Inovação do Processo MIG/MAG – Análise de Produtividade e Emissão de Fumos
Tobias Manuel Vilas-Boas Rosado
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Professor Doutor Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva Orientadora: Professora Doutora Maria Luísa Coutinho Gomes de Almeida Co-orientadora Professora Doutora Inês Da Fonseca Pestana Ascenso Pires Vogal: Professora Doutora Rosa Maria Mendes Miranda
Setembro de 2008
I
“Experience is one thing you can't get for nothing.”
Oscar Wilde
II
Resumo
Numa indústria cada vez mais competitiva existe sempre uma constante procura de novas soluções, onde um balanço entre a produtividade, qualidade, custos e segurança está sempre presente. Com o aparecimento de novos processos de soldadura surgem também novas soluções sobre situações específicas, que foram abordadas neste trabalho.
Neste trabalho novos processos de soldadura foram estudados, processos que derivam da soldadura MIG/MAG: FastRoot, Surface Tension Transfer (STT) and Cold Metal Transfer (CMT). Estes processos foram analisados através do estudo das suas formas de onda e através do estudo das soldaduras realizadas. Este trabalho incidiu sobre dois temas, a produtividade do processo de soldadura MIG/MAG, e os fumos que resultam do processo de soldadura MIG/MAG.
O presente trabalho pretende não só estudar estes processos, mas mostrá-los de uma forma mais profunda, confirmando ao mesmo tempo algumas das vantagens associadas a estes processos.
Palavras-chave
Soldadura Produtividade MIG/MAG FastRoot CMT STT
Fumos de Soldadura
III
Abstract
In a more competitive industry there is a constant search for new solutions, where a balance between productivity, quality, costs and safety is always present. In metal working companies where welding is significantly used the solution includes specific situations that this work approached.
In this work new welding processes were studied, processes that are derivatives from the traditional MIG/MAG process: FastRoot, Surface Tension Transfer (STT) and Cold Metal Transfer (CMT). These processes were analyzed through the study of its wave forms and through the study of the welds performed. This work approached two subjects, the productivity of the welding processes, and the fume formation that results from those welding processes.
The present work pretends not only to study these processes but also show them in a more profound way, confirming at the same time some of the advantages associated with those welding processes.
Keywords
Welding Productivity MIG/MAG FastRoot CMT STT
Welding Fume Formation
IV
Agradecimentos
Gostaria de expressar a minha profunda gratidão à minha orientadora, Professora Luísa Coutinho, e co-orientadora, Professora Inês Pires, pelo seu apoio moral e científico, ao longo de todo o trabalho.
Gostaria de agradecer ao Sr. Farinha e ao Mestre Valentino Cristino por todo o apoio fornecido durante a realização dos ensaios realizados no âmbito deste trabalho.
Quero expressar o meu apreço pelo Professor David Yapp e pelo Professor Stewart Williams da Universidade de Cranfield por me terem dado acesso ao equipamento de soldadura STT e FastRoot.
Gostaria de agradecer ao Mestre Nuno Pepe e ao Doutor Gil Lopes da Universidade de Cranfield pela ajuda que me deram para preparar e a realizar os meus testes e por ter posto à minha disposição todo o seu conhecimento, não só teórico, mas também prático.
Gostaria também de agradecer aos técnicos da Universidade de Cranfield Adam Kerr, David Archer e Brian Brooks pela preparação de todo o material e equipamento necessário para a realização de todos os testes.
O meu profundo agradecimento ao Mestre Eurico Assunção pela sua amizade ao longo de todo este trabalho e longas discussões sobre alguns aspectos deste trabalho.
A todos os meus amigos, gostaria de expressar o meu agradecimento pela amizade e apoio que todos me deram ao longo deste trabalho.
V
Aos meus Pais…
VI
Índice
Resumo ... II Palavras-chave ... II Abstract ... III Keywords ... III Agradecimentos ... IV Índice ... VI Índice de figuras... VIII Índice de tabelas ... XI
1 Introdução ... 1
2 Caracterização do Processo de Soldadura MIG/MAG ... 2
2.1 Características ... 2
2.1.1 Arco eléctrico ... 4
2.1.2 Transferência do metal fundido ... 7
2.1.2.1 Classificação dos modos de transferência ... 10
2.1.3 Características dos gases de protecção na soldadura MIG/MAG e suas influências ... 13
2.2 Variantes do processo de soldadura MIG/MAG ... 15
2.2.1 Fast Roost ... 16
2.2.2 Surface Tension Tranfer (STT) ... 16
2.2.3 Cold Metal Tranfer (CMT)... 17
2.2.4 Considerações finais ... 18
2.3 Fumos resultantes do processo de soldadura MIG/MAG ... 19
2.3.1 Taxa de formação de fumos ... 20
2.3.2 Factores que controlam a taxa de formação de fumos ... 21
2.3.3 Composição dos fumos ... 22
2.3.4 Formas de reduzir a emissão de fumos ... 23
2.3.5 Considerações finais ... 25
3 Procedimento Experimental ... 26
3.1 Objectivos a cumprir ... 26
3.2 Materiais e equipamentos utilizados ... 26
VII
3.2.1 Material utilizado ... 26
3.2.2 Equipamento utilizado ... 27
3.2.2.1 Ensaios de produtividade ... 27
3.2.2.2 Análise de amostras ... 31
3.2.2.3 Ensaios de emissão de fumos ... 34
3.3 Planeamento de experimentação ... 36
3.3.1 Identificação das prioridades da indústria ... 36
3.3.2 Ensaios de Produtividade ... 37
3.3.2.1 Gases de Protecção em soldadura MAG ... 37
3.3.2.2 Processo de soldadura MAG e suas Variantes ... 39
3.3.3 Ensaios de emissão de fumos ... 40
4 Análise e Discussão dos Resultados... 42
4.1 Produtividade no processo MAG e suas variantes ... 42
4.1.1 Caracterização das soldaduras com diferentes gases de protecção ... 42
4.1.2 Diferentes variantes do processo MAG... 48
4.1.2.1 Comparação entre formas de onda ... 48
4.1.2.2 Caracterização dos cordões de soldadura ... 51
4.1.3 Emissão de fumos do processo MAG e CMT ... 56
4.1.3.1 Influência do diâmetro do fio de alimentação ... 56
4.1.3.2 Comparação entre CMT e MAG relativamente à formação de fumos ... 58
5 Conclusões... 60
5.1 Considerações finais ... 61
5.2 Trabalho futuro... 61
6 Referências ... 63
7 Anexos ... 65
VIII
Índice de figuras
Figura 2.1 – Componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG [1] ... 2
Figura 2.2 – Esquema de uma máquina de soldadura MIG/MAG [7] ... 2
Figura 2.3 – a) Sistema de alimentação de rolos simples b) Sistema de alimentação de rolos duplo [3] 3 Figura 2.4 – Curvas características da fonte de alimentação: a) Corrente constante; b) Voltagem constante [1]... 3
Figura 2.5 – Comprimento do arco eléctrico estável com fonte de alimentação com voltagem constante [1] ... 4
Figura 2.6 – Diferentes zonas do arco a); sistema de soldadura MIG/MAG b) [3] ... 5
Figura 2.7 – Balanço das forças que actuam na gota de material de adição fundido [11] ... 8
Figura 2.8 – Exemplo das possíveis direcções da força electromagnética [11]... 9
Figura 2.9 – Modos de transferência em voo livre [11] ... 11
Figura 2.10 – Gráfico referente à transferência do metal por curto-circuito [2] ... 12
Figura 2.11 – Gráfico característico da soldadura por corrente pulsada [2] ... 13
Figura 2.12 – Diagrama da forma de corrente e série de fotografias de alta velocidade do processo FastRoot [14] ... 16
Figura 2.13 – Relação entre a corrente e voltagem numa fonte de alimentação STT [15] ... 17
Figura 2.14 – Principais fases no processo CMT [16] ... 18
Figura 2.15 – Processo MIG/MAG (a)[7] e processo TIG (b)[18] ... 20
Figura 2.16 – Factores responsáveis pela formação de fumos: 1) Evaporação da ponta do eléctrodo ou da gota; 2) Salpicos incandescentes e também alguma evaporação resultante da explosão do fio ... 20
