penetração alta baixa a média média média

Escória Pouca Fácil remoção abundante densa fácil de destacar Ácida abundante porosa fácil de destacar compacta espessa fácil de destacar Tendência a trinca

regular regular alta baixa

alta penetração aspecto ruim arco estável aspecto bom melhores propriedades

CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A NORMALIZAÇÃO (AWS)

A AWS (American Welding Society) especifica, através de normas técnicas, os eletrodos revestido para o processo de soldagem, recuperação e goivagem.

CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A NORMALIZAÇÃO (AWS)

Como exemplo, a norma AWS 5.1, que especifica os eletrodos revestidos para a soldagem de aços-carbono, adota o seguinte formato:

CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A NORMALIZAÇÃO (AWS)

Exemplos de eletrodos revestidos:

EE 6010

Eletrodo com 60.000 psi, com revestimento celulósico, indicado soldagem em CC+, em todas as posições, bastante usado na soldagem de aço baixo carbono, soldagem na posição vertical e com abertura de raiz.

EE 7018

Eletrodo com 70.000 psi, com revestimento básico, indicado soldagem em CC+ ou CA, em todas as posições, bastante usado na soldagem de vasos de pressão, aços com alta resistência, aços de difícil soldagem ou aços com alto teor de carbono.

Fatores a ser considerados na seleção de um eletrodo revestido:

Tipo do metal de base. Por exemplo, na soldagem de aços carbono ou aços de baixo

carbono, ou seja, aços com teor de carbono inferior a 0,30%, são geralmente empregados eletrodos revestidos de alma de aço doce (aço com teor de carbono entre 0,15 e 0,30%). Nestes casos, a resistência à tração do metal de solda normalmente excede a resistência à tração do metal de base.

Posição de soldagem. A seleção de eletrodo para soldagem deve prever a posição de

soldagem. As posições plana e horizontal admtem correntes de solda-gem mais altas maiores taxas de deposição

Equipamento disponível. Tipo de fonte de energia, CA ou CC.

Espessura da chapa. Para a soldagem de chapas finas, são necessários eletrodos de

baixa penetração, enquanto a soldagem de chapas mais espessas exige eletrodos com alta penetração. Para passe de raiz, são preferíveis eletrodos de maior penetração, enquanto eletrodos com alta taxa de deposição são mais adequados para passes subsequentes . .

Cuidados necessários com os eletrodos

Os eletrodos devem ser mantidos livres de umidade, fonte de hidrogênio e oxigênio para o cordão de solda. Os eletrodos são fornecidos em embalagens fechadas. Uma vez aberta a embalagem, os eletrodos devem ser guardados em estufas.

Choque ou dobramento podem comprometer o revestimento. Siga sempre as instruções do fabricantes.

Equipamentos

O equipamento básico para o processo de soldagem com eletrodo revestido inclui:

• Uma fonte de energia.

• Porta-eletrodo para fixação do eletrodo e transmissão de eletricidade.

• Grampo de retorno, preso à peça ou a tampa condutora da mesa sobre a qual está a peça.

• Cabos ou condutores: levam a corrente elétrica da fonte ao porta-eletrodo e do grampo de retorno para a fonte. Geralmente são de alumínio ou cobre. São selecionados com base na corrente de soldagem, no ciclo de trabalho da fonte e no comprimento total do circuito.

Fontes de Energia:

O processo de soldagem ao arco necessita de fontes de energia que fornecem os valores de tensão e corrente adequados a sua execução.

A fonte deve transformar a energia da rede, que é de alta tensão e baixa corrente em energia de soldagem, que é de baixa tensão e alta corrente.

A fonte deve também oferecer uma corrente estável e a possibilidade de regular a tensão e a corrente elétrica.

O processo de soldagem a arco com eletrodo revestido pode operar com corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC).

