AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CORRENTES PLASMA E MIG SOBRE A GEOMETRIA DO CORDÃO DE SOLDA NA SOLDAGEM PLASMA-MIG

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1 CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPE/UFU Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 2008 UFU 30 anos AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CORRENTES E SOBRE A GEOMETRIA DO CORDÃO DE SOLDA NA SOLDAGEM - Maxwell Souto Pacheco Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Centro de Desenvolvimento de Processos de Soldagem, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG; psmax19@yahoo.com.br André Alves de Resende Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Centro de Desenvolvimento de Processos de Soldagem, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG; aaresende@gmail.com Valtair Antônio Ferraresi Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Centro de Desenvolvimento de Processos de Soldagem, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG; valtairf@mecanica.ufu.br Resumo: O processo Plasma- consiste basicamente da combinação dos processos Plasma e /MAG em uma única tocha. Com essa associação, se consegue unir vantagens individuais de cada processo. O principal benefício consiste na independência entre o aporte de energia imposto pelo processo e o material adicionado, resultando em uma maior facilidade em atuar sobre a geometria do cordão de solda. Na literatura, existem poucas informações relacionadas com o processo, além de que a maioria remota principalmente das décadas de 70 e 80, quando a tecnologia disponível não foi capaz de viabilizar o processo para a industria da época. No entanto, nos últimos anos, a difusão das novas fontes eletrônicas utilizadas em soldagem, contribuiu na retomada do interesse pelo processo Plasma-, devido à sua grande potencialidade. Justificando, desta forma, o desenvolvimento de novas tecnologias e conhecimentos acerca do processo, neste contexto, este trabalho objetivou ampliar os estudos relacionados à influência dos balanços das correntes Plasma e sobre a geometria do cordão de solda, com a utilização de fontes modernas. A partir dos resultados obtidos foi observado que o processo Plasma- tem potencialidade quando se deseja atuar sobre a geometria do cordão de solda, e que incrementos na corrente Plasma faz aumentar a molhabilidade, favorecendo o aumento na largura, redução no reforço, penetração e área fundida. Palavras-chave: Plasma, Soft Start, hibrido. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, com os avanços de novas tecnologias disponíveis para o desenvolvimento de processos de soldagem e a procura por processos com maior capacidade de produção e produtividade, surgiram os chamados Processos Híbridos de Soldagem, com destaque ao - Laser e Plasma-. Trata-se da associação física de dois processos, com o intuito de aproveitar as características mais atrativas de cada (Reis e Scotti, 2007). De acordo com Harris (1994), o desenvolvimento do processo híbrido de soldagem Plasma- oferece a possibilidade de uniões e revestimentos com elevadas velocidades de soldagem, isto

2 é, elevada produtividade. No entanto, ainda não existem conhecimentos científicos consolidados a respeito de algumas propriedades fundamentais do processo, neste sentido, este trabalho propõe um estudo sobre a influência do balanço entre as correntes Plasma e /MAG na geometria final do cordão de solda. O Processo de Soldagem Plasma- pode ser definido como a combinação dos processos a Plasma e /MAG em uma única tocha, onde o metal de adição é alimentado pelo orifício do bocal plasma. O processo pode ser usado tanto para soldagem quanto para revestimento (Harris, 1994). Ele une as vantagens de alta produtividade dos processos de soldagem a arco aos menores custos dos equipamentos, proporcionados pelas possibilidades de combinação entre as fontes de corrente comercialmente disponíveis para a soldagem a Plasma e /MAG (Mattles & Kohler, 2006). No processo /MAG e nos outros processos baseados em eletrodos consumíveis, a corrente de soldagem, a taxa de alimentação de metal de adição e o comprimento do eletrodo estão estreitamente interligados. Este fato traduz a forte dependência existente entre o aporte de energia e o aporte de material dos processos que trabalham com eletrodos consumíveis. Uma das principais conseqüências desta dependência é a dificuldade em se atuar na geometria do cordão de solda (Oliveira, 2006), já no processo Plasma-, o controle independente do arco Plasma e da corrente que flui através do arame, permite melhor controle sobre o metal depositado, melhorando a produtividade, e dando flexibilidade no controle do calor que é transferido a peça (Harris, 1994). A característica fundamental do processo Plasma- é que o arame eletrodo e seu respectivo arco (parte do processo) são envolvidos por um gás termicamente ionizado (parte Plasma do processo), formando um arco hibrido. Isto é bastante diferente do processo convencional, no qual o gás a temperatura ambiente é alimentado ao redor do arame e do arco. Na sua concepção original, o eletrodo de tungstênio responsável pela geração do arco Plasma, era localizado ao lado do bico de contato, como ilustrado no esquema da Figura 1, nesta configuração, o bocal da tocha, posicionado entre o eletrodo não consumível e a peça, era o responsável por estabilizar o plasma, e qualquer distúrbio podia desestabilizar a coluna de Plasma (Essers et al, 1981). Figura 1 - Esquema de um equipamento para soldagem Plasma- usada em pesquisas na década de 1970 (Adaptada de: Essers, 1980). Foi então proposto por Essers et al (1981), um novo projeto de tocha, no qual o eletrodo pontiagudo de tungstênio foi substituído por um eletrodo anular de cobre com insertos de carbono. Esta configuração confere uma maior rigidez à coluna de plasma e continua sendo utilizada atualmente. Na Figura 2 temos um desenho esquemático de uma tocha para soldagem Plasma-. Com a concepção deste novo modelo te tocha, foi também introduzida uma técnica de abertura do arco denominada Soft Start, que é capaz de proporcionar uma abertura suave e com um baixo 2