Figura 2.17 – Representação da variação da taxa de formação de fumos, com Ar+4%O2 como gás de protecção, num aço carbono [19] ... 21
Figura 2.18 – Gama de tamanhos que os fumos e poeiras podem ter, naturais e industriais (a); Pulmões (b) ... 23
Figura 2.19 - Dependência da TFF do gás de protecção, I=250A [19]... 24
Figura 2.20 (a[22], b[23], c[24]) – exemplos de sistemas de extracção de fumos ... 24
Figura 2.21 – Exemplo de uma pistola de soldadura com sistema de extracção de fumos integrado... 25
Figura 3.1 – Dimensões da barra utilizada ... 26
Figura 3.2 – Configuração utilizada para as soldaduras de canto ... 27
Figura 3.3 – Máquina MAG utilizada ... 28
Figura 3.4 – Máquina CMT utilizada ... 28
Figura 3.5 – Máquina FastRoot utilizada ... 28
Figura 3.6 – Máquina STT utilizada ... 28
Figura 3.7 – “Buffer” e pistola do sistema CMT ... 29
Figura 3.8 – Sistema de fixação utilizado no laboratório do IST ... 30
Figura 3.9 – Sistema de fixação utilizado na Universidade de Cranfield ... 30
IX
Figura 3.10 – ArcWatch: sistema de aquisição de dados utilizado no laboratório do IST ... 31
Figura 3.11 – Osciloscópio Yokogawa: sistema de aquisição de dados utilizado na Universidade de Cranfield ... 31
Figura 3.12 – Serra de corte ... 32
Figura 3.13 – Máquina de enformação a quente ... 32
Figura 3.14 – Resina Epoxi e endurecedor utilizado na enformação a frio ... 33
Figura 3.15 – Máquina de polimento de amostras ... 33
Figura 3.16 – Lixas utilizadas no polimento das amostras ... 33
Figura 3.17 – Amostras finais: a) enformação a quente; b) enformação a frio ... 34
Figura 3.18 – Câmara de fumos construída de acordo com a norma(a); Desenho da câmara retirado da norma (b) [25]: 1 – saída dos fumos; 2 - filtro ... 34
Figura 3.19 – Bomba de vácuo... 35
Figura 3.20 – a) Mesa rotativa utilizada e respectivas dimensões (mm) b) ... 35
Figura 3.21 – Forno eléctrico ... 36
Figura 3.22 – Balança de precisão ... 36
Figura 3.23 – Gráfico referente à gama de correntes utilizada ... 37
Figura 3.24 – Gráfico referente ao material de base utilizado ... 37
Figura 3.25 – Parâmetros retirados através de medição directa... 38
Figura 4.1 - Exemplos de perfis de cordões de soldadura; 160A ... 43
Figura 4.2 - Entrega térmica em função da intensidade de corrente... 44
Figura 4.3 - Influência dos gases de protecção na penetração em depósito sobre chapa... 44
Figura 4.4 - Influência dos gases de protecção na largura dos cordões de soldadura ... 45
Figura 4.5 - Influência dos gases de protecção na altura em cordões de canto ... 45
Figura 4.6 – Diluição obtida nos diferentes gases estudados ... 46
Figura 4.7 – Área total de material fundido na soldadura sobre chapa ... 47
Figura 4.8 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa ... 47
Figura 4.9 - Forma de onda de corrente no processo MAG... 48
Figura 4.10 - Forma de onda de corrente do processo FastRoot fornecida pelo fabricante ... 49
Figura 4.11 - Forma de onda do processo FastRoot da corrente e voltagem obtida laboratorialmente ... 49
Figura 4.12 - Forma de onda do processo STT da corrente fornecida pelo fabricante ... 50
Figura 4.13 - Forma de onda do processo STT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente ... 50
Figura 4.14 - Forma de onda do processo CMT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente ... 51
Figura 4.15 - Exemplo do perfil de soldaduras dos diferentes processos, 200 A e Ar+8%CO2 como gás de protecção ... 51
Figura 4.16 – Penetração dos diferentes processos em função da entrega térmica ... 52
Figura 4.17 – Largura do cordão de soldadura em função da entrega térmica ... 53
Figura 4.18 – Altura dos cordões de canto em função da entrega térmica ... 54
X Figura 4.19 – Diluição dos diferentes processos, I = 200A ... 54 Figura 4.20 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa ... 56 Figura 4.21- Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) fio de 0.8 mm; b) fio de 1.0 mm; c) fio de 1.6 mm ... 57 Figura 4.22 - Comparação da taxa de formação de fumos para diferentes diâmetros de fio ... 57 Figura 4.23 - Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) MAG com fio de 1.0 mm; b) CMT com fio de 1.2 mm ... 58 Figura 4.24 - Comparação da taxa de formação de fumos entre MAG e CMT ... 59
XI
Índice de tabelas
Tabela 2.1 – Propriedades dos gases de protecção [12]... 14
Tabela 2.2 – Relação existente entre a TFF, a frequência de pulso e o tamanho da gota [21] . 23 Tabela 3.1 – Composição do material base ... 26
Tabela 3.2 – Composição do fio de alimentação utilizado ... 27
Tabela 3.3 – Tabela referente aos parâmetros de soldadura utilizados nos ensaios ... 39
Tabela 3.4 – Rendimento das diferentes máquinas de soldadura utilizadas ... 40
Tabela 4.1 - Sequência de valores dos ensaios realizados nos diferentes processos ... 53
Tabela 4.2 - Diluição dos processos estudados e respectiva área depositada ... 55
1
1 Introdução
O conceito inicial do processo de soldadura MIG/MAG foi introduzido nos anos de 1920, mas a sua aparição comercial só acontece no final dos anos 40 [1], em que se usou pela primeira vez uma alimentação contínua de um eléctrodo de alumínio protegido por um gás constituído 100%
por Árgon [2]. Só em 1951 foi possível soldar aços com a introdução do oxigénio misturado com o Árgon e em 1953 com a introdução do dióxido de carbono, puro ou em mistura [3]. Mas foi só desde há 20 anos para cá que este processo de soldadura começou a dominar a indústria das construções soldadas [4].
Desde que apareceu no final dos anos 40 até aos dias de hoje, o processo de soldadura MIG/MAG tem sofrido melhorias constantes, tendo em vista o aumento da produtividade do processo e a segurança do soldador. Essas melhorias constantes levaram a que este processo, hoje em dia, seja o processo de soldadura com maior flexibilidade, permitindo soldar uma grande gama de materiais e espessuras.
Os fumos resultantes da soldadura MIG/MAG também têm sido alvo de estudos desde 1975 [5], nomeadamente a sua natureza e os factores que controlam a sua taxa de formação, assim como soluções para a sua redução. A formação de fumos só recentemente começou a ganhar maior relevância devido aos diversos processos judiciais que ocorreram nos Estados Unidos sobre doenças que poderão estar relacionadas a uma longa exposição a fumos e gases de soldadura por parte do soldador, como é o caso do manganês [6].
Este trabalho vai incidir sobre dois temas que se interligam entre si, a produtividade do processo de soldadura MIG/MAG, e os fumos que resultam do processo de soldadura MIG/MAG.
2
2 Caracterização do Processo de Soldadura MIG/MAG 2.1 Características
Gas Metal Arc Welding (GMAW), frequentemente também designado por Metal Inert Gas ou Metal Active Gas (MIG/MAG), sigla derivada dos gases de protecção utilizados neste processo respectivamente gás inerte ou gás activo, é um processo de soldadura de metais, que através de um arco eléctrico estes são aquecidos até ao seu ponto de fusão e unidos. Esse arco eléctrico é criado entre as peças a soldar e o eléctrodo metálico consumível que é alimentado continuamente. O processo usa um gás ou mistura de gases, inertes ou activos, para fazer a protecção do banho de fusão criado pelo arco eléctrico. A figura 2.1 ilustra os principais componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG.
Figura 2.1 – Componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG [1]
Na figura 2.2 representam-se os componentes que fazem parte do equipamento de soldadura MIG/MAG. Os componentes básicos são a tocha de soldadura (1), sistema de junção dos cabos (2), a fonte de alimentação (3), o sistema de alimentação automática do eléctrodo (4), bobine do eléctrodo (5) e a fonte do gás de protecção.