A CA tem como vantagem a menor queda de tensão ao longo do cabo de ligação, vantagem decisiva para a soldagem à distância. Também apresenta menor (desvio do arco elétrico)

Já a CC apresenta maior estabilidade do arco e maior qualidade de depósito. A maioria das soldagens a arco com eletrodo revestido é feita com corrente contínua.

O uso de fontes de corrente contínua possibilita dois arranjos distintos. Quando conectados o eletrodo no polo negativo e a peça no polo positivo, temos a configuração CC- ou corrente contínua com polaridade direta (CCPD), que oferece maior taxa de fusão do eletrodo.

Quando conectados o eletrodo no polo positivo e a peça no polo negativo, temos a configuração CC+ ou corrente contínua com polaridade inversa (CCPI), o que resulta em maior penetração do cordão de solda.

Fontes de Energia:

Fontes de corrente alternada geralmente são transformadores, que possuem com configuração mais simples e de menor custo de investimento inicial, de operação e manutenção.

As fontes de corrente contínua podem ser:

1 – Geradores, geralmente usados em trabalhos em canteiros de obras, especialmente onde não se dispõe de um suprimento elétrico adequado.

2 – Transformadores-retificadores, que são vantajosos em relação aos geradores devido ao menor custo de operação e manutenção, com operação mais silenciosa.

Equipamentos assessórios:

Picadeira: espécie de martelo em que um dos lados termina em ponta e o outro em forma de talhadeira. Serve para retirar a escoria e os respingos.

Escova de fios: serva para a limpeza do cordão de solda.

Equipamentos de proteção individual: luvas, aventais, máscaras, botas de segurança, perneira e gorro.

ETAPAS DO PROCESSO

1. Preparação do material que deve ser isento de graxa, óleo, óxidos, tintas, etc.; 2. Preparação da junta;

3. Preparação do equipamento; 4. Abertura do arco elétrico; 5. Execução do cordão de solda; 6. Extinção do arco elétrico; 7. Remoção da escória.

O conjunto das etapas 4, 5, 6 e que produz o cordão de solda é chamado de passe. Dependendo do tipo de junta a ser soldada, estas etapas devem ser repetidas quantas vezes for necessário para a realização do trabalho.

Principais variáveis da operação de soldagem com eletrodos revestidos

• Diâmetro do eletrodo

• O diâmetro do eletrodo determina a faixa de corrente de soldagem. Um eletrodo excessivamente largo resulta em uma corrente mínima muito alta, o que pode ocasionar perfuração da peça.

• Na soldagem fora de posição, são necessários eletrodos de menor diâmetro, visando a obtenção de uma poça menos volumosa.

• Na soldagem em chanfro, devem ser consideradas as dimensões do chanfro para a seleção do diâmetro do eletrodo.

• Em passe de raiz, busca-se um diâmetro pequeno para permitir alcance da raiz.

• Levando-se em conta questões econômicas, deve-se selecionar o maior diâmetro possível, tendo como limite metalúrgico a alta energia de soldagem, que irá ocasionar uma grande zona termicamente afetada.

• Corrente de soldagem

A corrente de soldagem determina a taxa de deposição, a penetração, a largura e altura da solda. Quanto maior a corrente de soldagem, maior a taxa de deposição, maior a penetração e a largura do cordão de solda. Sua influência sobre a altura do cordão de solda é menor.

Corrente de soldagem muito elevada causa poça de fusão grande, dificultando o controle do processo. Também ocorre degradação do revestimento, respingos excessivos e perda de propriedades mecânicas pela maior zona termicamente afetada.

A corrente de soldagem depende: • da posição de soldagem

• Para soldagem na posição plana devem ser empregadas correntes próximas ao valor máximo.

• Para soldagem fora de posição, correntes próximas ao valor mínimo são desejáveis para evitar poça de fusão volumosa.

• tipo e diâmetro da alma do eletrodo

• Diâmetros excessivamente grandes resultam em correntes inferiores à mínima, causando instabilidade do arco e aquecimento insuficiente na junta.

• Diâmetros excessivamente pequenos resultam em correntes superiores à máxima, causando aquecimento excessivo do revestimento.