3 nível de respingos. Esta ocorre sem os inconvenientes da tradicional abertura por curtos circuitos, que gera uma apreciável quantidade de respingos e pode danificar a tocha, e da abertura por alta freqüência, que danifica os equipamentos eletrônicos. Com o eletrodo anular, o gás de plasma não precisa se totalmente inerte e se pode usar a polaridade positiva, que garante maior estabilidade na porção /MAG do processo. Naturalmente o bocal constritor de plasma passa a ter um orifício maior do que do processo convencional, para permitir a passagem, também de forma concêntrica, do arame. Figura 2 Desenho esquemático de uma tocha para soldagem Plasma-,. Serão apresentados resultados referentes à avaliação da influência do balanço das correntes Plasma e, sobre os aspectos geométricos dos cordões de solda tais como largura, reforço, penetração, área fundida e área depositada. 2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Para avaliar a influência das correntes Plasma e na geometria do cordão de solda, foram realizadas soldagens de simples deposição sobre chapa ( bead on plate ), optou-se por trabalhar com valores de corrente acima da corrente de transição globular-goticular em três níveis (200, 240 e 280 A), para a corrente Plasma, também foram avaliados três níveis (0, 60 e 100 A), que combinados entre si, resultaram em nove condições a serem avaliadas. Como o valor da velocidade de alimentação varia com a corrente Plasma e, principalmente, com a corrente, a velocidade de soldagem também foi ajustada para cada experimento de forma que a relação Velocidade de Soldagem/Velocidade de Alimentação fosse mantida aproximadamente constante. A velocidade de alimentação foi ajustada para cada condição, de maneira que o arco permanecesse o mais curto possível, com um comprimento de aproximadamente 4 mm. Esse ajuste foi realizado aumentando-se a velocidade de alimentação até que o arame tocasse na poça gerando curto-circuito, a partir desse ponto, a velocidade de alimentação era então reduzida suavemente até que os curtos circuitos deixassem de existir. Como a variação na velocidade de soldagem altera o volume da poça e conseqüentemente o tamanho do arco, os ajustes tanto da velocidade de soldagem quanto de alimentação foram feitos de forma interativa para que a relação entre elas fosse constante e o arco o mais curto possível. As condições gerais para a realização destas soldagens foram: Distância da Tocha a Peça em 8 mm, arame eletrodo de aço ao carbono ER 70S-6 com 1,2 mm de diâmetro, Ar+4%CO 2 como gás a 5 l/min, Ar como gás Plasma a 5 l/min e Ar como gás de Proteção a 15 l/min. As condições especificas para cada ensaio encontram-se na Tabela 1. Nesta tabela, I e I, correspondem às correntes de referência ajustadas no software P para as fontes operando no modo corrente constante, Vsold é a velocidade de deslocamento da tocha e Valim é a velocidade de alimentação do arame eletrodo, tanto Vsol como Valim apresentados na tabela são valores já calibrados. 3