Figura 2.2 – Esquema de uma máquina de soldadura MIG/MAG [7]
3 O sistema de alimentação automática do eléctrodo, representado na figura 2.3, pode ser de dois tipos, sistema de rolos simples (a), em que a velocidade de alimentação do fio é controlada por um rolo motor e um rolo guia, e um sistema de rolos duplo (b), com dois rolos guia e dois rolos motores.
a) b)
Figura 2.3 – a) Sistema de alimentação de rolos simples b) Sistema de alimentação de rolos duplo [3]
A fonte de alimentação incorpora características de saída desenhadas para optimizar a performance do arco para uma determinada aplicação. Para o processo MIG/MAG essas características caem dentro de duas categorias:
• Corrente constante
• Voltagem constante
Cada uma dessas características refere-se às curvas características da fonte de alimentação.
Na figura 2.4 pode-se ver as diferenças existentes entre as duas curvas.
a) b)
Figura 2.4 – Curvas características da fonte de alimentação: a) Corrente constante; b) Voltagem constante [1]
As fontes de alimentação de corrente constante eram as mais utilizadas nos tempos iniciais do processo MIG/MAG, contrariamente ao que se verifica hoje em dia, embora estas fontes continuem a ser utilizadas para soldar alumínio [2]. Na fonte de corrente constante a distância de trabalho determina o comprimento do arco, assim quando a distância de trabalho aumenta o comprimento do arco também aumenta, verificando-se também o contrário. Esta característica representa um problema para a soldadura semi-automática uma vez que a distância de
4 trabalho é difícil de manter. Para corrigir este problema um alimentador automático do fio controlado pela voltagem do arco foi criado para compensar as alterações no comprimento do arco. Neste caso quando a distância de trabalho diminui a velocidade de alimentação do fio iria aumentar, verificando-se também o inverso. Quanto à fonte de alimentação com voltagem constante, esta fornece uma voltagem específica para o arco a que corresponde uma determinada velocidade de alimentação do fio. A sua curva característica é relativamente direita, e neste caso quando a distância de trabalho aumenta existe uma diminuição da corrente de soldadura. Neste caso o arco eléctrico representa um circuito em série, onde a distância de trabalho fornece a resistência à corrente. Aqui, mesmo que a distância de trabalho aumente a voltagem permanece igual e o comprimento do arco também permanece igual (figura 2.5).
Figura 2.5 – Comprimento do arco eléctrico estável com fonte de alimentação com voltagem constante [1]
2.1.1 Arco eléctrico
Um arco eléctrico é uma descarga eléctrica que ocorre entre dois eléctrodos, em que a energia fornecida tem que ser suficiente para que a descarga ocorra através de um gás ionizado, conhecido como plasma. Dentro desse plasma podem surgir temperaturas extremamente altas, que vão desde os 5000 até aos 30000º K [8]. O arco eléctrico pode então ser considerado um condutor gasoso que transforma a energia eléctrica em calor.
O estudo do arco eléctrico é de extrema importância para a compreensão do processo de soldadura porque:
• O arco eléctrico é a fonte de calor que funde o material e cria o banho de fusão;
• As altas temperaturas e as forças electromagnéticas, além da grande velocidade do fluxo de plasma, levam a intensas reacções químicas e provocam a homogeneização do banho de fusão;
• As forcas geradas no arco são as principais responsáveis pela transferência do metal desde o eléctrodo até à peça;
• Em grande parte o projecto da fonte de alimentação é determinado pela necessidade de estabilizar o arco.
5 O arco eléctrico apresenta três zonas bem definidas (figura 2.6):
• Zona de Queda de Tensão Catódica,
• Zona de Coluna de Arco,
• Zona de Queda de Tensão Anódica.
a)
b)
Figura 2.6 – Diferentes zonas do arco a); sistema de soldadura MIG/MAG b) [3]
A zona de queda de tensão catódica funciona como fonte de energia necessária para fornecer o calor de evaporação necessário para se dar a evaporação dos electrões junto do cátodo. Na zona de coluna de arco, a energia ai absorvida é utilizada para manter o gás a uma temperatura de equilíbrio, para que a sua condutibilidade eléctrica se mantenha elevada. Por último na zona de queda anódica, a condensação dos electrões liberta energia.
Para uma melhor compreensão das zonas acima mencionadas, uma descrição mais detalhada dessas zonas é apresentada de seguida:
Zona de Queda de Tensão Catódica
É nesta zona que os electrões que fluem através do plasma são formados e é em larga medida a responsável para a estabilidade do arco. Esta zona é também a mais problemática das três, pois é responsável por complicados mecanismos que mantêm o arco, nem todos entendidos até hoje, e é por isso que esta zona é a mais estudada, pois a sua estabilidade garante o
6 sucesso do processo de soldadura. Isso deve-se principalmente ao facto que os iões do plasma podem passar facilmente para o cátodo, enquanto os electrões têm que vencer uma grande diferença de potencial para sair do cátodo até ao gás. Como consequência existe uma carga espacial envolvente positiva no cátodo (região “c” da figura 2.6 – a), que causa um gradiente de tensão que pode ir acima de 106 V/mm.
Existem dois tipos de cátodos: os cátodos “termo-iónicos” e os “não termo-iónicos”. Um cátodo é referido como “termo-iónico” quando é aquecido até uma temperatura suficientemente alta para emitir electrões sem fundir, como é o caso da soldadura TIG com eléctrodos refractários.
Alguns materiais, no entanto, fundem com temperaturas menores que as necessárias para a emissão termo-iónica. Neste caso os electrões são apenas emitidos quando for aplicado um campo eléctrico suficientemente elevado. Estes cátodos são designados por “não termo- iónicos”.
De acordo com pesquisa efectuada por Essers e Walter [4] o aço deve ser tratado como um cátodo “não termo-iónico”. Esta conclusão deve-se ao facto que:
• a mancha catódica móvel observada em cátodos “não termo-iónicos” também é observada para o aço;
• a densidade de corrente calculada como resultado da emissão “termo-iónica”
(106-108 A/m2) é baixo comparativamente ao calculado para o aço (1010-1012 A/m2);
• os valores calculados para a densidade de corrente como resultado da emissão “termo-iónica”, mostram uma boa concordância com os resultados experimentais obtidos com materiais com pontos de ebulição de pelo menos 4000º K (o ponto de ebulição do ferro é de 3343º K).
• A queda de tensão no cátodo pode ser calculada pela seguinte equação:
𝑈𝑈𝑐𝑐=�Φ+32.𝑘𝑘.𝑇𝑇𝑒𝑒�+𝑄𝑄𝐼𝐼𝑒𝑒− 𝐼𝐼.𝑅𝑅 (2.1)
em que Ф é a função de trabalho da superfície (corresponde à diferença de potencial necessária para retirar um electrão da superfície), k a constante de Boltzmann (J/K), T a temperatura da superfície (K), e a carga do electrão (Coulomb), Qe a perda de energia para o cátodo (W), I a intensidade de corrente no arco (A), R a resistência eléctrica do eléctrodo (Ω). Nesta equação o termo 3
2.𝑘𝑘.𝑇𝑇𝑒𝑒 representa a energia térmica dos electrões, enquanto que I.R é o
efeito Joule no eléctrodo.
Zona de Coluna de Arco
Esta zona é constituída por electrões, iões positivos e partículas neutras (átomos e moléculas no estado excitado e não-excitado). A coluna de arco é electricamente neutra, ou seja, em cada unidade de volume o número de cargas positivas e negativas é praticamente igual (o gradiente de tensão é cerca de 1 V/mm). A coluna apresenta uma situação de quase equilíbrio térmico, com a temperatura dos electrões a ser sempre superior à do gás por causa das
7 colisões que estes sofrem entre si. A alta temperatura existente na coluna mantém o gás suficientemente ionizado para que este seja condutor, e permita um fluxo de alta velocidade do eléctrodo para a peça.
A estabilidade da coluna de arco está relacionada com a condutividade eléctrica do plasma.
