SOLDAGEM TIG. Prof. Marcos Dorigão Manfrinato 1 SOLDAGEM TIG

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1 Prof. Marcos Dorigão Manfrinato 1 A Soldagem a Arco Gás-Tungstênio (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW) ou, como é mais conhecida no Brasil, TIG (Tungsten Inert Gas) é um processo no qual a união é obtida pelo aquecimento dos materiais por um arco estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça. A proteção do eletrodo e da zona da solda é feita por um gás inerte, normalmente o argônio, ou mistura de gases inertes (Ar e He). Metal de adição pode ser utilizado ou não 2

2 Soldagem de Alumínio 3 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS A soldagem TIG é um processo dos mais versáteis em termos de espessuras e ligas soldáveis, produzindo soldas de ótima qualidade, porém é relativamente caro, lento e de baixa produtividade. É usada principalmente na união de metais difíceis de serem soldados por outros processos, em situações em que é necessário um controle rigoroso de calor cedido a peça e principalmente em situações em que a qualidade da junta produzida é mais importante que seu custo de produção. As principais aplicações industriais da soldagem TIG são: costura e união de topo de tubos de aço inoxidável; soldagem de alumínio; soldagem de magnésio; soldagem de titânio; soldagem de peças leves ou de precisão, como usadas na indústria aeroespacial; passe raiz em tubulações de aço carbono e outros materiais. 4

3 VANTAGENS 1. Produz soldas de qualidade superior, geralmente livres de defeitos; 2. Está livre dos respingos que ocorrem em outros processos a arco; 3. Pode ser utilizado com ou sem adição; 4. Permite excelente controle na penetração de passes de raiz; 5. Pode produzir excelentes soldagem autógenas (sem adição) a altas velocidades; 6. Utiliza-se de fontes de energia de baixo custo; 7. Permite um controle preciso das variáveis da soldagem; 8. Pode ser usado em quase todos os metais, inclusive metais dissimilares; 9. Permite um controle independente da fonte de calor e do material de adição. 5 LIMITAÇÕES E POTENCIAIS PROBLEMAS 1. Taxas de deposição inferiores com processos de eletrodos consumíveis; 2. Há necessidade de maior destreza e coordenação do operador em relação ao SMAW e GMAW; 3. É menos econômico que os processos de eletrodos consumíveis para espessuras a 10 mm; 4. Há dificuldade de manter a proteção em ambientes turbulentos; 5. Pode haver inclusões de Tungstênio, no caso de haver contato do mesmo com a poça de soldagem; 6. Pode haver contaminação da solda se o metal de adição não for adequadamente protegido; 7. Há baixa tolerância a contaminantes no material de base ou adição; 8. Vazamento no sistema de refrigeração pode causar contaminação ou porosidade Sopro ou deflexão do arco, como em outros processos; 6

4 Uma característica importante é o excelente controle da energia transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento. Aliado à eficiente proteção contra a contaminação, permite a soldagens de materiais de difícil soldabilidade. Não existe reações metal-gás e metal-escória, não há grande geração de fumos e vapores, o que permite uma ótima visibilidade para o soldador. A operação é sempre manual e pode ser feita em qualquer posição, embora a mecanização do processo seja também comum. 7 O custo dos equipamentos necessários e dos consumíveis usados é alto, e a produtividade ou rendimento do processo é baixo. É aplicável à maioria dos metais e suas ligas numa ampla faixa de espessuras. Em virtude de seu custo relativamente elevado, é usado principalmente na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, na soldagem de peças de pequenas espessuras (1 a 2 mm) e no passe de raiz na soldagem de tubulações. Possibilidade de usar o próprio metal de base como metal de adição quando este não estiver disponível comercialmente, bastando para isto cortar pedaços do metal de base. Podendo apenas ser feito na soldagem manual. 8

