INÍCIO DO QUARTO CAPÍTULO

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1 INÍCIO DO QUARTO CAPÍTULO

2 04 SOLDADO POR ARCO DE PLASMA (PAW) 2

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4 A. SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA 4. SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA (PAW) 1. Descrição do processo A soldadura por arco de plasma (PAW) pode ser considerada um processo TIG evoluído. Basicamente, o processo consiste num arco cónico semelhante ao do TIG, mas que tem início no interior de um bocal de cobre com um desenho especial que permite constringir fortemente o arco emitido pelo bocal em forma de coluna, sendo um arco mais comprido e centrado do que no processo TIG. A Figura 15 ilustra a diferença essencial entre o GTAW e o PAW. O arco está mais concentrado, apresentando maior tensão e uma grande quantidade de ionização do gás, produzindo um plasma intenso. O plasma gerado apresenta temperaturas muito elevadas e a sua zona mais quente é ampliada e dirigida à peça de trabalho (figura 16). O resultado é uma fonte de calor bastante concentrada com temperaturas muito elevadas, produzindo uma transferência de calor muito eficiente, Elétrodo de tungsténio Gás de proteção GTAW Arco aberto FIG. 15 COMPARAÇÃO GTAW E PAW favorecendo velocidades de corte ou soldadura elevadas. O processo PAW define-se como um processo de soldadura por arco que usa um arco constringido entre um elétrodo não consumível e o banho de fusão (arco transferido) ou entre o elétrodo e o bocal (arco não transferido), ver figura 17. A proteção é obtida do gás ionizado alimentado no maçarico, que pode ser complementado com um circuito auxiliar de gás de proteção. Gás de proteção Gás plasma PAW Arco contraído 4

5 O processo de plasma pode produzir dois tipos de arco. Caso o arco de plasma se forme entre o elétrodo e a peça de trabalho, dizse que tem um arco transferido. Se o arco se formar entre o elétrodo e o bocal chama-se arco não transferido. Os arcos de plasma têm uma ampla faixa de operação. O arco não transferido é usado em aplicações de soldadura especiais nas quais é preferível que a peça de trabalho não faça parte do circuito. É ainda usado para fundir materiais não metálicos, como a cerâmica e alguns tipos de vidro. A corrente operativa está entre 2 e 300 amperes. Com o arco transferido usam-se dois métodos de soldadura: o método Melt-In ou de convecção (que pode ser usado com ou sem metal de adição), e o método Keyhole ou penetração total. Ver na figura 18 as ilustrações destes métodos. FIG. 16 PERFIL DE TEMPERATURA DO ARCO Gás de proteção Gás plasma Gás de proteção Gás plasma Transferido Não transferido FIG. 17 OS DOIS ARCOS DO PLASMA 5

6 Soldadura de fusão sem metal de adição FIG. 18 Soldadura de fusão com metal de adição Soldadura Keyhole Embora se assemelhe ao método GTAW, o processo plasma Melt- In apresenta vantagens devido ao seu arco mais comprido e constringido. Algumas das vantagens adicionais são a maior estabilidade do arco (especialmente em níveis de corrente reduzidos), menor distorção da peça de trabalho, maior velocidade de soldadura e melhor tolerância a alterações na distância entre o maçarico e a peça de trabalho. Como se pode ver na Figura 19, as mudanças na área do arco de plasma quando se altera a distância relativamente ao banho são muito maiores com GTAW do que com PAW. Isto produz uma melhor distribuição térmica e, como tal, perdas de penetração, um cordão mais largo e uma maior zona afetada. Comprimento do arco Área Arco Plasma Distância FIG. 19 6