Uma baixa energia de ionização e temperatura elevada estão associados a arcos mais estáveis. Logo quanto mais alta for a energia de ionização para um dado valor de corrente, mais elevada é a temperatura do arco. Assim gases de protecção com baixa energia de ionização como o Árgon vão ter temperaturas mais baixas comparativamente a gases com energia de ionização mais alta, como é o caso do Hélio.
Zona de Queda de Tensão Anódica
No ânodo os electrões podem penetrar no eléctrodo livremente, pois estes facilmente vencem a diferença de potencial existente. Os iões positivos, por sua vez, têm mais dificuldade em vencer essa diferença de potencial para chegar ao plasma, como consequência, existe acumulação de electrões no ânodo e forma-se uma região com carga negativa (região “a” na figura 2.6).
A principal energia gerada no ânodo é a energia devido aos electrões através da componente de queda de potencial do arco (I.Ua), da participação de energia térmica dos electrões �32.𝑘𝑘.𝑇𝑇𝑒𝑒 � (2.2), e da energia potencial para cada electrão (Ф.e).
2.1.2 Transferência do metal fundido
Soldadura por arco eléctrico com eléctrodos consumíveis é usada extensivamente porque o material de adição é depositado mais eficientemente e com maiores taxas de transferência que qualquer outro processo de soldadura. Diferentes tipos de transferência do metal têm vindo a ser estudados com recurso a filmes de alta velocidade e análise de gráficos do processo.
A física por detrás da transferência do metal na soldadura por eléctrodo consumível ainda não está completamente entendida. O arco eléctrico é demasiado pequeno e a sua temperatura é demasiado alta para um estudo fácil, além de que a taxa de transferência de metal também é alta. Existem no entanto duas teorias, que são hoje as mais aceites, e que tentam explicar o processo de transferência de metal: Teoria do Equilíbrio das Forças Estáticas; Teoria da Instabilidade devido à constrição (“pinch”) [10].
Na teoria do balanço das forças estáticas diversas forças actuam sobre o metal líquido na ponta do eléctrodo, figura 2.7, que na prática são difíceis de quantificar. Por exemplo, a força devido à tensão superficial é função da temperatura, da composição e forma da gota de metal fundido. A forma da gota muda durante a sua evolução resultando numa mudança na magnitude da força de tensão superficial.
8 Figura 2.7 – Balanço das forças que actuam na gota de material de adição fundido [11]
Fazendo o balanço das forças no momento do destacamento da gota chega-se à seguinte equação:
𝐹𝐹𝑔𝑔+𝐹𝐹𝑎𝑎+𝐹𝐹𝑒𝑒 =𝐹𝐹𝛾𝛾+𝐹𝐹𝑣𝑣, (2.3)
onde o índice g refere-se à força gravítica, a corresponde ao efeito de arrastamento devido ao fluxo do gás de protecção, e à força electromagnética, γ a tensão superficial e v a força devido à vaporização do material da superfície da gota. O destacar da gota dá-se quando as forças gravítica, de arrasto e electromagnética forem maiores que as forças superficial e de vaporização.
A força gravítica é simplesmente dada por 𝐹𝐹𝑔𝑔 =𝑚𝑚𝑔𝑔𝑧𝑧(2.4), em que m é a massa da gota e gz é a componente vertical da aceleração da gravidade. A força da gravidade por vezes pode ser dominante, especialmente para correntes baixas onde a componente electromagnética é baixa.
Quando isso acontece o tipo de transferência dominante a ocorrer é a transferência globular.
A força de arrasto devido ao fluxo do gás de protecção depende da velocidade, V, do fluxo de gás, da composição do gás e do tamanho da gota. A expressão para contabilizar esta força é dada pela seguinte fórmula:
𝐹𝐹𝑎𝑎= 0.5𝜋𝜋𝑉𝑉2𝜌𝜌𝑅𝑅𝑑𝑑2𝐶𝐶′𝑑𝑑 (2.5)
em que ρ é a densidade do gás, Rd é o raio da gota e C’d é o coeficiente aerodinâmico modificado para ter em conta o eléctrodo. Esta componente de força tem maior importância quando a gota for de maior dimensão, ou seja, para correntes mais baixas.
A força electromagnética em geral é dada pelo seguinte integral de volume:
9
∫ 𝐽𝐽 ∙ 𝐵𝐵 𝐺𝐺𝑑𝑑𝑣𝑣 (2.6)
onde J é a densidade de corrente, B o campo magnético e 𝐺𝐺 uma função geométrica que depende da forma da gota. A equação () pode ainda ser reduzida para:
𝐹𝐹𝑒𝑒=𝜇𝜇 𝐼𝐼4𝜋𝜋2𝐺𝐺=𝜇𝜇 𝐼𝐼4𝜋𝜋2�𝑙𝑙𝑙𝑙𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑙𝑙𝑅𝑅𝑟𝑟 −14−1−𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅1 +(1−𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅2 )2𝑙𝑙𝑙𝑙1+𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅2 � (2.7)
onde I é a corrente de soldadura, µ é a permeabilidade livre do espaço, θ o ângulo do inicio da área anódica com a vertical, R o raio da gota e r o raio do eléctrodo. A força electromagnética tanto pode ser positiva como negativa, dependendo do caminho do fluxo de corrente e das áreas relativas de inicio e de fim do caminho. A força electromagnética tende a dominar as outras forças para correntes altas, normalmente necessárias para se dar a transferência por
“spray”. Na figura 2.8 pode ser visto que a força é positiva e negativa dependendo da forma das linhas de corrente, convergente ou divergente.
Figura 2.8 – Exemplo das possíveis direcções da força electromagnética [11]
Em altas correntes pode-se dar uma significativa vaporização do material na superfície da gota fundida. Essa vaporização vai dar origem a uma aceleração termal das partículas de vapor para o plasma, o que resulta numa força oposta que vai actuar na gota de metal actuando como uma resistência ao destacar da gota. Essa força devido à vaporização do material pode ser dada pela seguinte expressão:
𝐹𝐹𝑣𝑣=∫ 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑣𝑣𝑑𝑑𝑅𝑅 (2.7)
em que ma é massa por unidade de área, v é a velocidade do jacto de vapor e S é a superfície de contacto. Para uma superfície plana de temperatura e composição uniforme a expressão anterior dá origem a:
𝐹𝐹𝑣𝑣=𝑚𝑚𝐼𝐼𝐽𝐽𝜌𝜌
𝑣𝑣 (2.8)
em que m é a massa vaporizada por segundo e por ampere, I a corrente, J a densidade de corrente e ρv a densidade do vapor. Na maioria das aplicações a área de contacto entre o arco e a gota de metal fundido não é plana mas sim convexa, o que leva a uma força de
10 vaporização menor que a calculada pela expressão (2.8). Em geral a força devido à vaporização do material só se torna significativa para correntes elevadas.
A tensão superficial tem um papel importante no comportamento da transferência do metal. A força devido à tensão superficial, que vai actuar no sentido contrário do destacamento da gota, é condicionada por diversos factores, entre os quais se incluem: a composição e homogeneidade da gota, a temperatura da gota, o gradiente de temperatura na sua superfície, a sua forma e a composição do gás. Esta força é dada pela seguinte expressão:
𝐹𝐹𝛾𝛾 ≈2.π. R.γ (2.9)
em que R é o raio do eléctrodo e γ é a tensão superficial do metal líquido, que sofre uma diminuição com o aumento da temperatura.
Uma outra teoria existente para explicar a transferência de metal é a Teoria da Instabilidade devido à Constrição (“pinch”). Esta teoria baseia-se no modelo da instabilidade de uma coluna líquida cilíndrica, a qual se transforma em gotas, que têm menor energia livre, devido a um distúrbio no seu comprimento de onda característico. Aplicada à transferência do metal líquido, a força electromagnética auto-induzida aumenta a transformação da coluna em gotas, onde o comprimento crítico dessa onda (λc) é dado por:
𝜆𝜆𝑐𝑐= 2𝜋𝜋𝑟𝑟
�1+2𝜋𝜋𝜇𝜇 𝐼𝐼22 𝑅𝑅𝑐𝑐�
1�2 (2.10)
em que r é o raio do eléctrodo, Rc o raio crítico da gota e I a corrente de soldadura. Esta equação mostra que o comprimento de onda crítico da coluna líquida diminui com o aumento da corrente, sendo deste modo reduzido o diâmetro da gota transferida.
