Corte com arco plasma

Transcrição

1 Corte com arco plasma Valter Augusto Santiago (UNIFEI) Resumo O desenvolvimento de novos equipamentos tem feito do corte com arco plasma, um processo bastante atrativo para as empresas, devido a sua grande versatilidade e alta velocidade de corte. Para a realização de um processo de corte adequado com plasma, alguns conceitos e regras devem ser bem entendidos e observados. Neste trabalho discutem-se os principais conceitos envolvidos no corte com arco plasma. Também são indicados os cuidados que devem ser observados para a correta armazenagem e preparação dos materiais utilizados na soldagem. Palavras chave: Corte com arco plasma, Soldagem de aço e ligas de alumínio. 1. Introdução O processo de corte por plasma se destaca dentre os processo térmicos por apresentar uma alta qualidade associada a uma boa produtividade (Costa and Pereira, 2003), além de permitir cortar diferentes metais como o alumínio, o aço inoxidável e os aços carbono. O processo de corte por plasma possui algumas vantagens sobre os outros processos como, por exemplo: os processos de cisalhamento são muito rápidos e deixam uma aresta de corte lisa, mas só se podem realizar cortes retos. Cortes com serras circulares emitem muito ruído e só permitem realizar cortes retos. Processos de corte oxiacetilênicos apresentam dificuldades para cortar materiais de grande espessura, e são limitados principalmente ao aço carbono (Fernicola, 1994). Os metais que são cortados pelo plasma não precisam ser pré-aquecidos; somente pequenas áreas das peças são afetadas pelo calor do corte; as máquinas que utilizam o arco plasma podem ser portáteis, etc (Schmidt, 2003). As variáveis envolvidas no corte podem afetar a qualidade das soldas a serem realizadas nas peças, a exatidão e os custos de produção (Matsumoto, 1988). Também devem receber atenção especial a adequada armazenagem e o manuseio dos materiais que serão soldados. O artigo tem como objetivo abordar os principais conceitos envolvidos nos processos de corte de aço e ligas de alumínio, com arco plasma, bem como analisar a influência de cada uma das variáveis sobre a qualidade da superfície cortada e os cuidados necessários para se realizar uma soldagem de alta qualidade. 2. O Corte com arco plasma O plasma é definido como um gás que foi aquecido suficientemente a uma alta temperatura até tornar-se ionizado. Muitos equipamentos que utilizam um arco elétrico para aquecer o gás até o estado de plasma vêm sendo desenvolvidos desde o ano de 1900 (Weller and Haavisto, 1984). No início do desenvolvimento do corte com plasma, devido aos equipamentos disponíveis, os processos utilizando arco plasma eram pouco utilizados, pois apresentavam qualidade inferior e baixas velocidades de corte, quando comparados com os processos oxiacetilênicos (Manohar and Snyder, 1994). A usinagem utilizando o arco plasma é obtida pela fusão do metal mediante um arco constringido, e então o metal fundido é soprado para fora da superfície de corte por um jato de gás ionizado de alta velocidade. O corte com plasma é largamente empregado na fabricação de vasos de ligas de alumínio, na manufatura de chapas curvadas e para o corte de variadas formas. A superfície de corte com o plasma inicialmente era de menor qualidade do que as superfícies cortadas mecanicamente. Assim as peças que eram soldadas após o corte com plasma, necessitavam ter a superfície de corte usinadas ou lixadas, no entanto, se a

