Processo de Soldagem TIG

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1 Processo de Soldagem TIG Mecanismos de Emissão de Elétrons Os elétrons respondem pela condução de mais de 90% da corrente no arco, existem diversos mecanismos que podem operar e ser responsáveis pela emissão de elétrons no cátodo. No arco elétrico os mecanismos de emissão mais importantes, onde destaca se a emissão termiônica, que é um dos mecanismos de emissão a frio, possivelmente associado com a presença de filmes de óxidos na superfície do cátodo. 1

2 Mecanismos de Emissão de Elétrons Emissão Termiônica: A emissão termiônica é, basicamente, o resultado do aquecimento de um determinado material a uma temperatura suficientemente alta para causar a ejeção ("vaporização") de elétrons de sua superfície. A densidade de corrente (J) resultante do efeito termiônico pode ser estimada pela equação empírica de Richardson Dushman: Mecanismos de Emissão de Elétrons Onde A é uma constante que vale entre 6 7x10 5 A.m 2 K 2 para a maioria dos metais, T éatemperatura(k),eéacargado elétron (1,6x10 19 C), Φ éafunção termiônica de trabalho do material (V) e k é a constante de Boltzmann (1,38x10 23 J/K). A função de trabalho é a energia requerida para um elétron escapar da superfície do sólido (tabela I). 2

3 Mecanismos de Emissão de Elétrons Para o Fe começar a emitir elétrons com uma corrente de 250A, ele terá aproximadamente 10 mm de diâmetro. Para o W, trabalhando na mesma corrente ele irá começar a emitir com um diâmetro de 0,2 mm Citando outros exemplos de metais para emissão termiônica à uma corrente de 100 A, obtemos os seguintes diâmetros. Prata 336 mm Cromo 2, mm Grafite 3,40 mm Mecanismos de Emissão de Elétrons Gráfico para a Prata: 3

4 Mecanismos de Emissão de Elétrons Gráfico para o Cromo: Mecanismos de Emissão de Elétrons Gráfico para o Grafite: 4

5 Mecanismos de Emissão de Elétrons Outros Mecanismos de Emissão: Emissão a frio Na soldagem com eletrodos consumíveis ou na soldagem TIG comoeletrododewligadoaopolopositivo,existemoutros mecanismos alternativos de emissão de elétrons, além da emissão termiônica: Efeito de campo Efeitoconjuntodecampoetermiônico Emissão eletrônica porcaptura Augerde íonspositivos Emissão eletrônica por fótons Emissão por átomos excitados ou metaestáveis Liberação de elétrons através de filmes de óxidos carregados com íons positivos Condução metálica em vapores formados na superfície do cátodo Liberação de íons positivos em vapores formados no cátodo Mecanismos de Emissão de Elétrons Outros Mecanismos de Emissão: Emissão a frio Emissão por Campo, também conhecida como Emissão por Cátodo Frio, ela age sobreapoça, onde se forma uma camada muito fina de óxido (1 a 10 mícron), a qual libera elétrons facilmente, tornando se carregada positivamente. Por alguma razão, elétrons se concentram sob esta camada de óxido (de cerca de 1 nm de espessura), criando um elevado gradiente elétrico (estimado em 109 V/m). Estes elétrons adentram à camada de óxido, gerando alta temperatura. O calor liberado nesses pontos é suficiente para fundir e evaporar localmente a camada de óxido nessa região (limpando oóxido). 5

6 Mecanismos de Emissão de Elétrons Outros Mecanismos de Emissão: Emissão a frio O Processo e Respectivo Equipamento Básico TIG Tungsten Inert Gas (Europa), WIG Wofraniun Inert Gas (Alemanha) ou GTAW Gas Tungsten Arc Welding (EUA) 6

7 O Processo e Respectivo Equipamento Básico Características principais Eletrodo não consumível; Gás inerte ou redutor; Arco mais concentrado; Com ou sem material de adição. 7

