Inovação do Processo MIG/MAG – Análise de Produtividade e Emissão de Fumos

Tobias Manuel Vilas-Boas Rosado

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Professor Doutor Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva

Orientadora: Professora Doutora Maria Luísa Coutinho Gomes de Almeida

Co-orientadora Professora Doutora Inês Da Fonseca Pestana Ascenso Pires

Vogal: Professora Doutora Rosa Maria Mendes Miranda

Setembro de 2008

I

“Experience is one thing you

can't get for nothing.”

Oscar Wilde

II

Resumo

Numa indústria cada vez mais competitiva existe sempre uma constante procura de novas

soluções, onde um balanço entre a produtividade, qualidade, custos e segurança está sempre

presente. Com o aparecimento de novos processos de soldadura surgem também novas

soluções sobre situações específicas, que foram abordadas neste trabalho.

Neste trabalho novos processos de soldadura foram estudados, processos que derivam da

soldadura MIG/MAG: FastRoot, Surface Tension Transfer (STT) and Cold Metal Transfer

(CMT). Estes processos foram analisados através do estudo das suas formas de onda e

através do estudo das soldaduras realizadas. Este trabalho incidiu sobre dois temas, a

produtividade do processo de soldadura MIG/MAG, e os fumos que resultam do processo de

soldadura MIG/MAG.

O presente trabalho pretende não só estudar estes processos, mas mostrá-los de uma forma

mais profunda, confirmando ao mesmo tempo algumas das vantagens associadas a estes

processos.

Palavras-chave

Soldadura

Produtividade

MIG/MAG

FastRoot

CMT

STT

Fumos de Soldadura

III

Abstract

In a more competitive industry there is a constant search for new solutions, where a balance

between productivity, quality, costs and safety is always present. In metal working companies

where welding is significantly used the solution includes specific situations that this work

approached.

In this work new welding processes were studied, processes that are derivatives from the

traditional MIG/MAG process: FastRoot, Surface Tension Transfer (STT) and Cold Metal

Transfer (CMT). These processes were analyzed through the study of its wave forms and

through the study of the welds performed. This work approached two subjects, the productivity

of the welding processes, and the fume formation that results from those welding processes.

The present work pretends not only to study these processes but also show them in a more

profound way, confirming at the same time some of the advantages associated with those

welding processes.

Keywords

Welding

Productivity

MIG/MAG

FastRoot

CMT

STT

Welding Fume Formation

IV

Agradecimentos

Gostaria de expressar a minha profunda gratidão à minha orientadora, Professora Luísa

Coutinho, e co-orientadora, Professora Inês Pires, pelo seu apoio moral e científico, ao longo

de todo o trabalho.

Gostaria de agradecer ao Sr. Farinha e ao Mestre Valentino Cristino por todo o apoio fornecido

durante a realização dos ensaios realizados no âmbito deste trabalho.

Quero expressar o meu apreço pelo Professor David Yapp e pelo Professor Stewart Williams

da Universidade de Cranfield por me terem dado acesso ao equipamento de soldadura STT e

FastRoot.

Gostaria de agradecer ao Mestre Nuno Pepe e ao Doutor Gil Lopes da Universidade de

Cranfield pela ajuda que me deram para preparar e a realizar os meus testes e por ter posto à

minha disposição todo o seu conhecimento, não só teórico, mas também prático.

Gostaria também de agradecer aos técnicos da Universidade de Cranfield Adam Kerr, David

Archer e Brian Brooks pela preparação de todo o material e equipamento necessário para a

realização de todos os testes.

O meu profundo agradecimento ao Mestre Eurico Assunção pela sua amizade ao longo de todo

este trabalho e longas discussões sobre alguns aspectos deste trabalho.

A todos os meus amigos, gostaria de expressar o meu agradecimento pela amizade e apoio

que todos me deram ao longo deste trabalho.

V

Aos meus Pais…

VI

Índice

Resumo .................................................................................................................................... II

Palavras-chave ......................................................................................................................... II

Abstract ................................................................................................................................... III

Keywords ................................................................................................................................. III

Agradecimentos ...................................................................................................................... IV

Índice ...................................................................................................................................... VI

Índice de figuras .................................................................................................................... VIII

Índice de tabelas ..................................................................................................................... XI

1 Introdução ........................................................................................................................ 1

2 Caracterização do Processo de Soldadura MIG/MAG ....................................................... 2

2.1 Características ............................................................................................................ 2

2.1.1 Arco eléctrico ..................................................................................................... 4

2.1.2 Transferência do metal fundido .......................................................................... 7

2.1.2.1 Classificação dos modos de transferência .................................................... 10

2.1.3 Características dos gases de protecção na soldadura MIG/MAG e suas

influências ...................................................................................................................... 13

2.2 Variantes do processo de soldadura MIG/MAG ......................................................... 15

2.2.1 Fast Roost ....................................................................................................... 16

2.2.2 Surface Tension Tranfer (STT) ......................................................................... 16

2.2.3 Cold Metal Tranfer (CMT) ................................................................................. 17

2.2.4 Considerações finais ........................................................................................ 18

2.3 Fumos resultantes do processo de soldadura MIG/MAG ........................................... 19

2.3.1 Taxa de formação de fumos ............................................................................. 20

2.3.2 Factores que controlam a taxa de formação de fumos ...................................... 21

2.3.3 Composição dos fumos .................................................................................... 22

2.3.4 Formas de reduzir a emissão de fumos ............................................................ 23

2.3.5 Considerações finais ........................................................................................ 25

3 Procedimento Experimental ............................................................................................ 26

3.1 Objectivos a cumprir ................................................................................................. 26