5 O arco elétrico é estável, suave e produz em geral soldas com boa aparência e acabamento, que exigem pouca ou nenhuma limpeza após a operação. É um processo lento, usualmente manual, podendo ser automatizado conseguindo taxas de deposição de material na ordem de 0,2 a 2 kg/h. Gera poucos respingos durante o processo de soldagem. Pequena Z.T.A. (zona termicamente afetada) e com isso, gerando poucas deformações oriundas de tensões residuais. 9 10

6 A tensão do arco, designação dada para a tensão entre o eletrodo e a peça, é fortemente influenciada por diversos fatores, a saber : 1. Corrente do arco; 2. Perfil da ponta do eletrodo; 3. Distância entre o eletrodo e a peça ( comprimento do arco ); 4. Tipo da gás de proteção; Como existe uma relação direta entre a tensão e o comprimento do arco, a tensão é usada para controlar o processo, pois uma vez fixados diversos outros parâmetros, a tensão do arco possibilita o controle do comprimento do arco, que é difícil de monitorar. Por sua vez, o comprimento do arco afeta diretamente a largura da poça. Apesar disso, na maioria dos processos com chapas, o comprimento do arco desejado é o menor possível 11 12

7 13 Os principais consumíveis utilizados na soldagem TIG são: Metal de adição; Gás de proteção; Eletrodo de tungstênio, apesar de serem ditos não consumíveis, se desgastam durante o processo, devendo ser recondicionados e substituídos com certa freqüência. 14

8 Gases de proteção são inertes, principalmente o argônio, o Hélio e misturas destes. Em alguns casos misturas com hidrogênio usadas para soldar aços inoxidáveis e misturas com nitrogênio para soldar cobre e suas ligas. A pureza dos gases mínima de 99,99% e o teor de umidade também devem ser controlados. A soldagem com misturas de gases de proteção apresenta características intermediárias, dependendo da proporção. Misturas com 80%vol.Ar e 20%vol.He reúne as melhores características. A seleção do gás é feita principalmente em função do tipo de metal que se quer soldar, da posição de soldagem e da espessura das peças a unir. 15 * Misturas Ar-He com até 75% He e Ar-H 2 com até 15% H 2. CA - corrente alternada, CC- corrente contínua, eletrodo negativo 16

9 Comparando-se a soldagem com argônio e com hélio, têm-se as seguintes características: melhor estabilidade do arco com Ar que com He; menor consumo de Ar, já que este é mais denso que o He; menores tensões de arco com Ar que com He; menor custo do Ar; maior penetração na soldagem com He que com Ar; maior facilidade na abertura do arco com Ar; melhor efeito de limpeza dos óxidos na soldagem com corrente alternada com Ar; possibilidade de uso de maiores velocidades de soldagem com He. 17 Variação da tensão do arco na soldagem TIG de um aço inoxidável austenítico (AISI 316) em função do teor de hidrogênio misturado com Argônio. 18

10 Mudanças de forma do arco elétrico em função do tipo de adição ao gás de proteção Argônio. Adicionando sempre a mesma quantidade de 10% em volume. Mudanças de forma do arco em função do teor de nitrogênio no gás de proteção (Argônio)

11 Metal de adição para soldagem manual é fornecido em forma de varetas de 1 m. Para soldagem mecanizada, o fio é fornecido na forma de bobina. O diâmetro para fio e vareta varia de 0,5 a 5 mm de diâmetro. A escolha do metal de adição é feita em função da: composição química; propriedades mecânicas. o diâmetro do fio ou vareta é escolhido em função da: espessura das peças a unir, da quantidade de material a ser depositado, dos parâmetros de soldagem. os catálogos dos fabricantes fornecem informações úteis na escolha do metal de adição e aplicações típicas dos produtos 21 Os eletrodos são varetas sinterizadas de tungstênio puro ou com adição de óxidos. A função do eletrodo é conduzir a corrente elétrica até o arco. A capacidade de condução varia com a: composição química; diâmetro do eletrodo; tipo de corrente de soldagem (CC, CC-, CA). Eletrodos puros têm menor custo, geralmente são usados com corrente alternada. Eletrodos com adição de óxidos apresentam melhor desempenho que os puros em termos de estabilidade de arco e durabilidade. 22