8 Vantagens Permite o controle independente entre fonte de calor e metal de adição (controle da poça fundida); Produz soldas de melhor qualidade (controle da poça fundida, gás inerte), geralmente livre de defeitos (porosidades, falta de fusão, etc); Praticamente não existem reação metal gás e metal escória (gás inerte), sem grande geração de fumos, o que permite ótima visibilidade para o soldador; Possui um arco elétrico suave, produzindo soldas com boa aparência e acabamento, exigindo pouco ou nenhuma limpeza após a operação; Ausência de respingos; Pode ser autógeno (chapas finas); Permite um controle preciso das variáveis de soldagem; Pode ser usado em quase todos os materiais (incluindo soldas dissimilares); Limitações A taxa de deposição é menor que em processo com eletrodo consumível (para uma dada corrente); É pouco econômico para espessuras maiores que 10 mm; Exige destreza do soldador para soldagem manual; Dificuldade em manter a proteção gasosa em trabalhos de campo. 8

9 Aplicações Quando se requer pouca reação do metal de base com o meio de proteção (ligas de metais reativos x gás inerte) e/ou controle da poça de fusão (chapas e tubos de paredes finas, passes de raiz); Maioria dos metais; Soldagemmanual, semi automática e automática/mecanizada. Juntas típicas utilizadas na soldagem TIG 9

10 Fontes de energia Característica estática da fonte FontedeCorrenteConstante CORRENTE DE SOLDAGEM A faixa de ajuste de corrente (dependendo da capacidade da fonte) (~ 20 a 400 A). Fontes de energia com controle eletrônico podem fornecer corrente contínua, alternada, alternada com onda retangular e pulsada. 10

11 Abertura de arco Não é recomendado acender o arco por contato eletrodo com a peça (danificação da ponta e contaminação da poça). Existiriam basicamente 3 formas tradicionais de acendimento: Arco piloto, Alta tensão, Alta freqüência. Arco piloto: Pouco ou não usado necessita de tocha especial e fonte de corrente secundária. Alta tensão: Não usado técnica possível de utilizar apenas em sistemas automatizados, devido ao grande risco do operador sofrer um choque elétrico letal ao abrir o arco com uma tensão DC de 10KV. Abertura de arco Ignitor de alta freqüência: gera, superposto à corrente de soldagem um sinal de alta tensão e alta freqüência, com valores em torno de 3kV e 5kHz, que produz a ionização da coluna de gás entre o eletrodo e a peça, permitindo a abertura do arco com baixas tensões na fonte da soldagem. Apesar de ser de alta tensão,estesinalédebaixíssimapotenciaenãoofereceperigo para o operador. 11

12 Tochas TIG 1, 19 e 21 Bocal; 2 e 20 porta pinça, 22 difusor ou lente; 3 anel de vedação; 4, 5 e 6 corpo da tocha; 7 pinça; 8 e 9 capa de eletrodo (curta e longa); 13 válvula de gás; 16 gatilho para disparo remoto de gás e potência); 23 e 24 anel isolador. Tochas TIG Refrigerada a água ou gás: ocabodecorrentenarefrigerada por água é embutido no conduíte de refrigeração (tochas refrigeradas a água geralmente são mais leves, devido a menor bitola do cabo de corrente, mas o sistema é menos silencioso, devido ao ruído da bomba). Bocais: diferentes formas e tamanhos, função de direcionar o gásemregimelaminar,osmaisusadossãooscerâmicos(mais baratos porém quebradiços, os de metal refrigerados a água (para altas correntes, vida longa); g) 12

13 Tochas TIG Os aspectos mais importantes nos bocais são suas dimensões e perfis.osbocaisdevemserlargososuficienteparaprover cobertura da área de soldagem pelo gás e devem estar de acordo com o volume e a densidade necessária do gás no processo. Eletrodos Tungstênio (termiônico) puro ou ligado; Capacidade de corrente em função do diâmetro; Correntes acima da indicada desgastam o eletrodo e contaminam a solda. Apesar de não serem fundidos para fazer parte do cordão de solda, os eletrodos utilizados na soldagem TIG sofrem desgaste, sendo, por isso, enquadrados como consumíveis do processo. Fornecidas com 150 a 175 mm de comprimento de tungstênio puro ou com pequenas adições de óxidos de tório (denominado tória), de zircônio (zircônia), de lantânio (lantânia), de cério (céria), ou ainda de outras terras raras. 13