3.2 Materiais e equipamentos utilizados .......................................................................... 26

VII

3.2.1 Material utilizado .............................................................................................. 26

3.2.2 Equipamento utilizado ...................................................................................... 27

3.2.2.1 Ensaios de produtividade ............................................................................. 27

3.2.2.2 Análise de amostras ..................................................................................... 31

3.2.2.3 Ensaios de emissão de fumos ...................................................................... 34

3.3 Planeamento de experimentação .............................................................................. 36

3.3.1 Identificação das prioridades da indústria ......................................................... 36

3.3.2 Ensaios de Produtividade ................................................................................. 37

3.3.2.1 Gases de Protecção em soldadura MAG ...................................................... 37

3.3.2.2 Processo de soldadura MAG e suas Variantes ............................................. 39

3.3.3 Ensaios de emissão de fumos .......................................................................... 40

4 Análise e Discussão dos Resultados ............................................................................... 42

4.1 Produtividade no processo MAG e suas variantes ..................................................... 42

4.1.1 Caracterização das soldaduras com diferentes gases de protecção ................. 42

4.1.2 Diferentes variantes do processo MAG ............................................................. 48

4.1.2.1 Comparação entre formas de onda .............................................................. 48

4.1.2.2 Caracterização dos cordões de soldadura .................................................... 51

4.1.3 Emissão de fumos do processo MAG e CMT ................................................... 56

4.1.3.1 Influência do diâmetro do fio de alimentação ................................................ 56

4.1.3.2 Comparação entre CMT e MAG relativamente à formação de fumos ............ 58

5 Conclusões ..................................................................................................................... 60

5.1 Considerações finais ................................................................................................. 61

5.2 Trabalho futuro .......................................................................................................... 61

6 Referências .................................................................................................................... 63

7 Anexos ........................................................................................................................... 65

VIII

Índice de figuras

Figura 2.1 – Componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG [1] ................... 2

Figura 2.2 – Esquema de uma máquina de soldadura MIG/MAG [7] .......................................... 2

Figura 2.3 – a) Sistema de alimentação de rolos simples b) Sistema de alimentação de

rolos duplo [3] 3

Figura 2.4 – Curvas características da fonte de alimentação: a) Corrente constante; b)

Voltagem constante [1] .............................................................................................................. 3

Figura 2.5 – Comprimento do arco eléctrico estável com fonte de alimentação com voltagem

constante [1] ............................................................................................................................. 4

Figura 2.6 – Diferentes zonas do arco a); sistema de soldadura MIG/MAG b) [3] .................... 5

Figura 2.7 – Balanço das forças que actuam na gota de material de adição fundido [11] ........... 8

Figura 2.8 – Exemplo das possíveis direcções da força electromagnética [11] ........................... 9

Figura 2.9 – Modos de transferência em voo livre [11] ............................................................. 11

Figura 2.10 – Gráfico referente à transferência do metal por curto-circuito [2] .......................... 12

Figura 2.11 – Gráfico característico da soldadura por corrente pulsada [2] .............................. 13

Figura 2.12 – Diagrama da forma de corrente e série de fotografias de alta velocidade do

processo FastRoot [14] ........................................................................................................... 16

Figura 2.13 – Relação entre a corrente e voltagem numa fonte de alimentação STT [15] ........ 17

Figura 2.14 – Principais fases no processo CMT [16] .............................................................. 18

Figura 2.15 – Processo MIG/MAG (a)[7] e processo TIG (b)[18] .............................................. 20

Figura 2.16 – Factores responsáveis pela formação de fumos: 1) Evaporação da ponta do

eléctrodo ou da gota; 2) Salpicos incandescentes e também alguma evaporação resultante da

explosão do fio ........................................................................................................................ 20

Figura 2.17 – Representação da variação da taxa de formação de fumos, com Ar+4%O2 como

gás de protecção, num aço carbono [19] ................................................................................. 21

Figura 2.18 – Gama de tamanhos que os fumos e poeiras podem ter, naturais e industriais (a);

Pulmões (b) ............................................................................................................................ 23

Figura 2.19 - Dependência da TFF do gás de protecção, I=250A [19] ...................................... 24

Figura 2.20 (a[22], b[23], c[24]) – exemplos de sistemas de extracção de fumos ..................... 24

Figura 2.21 – Exemplo de uma pistola de soldadura com sistema de extracção de fumos

integrado ................................................................................................................................. 25

Figura 3.1 – Dimensões da barra utilizada ............................................................................... 26

Figura 3.2 – Configuração utilizada para as soldaduras de canto ............................................ 27

Figura 3.3 – Máquina MAG utilizada ........................................................................................ 28

Figura 3.4 – Máquina CMT utilizada ........................................................................................ 28

Figura 3.5 – Máquina FastRoot utilizada ................................................................................. 28

Figura 3.6 – Máquina STT utilizada ......................................................................................... 28

Figura 3.7 – “Buffer” e pistola do sistema CMT ........................................................................ 29

Figura 3.8 – Sistema de fixação utilizado no laboratório do IST ............................................... 30

Figura 3.9 – Sistema de fixação utilizado na Universidade de Cranfield ................................... 30

IX

Figura 3.10 – ArcWatch: sistema de aquisição de dados utilizado no laboratório do IST .......... 31

Figura 3.11 – Osciloscópio Yokogawa: sistema de aquisição de dados utilizado na

Universidade de Cranfield ....................................................................................................... 31

Figura 3.12 – Serra de corte .................................................................................................... 32

Figura 3.13 – Máquina de enformação a quente ...................................................................... 32

Figura 3.14 – Resina Epoxi e endurecedor utilizado na enformação a frio ............................... 33

Figura 3.15 – Máquina de polimento de amostras ................................................................... 33