7 Na soldadura Keyhole, a peça de trabalho é fundida ao longo de toda a sua espessura. O jato de plasma perfura o metal fundido e, por isso, tem uma penetração de 100% que forma um buraco de fechadura na frente da soldadura (figura 20) que se move juntamente com o arco na direção de avanço. Por trás do jato de plasma, o metal derretido volta a fluir em conjunto (devido à tensão superficial), solidifica e forma uma solda completa. 2. Aplicações do PAW Pode ser usado para se obter uma solda de alta qualidade para ligas de níquel, níquel-cobre, níquel-ferro-crómio, cobre, titânio, ligas refratárias de aço e ligas de níquel-crómio com uma espessura máxima de 8 mm. A grande vantagem do processo apresenta-se ao usar o método Keyhole num intervalo de 0,8 a 1,5 mm. A solda de alta qualidade produzida pela técnica de Keyhole numa única passagem pode ser vista na figura Gases de proteção para PAW A configuração física do processo plasma requer o uso de dois gases, um gás plasma e um gás de proteção. O papel principal do gás plasma, que sai do maçarico pelo orifício central, é controlar as características do arco e proteger o elétrodo. Afeta ainda as propriedades de transferência de calor para o metal base. O gás de proteção introduzido na periferia do arco protege a soldadura. Em muitas aplicações, o gás de proteção ioniza-se parcialmente para melhorar a função do gás de plasma. Direção de soldadura FIG. 20 SOLDADURA KEYHOLE EM PAW FIG. 21 SECÇÃO TRANSVERSAL DA SOLDADURA KEYHOLE 7

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9 CORRENTES BAIXAS (< 100 amperes) O árgon é o melhor gás plasma porque o seu potencial de ionização é baixo e garante um início fácil e fiável. As misturas de árgon/hélio e árgon/hidrogénio também são usadas para aplicações que exigem um maior input térmico. A escolha do gás de proteção depende do tipo e espessura do material base. Ao soldar alumínio, aço carbono e cobre, os gases normalmente usados são árgon, hélio e misturas de árgon/ hélio. Normalmente, recomenda-se que as percentagens de hélio sejam aumentadas quando a espessura do material base for grande. Ao soldar aço de baixa liga, aço inoxidável e ligas de cobre, podem ser usados os gases e as misturas acima mencionados e misturas de árgon/hidrogénio. Ver na tabela 4 a seleção de gases para correntes baixas. CORRENTES ALTAS (> 100 amperes) A seleção do gás de proteção ao soldar com uma corrente alta também depende da composição do material base. Na maioria dos casos, o gás plasma é o mesmo que o gás de proteção. TABELA 4 GUIA DA SELEÇÃO DE GASES PARA A SOLDADURA DE ARCO DE PLASMA COM CORRENTE BAIXA 9

10 ÁRGON O árgon é apropriado como gás plasma e gás de proteção para soldar todos os metais, mas não produz necessariamente os melhores resultados. No modo Melt-In, caso se acrescente hidrogénio ao árgon, produz-se um arco mais quente e a transferência do calor para a peça de trabalho é mais eficiente. O limite da percentagem do hidrogénio depende da suscetibilidade do material a fissuras e porosidade induzidas pelo hidrogénio. No entanto, ao usar a soldadura por Keyhole, um material de uma determinada espessura pode ser soldado com percentagens mais altas de hidrogénio que na soldadura por condução. Isto pode dever-se ao facto de o padrão de solidificação associado ao método Keyhole ser diferente do padrão do método por condução. O árgon é usado na soldadura do aço carbono, aço de alta resistência e metais reativos, como as ligas de titânio e de zircónio. Mesmo com concentrações de hidrogénio muito baixas no gás usado para a soldadura destes materiais pode ocorrer porosidade, fissuras ou uma redução das propriedades mecânicas. MISTURAS DE ÁRGON/HÉLIO (Ar/He) Misturas HeliStar de Praxair Ao adicionar hélio ao árgon, produz-se um arco mais energético para uma determinada intensidade. As misturas de hélio/árgon contêm entre 30% a 75% de hélio, geralmente usado para soldar com o método Keyhole em secções de titânio de maior espessura e para passes de preenchimento e escovagem em todos os materiais, quando for necessário usar mais calor e um perfil de penetração mais amplo. O limite da percentagem do hidrogénio depende da suscetibilidade do material a fissuras e porosidade induzidas pelo hidrogénio 10

