PROCESSO DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO TIG (GTAW)

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1 PROCESSO DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO TIG (GTAW) Seja bem vindo a BALMER, e. Queremos agradecer a sua visita as nossas instalações e dizer-lhe que o nosso sucesso esta diretamente ligado ao fato de você trabalhar com os nosso equipamentos, consumíveis e acessórios. Todos os colaboradores da nossa empresa empenharam-se em preparar um evento que atenda as suas expectativas e oferecendo as informações necessárias para o melhor desempenho de suas atividades. Desejamos um excelente treinamento. Diretoria BALMER

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3 Revisão - Conceitos Ciclo de Trabalho (Fator de trabalho) O Ciclo de Trabalho é a relação entre o período de soldagem (Arco Aberto) em um determinado período de tempo. Este período de tempo é determinado pelo projeto do equipamento de acordo com sua aplicação e processo de soldagem, bem como a isolação de seus componentes internos. Conforme norma NEMA, o ciclo de trabalho é baseado em um período de 10 min, ou seja, uma fonte de soldagem com Ciclo de Trabalho de 300 A, deve operar com o arco aberto de 300 A de saída em 6 min e o restante do tempo (4 min) deve apagar o arco e refrigerar os componentes internos. O Ciclo de Trabalho é informado pelos fabricantes de equipamentos em percentagem (%), o símbolo mais utilizado é ( arroba ) e está relacionado com a corrente (A) de saída. O tipo de trabalho (soldagem) determina a característica do equipamento e seu respectivo Ciclo de Trabalho. Tensão Elétrica É a diferença de potêncial elétrico entre dois pontos (A, B). A tensão tem como grandeza a Voltagem, e usualmente é chamada por este nome. Sua unidade de medida é o Volt V. Corrente Elétrica Os elétrons denominam-se Corrente Elétrica e sua unidade de medida é o Amper A. Resistência Elétrica É a característica elétrica dos materiais que representa a oposição à passagem da corrente elétrica. Sua unidade de medida é o Ohm Ω Potência Elétrica É a quantidade de energia elétrica desenvolvida, ou consumida, num intervalo de tempo por um dispositivo elétrico. Sua unidade de medida é o Watt W.

4 Introdução ao processo de soldagem Definições de soldagem: Processo de junção de metais por fusão 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 Classificação dos processos de soldagem A primeira classificação dos processos de soldagem é baseada no método dominante para produzir a união. Introdução a soldagem ao arco elétrico 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. 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.

5 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. M (g) M + + e - 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: AB A + + B + Devido à movimentação das cargas elétricas em um arco elétrico, ocorrem muitos choques entre as partículas portadoras de cargas. Como consequência, uma grande quantidade de calor e luz é produzida. Esta energia é utilizada como fonte 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 gerado 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; (-) Região catódica 3 - Região catódica Comprimento do arco Coluna de plasma Região catódica Os elétrons são emitidos na região catódica (polo negativo) e acelerados para região anódica (polo positivo) através do campo elétrico. 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.

6 Queda de Tensão no arco 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 intensidades diferentes nas distintas regiões do arco: Queda de tensão catódica: 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)

7 PROCESSO DE SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO TIG (GTAW) SOLDAGEM AO ARCO ELÉTRICO PELO PROCESSO TIG (GTAW) Trata-se do processo de soldagem com arco, em que a união é produzida pelo calor 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 acabamento.

8 Dadas as características do processo, as aplicações mais comuns são a soldagem de 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. Equipamentos básicos: O equipamento básico do processo TiG inclui: Fonte de energia elétrica Tocha de soldagem Eletrodo para a abertura do arco Fonte de gás protetor Unidade para circulação de água para refrigeração da tocha, quando necessário

9 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. 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 Fontes inversoras com diversos recursos 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. Tocha TIG 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.

10 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: Alimentador de arame Cold Wire (arame frio): O arame é alimentado na temperatura 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 Varetas e arames de adição.