• tipo e espessura do revestimento

• Eletrodos isentos de produtos orgânicos suportam correntes mais altas.

A tabela abaixo mostra como a faixa de corrente utilizável varia com o diâmetro do eletrodo e o tipo de revestimento.

• Polaridade

Polaridade direta (CC-): Maior taxa de fusão do eletrodo Polaridade inversa (CC+): Maior penetração

Corrente alternada (CA): Menor sopro magnético

• Tensão de soldagem

A tensão no arco depende de fatores que são pouco controlados, como:

• Distância entre o eletrodo e a peça. Devido à realização manual do processo, não pode ser controlada com precisão.

• A transferência dos glóbulos causa variação no comprimento do arco e consequentemente na tensão.

Quanto maior o diâmetro do eletrodo, maior será a tensão do arco. Quanto maior a corrente de soldagem, maior será a tensão do arco. Quanto maior o comprimento do arco, maior será a tensão do arco.

A tensão em vazio (V₀) é a tensão que a fonte oferece quando o arco está fechado. É a diferença de potencial necessária para dar origem ao arco e seu valor varia entre 50 a 100 volts.

Valores elevados de tensão facilitam a abertura do arco e a reignição, quano se trabalho com CA.

A tensão de soldagem (V_s) é a tensão que a fonte supre quando o arco está aberto. Seu valor varia entre 15 a 36 volts.

• Comprimento do arco

Comprimento do arco muito pequeno pode causar interrupções frequentes, pois o eletrodo pode aderir (grudar) na peça, cordões estreitos e com concavidades pronunciada (reforço excessivo).

Comprimento do arco muito grande, por sua vez, podem produzir um arco sem direção, uma maior quantidade de respingos e proteção deficiente, o que pode resultar em porosidade no cordão de solda.

A faixa ideal de valores para o comprimento do arco é função do diâmetro do eletrodo: 0,5 a 1,1 vezes o diâmetro do eletrodo

• Velocidade de soldagem

Trata-se de um parâmetro com controle impreciso, devido ao caráter manual do processo. Idealmente, a velocidade de soldagem deve ser escolhida de modo que o arco fique ligeiramente à frente da poça de fusão.

A velocidade de soldagem influencia a largura e altura do cordão de soldagem. Quanto maior a velocidade de soldagem, menor a altura e a largura do cordão. Velocidades muito altas produzem cordões estreitos, com baixa penetração, mordeduras e uma escória de difícil remoção. Por outro lado, velocidades muito baixas produzem cordões largos, penetração e reforço excessivos.

• Abertura do arco

O eletrodo deve tocar a superfície da peça, preferencialmente em uma região a ser fundida e próxima do início do cordão, pois a abertura do arco em outra posição causa marcas, que podem constituir concentradores de tensão.

Uma vez iniciado o arco, o eletrodo deve ser afastado da peça e o comprimento do arco deve ser mantido o mais constante possível.

• Manipulação do eletrodo

O eletrodo deve realizar um movimento de mergulho em direção à peça, para compensar o consumo do eletrodo e manter constante o comprimento do arco. Também deve realizar um movimento de translação, deslocando-se ao longo da junta, preferencialmente com velocidade constante.

Também deve realizar um movimento de tecimento, ou seja, um deslocamento lateral em relação ao eixo da solda, visando obter um cordão mais largo, garantir a fusão das paredes do chanfro, fazer flutuar a escória. Este movimento não deve exceder três vezes o diâmetro do eletrodo.

O posicionamento do eletrodo e os movimentos de mergulho e translação devem evitar que a escória flua à frente do eletrodo, ficando parte dela aprisionada e resultando em formação de inclusão não metálica no cordão de solda.

O posicionamento do eletrodo e os movimentos de mergulho e translação devem evitar que a escória flua à frente do eletrodo, ficando parte dela aprisionada e resultando em formação de inclusão não metálica no cordão de solda.