Figura 3.16 – Lixas utilizadas no polimento das amostras ....................................................... 33

Figura 3.17 – Amostras finais: a) enformação a quente; b) enformação a frio .......................... 34

Figura 3.18 – Câmara de fumos construída de acordo com a norma(a); Desenho da câmara

retirado da norma (b) [25]: 1 – saída dos fumos; 2 - filtro ......................................................... 34

Figura 3.19 – Bomba de vácuo ................................................................................................ 35

Figura 3.20 – a) Mesa rotativa utilizada e respectivas dimensões (mm) b) ............................... 35

Figura 3.21 – Forno eléctrico ................................................................................................... 36

Figura 3.22 – Balança de precisão .......................................................................................... 36

Figura 3.23 – Gráfico referente à gama de correntes utilizada ................................................. 37

Figura 3.24 – Gráfico referente ao material de base utilizado .................................................. 37

Figura 3.25 – Parâmetros retirados através de medição directa ............................................... 38

Figura 4.1 - Exemplos de perfis de cordões de soldadura; 160A .............................................. 43

Figura 4.2 - Entrega térmica em função da intensidade de corrente ......................................... 44

Figura 4.3 - Influência dos gases de protecção na penetração em depósito sobre chapa ......... 44

Figura 4.4 - Influência dos gases de protecção na largura dos cordões de soldadura .............. 45

Figura 4.5 - Influência dos gases de protecção na altura em cordões de canto ........................ 45

Figura 4.6 – Diluição obtida nos diferentes gases estudados ................................................... 46

Figura 4.7 – Área total de material fundido na soldadura sobre chapa ..................................... 47

Figura 4.8 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa ............................. 47

Figura 4.9 - Forma de onda de corrente no processo MAG ...................................................... 48

Figura 4.10 - Forma de onda de corrente do processo FastRoot fornecida pelo fabricante ...... 49

Figura 4.11 - Forma de onda do processo FastRoot da corrente e voltagem obtida

laboratorialmente .................................................................................................................... 49

Figura 4.12 - Forma de onda do processo STT da corrente fornecida pelo fabricante .............. 50

Figura 4.13 - Forma de onda do processo STT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

............................................................................................................................................... 50

Figura 4.14 - Forma de onda do processo CMT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

............................................................................................................................................... 51

Figura 4.15 - Exemplo do perfil de soldaduras dos diferentes processos, 200 A e Ar+8%CO2

como gás de protecção ........................................................................................................... 51

Figura 4.16 – Penetração dos diferentes processos em função da entrega térmica ................. 52

Figura 4.17 – Largura do cordão de soldadura em função da entrega térmica ......................... 53

Figura 4.18 – Altura dos cordões de canto em função da entrega térmica ............................... 54

X

Figura 4.19 – Diluição dos diferentes processos, I = 200A ....................................................... 54

Figura 4.20 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa ........................... 56

Figura 4.21- Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) fio de 0.8 mm; b) fio de 1.0

mm; c) fio de 1.6 mm .............................................................................................................. 57

Figura 4.22 - Comparação da taxa de formação de fumos para diferentes diâmetros de fio ..... 57

Figura 4.23 - Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) MAG com fio de 1.0 mm; b)

CMT com fio de 1.2 mm .......................................................................................................... 58

Figura 4.24 - Comparação da taxa de formação de fumos entre MAG e CMT ......................... 59

XI

Índice de tabelas

Tabela 2.1 – Propriedades dos gases de protecção [12] .......................................................... 14

Tabela 2.2 – Relação existente entre a TFF, a frequência de pulso e o tamanho da gota [21] . 23

Tabela 3.1 – Composição do material base ............................................................................. 26

Tabela 3.2 – Composição do fio de alimentação utilizado ........................................................ 27

Tabela 3.3 – Tabela referente aos parâmetros de soldadura utilizados nos ensaios ................ 39

Tabela 3.4 – Rendimento das diferentes máquinas de soldadura utilizadas ............................. 40

Tabela 4.1 - Sequência de valores dos ensaios realizados nos diferentes processos .............. 53

Tabela 4.2 - Diluição dos processos estudados e respectiva área depositada ......................... 55

1

1 Introdução

O conceito inicial do processo de soldadura MIG/MAG foi introduzido nos anos de 1920, mas a

sua aparição comercial só acontece no final dos anos 40 [1], em que se usou pela primeira vez

uma alimentação contínua de um eléctrodo de alumínio protegido por um gás constituído 100%

por Árgon [2]. Só em 1951 foi possível soldar aços com a introdução do oxigénio misturado

com o Árgon e em 1953 com a introdução do dióxido de carbono, puro ou em mistura [3]. Mas

foi só desde há 20 anos para cá que este processo de soldadura começou a dominar a

indústria das construções soldadas [4].

Desde que apareceu no final dos anos 40 até aos dias de hoje, o processo de soldadura

MIG/MAG tem sofrido melhorias constantes, tendo em vista o aumento da produtividade do

processo e a segurança do soldador. Essas melhorias constantes levaram a que este

processo, hoje em dia, seja o processo de soldadura com maior flexibilidade, permitindo soldar

uma grande gama de materiais e espessuras.

Os fumos resultantes da soldadura MIG/MAG também têm sido alvo de estudos desde 1975

[5], nomeadamente a sua natureza e os factores que controlam a sua taxa de formação, assim

como soluções para a sua redução. A formação de fumos só recentemente começou a ganhar

maior relevância devido aos diversos processos judiciais que ocorreram nos Estados Unidos

sobre doenças que poderão estar relacionadas a uma longa exposição a fumos e gases de

soldadura por parte do soldador, como é o caso do manganês [6].