11 MISTURAS DE ÁRGON/ HIDROGÉNIO (Ar/H 2 ) Misturas HydroStar de Praxair As misturas de árgon/hidrogénio usam-se tanto como gás plasma como de proteção na técnica Keyhole para aço inoxidável, Inconel, níquel e ligas de cobre-níquel. As percentagens de hidrogénio possíveis situam-se entre os 5% e os 15%. Ver na tabela 5 a seleção de gases de corrente alta. Nota: A seleção de gases refere-se ao gás plasma e ao gás de proteção. * O processo não decorrerá corretamente. No entanto, em ligas de CuZn, é possível usar o método Keyhole. TABELA 5 GUIA DA SELEÇÃO DE GASES PARA A SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA COM CORRENTE ALTA 11

12 B. CORTE POR ARCO DE PLASMA 4. SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA (PAW) 1. Descrição do processo O corte a plasma define-se como um processo de corte no qual se gera um arco plasma constringido no bocal de corte e centrado numa pequena área do material base, gerando uma densidade de energia suficientemente alta para vaporizar e/ou fundir o metal; o material fundido é desalojado por força do jato de plasma projetado. A diferença mais significativa entre PAC e PAW é a velocidade do gás plasma. Em alguns casos, é possível usar um gás de proteção além do gás plasma (o gás de proteção previne a oxidação da superfície cortada). A elevada velocidade do gás ionizado elimina e expulsa o material fundido. O corte a plasma pode ser usado para cortar qualquer material eletricamente condutivo desde que a sua espessura e forma permitam a penetração do jato de plasma. Como o corte a plasma pode ser usado para cortar materiais não ferrosos e materiais ferrosos de espessura inferior a 50 mm, é mais rápido que o processo de corte por oxi-combustão (oxicorte), sendo ideal para muitas aplicações industriais. Desde a introdução do corte a plasma pela Praxair, em 1954, ocorreram muitas melhorias nos processos de purificação, desenvolvimento dos gases e evolução do equipamento. As secções seguintes descrevem as variações de processo usadas atualmente. CORTE POR ARCO DE PLASMA CONVENCIONAL No corte por arco de plasma convencional, o arco é constringido apenas por um bocal, não se usa gás de proteção. Geralmente, o gás plasma de corte (normalmente, ar ou azoto) é injetado tangencialmente em redor do elétrodo (figura 22). Elétrodo FIG. 22 CORTE POR ARCO DE PLASMA CONVENCIONAL Bocal Jato de plasma Peça de trabalho 12

13 A ação em espiral do gás faz com que as porções mais frias (mais pesadas) do gás se movam radialmente para fora, formando uma lâmina protetora da superfície do interior do orifício do bocal. Isto ajuda a evitar danos no bocal e prolongar a sua vida útil. A vida do elétrodo também é prolongada desta forma, já que o ponto de emissão do arco (foco catódico) é forçado a mover-se mais e distribuir o calor de forma mais uniforme. Até à introdução do corte a plasma com injeção de água em 1970 (ver página 26), o corte a plasma convencional era a técnica mais comum. Ainda é o melhor método para o corte de placas de maior espessura de alumínio e aço inoxidável. CORTE A PLASMA COM AR O corte a plasma com ar foi introduzido no início dos anos 60 para cortar aço carbono. O oxigénio do ar fornece energia adicional ao processo ao gerar uma reação exotérmica com o aço fundido, aumentando a velocidade de corte em 25%. Embora este processo possa ser usado para cortar aço inoxidável e alumínio, a superfície de corte ficará altamente oxidada sendo, em muitos casos, inadmissível para muitas das aplicações. A vida do elétrodo e da ponta é reduzida quando comparado com o uso do azoto como gás plasma. CORTE A PLASMA COM OXIGÉNIO No corte a plasma com oxigénio, o oxigénio é usado como gás plasma em vez de azoto ou ar. O oxigénio no jato de plasma tem um efeito no aço semelhante ao do oxicorte produz uma reação exotérmica que aumenta a velocidade do corte. É possível atingir velocidades de corte semelhantes às alcançadas com o corte com azoto, mas com menor intensidade. O corte com oxigénio é usado principalmente para cortar aço carbono. LIMITAÇÕES DO CORTE A PLASMA COM OXIGÉNIO O corte a plasma convencional (com azoto) usa elétrodos de tungsténio que não podem ser usados num ambiente com oxigénio. Para efetuar um corte com oxigénio, é necessário usar elétrodos de liga de háfnio. O háfnio deve ser mantido frio e a capacidade de corrente do maçarico limitada para garantir uma maior vida útil do elétrodo (figura 23). Bocal Peça de trabalho Elétrodo Entrada do gás de proteção FIG. 23 BOCAL DO PAC COM OXIGÉNIO Entrada do gás plasma Proteção 13