11 Eletrodos de Tungstênio 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 Tungstênio, ou seja, são varetas sinterizadas. Utilizados nos processos de solda TIG (GTAW), têm diâmetros de 1,2, 1,6, 2, 2,4, 3,2, 4, 4,8, 6,4 e 8 mm (3/64, 1/16, 5/64, 3/32, 1/8, 5/32, 3/16, 1/4 e 5/16") e comprimento de 150 mm (6"). Também são fornecidos eletrodos puro nos diâmetros de 3,2 a 8 mm x mm ou outras medidas sob encomenda. Estão disponíveis nas seguintes composições: tungstênio puro, tungstênio com tório, tungstênio com zircônio, tungstênio com cério e tungstênio com lantânio. A versão tungstênio puro, indicada para solda de alumínio, magnésio e ligas (em AC), permite que a ponta fique limpa e arredondada, propiciando boa estabilidade em corrente alternada. Também pode ser usada em corrente contínua, mas tem desgaste superior ao com o tório, além de ser mais suscetível à contaminação da solda. A versão com tório oferece alta resistência à contaminação da solda, é de fácil ignição e arco estável quando ligado com corrente contínua, podendo ser usado com aço-carbono, aço inoxidável, cobre e bronze e titânio. A versão com zircônio, usada primordialmente em corrente alternada, apresenta resistência à contaminação da poça, sendo indicada para alumínio. Já a versão com cério dura um pouco mais que o tório e é indicada tanto para corrente contínua quanto corrente alternada, sendo seu uso em soldas orbitais em tubos e aplicações delicadas ou de baixa amperagem. E a versão com lantânio é muito similar ao cério, com boa resistência ao desgaste e elevado desempenho, além de ser versátil, pois trabalha tanto com corrente contínua como corrente alternada e em alta amperagem. Possuem pontas nas cores verde, vermelha, marron, branca, cinza, ouro e azul, respectivamente com classes ANSI/AWS EWP, EWTh-2, EWZr-0,3, EWZr-0,8, EWCe-2, EWLa-1,5 e EWLa-2. 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. Classificação AWS Classificação SAE / ASTM Elemento de liga Cor de identificação EWP RO Verde EW Ce-2 RO 7932 Cério Laranja EW La-1 RO 7941 Lantânio Preto EW La-1,5 RO 7942 Lantânio Ouro EW La-2 RO 7943 Lantânio Azul EW Th-1 RO 7911 Tório Amarelo EW Th-2 RO 7912 Tório Vermelho EW Zr-1 RO 7920 Zircônio Marrom EW G - Não especificado Cinza Eletrodos de tungstênio seguem as normas ANSI/AWS, DIN 6848 A designação EWG indica uma classificação em que o elemento de liga não é especificado (geral).

12 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, oferecem 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. 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.

13 Metal de adição 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. A5.7 cobre e ligas de cobre A5.9 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 protetores são o hélio, o argônio ou uma mistura dos dois. A pureza do gás de proteção deve ficar em torno a 99,99% (4 noves), e a presença de 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 fatores de influencia são: a densidade do gás, o calor específico e a energia de ionização. 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.

14 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. A influência da energia de ionização. O hélio é um átomo pequeno, com apenas uma 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. Este 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; Facilita o início do arco. 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.

15 Mistura Argônio / Hidrogênio (Ar/H 2 ) 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 H 2 na mistura. O excesso de H 2 causa porosidade. Normalmente utilizam-se misturas contendo de 1% a 8% de H 2 na soldagem de aços inoxidáveis e ligas de níquel-cobre e de níquel. A mistura mais comum de Ar / H 2 contém cerca de 5% de H 2, que permite a soldagem tanto de chapas finas como as de maior espessura. Comparação entre o Argônio e o Hélio Argônio Baixa Tensão de arco Menor penetração Adequado para soldagem de chapas finas Soldagem manual devido ao pequeno gradiente de Tensão na coluna do arco (6V/cm) Maior ação de limpeza Arco mais estável Fácil abertura de arco Utilizado em AC e DC Custo reduzido Baixa vazão de gás de proteção Maior resistência de corrente de ar lateral Hélio Elevada Tensão de arco Maior penetração Adequado para soldagem de chapas grossas Soldagem automática Menor ação de limpeza Arco menos estável Dificuldade na abertura do arco Geralmente em DC (-) com eletrodo EW Th (com Tório) Custo elevado Vazão de 2 a 3 vezes maior do que o Argônio Menor resistência de corrente de ar lateral Características do processo 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- corrente contínua com eletrodo negativo C/C+ corrente contínua com eletrodo positivo. C/A corrente alternada 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