12 Os eletrodos de tungstênio normalmente são apontados por meio químicos ou mecânicos, antes de iniciar a operação de soldagem. A configuração da ponta do eletrodo pode ser uma variável importante para garantir uma boa repetitividade de resultados

13 25 Diâmetro do eletrodo (mm) Corrente (A) e polaridade CC- CC+ CA balanceada CA não balanceada EWX-X EWX-X EWP EWX-X EWP EWX-X 0,30 Até 15 * Até 15 Até 15 Até 15 Até 15 0, * , * , , , , , , (*) Não usado, CC- Corrente contínua eletrodo negativo, CC+ Corrente contínua, eletrodo positivo e CA Corrente alternada e ignitor de alta frequência. 26

14 Além dos equipamentos e materiais que acabamos de descrever, vários equipamentos ou sistemas auxiliares podem ser usados para facilitar ou mecanizar a operação de soldagem, tais como: posicionadores, para permitir a soldagem na posição plana; dispositivos de deslocamento, para movimentar a tocha ou a peça; controladores automáticos de comprimento de arco, para manter constante a distância da ponta do eletrodo até a peça; alimentadores de metal de adição, para permitir a uniformidade na adição; osciladores do arco de soldagem, para mecanizar o tecimento do cordão; temporizadores, para controlar o início e o fim da operação dos diversos dispositivos auxiliares da soldagem, controlar o fluxo de gás e sincronizar todas as operações. 27 TÉCNICA OPERATÓRIA Antes de iniciar a soldagem, é indispensável a remoção de óleo, graxa, sujeira, tinta, ferrugem ou qualquer outra contaminação. A remoção pode ser feita por: meios mecânicos (lixamento, escovamento, etc.); meios químicos (decapagem, lavagem, etc.). É necessário a pré-purga de gás alguns segundos antes da abertura do arco pelo ignitor de alta frequência ou outro meio. Deixar a tocha parada por um certo tempo para a formação da poça de fusão. Quando atingir volume ou tamanho adequado, iniciar o movimento de translação,ou movimento de tecimento ao longo da junta e a adição de metal. A adição de metal é feita na poça de fusão, normalmente a frente da a tocha de soldagem, com a vareta ou o bico de saída de arame formando um ângulo de 15 com a peça. 28

15 TÉCNICA OPERATÓRIA 29 TÉCNICA OPERATÓRIA Deve-se ter cuidado de não se retirar a ponta aquecida da vareta da nuvem protetora de gás inerte, para não contaminá-la. A adição de material pode ser contínua ou intermitente. Ao final da junta, faz-se a extinção do arco, interrompendo a passagem de corrente. Ainda com a tocha sobre a última parte soldada, deixa-se que ocorra o fluxo de gás inerte por um tempo de até 30 segundos, conhecido como pós-purga. Na soldagem com corrente continua, o ignitor de alta freqüência é usado apenas para abertura do arco. Na soldagem com corrente alternada com uma fonte eletrônica, a mudança de polaridade se dá num tempo muito curto e em geral não há necessidade de uso de dispositivos para abertura do arco a cada inversão. Na soldagem com corrente alternada com uma fonte convencional, como a corrente de soldagem anula a cada inversão de polaridade, o arco tende a se extingir quando a corrente é muito baixa ou nula. Assim, o ignitor de alta freqüência deve permanecer ligado durante toda a operação, a fim de estabilizar a descarga elétrica. 30