Este trabalho vai incidir sobre dois temas que se interligam entre si, a produtividade do

processo de soldadura MIG/MAG, e os fumos que resultam do processo de soldadura

MIG/MAG.

2

2 Caracterização do Processo de Soldadura MIG/MAG

2.1 Características

Gas Metal Arc Welding (GMAW), frequentemente também designado por Metal Inert Gas ou

Metal Active Gas (MIG/MAG), sigla derivada dos gases de protecção utilizados neste processo

respectivamente gás inerte ou gás activo, é um processo de soldadura de metais, que através

de um arco eléctrico estes são aquecidos até ao seu ponto de fusão e unidos. Esse arco

eléctrico é criado entre as peças a soldar e o eléctrodo metálico consumível que é alimentado

continuamente. O processo usa um gás ou mistura de gases, inertes ou activos, para fazer a

protecção do banho de fusão criado pelo arco eléctrico. A figura 2.1 ilustra os principais

componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG.

Figura 2.1 – Componentes intervenientes no processo de soldadura MIG/MAG [1]

Na figura 2.2 representam-se os componentes que fazem parte do equipamento de soldadura

MIG/MAG. Os componentes básicos são a tocha de soldadura (1), sistema de junção dos

cabos (2), a fonte de alimentação (3), o sistema de alimentação automática do eléctrodo (4),

bobine do eléctrodo (5) e a fonte do gás de protecção.

Figura 2.2 – Esquema de uma máquina de soldadura MIG/MAG [7]

3

O sistema de alimentação automática do eléctrodo, representado na figura 2.3, pode ser de

dois tipos, sistema de rolos simples (a), em que a velocidade de alimentação do fio é

controlada por um rolo motor e um rolo guia, e um sistema de rolos duplo (b), com dois rolos

guia e dois rolos motores.

a) b)

Figura 2.3 – a) Sistema de alimentação de rolos simples b) Sistema de alimentação de rolos duplo [3]

A fonte de alimentação incorpora características de saída desenhadas para optimizar a

performance do arco para uma determinada aplicação. Para o processo MIG/MAG essas

características caem dentro de duas categorias:

• Corrente constante

• Voltagem constante

Cada uma dessas características refere-se às curvas características da fonte de alimentação.

Na figura 2.4 pode-se ver as diferenças existentes entre as duas curvas.

a) b)

Figura 2.4 – Curvas características da fonte de alimentação: a) Corrente constante; b) Voltagem constante [1]

As fontes de alimentação de corrente constante eram as mais utilizadas nos tempos iniciais do

processo MIG/MAG, contrariamente ao que se verifica hoje em dia, embora estas fontes

continuem a ser utilizadas para soldar alumínio [2]. Na fonte de corrente constante a distância

de trabalho determina o comprimento do arco, assim quando a distância de trabalho aumenta o

comprimento do arco também aumenta, verificando-se também o contrário. Esta característica

representa um problema para a soldadura semi-automática uma vez que a distância de

4

trabalho é difícil de manter. Para corrigir este problema um alimentador automático do fio

controlado pela voltagem do arco foi criado para compensar as alterações no comprimento do

arco. Neste caso quando a distância de trabalho diminui a velocidade de alimentação do fio iria

aumentar, verificando-se também o inverso. Quanto à fonte de alimentação com voltagem

constante, esta fornece uma voltagem específica para o arco a que corresponde uma

determinada velocidade de alimentação do fio. A sua curva característica é relativamente

direita, e neste caso quando a distância de trabalho aumenta existe uma diminuição da

corrente de soldadura. Neste caso o arco eléctrico representa um circuito em série, onde a

distância de trabalho fornece a resistência à corrente. Aqui, mesmo que a distância de trabalho

aumente a voltagem permanece igual e o comprimento do arco também permanece igual

(figura 2.5).

Figura 2.5 – Comprimento do arco eléctrico estável com fonte de alimentação com voltagem constante [1]

2.1.1 Arco eléctrico

Um arco eléctrico é uma descarga eléctrica que ocorre entre dois eléctrodos, em que a energia

fornecida tem que ser suficiente para que a descarga ocorra através de um gás ionizado,

conhecido como plasma. Dentro desse plasma podem surgir temperaturas extremamente altas,

que vão desde os 5000 até aos 30000º K [8]. O arco eléctrico pode então ser considerado um

condutor gasoso que transforma a energia eléctrica em calor.

O estudo do arco eléctrico é de extrema importância para a compreensão do processo de

soldadura porque:

• O arco eléctrico é a fonte de calor que funde o material e cria o banho de fusão;

• As altas temperaturas e as forças electromagnéticas, além da grande velocidade

do fluxo de plasma, levam a intensas reacções químicas e provocam a

homogeneização do banho de fusão;

• As forcas geradas no arco são as principais responsáveis pela transferência do

metal desde o eléctrodo até à peça;

• Em grande parte o projecto da fonte de alimentação é determinado pela

necessidade de estabilizar o arco.

5

O arco eléctrico apresenta três zonas bem definidas (figura 2.6):

• Zona de Queda de Tensão Catódica,

• Zona de Coluna de Arco,

• Zona de Queda de Tensão Anódica.

a)

b)

Figura 2.6 – Diferentes zonas do arco a); sistema de soldadura MIG/MAG b) [3]

A zona de queda de tensão catódica funciona como fonte de energia necessária para fornecer

o calor de evaporação necessário para se dar a evaporação dos electrões junto do cátodo. Na

zona de coluna de arco, a energia ai absorvida é utilizada para manter o gás a uma

temperatura de equilíbrio, para que a sua condutibilidade eléctrica se mantenha elevada. Por

último na zona de queda anódica, a condensação dos electrões liberta energia.