Neste trabalho deu-se mais ênfase à teoria das forças estáticas pois achou-se que era a teoria que melhor explica os fenómenos físicos que estão por trás da transferência do metal. A teoria da instabilidade por sua vez apenas explica a diminuição do tamanho da gota com o aumento da intensidade de corrente e as condições para a instabilidade da coluna de metal líquido [9].
2.1.2.1 Classificação dos modos de transferência
O processo de soldadura MIG/MAG é um processo que utiliza um eléctrodo consumível, que é alimentado continuamente para o banho de fusão. Se a fusão do eléctrodo for equilibrada pela velocidade com que o fio é alimentado em direcção à peça a soldar, então o processo funcionará de uma forma contínua e estável. Um ajuste incorrecto destes parâmetros, ou seja, não havendo um equilíbrio entre a taxa de fusão do eléctrodo e a velocidade de alimentação do eléctrodo acontecerá uma de duas coisas, a extinção do arco provocada por curto-circuito ou um arco excessivamente longo. A maneira como o material de adição é transferido do eléctrodo até a peça tem influência em diversos factores que vão condicionar a qualidade da soldadura realizada. Entre esses factores salienta-se o nível de salpicos existentes, a estabilidade do processo, e a forma e qualidade da soldadura efectuada.
11 Uma das formas mais simples de classificar os modos de transferência consiste em dividi-los em dois grupos [11]:
• Transferência em “voo livre” (“free flight”)
• Transferência por curto-circuito
Na transferência em “voo livre” é criado e mantido um arco eléctrico entre o eléctrodo e a peça a soldar. O metal fundido é então transferido através do arco até à peça (figura 2.9).
Figura 2.9 – Modos de transferência em voo livre [11]
Uma análise mais detalhada sobre o comportamento deste tipo de transferência revela diversas variantes. Elas são:
• Transferência Globular;
• Transferência “Spray”.
A transferência globular é em tudo semelhante ao pingar de uma torneira, em que as gotas têm um diâmetro superior relativamente ao eléctrodo e a taxa de transferência é pequena e irregular.
Observando a forma e o destacar da gota indicam que este mecanismo de transferência é dominado pelas forças gravitacionais, ou seja, a transferência da gota dá-se quando a força da gravidade for superior à força gerada pela tensão superficial, que está a actuar no sentido de evitar o destacar da gota. Apesar das forças magnética estarem presentes, estas não são significativas devido às baixas correntes que normalmente estão associadas a este tipo de transferência.
A transferência “spray” dá-se quando a corrente de soldadura ultrapassa um valor limite, a que se dá o nome de corrente de transição. Abaixo dessa corrente de transição dá-se a transferência globular. Acima desta corrente de transição a transferência é caracterizada por gotas muito pequenas (quando comparadas com a transferência globular) que são formadas a uma taxa de centenas por segundo.
12 Neste tipo de transferência as forças magnéticas são as dominantes e são as responsáveis pela aceleração das gotas no arco eléctrico. Devido ao facto de as gotas serem mais pequenas que o comprimento do arco, não ocorre curto-circuito (a corrente é constante) e a formação de salpicos é negligenciável ou mesmo eliminada.
Este modo de transferência é também caracterizado pelas suas altas entregas térmicas e grandes taxas de depósito de metal, sendo por isso adequado por exemplo para passos de enchimento. A alta taxa de depósito também pode produzir um banho de fusão demasiado grande para que possa ser suportado pelas tensões superficiais, sendo por isso de evitar este tipo de transferência para passos na vertical ou ao alto.
Na transferência por curto-circuito o fio eléctrodo é alimentado em direcção à peça a soldar a uma velocidade que excede a taxa de fusão. Esse desequilíbrio é o responsável pelo facto de o arco eléctrico não manter um comprimento constante. O comprimento do arco vai diminuindo à medida que o fio se aproxima da peça a soldar, até que se dá o contacto. Em resposta a este curto-circuito eléctrico a fonte de alimentação aumenta a corrente e devido à resistência dá-se o aquecimento do eléctrodo até à fusão, dando-se de seguida a transferência do metal devido à tensão superficial existente. O arco é então restabelecido e o processo reinicia (figura 2.10).
Este tipo de transferência ocorre para intensidades de corrente baixas, em que o metal é transferido para a peça a soldar apenas durante o período em que se dá o curto-circuito.
Devido a esse facto este tipo de transferência tem como característica a obtenção de níveis baixos de transferência de calor tornando ideal para soldar chapas finas ou fazer passes de raiz. No entanto o comportamento aleatório do curto-circuito pode resultar na instabilidade do processo, que combinado com a baixa entrega térmica pode causar defeitos como a falta de fusão do material.
Figura 2.10 – Gráfico referente à transferência do metal por curto-circuito [2]
Existe ainda um outro tipo de transferência de metal, a transferência controlada. A possibilidade de controlar a transferência de metal de um modo mais eficiente através da modificação da potência que é fornecida ao eléctrodo através das fontes de alimentação não é novo, mas a habilidade de alcançar os resultados desejados tem vindo a melhorar com o
13 aperfeiçoamento das fontes de alimentação electrónicas. Os tipos de transferência controlada podem ser dividido em dois tipos: transferência pulsada, e curto-circuito controlado.
Transferência pulsada
O MIG/MAG pulsado foi introduzido para possibilitar que o modo de transferência por “spray”
fosse atingido a correntes médias mais baixas que a corrente de transição para “spray”. O arco é mantido através de uma corrente de baixa intensidade (corrente de fundo), sendo de seguida aplicada uma corrente de alta intensidade momentânea de modo a induzir a transferência do metal (figura 2.11). A corrente pulsada e a sua duração são os responsáveis pelo destacar da gota.
Figura 2.11 – Gráfico característico da soldadura por corrente pulsada [2]
Curto-circuito controlado
Como foi referido em cima, a transferência de metal por curto-circuito é um processo pouco controlado pelo que a quantidade de metal transferido por cada curto-circuito pode variar influenciando deste modo o tempo de arco alterando a estabilidade do processo.
As tentativas para fixar a frequência de pulso de modo a forçar o curto-circuito foram infrutíferas (devido à aleatoriedade do curto-circuito), mas é possível melhorar o controlo do processo se a corrente for controlada em resposta aos eventos de curto-circuito. Este conceito foi utilizado para novos processos de soldadura derivados do MIG/MAG, como é o caso do Surface Tension Transfer, Fast Root e Cold Metal Tranfer, que serão explicados mais em detalhe no capítulo 2.2.
2.1.3 Características dos gases de protecção na soldadura MIG/MAG e suas influências
A principal função dos gases de protecção é a de evitar o contacto do ar atmosférico com o banho de fusão. Tal é necessário porque a maior parte dos metais em estado líquido quando em contacto com o ar tem uma grande tendência para formar óxidos. Uma correcta escolha dos gases de protecção depende dos materiais e dos processos envolvidos. Além de fornecer
14 um ambiente protector para o eléctrodo e para o banho de fusão, os gases de protecção também influenciam importantes características do processo MIG/MAG: características do arco, modo de transferência do metal, penetração e perfil da soldadura.
Os principais gases utilizados na soldadura MIG/MAG são os referenciados na tabela 2.1.
Gás Energia de dissociação [e.v]
Energia de
ionização [e.v] Propriedades Densidade a 115ºC e 1 atm (kg/m3)
Árgon - 15.8 Inerte 1.69
Hélio - 24.6 Inerte 0.169
Oxigénio 5.1 13.6 Oxidante 1.35
Dióxido de
carbono 4.3 14.4 Oxidante 1.59
Tabela 2.1 – Propriedades dos gases de protecção [12]
Árgon
O árgon é o gás de protecção mais utilizado na soldadura MIG/MAG devido a vários factores: a baixa energia de ionização que promove uma voltagem do arco baixa, facilitando o escorvamento e a estabilidade do arco, gerando por isso um arco com uma energia mais baixa, o que resulta numa menor energia transmitida para o banho de fusão, e o seu preço reduzido quando comparado com outros gases de protecção.