4 Tabela 1 Ajustes das condições de soldagem para os testes iniciais. Ensaio I [A] I [A] Vsold [m/min] Valim [m/min] (Vsold/Valim)*10² ,30 5,0 6, ,42 7,1 5, ,45 7,4 6, ,44 7,3 6, ,65 10,8 6, ,67 11,2 5, ,53 8,8 6, ,77 12,7 6, ,80 13,0 6,1 Os ensaios 1, 4 e 7 foram realizados sem corrente passando pelo circuito Plasma, ou seja, se trata de soldagem com corrente constante utilizando a tocha Plasma-, estes ensaios são o ponto de referência para verificar a influência da corrente plasma no processo e principalmente na geometria do cordão. Estes ensaios em particular, foram realizados com a fonte Plasma desligada, conseqüentemente o procedimento Soft Start não foi utilizado e os parâmetros foram ajustados diretamente no painel de controle da Fonte. Tal procedimento foi executado para garantir que a corrente circulasse somente através do arco, uma vez que se o procedimento Soft Start for utilizado com a corrente Plasma ajustada em 0 A (zero A), a fonte Plasma permanece com tensão em vazio durante a soldagem e uma pequena parcela da corrente circula através circuito Plasma. Os demais testes foram realizados com corrente passando pelo circuito Plasma e com a utilização do Soft Start. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 2 têm-se os valores de tensão e corrente monitorados durante os testes para os circuitos Plasma e com seus respectivos desvios padrões, e na Tabela 3, seguem as fotografias das secções transversais de cada um dos corpos de prova, para efeito de escala, a espessura da chapa está visível e corresponde à 6,35 mm. Tabela 2. Valores médios dos sinais de corrente e tensão monitorados para os circuitos Plasma e. Teste I [A] U [V] I [A] U [V] 1 200,7 ±4,0 30,4 ±2,0 * * 2 202,1 ±3,8 27,6 ±3,1 55,1 ±7,6 37,5 ±3, ,4 ±3,9 29,6 ±2,9 93,2 ±7,7 33,1 ±4, ,4 ±3,9 26,7 ±1,9 * * 5 241,6 ±3,7 27,7 ±4,8 54,8 ±5,1 36,4 ±6, ,1 ±3,8 22,5 ±3,5 94,2 ±7,5 30,8 ±2, ,3 ±3,9 28,9 ±1,5 * * 8 281,5 ±3,8 25,0 ±2,4 55,3 ±4,8 33,4 ±2, ,1 ±3,8 24,1 ±2,0 94,2 ±4,9 30,8 ±2,0 Obs: Valores mascados com asterisco (*) correspondem às soldagens com a fonte Plasma desligada. Para cada corpo de prova, foram realizadas duas secções transversais, uma aproximadamente no meio e uma próxima ao final do cordão e os valores medidos de acordo com o esquema da Figura 4. Os valores médios com os respectivos desvios padrões estão apresentados na Tabela 4. Para 4

5 melhorar a apresentação dos resultados e facilitar a análise do comportamento do processo, esses parâmetros foram dispostos individualmente em forma de gráficos. Tabela 3. Fotografias das secções transversais de cada corpo de prova. Chapas com 6,35 mm de espessura. U = 200 V U = 240 V U = 280 V I = 0 A I = 60 A I = 100 A Figura 3 Fotografias da superfície da chapa referente ao Teste 6. Tabela 4 Parâmetros geométricos medidos para os cordões de solda. Ensaio L [mm] R [mm] P[mm] AF [mm²] AD [mm²] 1 9,25 ±0,10 2,83 ±0,04 1,66 ±0,13 8,66 ±0,23 18,47 ±0,40 2 9,62 ±0,16 2,50 ±0,14 1,41 ±0,13 9,05 ±0,61 18,99 ±0,52 3 9,78 ±0,11 2,30 ±0,17 1,14 ±0,06 8,06 ±0,39 16,03 ±2,05 4 8,35 ±0,35 2,92 ±0,26 2,60 ±0,13 11,85 ±0,49 18,75 ±1,48 5 9,28 ±0,11 2,43 ±0,17 1,73 ±0,11 8,04 ±0,65 17,03 ±0,11 6 9,39 ±0,31 2,59 ±0,11 1,48 ±0,24 7,02 ±0,37 15,91 ±0,58 7 8,39 ±0,12 3,29 ±0,15 3,00 ±0,28 12,19 ±2,41 18,67 ±0,11 8 9,19 ±0,08 2,57 ±0,10 2,23 ±0,04 8,81 ±0,62 16,92 ±1,41 9 9,47 ±0,16 2,62 ±0,26 2,18 ±0,12 9,20 ±1,48 15,78 ±0,76 Figura 4 Vista dos parâmetros geométricos medidos para os cordões de solda. Nota: L = Largura, R = Reforço, P=Penetração, AF = Área Fundida, AD = Área Depositada. 5