16 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 metalbase 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. Tipo de Corrente DC (-) DC (+) AC (Balanceada) Polaridade do eletrodo Negativa ou direta Positiva ou inversa Ação de limpeza Não Não Sim, em cada ciclo Balanço de calor 70% na peça 30% no eletrodo 30% na peça 70% no eletrodo 50% na peça 50% no eletrodo Penetração Estreita e profunda Rasa e superficial Média Aplicação Aço, Cobre, Prata, Aços austeníticos ao Cromoníquel e ligas resistentes ao calor Pouco usada. Requer eletrodos de maior diâmetro ou correntes mais baixas Alumínio, Magnésio e suas ligas Soldagem em corrente alternada com onda senoidal 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.

17 Apagamento instantâneo do arco na soldagem TIG em corrente alternada. Sem a formação do arco elétrico, ou seja, com o arco fechado, a fonte alterna a 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 (Vi), o que leva um determinado tempo (ta). 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 (Va), 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, Vi. 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 V01 para V02, conforme a figura a baixo, um tempo maior é necessário para que a tensão atinja Vi. Como consequência, o tempo do arco apagado é maior para a tensão em vazio menor.

18 Eletrodos dissimilares. O estudo apresendado na página anterior tem validade 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, Vi, que o eletrodo de menor emissividade, que necessitará de uma tensão maior para abrir o arco, Vi. Como consequência, o tempo de arco aberto quando a polaridade for negativa no eletrodo de tungstênio (td) será mais longo que o tempo de arco aberto quando a polaridade for negativa no eletro de tungstênio (ti). 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.

19 Na soldagem em corrente alternada com onda quadrada, o arco tem início quando a tensão alcança o valor mínimo para abrir o arco no eletrodo de tungstênio (Vi), que ocorre de forma quase instantânea. Com a corrente elétrica, a tensão se estabiliza em um valor um pouco mais baixo, Va. Quando a onda inverte a polaridade, o arco tem início quando a tensão alcança o valor mínimo para abrir o arco (V i > Vi), agora no eletrodo menos emissivo, ou seja, na peça a ser soldada, e a tensão se estabiliza em V a, maior que Va. Tem-se assim que o tempo de arco aberto é o mesmo na polaridade direta (td), com o eletrodo de tungstênio no polo negativo, e na polaridade inversa (ti). 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), desbalanceada com maior tempo na polaridade direta (b) e na polaridade inversa (c).

20 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 (Ib), a corrente de pico (Ip), o tempo da corrente de base (tb), o tempo da corrente de pico (tp) e a frequência de pulsação. Após estabelecidos estes parâmetros, obtém-se a corrente média (Im). A figura abaixo mostra as variações da tensão e da corrente com o tempo para a soldagem em corrente contínua pulsada. Para valores fixos de corrente de base e corrente de pico, o tempo em cada uma 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.

21 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. Procedimento de soldagem 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 perpendicular 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. REFERÊNCIAS FRICKE SOLDAS LTDA, br 285 Km 456, Ijuí/RS/Brasil WAINER, Emilio; BRANDI, Sergio Duarte; HOMEM DE MELLO, Fabio Decourt (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: E. Blücher, p. ISBN MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem Fundamentos e Tecnologia. Editora UFMG, 2007, 349 p. ISBN FAGAGNOLO, João Batista, ÚNICAMP, Introdução a Processos e Metalurgia da Soldagem, Agosto/2011