14 CORTE PLASMA DUAL O corte a plasma com duplo fluxo de gás é uma pequena modificação do corte a plasma convencional (figura 24). Possui a maior parte das características do corte convencional, mas inclui um segundo gás de proteção em torno do bocal. Normalmente, o gás plasma é o azoto e o gás inerte é selecionado consoante o metal a cortar. As velocidades de corte são melhores do que no corte convencional em aços, no entanto, a qualidade do corte não é aceitável para a maioria das suas aplicações. A velocidade e a qualidade no aço inoxidável e no alumínio são quase idênticas às do método de corte convencional. CORTE A PLASMA COM INJEÇÃO DE ÁGUA No corte a plasma com injeção de água, é introduzida água no bocal para conferir maior constrição ao arco (figura 25) e para arrefecimento do bocal. Foram desenvolvidos dois métodos de injeção de água: Injeção radial (a água incide no arco sem uma componente espiral) e Injeção espiral (a água é adicionada como um vórtice, girando na mesma direção do gás plasma). O aumento da constrição por água Bocal Elétrodo Gás de proteção ou proteção de água Bico injetor melhora a planidade do corte e aumenta a velocidade. A água também protege o bocal, já que ajuda a arrefecê-lo no ponto de constrição do arco. A água protege completamente a parte inferior do bocal, isolando-o na totalidade, melhorando assim a proteção e a resistência ao desgaste. Isto aumenta a durabilidade do componente e a respetiva integridade, melhorando assim a qualidade e a velocidade do corte. Injeção de água (radial ou espiral) Elétrodo Bocal Cerâmica Jato de plasma Jato de plasma Peça de trabalho Peça de trabalho FIG. 24 CORTE A PLASMA DE DUPLO FLUXO FIG. 25 CORTE POR ARCO DE PLASMA COM INJEÇÃO DE ÁGUA 14

15 CORTE A PLASMA SUBAQUÁTICO O corte a plasma subaquático é ideal para o corte automático, tem um nível de ruído reduzido quando comparado com outros métodos de corte a plasma, cerca de 85 dba ou menos em condições de funcionamento normais (com o corte convencional, o nível de ruído pode atingir entre 105 e 115 dba). O corte subaquático elimina praticamente a radiação ultravioleta e o fumo associados ao corte a plasma convencional. No corte a plasma subaquático, a chapa é posicionada sobre uma mesa de corte cheia de água e submersa 5 a 7 cm debaixo de água. O dispositivo que localiza a superfície submersa do metal é vital para o funcionamento deste processo automatizado. A altura exata é mantida por meio de um sensor que monitoriza a tensão do arco. A velocidade e a qualidade do corte são comparáveis ao corte com injeção de água. Advertência: É arriscado cortar alumínio debaixo de água. O hidrogénio gerado pode ficar preso entre as placas e provocar uma explosão. CORTE A PLASMA DE ALTA DEFINIÇÃO O corte a plasma de alta definição usa um desenho de bocal melhorado para aumentar a constrição do arco e aumentar drasticamente a densidade da energia. Devido ao aumento da densidade da energia, a qualidade do rebordo e do ângulo de bisel melhoram, especialmente em materiais de menor espessura (< 10 mm). Desenvolvimentos recentes na conceção do maçarico de plasma permitem que o operador arraste o bocal pela superfície do material sem o problema do arqueamento normalmente associado ao corte a plasma (figura 26). O plasma de alta definição é usado no corte de chapas em espessuras compreendidas entre 1 e 10 mm. O corte a plasma convencional permite cortar até uma espessura de 50 mm. Bocal de vórtice de alto fluxo Elétrodo FIG. 26 BOCAL PAC DE PRECISÃO Entrada do gás de plasma Saída do gás proteção Entrada do gás plasma 15