16 TÉCNICA OPERATÓRIA As principais variáveis operatórias da soldagem TIG são: comprimento do arco; a corrente; a velocidade de soldagem; vazão do gás de proteção. 31 COMPRIMENTO DO ARCO Comprimento do arco é a distância entre a ponta do eletrodo e a peça de trabalho. Para uma dada corrente de soldagem e gás de proteção, a tensão do arco aumenta com aumento deste. Quanto maior o comprimento do arco, mais raso e largo é o cordão de solda. No caso de solda com adição, também o reforço do cordão tende a diminuir com o aumento do comprimento do arco. Arcos muito curtos ou muito longos tendem a ser instáveis, o que favorece a formação de descontinuidades como porosidade, falta de fusão e mordedura. 32

17 CORRENTE DE SOLDAGEM A corrente é selecionada diretamente na fonte de energia. Quanto maior a corrente, maior a penetração e a largura do cordão. Para outros parâmetros constantes, o reforço do cordão tende a diminuir com o aumento da corrente, no caso de soldas com adição de metal. A geometria do cordão varia com o tipo de corrente usada. A figura a seguir mostra características da soldagem feita com os tipos de corrente e polaridade. 33 CORRENTE DE SOLDAGEM 34

18 CORRENTE DE SOLDAGEM O efeito da limpeza na figura consiste na remoção de camadas superficiais de óxidos do metal base, pela ação do arco elétrico, quando o eletrodo é positivo. Soldagem de metais fortemente reativos, como alumínio, o magnésio e o titânio, este tipo de corrente e polaridade seria bastante vantajoso 35 CORRENTE DE SOLDAGEM Variação da freqüência do gerador de correntes alternada. Baixa freqüência: 60Hz Arco largo e menor penetração. Alta frequência: 120Hz Arco estreito e maior penetração 36

19 VELOCIDADE DE SOLDAGEM A penetração e a largura do cordão de solda tendem a diminuir com o aumento da velocidade de soldagem. Quanto maior a velocidade de soldagem, melhor a eficiência e a produtividade da operação, com conseqüente redução de custos por unidade de comprimento de solda produzida. Velocidades de soldagem exageradas podem introduzir descontinuidades no cordão, como falta de fusão, falta de penetração e mordeduras. 37 VAZÃO DO GÁS A vazão do gás de proteção influência diretamente a qualidade do cordão de solda. Vazão muito baixa resulta em proteção insuficiente, que pode levar a oxidação do cordão de solda, formação de porosidade, etc. Vazão muito elevada, não causa problema, mas encarece o custo de operação. A vazão muito elevada pode causar turbulência no fluxo de gás, resultando em efeitos semelhantes a vazão muito baixa. 38

20 PROBLEMAS OPERACIONAIS E DEFEITOS DE SOLDAS PROBLEMAS / DEFEITOS Consumo excessivo de eletrodo CAUSAS Gás de proteção insuficiente Soldagem em polaridade inversa Diâmetro inadequado do eletrodo em relação à corrente necessária ao trabalho Eletrodo contaminado Oxidação do eletrodo durante o resfriamento CORREÇÕES Limpar bocal da tocha. Verificar se há vazamento nas mangueiras. Diminuir a distância entre o bocal e a peça. Corrigir polaridade. Usar eletrodo com diâmetro maior. Usar eletrodo de diâmetro maior. Eliminar a contaminação por meio de esmerilhamento da ponta do eletrodo. Manter o gás fluindo após a extinção do arco por pelo menos 10 segundos. 39 PROBLEMAS OPERACIONAIS E DEFEITOS DE SOLDAS PROBLEMAS / DEFEITOS Arco errático CAUSAS Presença de óxidos ou agentes contaminadores na superfície do metal de base Ângulo de chanfro da junta estreito demais Eletrodo contaminado Diâmetro do eletrodo grande demais para a intensidade de corrente usada Arco muito longo CORREÇÕES Limpar a superfície do metal base. Corrigir ângulo. Limpar o eletrodo. Utilizar eletrodo de tamanho adequado, ou seja, o menor possível para a corrente necessária. Aproxime mais o eletrodo. 40