Para uma melhor compreensão das zonas acima mencionadas, uma descrição mais detalhada

dessas zonas é apresentada de seguida:

Zona de Queda de Tensão Catódica

É nesta zona que os electrões que fluem através do plasma são formados e é em larga medida

a responsável para a estabilidade do arco. Esta zona é também a mais problemática das três,

pois é responsável por complicados mecanismos que mantêm o arco, nem todos entendidos

até hoje, e é por isso que esta zona é a mais estudada, pois a sua estabilidade garante o

6

sucesso do processo de soldadura. Isso deve-se principalmente ao facto que os iões do

plasma podem passar facilmente para o cátodo, enquanto os electrões têm que vencer uma

grande diferença de potencial para sair do cátodo até ao gás. Como consequência existe uma

carga espacial envolvente positiva no cátodo (região “c” da figura 2.6 – a), que causa um

gradiente de tensão que pode ir acima de 106 V/mm.

Existem dois tipos de cátodos: os cátodos “termo-iónicos” e os “não termo-iónicos”. Um cátodo

é referido como “termo-iónico” quando é aquecido até uma temperatura suficientemente alta

para emitir electrões sem fundir, como é o caso da soldadura TIG com eléctrodos refractários.

Alguns materiais, no entanto, fundem com temperaturas menores que as necessárias para a

emissão termo-iónica. Neste caso os electrões são apenas emitidos quando for aplicado um

campo eléctrico suficientemente elevado. Estes cátodos são designados por “não termo-

iónicos”.

De acordo com pesquisa efectuada por Essers e Walter [4] o aço deve ser tratado como um

cátodo “não termo-iónico”. Esta conclusão deve-se ao facto que:

• a mancha catódica móvel observada em cátodos “não termo-iónicos” também

é observada para o aço;

• a densidade de corrente calculada como resultado da emissão “termo-iónica”

(106-108 A/m2) é baixo comparativamente ao calculado para o aço (1010-1012

A/m2);

• os valores calculados para a densidade de corrente como resultado da

emissão “termo-iónica”, mostram uma boa concordância com os resultados

experimentais obtidos com materiais com pontos de ebulição de pelo menos

4000º K (o ponto de ebulição do ferro é de 3343º K).

• A queda de tensão no cátodo pode ser calculada pela seguinte equação:

𝑈𝑈𝑐𝑐 = Φ+ 32

. 𝑘𝑘 .𝑇𝑇𝑒𝑒 + 𝑄𝑄𝑒𝑒

𝐼𝐼− 𝐼𝐼.𝑅𝑅 (2.1)

em que Ф é a função de trabalho da superfície (corresponde à diferença de

potencial necessária para retirar um electrão da superfície), k a constante de

Boltzmann (J/K), T a temperatura da superfície (K), e a carga do electrão

(Coulomb), Qe a perda de energia para o cátodo (W), I a intensidade de

corrente no arco (A), R a resistência eléctrica do eléctrodo (Ω). Nesta equação

o termo 32

. 𝑘𝑘 .𝑇𝑇𝑒𝑒

representa a energia térmica dos electrões, enquanto que I.R é o

efeito Joule no eléctrodo.

Zona de Coluna de Arco

Esta zona é constituída por electrões, iões positivos e partículas neutras (átomos e moléculas

no estado excitado e não-excitado). A coluna de arco é electricamente neutra, ou seja, em

cada unidade de volume o número de cargas positivas e negativas é praticamente igual (o

gradiente de tensão é cerca de 1 V/mm). A coluna apresenta uma situação de quase equilíbrio

térmico, com a temperatura dos electrões a ser sempre superior à do gás por causa das

7

colisões que estes sofrem entre si. A alta temperatura existente na coluna mantém o gás

suficientemente ionizado para que este seja condutor, e permita um fluxo de alta velocidade do

eléctrodo para a peça.

A estabilidade da coluna de arco está relacionada com a condutividade eléctrica do plasma.

Uma baixa energia de ionização e temperatura elevada estão associados a arcos mais

estáveis. Logo quanto mais alta for a energia de ionização para um dado valor de corrente,

mais elevada é a temperatura do arco. Assim gases de protecção com baixa energia de

ionização como o Árgon vão ter temperaturas mais baixas comparativamente a gases com

energia de ionização mais alta, como é o caso do Hélio.

Zona de Queda de Tensão Anódica

No ânodo os electrões podem penetrar no eléctrodo livremente, pois estes facilmente vencem

a diferença de potencial existente. Os iões positivos, por sua vez, têm mais dificuldade em

vencer essa diferença de potencial para chegar ao plasma, como consequência, existe

acumulação de electrões no ânodo e forma-se uma região com carga negativa (região “a” na

figura 2.6).

A principal energia gerada no ânodo é a energia devido aos electrões através da componente

de queda de potencial do arco (I.Ua), da participação de energia térmica dos electrões 32

. 𝑘𝑘 .𝑇𝑇𝑒𝑒

(2.2), e da energia potencial para cada electrão (Ф.e).

2.1.2 Transferência do metal fundido

Soldadura por arco eléctrico com eléctrodos consumíveis é usada extensivamente porque o

material de adição é depositado mais eficientemente e com maiores taxas de transferência que

qualquer outro processo de soldadura. Diferentes tipos de transferência do metal têm vindo a

ser estudados com recurso a filmes de alta velocidade e análise de gráficos do processo.

A física por detrás da transferência do metal na soldadura por eléctrodo consumível ainda não

está completamente entendida. O arco eléctrico é demasiado pequeno e a sua temperatura é

demasiado alta para um estudo fácil, além de que a taxa de transferência de metal também é

alta. Existem no entanto duas teorias, que são hoje as mais aceites, e que tentam explicar o

processo de transferência de metal: Teoria do Equilíbrio das Forças Estáticas; Teoria da

Instabilidade devido à constrição (“pinch”) [10].