Estes movimentos também devem controlar a repartição do calor nas peças e facilitar a visualização da peça

• Remoção de escória

Após cada passe, a escória produzida deve ser retirada. O grau de dificuldade da remoção da escória depende da geometria do cordão, movimentação correta do eletrodo durante deposição, das dimensões do chanfro e do tipo de revestimento, sendo isso um dos critérios de seleção de tipo de revestimento. A remoção parcial da escória produz cordões de solda com inclusões de óxidos, comprometendo as propriedades mecânicas da junta soldada.

do arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de tungstênio não-consumível e as peças a serem unidas.

A proteção contra contaminação pela atmosfera é realizada por uma nuvem de gás inerte aplicado por um bocal junto ao eletrodo.

GTAW é a sigla internacional que significa “Gas Tunsten Arc Welding”, ou Soldagem a

Arco com Proteção Gasosa e Eletrodo de Tungstênio.

TIG é a abreviatura de “Tungsten Inert Gas”, que faz referência ao eletrodo de tungstênio e o gás inerte utilizados no processo.

Desenvolvido no início dos anos 40 para atender a indústria aeroespacial, o processo TIG é mais adequado para soldar ligas não ferrosas e juntas que precisem de bom acabamento na raiz. Aplicável à maioria dos metais e suas ligas numa ampla faixa de espessuras, é um processo bastante utilizado nas ligas de alumínio, magnésio, titânio e aços inoxidáveis.

Assim como a soldagem a gás, o processo de soldagem TIG permite a soldagem sem utilização de metal de adição – soldagem autógena.

O processo TIG permite um controle independente da fonte de calor e do metal de adição, resultando em um excelente controle da energia transferida para a peça. Como utiliza gás inerte para a proteção contra a oxidação pela atmosfera, não ocorrem reações entre o metal fundido e o gás de proteção, não há formação de escória e tampouco há formação de fumos, o que confere ótima visibilidade para o soldador. Não há a necessidade do trabalho de remoção da escória entre os passes. A soldagem é “limpa”, resultando em um cordão de solda com boa aparência e

ligas reativas, metais não-ferrosos, aços inoxidáveis. Devido ao excelente controlo do calor fornecido à peça, o passe de raiz em soldagem de alta responsabilidade é feito com este processo.

O processo de soldagem TIG pode ser realizado em qualquer posição, é manual, mas pode ser mecanizado ou automatizado. A soldagem TIG manual é uma das que requer maior treinamento e habilidade do soldador. Nos processos mecanizados ou automatizados não existe a necessidade de um soldador, apenas de um operador, que entretanto deve conhecer bem a técnica para identificar possíveis problemas. As principais vantagens do processo são:

•Produz soldas de alta qualidade; •Solda a maioria dos metais e ligas; •Produz poça de fusão calma;

•A fonte de calor é concentrada, minimizando a ZTA (zona termicamente afetada) e as distorções.

As principais limitações do processo são: •Processo com baixa taxa de deposição;

•Impossibilidade de soldagem em locais com corrente de ar; •Possibilidade de inclusão de tungstênio na solda;

•Emissão intensa de radiação ultravioleta.

EQUIPAMENTO BÁSICO

O equipamento básico do processo TiG inclui: • Fonte de energia elétrica

• Tocha de soldagem

• Eletrodo para a abertura do arco • Fonte de gás protetor

O equipamento básico do processo TiG

FONTE DE ENERGIA

O processo TIG utiliza fontes de energia tipo CA e CC. Fontes do tipo CC são adequadas à soldagem de aços carbono, inox, ferramenta, titânio, cobre, enquanto que as fontes tipo CA são usadas na soldagem de alumínio, magnésio, latão e bronze.

De forma geral, estas fontes podem gerar corretes que vão de 5 A, para a soldagem de peças pequenas, até valores de corrente entre 200 e 500 A.

Existem no mercado e são empregados como fonte de energia para o processo de soldagem TIG os seguintes equipamentos:

• Transformador que fornece corrente alternada

• Transformador / retificador de corrente contínua.