21 PROBLEMAS OPERACIONAIS E DEFEITOS DE SOLDAS PROBLEMAS / DEFEITOS Porosidade CAUSAS Impurezas na linha de gás Mangueiras de gás e água trocadas Superfície do metal base e/ou do metal de adição contaminada Vazão de gás inadequada Arco muito longo CORREÇÕES Purgar o ar de toas as linhas antes de abrir o arco. Nunca trocar as mangueiras. Usar somente mangueiras novas. Fazer a limpeza. Corrigir a vazão do gás. Corrigir comprimento do arco. 41 PROBLEMAS OPERACIONAIS E DEFEITOS DE SOLDAS PROBLEMAS / DEFEITOS Cordão da solda Oxidado CAUSAS Proteção insuficiente do gás Metal de base ou de adição sujo Contaminação com tungstênio do eletrodo CORREÇÕES Verificar a taxa de vazão do gás. Verificar o tamanho do arco. Corrigir a posição da tocha. Centralizar os eletrodos no bocal de gás. Limpar a superfície do material base e dos materiais de adição. Abrir o arco sem tocar o metal de base, usar corrente de alta freqüência. 42

22 PROBLEMAS OPERACIONAIS E DEFEITOS DE SOLDAS PROBLEMAS / DEFEITOS Cordão da solda muito largo CAUSAS Arco muito longo Velocidade de soldagem muito baixa para a corrente usada CORREÇÕES Corrigir o tamanho do arco. Corrigir a posição da tocha. Verificar e alterar a corrente e/ou velocidade de soldagem. Soldagem TIG de Alumínio com 99.96% de pureza (a) Velocidade de 1000 mm/min and (b) Velocidade de soldagem de250 mm/min. 43 EXERCÍCIOS 1. Que propriedades dos gases inertes devem influenciar as características do arco elétrico e provocar variações na geometria de cordões de solda feitos com os mesmos parâmetros e diferentes gases? 2. Por que o metal de adição usado na soldagem TIG é, normalmente, de composição semelhante ou idêntica à do metal de base? 3. Que características os eletrodos de diferentes composições químicas poderiam explicar a variação nas faixas de corrente recomendada para um eletrodo de um certo diâmetro? 4. Porque a geometria da ponta do eletrodo só influência significativamente a soldagem mecanizada? 44

23 EXERCÍCIOS Assinale a alternativa que completa corretamente as seguintes afirmações: 1. O processo de soldagem TIG a) Sempre usa um metal de adição; b) Usa metal de adição e pode, ou não, usar um eletrodo consumível; c) Usa um eletrodo consumível e pode, ou não, usar metal de adição; d) Usa um eletrodo não consumível e pode, ou não, usar metal de adição; e) Usa somente um eletrodo não consumível. 2. A principal função do gás inerte é: a) Manter a pureza do metal base; b) Proteger a região do arco contra contaminação da atmosfera; c) Ionizar a poça de fusão; d) Combinar-se quimicamente com o metal de base; e) Combinar-se quimicamente com o metal de adição. 3. A função do metal de adição é: a) Ajudar a diminuir as fissuras e evitar vestígios de sujeiras; b) Compensar as variações nas montagens e aumentar a espessura da junta; c) Ajudar a diminuir as fissuras e participar na produção do cordão de solda; d) Melhorar as propriedade químicas da solda; e) Aumentar a espessura da junta e melhorar as propriedades químicas da solda. 45 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Marques, P.V.; Modenesi, P.J.; Bacarense, A.Q.. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 2 edição, editora UFMG, Wainer, E.; Brandi, S.D.; Homem de Mello, F.D.. Soldagem: Processos e Metalurgia. 1 edição, editora edgard Blücher Ltda, Degarmo, E.P.; Black, J.T.; Kohser, R.A.. Materials and Processes in Manufacturing. 9 edição, editora John Wiley,