O árgon é um gás inerte e por isso, quando no estado puro, a sua utilização está limitada à soldadura de metais não-ferrosos, tais como o alumínio e ligas de titânio que apresentam um comportamento reactivo devido à camada de óxidos refractários existente na superfície do metal. Já para a soldadura de aços carbono, deve-se juntar ao árgon um gás oxidante (O2 ou CO2) pois isso vai tornar o arco mais estável e reduzir os salpicos.
Uma característica do arco eléctrico criado no árgon é o facto de a sua zona exterior ter uma menor densidade energética relativamente ao centro do arco, o que vai provocar uma soldadura com uma penetração em forma de “dedo” (figura…). Este tipo de penetração nem sempre é desejável, pois para casos em que o alinhamento seja mais crítico (juntas em “T”) poderá ocorrer porosidades e falta de fusão na raiz do cordão.
Hélio
O hélio tem uma energia de ionização alta, o que resulta numa maior voltagem do arco e também uma maior entrega térmica. Essa maior entrega térmica resulta numa penetração mais uniforme comparativamente com o árgon.
15 Devido ao facto deste gás ser relativamente mais caro que o árgon faz com o hélio seja preferencialmente utilizado em pequenas percentagens em misturas com o árgon como gás dominante. Apenas em casos especiais o hélio é utilizado como gás dominante.
Oxigénio
O oxigénio é utilizado como componente secundário juntamente com o árgon por causa do seu efeito estabilizador no arco. Ao fornecer propriedades oxidantes ao árgon, este promove a formação de óxidos sobre o banho de fusão e na ponta do eléctrodo, o que vai diminuir a tensão superficial e deste modo facilitar a transferência do metal. A diminuição da tensão superficial vai melhorar também a molhagem do banho de fusão.
A mistura de árgon com oxigénio tem também uma penetração em forma de “dedo”
como o árgon, embora esta seja menos acentuada devido aos factores referidos anteriormente.
Dióxido de carbono
Na soldadura por arco eléctrico o dióxido de carbono vai-se dissociar em dois elementos, monóxido de carbono e oxigénio livre. Durante o arco eléctrico é gerado insuficiente oxigénio livre para que se possa formar um plasma, sendo por isso muito difícil obter uma transferência por “spray”. Isto leva a que altos níveis de salpicos sejam formados por causa de uma transferência de metal instável.
A natureza altamente oxidante deste gás torna-o particularmente efectivo a lidar com superfícies contaminadas com tinta ou ferrugem. A sua alta entrega térmica produz um perfil de soldadura mais redondo e uniforme.
A soldadura MIG/MAG, regra geral utiliza como gás de protecção os elementos acima descritos, quer puros (árgon para metais não ferrosos; dióxido de carbono para aço carbono), quer em misturas, de dois elementos ou ternárias.
As misturas ternárias são utilizadas de forma a aproveitar as características individuais de cada gás. Por exemplo, utiliza-se uma mistura de Ar com CO2 para aumentar a entrega térmica e melhorar a penetração. Se a esta mistura se juntar o oxigénio, as tensões superficiais vão diminuir, melhorando desta forma a fluidez e transferência do metal, ou seja, chega-se a um gás de protecção com características únicas que com misturas de dois elementos não seria possível obter.
2.2 Variantes do processo de soldadura MIG/MAG
Como foi referido anteriormente, o melhoramento das fontes de alimentação electrónicas levou ao aparecimento de novos processos de soldadura derivados do MIG/MAG, que se baseiam no modo de transferência por curto-circuito controlado, em que a corrente de soldadura reage aos eventos do curto-circuito. Esses processos serão explicados neste capítulo.
16 2.2.1 Fast Roost
FasRoot é um processo de soldadura por curto-circuito modificado, em que a corrente e a voltagem são electronicamente controlados pela fonte de alimentação. O processo controla os parâmetros de soldadura e monitoriza a formação do curto-circuito durante a soldadura, para que as gotas se destaquem do eléctrodo no momento pretendido, tornando o controlo do arco mais fácil e reduzindo de forma significativa os salpicos.
A figura 2.12 mostra as diferentes fases que caracterizam este processo:
• durante o período do curto-circuito a gota do eléctrodo é produzida;
• a transferência do metal dá-se com um valor de corrente baixo, reduzindo desta forma os salpicos produzidos;
• após a transferência de metal dá-se o período do arco com um alto valor de corrente criando um plasma;
• esse plasma está a levar a energia até ao material de base ajudando à formação do banho de fusão e aumento da penetração;
• cada ciclo demora aproximadamente 5 ms.
Figura 2.12 – Diagrama da forma de corrente e série de fotografias de alta velocidade do processo FastRoot [14]
2.2.2 Surface Tension Tranfer (STT)
STT é um processo de soldadura que tem como base uma fonte de alimentação electrónica, que controla o ciclo de soldadura de acordo com parâmetros reais do arco. A fonte de alimentação reage instantaneamente a todas a fases de transferência de metal de acordo com a situação real do arco. A figura 2.13 mostra exactamente como a corrente a voltagem são controlados durante o processo de soldadura.
17 Figura 2.13 – Relação entre a corrente e voltagem numa fonte de alimentação STT [15]
De acordo com a figura 2.13, o ciclo de soldadura do processo STT engloba as seguintes fases:
• T0-T1: o arco eléctrico está formado entre o eléctrodo e o banho de fusão. A gota de material fundido começa-se a formar na ponta do eléctrodo. Esta fase é praticamente igual à fase de formação da gota no processo MIG/MAG convencional.
• T1-T2: o tamanho da gota aumentou, levando a que o contacto entre o banho de fusão e a gota se iniciasse, levando a fonte de alimentação a reagir limitando a corrente para 10A, diminuindo desta forma os salpicos gerados.
• T2-T3: o processo de soldadura encontra-se na fase de curto-circuito, e a fonte de alimentação aumenta a corrente de acordo com uma curva pré-determinada para se dar o destacar da gota para o banho de fusão.
• T3-T4: a separação total da gota para o banho de fusão ocorre nesta fase.
Assim que se dá a separação, a fonte de alimentação limita a corrente do valor original para 50A reduzindo desta forma os salpicos causados pela actividade dinâmica de reactivar o arco.
• T4-T7: nesta fase a fonte de alimentação identifica o fim da transferência de metal e controla o arco eléctrico novamente estabelecido até o ciclo iniciar novamente. Cada período demora cerca de 5 ms.
2.2.3 Cold Metal Tranfer (CMT)
CMT é um processo de soldadura que deriva do MIG/MAG, e pode ser descrito como um processo em que a entrega térmica é reduzida quando comparada com o processo MIG/MAG
18 por curto-circuito convencional. O processo CMT é caracterizado pela solução adoptada para facilitar o destacar da gota, que em vez de usar um impulso de corrente para destacar a gota, utiliza um movimento de recuo do eléctrodo que leva a um controlo mais eficaz do destacamento da gota.
Figura 2.14 – Principais fases no processo CMT [16]
Na figura 2.14 estão representadas as diferentes fases que caracterizam este processo:
• durante o período do arco eléctrico, o eléctrodo é movido em direcção ao banho de fusão;
• quando o eléctrodo inicia o contacto com o banho de fusão o arco é extinto e a corrente de soldadura diminuída;
• o movimento de recuo do eléctrodo assiste o destacar da gota durante o curto- circuito, em que a corrente de curto-circuito é mantida pequena;
• por último, o movimento do fio reverte e o processo inicia-se novamente.
A principal inovação característica deste processo é então o facto de o movimento de recuo do eléctrodo ser integrado no processo de soldadura e ser controlado automaticamente. Cada vez que ocorre curto-circuito, o controlador do processo interrompe o fornecimento de energia da fonte de alimentação e acciona o mecanismo de recuo do eléctrodo. Este movimento de recuo e avanço tem uma frequência que pode chegar até 70 Hz, com um período de 14 ms.
Devido às baixas correntes utilizadas durante o curto-circuito, ao movimento de recuo para melhorar o destacar da gota e devido à corrente baixa que se verifica no curto-circuito (devido às descontinuidades controladas do curto-circuito), a entrega térmica deste processo é reduzida.