• Fonte de corrente pulsada

• Fontes que podem fornecer corrente contínua ou alternada.

Durante a soldagem, a tocha tem de ser resfriada, e esta refrigeração pode ser feita pelo próprio gás de proteção em tochas de capacidade de até 150 A, ou por um circuito de água corrente, em tochas de capacidade entre 150 e 500 A.

Alguns acessórios para a tocha são úteis para o processo de soldagem. O Gas lens, ou lente de gás, é uma tela com malha bem fina que é colocada entre o eletrodo e o bocal, para garantir o fluxo laminar de gás.

O trailing shields é um segundo bocal para a saída de gás, utilizado para proteger uma área maior do cordão durante o pós-resfriamento, bastante útil para a soldagem de materiais muito reativos, como o titânio.

A função da tocha de soldagem é suportar o eletrodo de tungstênio e conduzir o gás de proteção à poça. Para isso ela é dotada de uma pinça para segurar o eletrodo e fazer o contato elétrico, e um bocal, que pode ser cerâmico ou metálico, para direcionar o fluxo de gás

EQUIPAMENTOS ESPECÍFICOS Dispositivos para abertura de arco

Como o arco elétrico não pode ser aberto pelo contato entre o eletrodo e a peça no processo TIG, faz-se necessário um ignitor de alta frequência (mais usado) para a abertura do arco elétrico, que gera um sinal de alta tensão, em torno de 3 kV, e alta frequência, em torno de 5 kHz, e produz a ionização da coluna de gás entre o eletrodo e a peça. Sua baixa potência característica confere menor risco ao operador.

Alimentadores

Trata-se de um dispositivo para o fornecimento mecanizado do metal de adição, em processos mecanizados ou automatizados de soldagem, com o objetivo de aumentar a produtividade e reprodutibilidade do processo.

Os alimentadores são de dois tipos:

Ignitor de alta frequência

Alimentador de arame Cold Wire (arame

frio): o arame é alimentado na tempe-ratura ambiente. Uso na soldagem de aço carbono, aço inox, alumínio, cobre e ligas de cobalto para revestimento.

Alimentador de arame Hot Wire

O arame é alimentado pré-aquecido por resistência elétrica, utilizando-se corrente alternada. Este modo oferece maiores taxas de deposição com velocidades de soldagem mais altas em relação ao cold wire. Normalmente é utilizado na posição plana para aumento da taxa de deposição.

O processo Hot Wire é empregado com sucesso em cladding e na soldagem de aços inoxidáveis, ligas de níquel e de cobre e titânio.

A velocidade de alimentação do arame influência nas características do cordão de solda. Maiores velocidades resultam em cordões de solda com menor penetração e perfis mais convexos, enquanto menores velocidades de alimentação aumentam a penetração e produzem um cordão com perfil mais achatado.

Dispositivos para automação

A soldagem TIG na condição automatizada exige acessórios de vital importância, os quais podem ser citados:

• Dispositivos seguidores automáticos de juntas • Mecanismos osciladores da tocha

• Monitoramento de soldagem por imagem de vídeo com controle automático da trajetória da soldagem.

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

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-

•

C/C+

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.

O equipamento para soldagem MIG/MAG tem um custo 5 a 10 vezes maior que o equipamento necessário para execução da soldagem por eletrodo revestido. Exige mais cuidados de manutenção no decorrer de sua vida útil. Estes custos, no entanto, são compensados pela maior produtividade de processo.

• Fonte de energia elétrica

• Sistema de alimentação do eletrodo em forma de bobina de arame. • Tocha de soldagem

• Eletrodo para a abertura do arco • Fonte de gás protetor

• Unidade para circulação de água para refrigeração da tocha, quando necessário.

Fonte de energia

O processo MIG/MAG utiliza fontes de energia do tipo corrente contínua ou corrente contínua pulsada.