Na teoria do balanço das forças estáticas diversas forças actuam sobre o metal líquido na

ponta do eléctrodo, figura 2.7, que na prática são difíceis de quantificar. Por exemplo, a força

devido à tensão superficial é função da temperatura, da composição e forma da gota de metal

fundido. A forma da gota muda durante a sua evolução resultando numa mudança na

magnitude da força de tensão superficial.

8

Figura 2.7 – Balanço das forças que actuam na gota de material de adição fundido [11]

Fazendo o balanço das forças no momento do destacamento da gota chega-se à seguinte

equação:

𝐹𝐹𝑔𝑔 + 𝐹𝐹𝑎𝑎 + 𝐹𝐹𝑒𝑒 = 𝐹𝐹𝛾𝛾 + 𝐹𝐹𝑣𝑣, (2.3)

onde o índice g refere-se à força gravítica, a corresponde ao efeito de arrastamento devido ao

fluxo do gás de protecção, e à força electromagnética, γ a tensão superficial e v a força devido à

vaporização do material da superfície da gota. O destacar da gota dá-se quando as forças

gravítica, de arrasto e electromagnética forem maiores que as forças superficial e de

vaporização.

A força gravítica é simplesmente dada por 𝐹𝐹𝑔𝑔 = 𝑚𝑚𝑔𝑔𝑧𝑧(2.4), em que m é a massa da gota e gz é

a componente vertical da aceleração da gravidade. A força da gravidade por vezes pode ser

dominante, especialmente para correntes baixas onde a componente electromagnética é baixa.

Quando isso acontece o tipo de transferência dominante a ocorrer é a transferência globular.

A força de arrasto devido ao fluxo do gás de protecção depende da velocidade, V, do fluxo de

gás, da composição do gás e do tamanho da gota. A expressão para contabilizar esta força é

dada pela seguinte fórmula:

𝐹𝐹𝑎𝑎 = 0.5𝜋𝜋𝑉𝑉2𝜌𝜌𝑅𝑅𝑑𝑑 2𝐶𝐶′𝑑𝑑 (2.5)

em que ρ é a densidade do gás, Rd é o raio da gota e C’d é o coeficiente aerodinâmico

modificado para ter em conta o eléctrodo. Esta componente de força tem maior importância

quando a gota for de maior dimensão, ou seja, para correntes mais baixas.

A força electromagnética em geral é dada pelo seguinte integral de volume:

9

∫ 𝐽𝐽 ∙ 𝐵𝐵 𝐺𝐺𝑑𝑑𝑣𝑣 (2.6)

onde J é a densidade de corrente, B o campo magnético e 𝐺𝐺 uma função geométrica que

depende da forma da gota. A equação () pode ainda ser reduzida para:

𝐹𝐹𝑒𝑒 = 𝜇𝜇 𝐼𝐼2

4𝜋𝜋𝐺𝐺 = 𝜇𝜇 𝐼𝐼2

4𝜋𝜋𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑙𝑙𝑅𝑅

𝑟𝑟− 1

4− 1

1−𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅+ 2

(1−𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅 )2 𝑙𝑙𝑙𝑙2

1+𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑅𝑅 (2.7)

onde I é a corrente de soldadura, µ é a permeabilidade livre do espaço, θ o ângulo do inicio da

área anódica com a vertical, R o raio da gota e r o raio do eléctrodo. A força electromagnética

tanto pode ser positiva como negativa, dependendo do caminho do fluxo de corrente e das

áreas relativas de inicio e de fim do caminho. A força electromagnética tende a dominar as

outras forças para correntes altas, normalmente necessárias para se dar a transferência por

“spray”. Na figura 2.8 pode ser visto que a força é positiva e negativa dependendo da forma

das linhas de corrente, convergente ou divergente.

Figura 2.8 – Exemplo das possíveis direcções da força electromagnética [11]

Em altas correntes pode-se dar uma significativa vaporização do material na superfície da gota

fundida. Essa vaporização vai dar origem a uma aceleração termal das partículas de vapor

para o plasma, o que resulta numa força oposta que vai actuar na gota de metal actuando

como uma resistência ao destacar da gota. Essa força devido à vaporização do material

pode ser dada pela seguinte expressão:

𝐹𝐹𝑣𝑣 = ∫𝑚𝑚𝑎𝑎𝑣𝑣𝑑𝑑𝑅𝑅 (2.7)

em que ma é massa por unidade de área, v é a velocidade do jacto de vapor e S é a superfície

de contacto. Para uma superfície plana de temperatura e composição uniforme a expressão

anterior dá origem a:

𝐹𝐹𝑣𝑣 = 𝑚𝑚𝐼𝐼𝐽𝐽𝜌𝜌𝑣𝑣

(2.8)

em que m é a massa vaporizada por segundo e por ampere, I a corrente, J a densidade de

corrente e ρv a densidade do vapor. Na maioria das aplicações a área de contacto entre o arco

e a gota de metal fundido não é plana mas sim convexa, o que leva a uma força de

10

vaporização menor que a calculada pela expressão (2.8). Em geral a força devido à

vaporização do material só se torna significativa para correntes elevadas.

A tensão superficial tem um papel importante no comportamento da transferência do metal. A

força devido à tensão superficial, que vai actuar no sentido contrário do destacamento da

gota, é condicionada por diversos factores, entre os quais se incluem: a composição e

homogeneidade da gota, a temperatura da gota, o gradiente de temperatura na sua superfície,

a sua forma e a composição do gás. Esta força é dada pela seguinte expressão:

𝐹𝐹𝛾𝛾 ≈ 2.π. R.γ (2.9)

em que R é o raio do eléctrodo e γ é a tensão superficial do metal líquido, que sofre uma

diminuição com o aumento da temperatura.