2 qualidade da solda pudesse ser assegurada somente pelo corte com plasma, processos adicionais poderiam ser dispensados. Embora a soldagem fosse possível diretamente após o corte com plasma, tratamentos adicionais deveriam ser considerados se as juntas soldadas fossem de alta responsabilidade técnica (Matsumoto, 1988). 2.1 Formação das escórias Há alguns anos atrás os fabricantes de aço tinham diversas objeções quanto ao uso do corte com arco plasma em chapas de 5 20 mm de espessura, devido às excessivas adesões de escórias na aresta inferior do corte, tanto nas chapas de aços comuns quanto nas chapas de aços ao carbono e outros materiais laminados a quente (Manohar and Snyder, 1994). As escórias são formadas durante o corte com plasma (ou outro processo de corte térmico) pela resolidificação do metal fundido na aresta inferior do corte, antes de serem arrancadas pelo jato do plasma. Assim existe uma dinâmica entre tempo, temperatura e velocidade de corte, que podem influenciar na formação das escórias, também devem ser consideradas as características do material a ser cortado (Manohar and Snyder, 1994). As escórias podem ocorrer de duas maneiras, durante o corte com arco plasma, pela velocidade excessiva ou por velocidade muito baixa. Para uma dada corrente, há uma gama de velocidades segundo as quais, cortes aceitáveis são obtidos. Esta situação está esquematizada na Fig. (1) (Manohar and Snyder, 1994). CORRENTE FORMAÇÃO DE ESCÓRIA EM BAIXA VELOCIDADE JANELA OPERACIONAL DE CORTE FORMAÇÃO DE ESCÓRIA EM ALTA VELOCIDADE VELOCIDADE DE CORTE Fonte: Manohar and Snyder (1994). Figura 1 Efeito da velocidade sobre a formação das escórias durante o corte com plasma. As escórias formadas em baixas velocidades de corte são mais facilmente removidas do que as escórias formadas em altas velocidades (Manohar and Snyder, 1994). De Paris (2000) verificou que ao cortar chapas de aço carbono ABNT 1020 com espessura de 5 mm (3/16 ), com velocidade de corte de 150 mm/min., a superfície de corte da chapa apresentou-se irregular com muitas estrias e também com aderência de grande quantidade de escoria. Na velocidade de corte de 2000 mm/min., não houve nenhuma aderência de escórias na aresta inferior de corte. Em metais polidos a limpeza da superfície cortada, ou seja, a redução da formação de escórias é obtida pela utilização do gás nitrogênio no processo de corte com plasma; no entanto a janela operacional fica reduzida juntamente com as taxas de corte (Pennington, 2001). Em sistemas de corte com arco plasma que utilizam o gás nitrogênio, a janela operacional (onde cortes satisfatórios são obtidos) torna-se bem menor em aços contento alto teor de silício. Para uma dada corrente, a máxima velocidade permissível, para um aço contendo silício, começa a diminuir quando o teor de Si situa-se entre 0,12 e 0,15%; e ainda, se a quantidade de Si aumentar para 0,3%, a velocidade deve ser reduzida em 50% para se obter cortes de qualidade aceitável. A qualidade do corte em sistemas que utilizam ar e oxigênio,

3 não parece ser afetada pelo teor de Si. A introdução de oxigênio no plasma tem sido um meio utilizado para expandir a janela operacional, sem afetar a qualidade do corte, mesmo que haja uma grande variação na composição do metal e nos parâmetros de corte; contudo, comparado com sistemas que utilizam nitrogênio, os consumíveis do sistema que utilizam oxigênio se desgastam mais rapidamente. Também existem indicações que, quando o aço contém alto teor de alumínio, (acima de 0,07-0,08%), a janela operacional de corte torna-se menor para o corte com arco plasma utilizando oxigênio, e problemas com escórias podem surgir (Manohar and Snyder, 1994). 2.3 Efeito do corte com arco plasma na superfície do metal O corte com plasma pode afetar a qualidade da superfície de corte em algumas ligas de alumínio, pois há uma fusão parcial dos grãos vizinhos a esta, que podem resultar em microtrincas, conforme mostrado na Fig. (2). As séries de ligas de alumínio: 2xxx, 6xxx e 7xxx (ligas tratadas a quente) são particularmente propensas a este tipo de trincas, enquanto as ligas da série: 1xxx, 3xxx e 5xxx (ligas não tratadas a quente) não são. A tendência ao aparecimento de trincas aumenta com a espessura do metal devido ao aumento da restrição à solidificação do mesmo (Anderson, 2003). Fonte: Anderson (2003) Figura 2 Microtrincas na superfície de corte de chapa de alumínio, após o corte com plasma. Matsumoto (1988), averiguou que as microestruturas próximas à superfície de corte das ligas de alumínio 1050, 5052,5083 e 6061 não tiveram nenhuma mudança; contudo, para as outras ligas houve a presença de furos ocasionados pelo sopro do arco bem como de microtrincas. A liga 2017 apresentou furos e as ligas 2024, 2219 e 7075 apresentaram furos e microtrincas. Ao analisar os resultados de dureza realizado nas amostras, pode-se assumir que a largura da zona termicamente afetada é de aproximadamente 5 mm. Todas as ligas de alumínio (Matsumoto, 1988), cortadas com plasma apresentaram escórias aderidas na aresta inferior do corte, com menos de 1 mm de largura e altura, para a grande maioria das amostras. Com relação ao formato e dimensão da seção reta de corte, em velocidades baixas, aparece uma abertura maior na parte inferior do corte (alguns autores denominam isso de sangria ), devido ao maior aporte térmico na unidade de tempo. Em velocidades maiores de corte, a seção reta do corte apresenta uma largura maior na parte superior do mesmo, diminuindo em direção a parte inferior do corte (De Paris, 2000).