Podem ser utilizados um transformador-retificador de corrente contínua ou um gerador. A tensão de saída varia entre 18 e 50V.

de corrente constante. Enquanto as fontes de potencial constante permite a

autorregularem para manter o comprimento do arco constante, as fontes de corrente constante proporciona velocidade de fusão do arame praticamente constante. As fontes de potencial constante apresenta uma pequena queda na tensão (∆V) (tensão de soldagem) com o aumento da corrente (∆A), conforme mostra o gráfico à direita da figura abaixo. Já as fontes de corrente constante (gráfico à esquerda) apresentam uma variação pequena da corrente (∆A) com a variação da tensão de soldagem (∆V). Este tema será retomado mais adiante.

Sistema alimentador do eletrodo

O sistema alimentador do eletrodo é acionado por um motor de corrente contínua independente da fonte. A velocidade de alimentação do arame está diretamente relacionada à intensidade da corrente de soldagem fornecida pela máquina de solda. Para ser movimentado, o eletrodo é passado por um conjunto de roletes de alimentação, que pode estar próximo ou afastado da tocha de soldagem.

• Envolver o arco e a poça de fusão com o gás de proteção.

A tocha de soldagem consiste de:

A tocha de soldagem pode ser refrigerada pelo próprio gás de proteção que conduz ou por água. Correntes de trabalho acima de 220 A e ciclos de trabalho A tocha de soldagem conduz

simul-taneamente o eletrodo, a energia elétrica e o gás de proteção, a fim de produzir o arco de soldagem. São funções da tocha:

• Guiar o eletrodo de modo que o arco fique alinhado com a junta a ser soldada.

• Fornecer a corrente de soldagem ao eletrodo.

•Bico de contato, que energiza o arame-eletrodo. Trata-se de um tubo à base de cobre, com diâmetro interno ligeiramente superior ao diâmetro do eletrodo.

•Bocal que orienta o fluxo de gás, feito em cobre ou material cerâmico.

•Gatilho de acionamento do sistema, ou seja, abre o circuito, aciona o alimentador do arame e comanda o fluxo de gás.

Cilindro de gás ou mistura de gases de proteção dotado de regulador de pressão (manômetro) e/ou vazão (fluxômetro).

Consumíveis

Os consumíveis utilizados no processo de soldagem MIG/MAG são: • Eletrodo ou arame ou metal de adição,

• Gás de proteção,

• Líquido para proteção da tocha e das regiões adjacentes à solda contra a adesão de respingos.

Eletrodo ou metal de adição

Manômetro

Regulador de pressão com fluxômetro

Os eletrodos são fornecidos em bobinas com diâmetro que varia de 0,8 a 3,4 mm. O diâmetro do eletrodo será função da espessura da peça e da corrente usada na soldagem.

superfície e dimensões são normalizadas pela AWS.

O quadro ao lado lista as especi-ficações para cada tipo de classe de material a ser soldado. Geralmente, o eletrodo possui composição similar à do metal base. Por exemplo, na soldagem de aço com baixo teor em carbono se utilizam eletrodos cccc

com composição similar à do metal base, com a adição dos elementos desoxidantes, silício e manganês. Arames usados com proteção de CO₂ contêm maiores teores de silício e manganês, visando maior ação desoxidante para compensar oxidação do gás.

Para a soldagem de aços inoxidáveis, são usados eletrodos com alma de aço inoxidável. Os mais comuns são:

Para a soldagem do alumínio, são usados eletrodos com alma de alumínio puro ou ligado com Si, Mg ou Mn.

%C %Si %Mn %Ni %Cr

ER308 0,019 0,46 1,72 10,10 20,80

ER308LSi 0,016 0,85 1,65 10,00 20,65

ER410 0,11 0,39 0,45 - 12,5

%Al %Mn %Zn %Cu %(Si+Fe)

ER1100 99,5 0,05 max 0,10 max 0,05-0,20 0,95 max

As normas AWS adotam o seguinte formato para arames utilizados em processos de soldagem TIG, MIG, MAG e arco submerso :

Cuidados especiais

•Os eletrodos devem ser armazenados em um local limpo e seco para evitar umidade.