14 Eletrodos Eletrodos 14

15 Ângulo de ponta Afeta a penetração e desempenho; Para CC deve se afiar em ângulo; Par CA a ponta deve ser abaulada; Concentricidade; Direção das estrias de afiação. Contaminação (na ponta do eletrodo e poça): Contato do eletrodo com a peça; pç Oxidação do eletrodo por proteção indevida; Vapores metálicos. Ângulo de ponta Afiação do eletrodo facilita a emissão de elétrons por Efeito Termiônico (além da ponta facilitar o aquecimento por ter menos volume, há o efeito emissivo das pontas ) e por garantir um arco estável. Uma forma de manter a ponta do eletrodo afiada durante a soldagem é por meio da seleção correta do tipo de eletrodo. Polaridade direta (eletrodo negativo) aplicadas em aços ao carbono e inoxidáveis, os eletrodos dopados com tória, lantânia ou céria são recomendados justamente pela capacidade de manter a ponta afiada em ângulo. Facilita a abertura de arco e confere maior estabilidade à soldagem. 15

16 Ângulo de ponta Corrente alternada aplicadas em alumínio e ligas similares, maior aquecimento da ponta do eletrodo. Eletrodo de tungstênio puro, a ponta do eletrodo se funde, ficando com uma forma abaulada. Apesar da perda de afiação é utilizado em soldagem a plasma. Óxido de zircônio (zircônia), componente que, também por facilitar a emissão termiônica, reduz a temperatura de trabalho do eletrodo, mas sem conseguir evitar a fusão da ponta. São utilizados no processo a plasma, porém são mais caros. Ângulo de ponta Efeito do tipo de corrente e polaridade na soldagem TIG 16

17 Ângulo de ponta Deve se tomar cuidado ao se utilizar eletrodos torinados, lantanados ou cerinados em soldagem a plasma CA, podem ter suas pontas danificadas. Mas ao invés da fusão e do conseqüente abaulamento da ponta, ocorrem explosões periódicas da ponta do eletrodo, tornando o arco instável e lançando pedaços do eletrodo que podem contaminar o cordão. Exemplos de Afiador de ponta 17

18 Alimentação de Arames Pode ser manual ou contínua; Se contínua necessita de guias; Com varetas ou arames (mesmos do GMAW). Alimentação de Arames 18

19 Gases Gases de proteção e purga; AreHesãoosmaiscomuns; He transfere mais calor (mais caro); A vazão de He deve ser maior pois este é menos denso; O He dificulta a abertura do arco. Variáveis do Processo Corrente (regulada no equipamento); Polaridade (função do material) Comprimento do arco (determina a tensão, junto com a corrente, tipo e diâmetro de eletrodos e gás de proteção); Eletrodo e suas dimensões (função da corrente e material a ser soldado); Gás de proteção (tipo em função do material e vazão em função da corrente e formato do bocal); Velocidadedesoldagem; Alimentação de material. 19

20 Polaridade Corrente Contínua CC Fluxo de elétrons do eletrodo para o metal de base fenômeno denominado Emissão Termiônica, que demanda pouca energia (baixa tensão, para uma dada corrente) aquece pouco o eletrodo. Esse tipo de corrente e polaridade se aplica para a soldagem de aços ao carbono, de baixa liga e de aços inoxidáveis. Polaridade Corrente contínua CC+ EM CC + o arco elétrico é menos estável que com a corrente CC e normalmente utilizado em chapas finas; É aplicado em situações em que se deseja pouca penetração e eficiente remoção de óxidos da superfície da chapa soldada. 20

21 Polaridade Corrente Alternada Emissão por Campo Polaridade Corrente Alternada 21

22 Polaridade Corrente Pulsada A pulsação em alta freqüência tem por objetivo enrijecer o arco, tornando se uma importante ferramenta para soldagens com níveis de corrente muito baixos. FIM 22