6 Pela Figura 5, percebe-se uma tendência de aumentar a largura do cordão de solda ao inserir corrente no circuito Plasma, esse efeito pode ser atribuído ao aumento da área de contato do arco híbrido com a peça em comparação ao arco, que por conseqüência aumenta a área da superfície da chapa aquecida, aumentando a molhabilidade da mesma, resultando em cordões mais largos. Por outro lado, um aumento na corrente Plasma de 60 A para 100 A, não provocou alteração significativa na largura. Provavelmente o efeito foi pequeno, porque o volume de gás ionizado, correspondente ao arco hibrido, já é relativamente grande e um incremento de 40 A de corrente Plasma não é capaz de proporcionar um aumento significativo no volume do arco hibrido, e conseqüentemente na área de contato do mesmo com a peça. Sendo assim, a maior parte do calor que é inserido com o incremento da corrente Plasma, é perdido para o ambiente, reduzindo a contribuição desse aumento de corrente na fusão da chapa. Figura 5 Largura do Cordão de Solda em função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. Pela Figura 6, percebe-se uma tendência clara de reduzir a penetração do cordão de solda ao inserir corrente no circuito Plasma. Como apresentado anteriormente, o arco hibrido possui uma maior área de contato com a peça, conseqüentemente maior a área aquecida, maior a molhabilidade e maior é a largura do cordão. Como a largura do cordão tende a aumentar com a corrente Plasma, a energia transferida através das gotas de metal fundido deixa de estar concentradas e a penetração é reduzida. Figura 6 Penetração do Cordão de Solda em função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. Pela Figura 7, percebe-se uma tendência de aumento no reforço com o aumento da corrente, este efeito é conseqüência da redução de largura, já discutido anteriormente, ou seja, menor 6

7 largura obtida com o aumento da corrente resulta em maior reforço uma vez que a quantidade de material depositada é a mesma. Ocorre também, uma tendência de redução no reforço do cordão de solda ao inserir corrente no circuito Plasma. Essa também é uma conseqüência direta do aumento da largura, se ela aumenta para um mesmo volume de material depositado, obrigatoriamente o reforço deve diminuir. Figura 7 Reforço do Cordão de Solda em Função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. A Figura 8 apresenta a área depositada em função da corrente para diferentes condições de corrente Plasma, como todos os experimentos foram realizados para uma relação Velocidade de Soldagem / Velocidade de Alimentação aproximadamente constante, era esperado que os mesmos apresentassem um único valor para este parâmetro geométrico. Fazendo o cálculo teórico para a área depositada, considerando que não existam variações nas velocidades de soldagem e alimentação, no diâmetro nominal do eletrodo e que as perdas de metal por respingos e evaporação sejam desprezíveis, tem-se que a mesma deve permanecer por volta de 18,7 mm². Como algumas medidas dispersaram deste valor, algumas questões devem ser observadas: - Os valores de velocidade de alimentação apresentados na Tabela 1, correspondem a valores obtidos a partir da curva de calibração do cabeçote alimentador. Como foi realizado um ajuste linear da curva de calibração, a mesma pode ter apresentado oscilações na velocidade de alimentação de arame, que pode ter contribuído para a variação na área depositada; - Finalmente, o numero de secções transversais analisadas do corpo de prova pode não ter sido significativa para o cordão de solda, e também, as soldas não tiveram repetições. Figura 8 Área de material depositado na chapa em Função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. 7

8 Pela Figura 9, percebe-se uma tendência clara de reduzir a área fundida do cordão de solda ao inserir corrente no circuito Plasma, observando que se trata da área fundida abaixo da linha que delimita a superfície da chapa, não incluindo a área relativa ao material depositado. Os mecanismos que provocam a redução na área fundida são os mesmos que reduzem a penetração, até mesmo porque são parâmetros geométricos que estão diretamente relacionados. Figura 9 Área Fundida do Metal de Base em Função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. A Figura 10 apresenta uma tendência de queda na diluição (que indica o quanto o material de base participa na formação do cordão de solda) através da passagem de corrente através do circuito Plasma. Este resultado somado à tendência de aumento da molhabilidade do cordão, que foi apresentado anteriormente, aponta uma potencialidade do processo Plasma de ser aplicado em operações de revestimentos. Figura 10 Diluição em Função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. Através desta Figura 11, observa-se uma contribuição significativa do arco Plasma na fusão do eletrodo, quando adicionada uma corrente Plasma de 60 A, ocorreu um ganho de quase 3 m/min na velocidade de alimentação do arame, este resultado foi similar ao obtido por Oliveira (2006) soldando com Plasma pulsado. Por outro lado, o aumento da corrente Plasma de 60 A para 100 A não provocou um incremento significativo na velocidade de alimentação assim como ocorreu ao adicionar 60 A na soldagem, esse tendência também coincide com a observada por Oliveira (2006), que afirma que o incremento na taxa de fusão do arame causada pelo arco Plasma depende, da capacidade do arame eletrodo absorver a energia disponibilizada pelo arco Plasma, e que essa absorção ocorre pelos três mecanismos de transferência de calor: radiação, convecção e condução. Como arames de 8