4 2.4 Armazenagem e preparação das ligas de alumínio Na obtenção de soldas de alta qualidade algumas regras básicas como: limpeza e remoção de contaminantes da área a ser soldada; adequadas formas de armazenamento e de manuseio devem ser rigidamente seguidas (Anderson, 2003). Há diferença nas questões relativas ao armazenamento e o manuseio entre o aços ao carbono e as ligas de alumínio. Tanto o alumínio usado como metal de base ou como metal de adição possui dois potenciais problemas: o primeiro problema é o filme de óxido de alumínio que se forma na superfície decorrente de excesso de umidade e um segundo aspecto é a possibilidade de contaminação por hidrocarbonetos (Anderson, 2003). As ligas de alumínio desenvolvem um filme de óxido na superfície rapidamente quando estão expostas ao ar. Esse óxido de alumínio formado na superfície tem a sua temperatura de fusão muito acima da temperatura de fusão do alumínio do metal de base (aproximadamente 2400ºC para o óxido de alumínio e aproximadamente 670ºC para o metal alumínio). Devido a esta grande diferença de temperaturas de fusão, o óxido de alumínio pode impedir a perfeita fusão entre o metal de base e o metal de adição e flocos de óxidos podem surgir dentro da solda na forma de inclusões não metálicas (Anderson, 2003). Para soldagem de alta qualidade é necessário buscar a máxima remoção possível da camada de óxido de alumínio da superfície da peça. Esta remoção é freqüentemente feita por escovação, com uma escova com fios de aço inoxidável, podendo também ser feita raspando, lixando, usinando ou esmerilhando. Um cuidado adicional deve ser tomado na utilização destas ferramentas, que devem estar isentas de contaminantes como óleo e graxas. Esta camada de óxido de alumínio também pode ser removida utilizando removedores químicos como: soluções alcalinas seguidas de posterior lavagem com água (Anderson, 2003). O segundo problema é a presença de hidrocarbonetos na superfície do metal, cuja a fonte principal são os lubrificantes à base de hidrocarbonetos que muitas vezes são utilizados em operações de pré-soldagem ou que contaminam as superfícies por inadequados manuseios e armazenamentos; assim sendo, para a realização de uma soldagem de alta qualidade torna-se necessário uma completa remoção dos hidrocarbonetos que pode ser feita com solventes, detergentes e soluções alcalinas entre outros métodos (Anderson, 2003). 3. Conclusão Na soldagem das ligas de alumínio algumas regras devem ser bem entendidas e seguidas. Os materiais devem ter uma armazenagem e um manuseio adequado, devem estar livres de contaminantes, principalmente os hidrocarbonetos. A superfície de corte deve ter um tratamento adequado quando for necessário a realização de soldas de juntas de alta responsabilidade técnica, pois como foi discutido, o corte com arco plasma pode afetar a superfície do metal. Também é importante estar atento a presença de microtrincas e furos na superfície cortada, pois isso pode ocasionar potenciais problemas na realização de soldas de alta qualidade. Normalmente o metal apresenta uma pequena região adjacente ao corte, que pode ter sido afetada pelo aquecimento oriundo do corte, denominada zona termicamente afetada, que também diminui a qualidade da solda. A velocidade de corte é um fator importante para se obter cortes com qualidade e livres de escórias que normalmente aderem à superfície inferior do corte. Para cada tipo de material existe uma janela operacional, onde cortes de excelente qualidade podem ser obtidos. A escolha incorreta da velocidade de corte pode resultar em taxas menores de produtividade e custos maiores, pois nestes casos pode haver a necessidade de realização de processos posteriores ao corte, como: usinagem e esmerilhamento entre outros, para a retirada da escória.

5 A correta análise da composição do metal e escolha do gás utilizado no corte também são fatores importantes a serem considerados. Referências ANDERSON, T. (2003) Aluminum Q&A, Welding Journal, Vol. 82, No. 10, pp DE PARIS, A. A. F. (2000) A velocidade de corte plasma associada à formação de escórias, Proceedings of National Congress of Mechanical Engineering, Vol.1, Rio Grande do Norte, Brazil, CD-ROM, Paper HC FERNICOLA, R. C. (1994) New oxygen plasma process rivals laser cutting methods, Welding Journal, Vol. 73, No. 6, pp MANOHAR, M., & SNYDER II, J. P. (1994) Dross Formation during Plasma Arc Cutting of Steels, Welding Journal, Vol. 73, No. 11, pp MATSUMOTO, J. (1988) Effects of plasma cut surfaces on the quality of aluminum alloy welds, Welding International, No. 4, pp PENNINGTON, J. N. (2001) Plasma? Laser? Picking the right process, Modern Metals, Vol. 57, No. 8, pp SCHMIDT, B. (2003) Plasma Arc Cutting Machine Selection and Techniques, Vol. 82, No. 2, pp COSTA, S. C. & PEREIRA, W. X. (2003) Mais um passo para a otimização do processo de corte por plasma através do estudo da qualidade superficial de corte do aço 1045, Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Vol. 1, Uberlândia, MG, CD-ROM. WELLER, E. J. & HAAVISTO, M. (1984) Nontraditional Machining Processes, Society of Manufacturing Engineers, Dearbon, Michigan, pp