2.2.4 Considerações finais
A partir das descrições feitas nos capítulos anteriores, verifica-se claramente que estes processos de transferência de metal por curto-circuito são muito diferentes do processo convencional por curto-circuito, em que o eléctrodo é movido em direcção à peça a soldar até que ocorra o curto-circuito. No momento do curto-circuito a corrente de soldadura aumenta até tal valor que leva o curto-circuito a reabrir, permitindo que o arco reinicie e o processo se volte a repetir.
19 Comparando os processos analisados, verifica-se desde logo a semelhança ente o FastRoot e o STT. Entre estes dois processos existem quatro fases que são semelhantes entre si:
• na fase inicial, não se dá um aumento brusco da corrente a quando do primeiro contacto do fio com a chapa a soldar, este ocorre sim instantes depois de ocorrer o primeiro contacto. Esta característica vai permitir reduzir os salpicos que ocorrem nesta fase do curto-circuito;
• uma zona de pico de corrente que vai ser a responsável pelo destacar da gota;
• no período imediatamente depois de o curto-circuito se extinguir ocorre uma diminuição da corrente de soldadura para um nível inferior seguido logo por um novo aumento da corrente, de modo a reduzir os efeitos dinâmicos da reactivação do arco eléctrico, reduzindo deste modo os salpicos que normalmente aqui ocorriam;
• no período imediatamente depois de ocorrer o curto-circuito, existe um patamar da corrente, que tem como objectivo manter o arco eléctrico e melhorar a molhagem do eléctrodo no banho de fusão, reduzindo o nível de salpicos;
A real diferença entre estes dois processos está nas curvas características nas quatro fases distintas na transferência por curto-circuito. Ambos os processos têm entregas térmicas pequenas quando comparadas com a transferência por curto-circuito convencional.
Por sua vez o processo de soldadura CMT, embora também utilize o curto-circuito controlado por uma fonte de alimentação electrónica, distingue-se dos outros dois devido ao sistema mecânico existente neste processo, que proporciona um movimento de recuo ao eléctrodo para facilitar o destacar da gota. O sistema mecânico em conjunto com a fonte de alimentação electrónica para controlar a corrente proporcionam entregas térmicas pequenas quando comparadas com a transferência por curto-circuito convencional.
2.3 Fumos resultantes do processo de soldadura MIG/MAG
Os fumos resultantes da soldadura MIG/MAG também têm sido alvo de estudos desde 1975 [5], nomeadamente a sua natureza e os factores que controlam a sua taxa de formação, assim como soluções para a sua redução.
Os fumos são constituídos por diversos metais (alguns dos quais tomam a forma de óxidos), que em excesso são prejudiciais para a saúde. Esses metais são: alumínio, berílio, cádmio, crómio, cobre, ferro, magnésio, manganês, níquel, chumbo, zinco [17].
O estudo dos fumos resultantes da soldadura é crucial para o futuro da soldadura, pois além de melhorar as condições de trabalho dos soldadores, poderá ainda reduzir os custos associados à soldadura.
20 2.3.1 Taxa de formação de fumos
A partir de estudos em processos com protecção gasosa no passado, chegou-se à conclusão que os fumos resultantes da soldadura são formados principalmente a partir de gotas de soldadura [5]. Chegou-se a esta conclusão comparando os diversos processos de soldadura existentes. Por exemplo comparando dois processos, TIG e MIG/MAG, verifica-se claramente que o processo MIG/MAG forma uma quantidade maior de fumos, e como o processo MIG/MAG forma gotas de material em fusão como modo de transferência e o TIG não, conclui- se o que o principal responsável da formação de fumos é a formação de gotas.
Um outro responsável pela produção de fumos é os salpicos que resultam da instabilidade do arco eléctrico, nomeadamente quando se dá a sua ignição e extinção. Na figura 2.15 é bem visível a grande quantidade de salpicos que estão a ser produzidos e os fumos que dai resultam.
Figura 2.15 – Processo MIG/MAG (a)[7] e processo TIG (b)[18]
Os fumos são então formados por dois mecanismos, a partir da evaporação na gota do material em fusão, e dos salpicos incandescentes que resultam do processo de soldadura (figura 2.16).
Figura 2.16 – Factores responsáveis pela formação de fumos: 1) Evaporação da ponta do eléctrodo ou da gota; 2) Salpicos incandescentes e também alguma evaporação resultante da explosão do
fio
21 Mas como foi referido anteriormente o principal factor que domina a formação de fumos no processo MIG/MAG é a evaporação que se dá a partir da gota [19]. Existe também formação de fumos ao nível do cordão, especificamente no banho de fusão e cordão acabado de soldar, mas a quantidade de fumos produzido não é significativo [5]. Esta formação de fumos a partir da gota vai depender das características da mesma, ou seja, da temperatura da superfície da gota, que é determinada pelo calor e fluxo do fluido no metal em fusão, e também da geometria da gota (dimensão). Essas características variam para diferentes tipos de transferência de metal.
Tendo em consideração este facto, foram criados alguns modelos de previsão de formação de fumos tendo como ponto de partida as características da gota de soldadura, temperatura da superfície e a sua geometria.
2.3.2 Factores que controlam a taxa de formação de fumos
De acordo com o modo de transferência utilizado, o tamanho da gota vai variar (figura 2.17), variação essa que vai influenciar a taxa de formação de fumos. A partir deste facto diversos estudos de previsão na formação de fumos foram criados. A figura 2.17 mostra o resultado de um desses estudos.
Figura 2.17 – Representação da variação da taxa de formação de fumos, com Ar+4%O2 como gás de protecção, num aço carbono [19]
Como se pode ver pelo gráfico, que mostra a taxa de geração de fumos, esta vai aumentando até se chegar ao modo de transferência globular devido ao aumento do diâmetro da gota e também ao aumento do calor transferido pela gota, que tem uma temperatura também maior Quando se começa a dar a passagem para a transferência por spray verifica-se uma diminuição na geração dos fumos. Isto acontece porque o diâmetro das gotas vai diminuindo,
22 pois estas estão menos tempo em contacto com o eléctrodo, tendo por isso menos tempo para crescer. Devido a esse facto e embora a corrente seja maior, podendo levar a crer que a gota tem uma maior temperatura, a gota vai transferir uma menor quantidade de calor. A gota vai ter uma menor temperatura, pois esta vai estar menos tempo em contacto com o arco eléctrico (menor calor transferido) porque devido às maiores correntes a actuar aqui, as forças que
“puxam” a gota também vão ser maiores. Isto também porque devido ao menor diâmetro da gota, a superfície de contacto com o eléctrodo também vai ser menor e por isso a transferência de calor é menor. Por isso a temperatura da gota é menor que na transferência globular.
No fim verifica-se um aumento na geração de fumos. Este acontece devido a uma maior intensidade da soldadura. Como se pode ver pelo gráfico, assim que se atinge o modo de transferência por spray, o diâmetro da gota mantêm-se mais ou menos constante, e como a intensidade está a aumentar (o que significa uma maior taxa de depósito), o número de gotas tem que tem que aumentar também o que leva ao consequente aumento dos fumos.
2.3.3 Composição dos fumos
Os fumos são constituídos por diversos metais (alguns dos quais tomam a forma de óxidos), que em excesso são prejudiciais para a saúde. Esses metais são: alumínio, berílio, cádmio, crómio, cobre, ferro, magnésio, manganês, níquel, chumbo, zinco.