9 aço carbono possuem condutividade térmica relativamente baixa, a utilização de altos valores de corrente no circuito Plasma pode não ser uma boa opção se o objetivo for aumentar a taxa de consumo de eletrodo. Figura 11 Velocidade de alimentação de arame em Função da Corrente para três condições de Corrente Plasma. 3. CONCLUSÕES Para as condições de realização deste trabalho, podemos concluir que: - Diferentes combinações entre as correntes Plasma e produzem cordões com diferentes dimensões, que seguem um padrão de variação. Portanto o processo pode ser adequado em operações que exijam um controle sobre a geometria do cordão; - A presença da corrente Plasma foi capaz de reduzir a diluição, indicando que o processo possui potencialidades para ser aplicado em operações que exijam uma menor diluição, como por exemplo, em revestimentos; - A presença da corrente Plasma contribui na taxa de consumo do eletrodo, mas se ela é utilizada com este objetivo, uma corrente mínima de 40 A já é suficiente e a utilização de correntes maiores no circuito Plasma não se justificam; 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Laprosolda/UFU pela oportunidade de utilização dos equipamentos e do suporte técnico disponibilizado, às agências CNPq, FAPE e Instituto Fábrica do Milênio, pela concessão de recursos financeiros. 4. REFERÊNCIAS Cunha, T. V.; Dutra, J. C.; Gonçalves e Silva, R. H.; Gohr Júnior, R. Processo Plasma- Contribuição do Arco Plasma na Capacidade de Fusão do Arame. XXXII CONSOLDA, Belo Horizonte, 2006 Dykhno, I. & Davis, R. Joining GMAW and GTAW Hybrid welding takes on a whole new meaning with new technology developments The FABRICATOR, Disponível em: < Acesso em: 07 julho Essers, W.G., Method of and Device for Plasma Welding. United States Patent 4,233,489 Nov

10 Essers, W.G., Willems, G.A.M., Buelens, J.J.C. & van Gompel M.R.M. Plasma- Welding a new torch and arc starting method Metal Construction, January, Matthes, K.J.; Kohler, T., Estudo Analisa Efeitos Elétricos e Parâmetros de Influência sobre Processo Hibrido de Soldagem a Plasma-. Revista Corte & Conformação de Metais Outubro, Oliveira, M. A. Desenvolvimento do Processo de Soldagem Híbrido Plasma-Mig Para Operações de Soldagem e Brasagem Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianopolis, SC Welding Solutions Inc. (WSI), 2007, Super- Aplications Disponível em: < > Acesso em: Julho de INFLUENCE EVALUATION OF AND CURRENTS IN BEAD WELD GEOMETRY ON THE WELDING Maxwell Souto Pacheco Federal University of Uberlândia, School of Mechanical Engineering, Laboratory for Welding Process Development, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG. psmax19@yahoo.com.br André Alves de Resende Federal University of Uberlândia, School of Mechanical Engineering, Laboratory for Welding Process Development, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG. aaresende@gmail.com Valtair Antônio Ferraresi Federal University of Uberlândia, School of Mechanical Engineering, Laboratory for Welding Process Development, Bloco 1O, Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia-MG. valtairf@mecanica.ufu.br Abstrac: The Plasma- weld process is basically a combination of Plasma and /MAG weld process in a single torch. With this association, is possible to unite the advantage of each case. The main benefit is the independence between the process energy and the deposited material, resulting in greater easily in working on the bead weld geometry. In literature, there is breaf amount about bead weld geometry informations, and that is from 70 and 80 decades, when the available technology was not able to facilitate the process for that period industry. However, in the last years, the diffusion of new electronic power sources used in welding, contributed to the resumption of interest in Plasma- weld process, due to its great potential. Justifying, this way, developing new technologies and knowledge about the process, in this context, this study aimed to enlarge the studies related to the influence of the and Plasma currents balance on the geometry of the bead weld, with the use of modern sources. From the results it was observed that the Plasma- weld process has the potential when you wish to act on the bead weld geometry, and increases in Plasma current increased the wetting, favoring an increase in width, reduction in strength, penetration and melting area. Keywords: Welding, Plasma-; Geometry; Arc Hybrid. 10