•A bobina deve retornar a embalagem original quando não estiver em uso, para evitar a contaminação pelas partículas presentes no ambiente.

reativos, como alumínio, magnésio e titânio. Gases ativos (uso de CO₂puro ou com adições de oxigênio ou argônio) são usados na soldagem de aços carbono e baixa liga.

As vantagens do uso de gases ativos são: • Baixo custo;

• Maior estabilidade do arco • Maior velocidade de soldagem • Maior penetração

O gás de proteção influencia:

• As características do arco;

• O tipo de transferência do metal; • A penetração;

• A largura e o formato do cordão de solda; • A velocidade máxima da soldagem

• Tendência ao aparecimento de mordeduras • O custo.

Hélio e CO₂, devido a seus maiores potenciais de ionização, propiciam maiores tensão no arco (maiores quedas de tensão), o que gera mais calor no arco. Assim, estes gases são utilizados na soldagem de peças com maiores espessuras e materiais com maiores condutibilidades térmicas. Estes gases produzem soldas com perfis mais largos.

Argônio. Devido ao baixo potencial de ionização, conforme já

mostrado, propicia um arco estável com excelente condução elétrica e alta densidade de corrente, o que concentra a energia do arco em uma pequena área, resultando em um perfil de penetração profundo, denominado perfil dediforme – em forma dedo.

Pequenos teores de gases ativos adicionados ao gás inerte tem as seguintes funções:

• Mudar o contorno do cordão; • Aumentar a penetração; • Diminuir a quantidade de • respingos.

A figura abaixo mostra o efeito da adição de 5% de oxigênio sobre a soldagem de chapas de aço carbono. Obtém-se um cordão mais estreito e com menor quantidade de respingos.

Teores mais altos de gases ativos com inertes, em diferentes proporções, permitem a soldagem com melhor estabilidade de arco nos metais ferrosos. A figura abaixo mostra esquema do efeito do gás de proteção sobre o contorno e a penetração do cordão de solda.

influenciam o processo de soldagem MIG/MAG.

A tabela abaixo lista os gases ou combinações de gases, seus comportamentos químicos e suas aplicações.

Polaridade

A tensão de soldagem também afeta o formato do cordão de solda. Tensões elevadas produzem cordões mais largos com maior quantidade de respingos; tensões baixas, por outro lado, resultam em arco menos estável e maior absorção A polaridade mais indicada para a

soldagem MIG / MAG é a polari-dade inversa (CC+).

Com o uso da polaridade direta (CC-), ocorre a repulsão da gota causada pelas forças dos jatos de plasma e de vapor metálico. A gota é empurrada para cima e desviada de sua trajetória normal, tornando instável a transferência do metal.

Tensão de soldagem

A tensão do arco é a tensão entre a extremidade do arame e a peça.

Devido às quedas de tensão encontradas no sistema de soldagem, a tensão do arco não pode ser lida diretamente do voltímetro da fonte. A tensão no arco é diretamente proporcional ao comprimento do arco, ou seja, quanto maior o comprimento do arco, maior a tensão do arco.

A corrente de soldagem pode ser medida na saída da fonte (amperagem), quando a solda está sendo realizada. Normalmente há um indicador de amperagem na fonte.

Cada arame então possui um intervalo de correntes, que é função do diâmetro do eletrodo. Eletrodos com maiores diâmetros exigem maiores correntes para uma determinada velocidade de alimentação. A tabela abaixo relaciona, para diversos materiais de eletrodo, os diâmetros e faixas de correntes utilizáveis.

A corrente de soldagem está diretamente relacionada à velocidade de alimentação do arame, no processo de soldagem MIG/MAG. Esta relação é denominada de característica de

queima. Cada tipo de arame de

soldagem possui sua característica de queima, conforme figura ao lado.