16 2. Caudais de gás 3. Gases de proteção e assistência para corte a plasma PAC Normalmente, o gás plasma requer um caudal inferior ao do gás de proteção, mas ambos variam devido à variação na intensidade para se adaptarem aos diferentes materiais e espessuras. Muitos equipamentos de corte a plasma usam apenas o gás plasma sem gás de proteção. O caudal de gás é controlado por meio de um regulador de pressão e um medidor de caudal. O intervalo de caudal gasoso varia entre 1 e 50 l/min para o gás plasma e entre 4 e 90 l/min para o gás de proteção, consoante as necessidades do corte. Como o desenho das máquinas de corte a plasma difere bastante de uns fabricantes para outros, não se detalhará uma lista de consumos. Gases inertes como o árgon, hélio, azoto (exceto a temperaturas muito elevadas) são usados com elétrodos de tungsténio. É possível usar o ar como gás plasma quando se usam elétrodos especiais de cobre refrigerado a água. Quase todos os cortes a plasma para aço recorrem a 4 tipos de gás: (1) ar, (2) azoto com proteção de dióxido de carbono ou injeção de água (mecanizado), (3) azoto/oxigénio ou ar, (4) misturas de árgon/hidrogénio e azoto/hidrogénio. Os primeiros tornaram-se gases padrão para aplicações mecanizadas de alta velocidade. Misturas de árgon/hidrogénio ou azoto/ hidrogénio (20% a 35% hidrogénio manual), porém, a formação de escórias é um problema associado às misturas de árgon. As escórias são um depósito de metal solidificado que adere à parte inferior do corte. Uma explicação possível para a formação de escórias é que, ao usarmos árgon, a tensão superficial é superior à do metal fundido. A tensão superficial do aço líquido é 30% mais elevada numa atmosfera de árgon que numa de azoto. O corte com ar cria resíduos semelhantes aos formados numa atmosfera de azoto. Durante o corte, o jato de plasma tem tendência a remover mais metal da parte superior da peça de trabalho que da parte inferior. Isto origina cortes com superfícies não paralelas, que apresentam um ângulo de bisel aberto. O uso de árgon/hidrogénio, pelo seu padrão de calor uniforme ou pelo processo com injeção de água no bocal, pode produzir cor- 16

17 tes retos sem ângulo de bisel. Para as chapas de espessuras superiores a 80 mm, a mistura de árgon/ hidrogénio é usada sem injeção de água. O ar é usado como gás plasma low-cost, porém, devem ser tomadas precauções especiais para garantir que não possui humidade nem óleo. A tabela 6 inclui as combinações de gás plasma e de proteção usadas no corte a plasma. Notas: Dependendo do tipo de equipamento, aplica-se o seguinte: 1. Um gás plasma pode ser usado sem gás de proteção. 2. Quando existem várias alternativas de gás de proteção para um gás plasma, usa-se apenas um gás de proteção para a aplicação concreta. 3. A velocidade e a qualidade do corte variam com a seleção do gás. 4. Esta tabela é uma combinação baseada nos requisitos de gás para os equipamentos de corte a plasma disponíveis no mercado. Utilize as recomendações do fabricante para selecionar os gases para o seu equipamento. TABELA 6 GUIA DE SELEÇÃO DE GASES PARA PAC 17