A exposição a estes fumos pode ter consequência para a saúde a vários níveis [20]:
• consequências a curto prazo: Irritação dos olhos, nariz; Tosse; Falta de ar; Bronquite;
Fluido nos pulmões; Náusea / vómitos;
• consequências a longo prazo: problemas nos pulmões crónicos (bronquite, pneumonia, asma), cancro dos pulmões, cancro da laringe, cancro do tracto urinário;
• fumos individuais também podem causar sérios problemas para a saúde. Alguns problemas que determinados elementos podem causar são:
o crómio pode causar dificuldades respiratórias e cancro;
o manganês pode causar a doença de Parkinson, que ataca os nervos e músculos (manganismo);
o cádmio pode causar problemas de rins e cancro;
As partículas que constituem os fumos de soldadura têm uma grande gama de tamanhos, como se pode ver na figura 2.18. O tamanho é uma propriedade importante porque determina a profundidade a que essas partículas vão penetrar no sistema respiratório. Temos aquelas que entram nos pulmões e depois saem novamente. Outras que nem sequer chegam a entrar porque são grandes demais e são retidas antes de entrarem nos pulmões. E depois temos aquelas que entram nos pulmões mas não saem, ficando depositadas no sistema respiratório com os perigos/efeitos inerentes. A gama de dimensão dessas partículas pode ser vista na figura 2.18 na faixa realçada a azul.
23
a) b)
Figura 2.18 – Gama de tamanhos que os fumos e poeiras podem ter, naturais e industriais (a);
Pulmões (b)
2.3.4 Formas de reduzir a emissão de fumos
Uma forma de redução de fumos na fonte é controlar os factores de que depende a formação de fumos que se referiram anteriormente:
• Temperatura da gota
• Composição do eléctrodo
• Composição do gás de protecção
Para que haja uma redução na taxa de formação de fumos, a dimensão da gota e a sua temperatura têm que diminuir. Tais condições só aparecem no modo de transferência por spray ou numa zona de transição para spray. Mas na maior parte dos casos tal não é possível, pois este tipo de transferência tem uma grande entrega térmica e nem todas as ligações requerem tais condições de soldadura.
Uma possível solução para a situação anterior, seria utilizar um tipo diferente de corrente, corrente pulsada
Frequência de pulso [Hz]
.
Diâmetro da gota [mm] TFF médio [g/h]
6.00 2.91 36.11
8.70 2.58 25.22
11.83 2.33 14.54
15.33 2.13 12.77
28.30 1.74 8.94
54.40 1.40 2.43
102.43 1.13 3.80
Tabela 2.2 – Relação existente entre a TFF, a frequência de pulso e o tamanho da gota [21]
24 Como se pode ver pela tabela 2.2, o uso de corrente pulsado reduz o diâmetro da gota e consequentemente reduz de modo significativo a taxa de formação de fumos. Isto acontece porque à medida que aumenta a frequência, a gota vai estar menos tempo ligada ao eléctrodo, tendo por isso menos tempo para crescer e transferir uma grande quantidade de calor.
Existe também diferentes processos de soldadura que em determinadas situações podem substituir a soldadura MIG/MAG convencional. Esses processos são o STT, FastRoot e o CMT, que através do controlo activo do arco eléctrico e da transferência de metal por curto-circuito podem reduzir muito a quantidade de fumos produzida.
Utilizando gases de protecção com percentagem baixa de gases activos (baixando deste modo o potencial oxidante) também se pode reduzir muito a taxa de formação de fumos (figura 2.19).
Figura 2.19 - Dependência da TFF do gás de protecção, I=250A [19]
Esta solução é apenas possível para os casos em que seja possível realizar a redução dos gases activos, pois existem situações em que tal não é possível.
Se a redução de fumos na fonte (situações anteriores) não for possível, há que apostar em sistemas alternativos para reduzir a quantidade de emissão de fumos no local de trabalho. Para tal utilizam-se sistemas de extracção de fumos (figura 2.20) de vários tipos – fixos, portáteis, flexíveis.
a) b) c)
Figura 2.20 (a[22], b[23], c[24]) – exemplos de sistemas de extracção de fumos
25 Estão também a ser desenvolvidos novos sistemas de extracção de fumos que estão directamente ligados a pistola de soldadura (figura 2.21) e capacetes para os soldadores com sistemas de ventilação incorporados.
Figura 2.21 – Exemplo de uma pistola de soldadura com sistema de extracção de fumos integrado
Estes novos tipos de pistolas e capacetes podem aumentar muito a mobilidade deste processo de soldadura, pois já não se esta dependente de um sistema de extracção de fumos maior e difícil de transportar.
2.3.5 Considerações finais
A redução dos fumos de soldadura é necessário para melhorar as condições de trabalho ao nível da indústria da soldadura de forma a reduzir baixas devido a doenças provocadas pela exposição aos fumos resultantes dos processos de soldadura. Esta redução é um problema complexo que envolve novas tecnologias que tenham em vista a redução dos fumos de soldadura.
Mas o desenvolvimento de novos métodos para reduzir os fumos (novos gases de protecção, pistolas com sistema de extracção integrado, novos processos de soldadura) pode resultar num aumento do custo de soldadura.
A tendência para legislações mais apertadas sobre a exposição do soldador a fumos, pode levar a um maior investimento nesta área, visando o desenvolvimento de sistemas mais baratos, para que as empresas não sejam economicamente penalizadas por cumprirem a legislação em vigor.
26
3 Procedimento Experimental 3.1 Objectivos a cumprir
O presente trabalho tem como objectivos o entendimento mais aprofundado do processo de soldadura MIG/MAG, quer na sua forma tradicional, quer em versões melhoradas que aqui estão representadas pelos processos Surface Tension Transfer (STT), FastRoot e Cold Metal Transfer (CMT), de forma a melhor entender este tipo de soldadura e verificar melhorias relativamente à produtividade e qualidade dos novos processos comparativamente ao MAG.
Também será abrangido neste trabalho um estudo preliminar sobre os fumos resultantes do processo de soldadura MIG/MAG.
Neste capítulo vai-se então enunciar os materiais e equipamentos utilizados na elaboração deste trabalho, assim como enunciar os procedimentos seguidos para conseguir atingir os objectivos propostos.
3.2 Materiais e equipamentos utilizados
3.2.1 Material utilizado
Para este trabalho utilizou-se como material base um aço carbono comum, St52, que normalmente é utilizado em construções soldadas, dai a sua escolha. A composição deste aço pode ser verificada na tabela 3.1.
Composição C [% max] Si [% max] Mn [% max] P [% max] S [% max]
St52 0.2 0.55 1.5 0.05 0.05
Tabela 3.1 – Composição do material base
O aço St52 foi utilizado neste trabalho na forma de barra com as especificações apresentadas na figura 3.1.
Figura 3.1 – Dimensões da barra utilizada
No caso do depósito sobre chapa, o cordão foi apenas depositado na barra descrita anteriormente, no meio da mesma. No caso dos cordões de canto foi utilizado a seguinte configuração:
27 Figura 3.2 – Configuração utilizada para as soldaduras de canto
O fio de alimentação utilizado na realização das soldaduras foi o OK AristoRod 12.50 com 1.2 mm de diâmetro da Esab, no caso das soldaduras referentes aos ensaios de produtividade realizados, nomeadamente referente ao estudo comparativo sobre os gases e ao estudo comparativo entre as várias variantes do processo de soldadura MIG/MAG. Já para o estudo referente aos fumos resultantes do processo de soldadura utilizou-se o mesmo tipo de fio de alimentação mas com diferentes diâmetros de fio, nomeadamente 0.8 mm, 1.0 mm e 1.6 mm.
A composição do tipo de fio de alimentação utilizado é apresentada na tabela 3.2.
Composição C [% max] Si [% max] Mn [% max]
OK AristoRod 12.50 0.1 0.9 1.5
Tabela 3.2 – Composição do fio de alimentação utilizado
3.2.2 Equipamento utilizado 3.2.2.1 Ensaios de produtividade
Neste capítulo vai-se descrever as máquinas utilizadas para realizar as soldaduras, assim como os instrumentos de medição utilizados.
28 ESAB
LUC 400
FRONIUS TPS 4000 CMT
VR 7000 CMT
Figura 3.3 – Máquina MAG utilizada Figura 3.4 – Máquina CMT utilizada
Máquina da Esab com capacidade de usar corrente pulsada, com uma corrente de
soldadura máxima de 400 A.
Máquina da Fronius capaz de soldar com corrente continua, corrente pulsada e CMT.
Tem uma corrente de soldadura máxima de 400 A para corrente contínua e pulsada, e 250
A para CMT.
Kemppi
FastMig Synergic Lincoln Electric
Invertec STT
Figura 3.5 – Máquina FastRoot utilizada Figura 3.6 – Máquina STT utilizada