Uma outra teoria existente para explicar a transferência de metal é a Teoria da Instabilidade devido à Constrição (“pinch”). Esta teoria baseia-se no modelo da instabilidade de uma

coluna líquida cilíndrica, a qual se transforma em gotas, que têm menor energia livre, devido a

um distúrbio no seu comprimento de onda característico. Aplicada à transferência do metal

líquido, a força electromagnética auto-induzida aumenta a transformação da coluna em gotas,

onde o comprimento crítico dessa onda (λc) é dado por:

𝜆𝜆𝑐𝑐 = 2𝜋𝜋𝑟𝑟

1+ 𝜇𝜇 𝐼𝐼2

2𝜋𝜋2𝑅𝑅𝑐𝑐1

2 (2.10)

em que r é o raio do eléctrodo, Rc o raio crítico da gota e I a corrente de soldadura. Esta

equação mostra que o comprimento de onda crítico da coluna líquida diminui com o aumento

da corrente, sendo deste modo reduzido o diâmetro da gota transferida.

Neste trabalho deu-se mais ênfase à teoria das forças estáticas pois achou-se que era a teoria

que melhor explica os fenómenos físicos que estão por trás da transferência do metal. A teoria

da instabilidade por sua vez apenas explica a diminuição do tamanho da gota com o aumento

da intensidade de corrente e as condições para a instabilidade da coluna de metal líquido [9].

2.1.2.1 Classificação dos modos de transferência

O processo de soldadura MIG/MAG é um processo que utiliza um eléctrodo consumível, que é

alimentado continuamente para o banho de fusão. Se a fusão do eléctrodo for equilibrada pela

velocidade com que o fio é alimentado em direcção à peça a soldar, então o processo

funcionará de uma forma contínua e estável. Um ajuste incorrecto destes parâmetros, ou seja,

não havendo um equilíbrio entre a taxa de fusão do eléctrodo e a velocidade de alimentação do

eléctrodo acontecerá uma de duas coisas, a extinção do arco provocada por curto-circuito ou

um arco excessivamente longo. A maneira como o material de adição é transferido do

eléctrodo até a peça tem influência em diversos factores que vão condicionar a qualidade da

soldadura realizada. Entre esses factores salienta-se o nível de salpicos existentes, a

estabilidade do processo, e a forma e qualidade da soldadura efectuada.

11

Uma das formas mais simples de classificar os modos de transferência consiste em dividi-los

em dois grupos [11]:

• Transferência em “voo livre” (“free flight”)

• Transferência por curto-circuito

Na transferência em “voo livre” é criado e mantido um arco eléctrico entre o eléctrodo e a

peça a soldar. O metal fundido é então transferido através do arco até à peça (figura 2.9).

Figura 2.9 – Modos de transferência em voo livre [11]

Uma análise mais detalhada sobre o comportamento deste tipo de transferência revela

diversas variantes. Elas são:

• Transferência Globular;

• Transferência “Spray”.

A transferência globular é em tudo semelhante ao pingar de uma torneira, em que as gotas

têm um diâmetro superior relativamente ao eléctrodo e a taxa de transferência é pequena e

irregular.

Observando a forma e o destacar da gota indicam que este mecanismo de transferência é

dominado pelas forças gravitacionais, ou seja, a transferência da gota dá-se quando a força da

gravidade for superior à força gerada pela tensão superficial, que está a actuar no sentido de

evitar o destacar da gota. Apesar das forças magnética estarem presentes, estas não são

significativas devido às baixas correntes que normalmente estão associadas a este tipo de

transferência.

A transferência “spray” dá-se quando a corrente de soldadura ultrapassa um valor limite, a

que se dá o nome de corrente de transição. Abaixo dessa corrente de transição dá-se a

transferência globular. Acima desta corrente de transição a transferência é caracterizada por

gotas muito pequenas (quando comparadas com a transferência globular) que são formadas a

uma taxa de centenas por segundo.

12

Neste tipo de transferência as forças magnéticas são as dominantes e são as responsáveis

pela aceleração das gotas no arco eléctrico. Devido ao facto de as gotas serem mais pequenas

que o comprimento do arco, não ocorre curto-circuito (a corrente é constante) e a formação de

salpicos é negligenciável ou mesmo eliminada.

Este modo de transferência é também caracterizado pelas suas altas entregas térmicas e

grandes taxas de depósito de metal, sendo por isso adequado por exemplo para passos de

enchimento. A alta taxa de depósito também pode produzir um banho de fusão demasiado

grande para que possa ser suportado pelas tensões superficiais, sendo por isso de evitar este

tipo de transferência para passos na vertical ou ao alto.

Na transferência por curto-circuito o fio eléctrodo é alimentado em direcção à peça a soldar

a uma velocidade que excede a taxa de fusão. Esse desequilíbrio é o responsável pelo facto de

o arco eléctrico não manter um comprimento constante. O comprimento do arco vai diminuindo

à medida que o fio se aproxima da peça a soldar, até que se dá o contacto. Em resposta a este

curto-circuito eléctrico a fonte de alimentação aumenta a corrente e devido à resistência dá-se

o aquecimento do eléctrodo até à fusão, dando-se de seguida a transferência do metal devido

à tensão superficial existente. O arco é então restabelecido e o processo reinicia (figura 2.10).

Este tipo de transferência ocorre para intensidades de corrente baixas, em que o metal é

transferido para a peça a soldar apenas durante o período em que se dá o curto-circuito.

Devido a esse facto este tipo de transferência tem como característica a obtenção de níveis

baixos de transferência de calor tornando ideal para soldar chapas finas ou fazer passes de

raiz. No entanto o comportamento aleatório do curto-circuito pode resultar na instabilidade do

processo, que combinado com a baixa entrega térmica pode causar defeitos como a falta de

fusão do material.

Figura 2.10 – Gráfico referente à transferência do metal por curto-circuito [2]

Existe ainda um outro tipo de transferência de metal, a transferência controlada. A

possibilidade de controlar a transferência de metal de um modo mais eficiente através da

modificação da potência que é fornecida ao eléctrodo através das fontes de alimentação não é

novo, mas a habilidade de alcançar os resultados desejados tem vindo a melhorar com o

13

aperfeiçoamento das fontes de alimentação electrónicas. Os tipos de transferência controlada

podem ser dividido em dois tipos: transferência pulsada, e curto-circuito controlado.

Transferência pulsada

O MIG/MAG pulsado foi introduzido para possibilitar que o modo de transferência por “spray”

fosse atingido a correntes médias mais baixas que a corrente de transição para “spray”. O arco

é mantido através de uma corrente de baixa intensidade (corrente de fundo), sendo de seguida

aplicada uma corrente de alta intensidade momentânea de modo a induzir a transferência do

metal (figura 2.11). A corrente pulsada e a sua duração são os responsáveis pelo destacar da

gota.

Figura 2.11 – Gráfico característico da soldadura por corrente pulsada [2]

Curto-circuito controlado

Como foi referido em cima, a transferência de metal por curto-circuito é um processo pouco

controlado pelo que a quantidade de metal transferido por cada curto-circuito pode variar

influenciando deste modo o tempo de arco alterando a estabilidade do processo.

As tentativas para fixar a frequência de pulso de modo a forçar o curto-circuito foram

infrutíferas (devido à aleatoriedade do curto-circuito), mas é possível melhorar o controlo do

processo se a corrente for controlada em resposta aos eventos de curto-circuito. Este conceito

foi utilizado para novos processos de soldadura derivados do MIG/MAG, como é o caso do

Surface Tension Transfer, Fast Root e Cold Metal Tranfer, que serão explicados mais em

detalhe no capítulo 2.2.

2.1.3 Características dos gases de protecção na soldadura MIG/MAG e suas influências

A principal função dos gases de protecção é a de evitar o contacto do ar atmosférico com o

banho de fusão. Tal é necessário porque a maior parte dos metais em estado líquido quando

em contacto com o ar tem uma grande tendência para formar óxidos. Uma correcta escolha

dos gases de protecção depende dos materiais e dos processos envolvidos. Além de fornecer

14

um ambiente protector para o eléctrodo e para o banho de fusão, os gases de protecção

também influenciam importantes características do processo MIG/MAG: características do arco,

modo de transferência do metal, penetração e perfil da soldadura.

Os principais gases utilizados na soldadura MIG/MAG são os referenciados na tabela 2.1.

Gás Energia de

dissociação [e.v]

Energia de

ionização [e.v] Propriedades

Densidade a 115ºC

e 1 atm (kg/m3)

Árgon - 15.8 Inerte 1.69

Hélio - 24.6 Inerte 0.169

Oxigénio 5.1 13.6 Oxidante 1.35

Dióxido de

carbono 4.3 14.4 Oxidante 1.59

Tabela 2.1 – Propriedades dos gases de protecção [12]

Árgon

O árgon é o gás de protecção mais utilizado na soldadura MIG/MAG devido a vários

factores: a baixa energia de ionização que promove uma voltagem do arco baixa,

facilitando o escorvamento e a estabilidade do arco, gerando por isso um arco com

uma energia mais baixa, o que resulta numa menor energia transmitida para o banho

de fusão, e o seu preço reduzido quando comparado com outros gases de protecção.

O árgon é um gás inerte e por isso, quando no estado puro, a sua utilização está

limitada à soldadura de metais não-ferrosos, tais como o alumínio e ligas de titânio que

apresentam um comportamento reactivo devido à camada de óxidos refractários

existente na superfície do metal. Já para a soldadura de aços carbono, deve-se juntar

ao árgon um gás oxidante (O2 ou CO2) pois isso vai tornar o arco mais estável e

reduzir os salpicos.

Uma característica do arco eléctrico criado no árgon é o facto de a sua zona exterior ter

uma menor densidade energética relativamente ao centro do arco, o que vai provocar

uma soldadura com uma penetração em forma de “dedo” (figura…). Este tipo de

penetração nem sempre é desejável, pois para casos em que o alinhamento seja mais

crítico (juntas em “T”) poderá ocorrer porosidades e falta de fusão na raiz do cordão.

Hélio

O hélio tem uma energia de ionização alta, o que resulta numa maior voltagem do arco

e também uma maior entrega térmica. Essa maior entrega térmica resulta numa

penetração mais uniforme comparativamente com o árgon.

15

Devido ao facto deste gás ser relativamente mais caro que o árgon faz com o hélio seja

preferencialmente utilizado em pequenas percentagens em misturas com o árgon como

gás dominante. Apenas em casos especiais o hélio é utilizado como gás dominante.

Oxigénio

O oxigénio é utilizado como componente secundário juntamente com o árgon por causa

do seu efeito estabilizador no arco. Ao fornecer propriedades oxidantes ao árgon, este

promove a formação de óxidos sobre o banho de fusão e na ponta do eléctrodo, o que

vai diminuir a tensão superficial e deste modo facilitar a transferência do metal. A

diminuição da tensão superficial vai melhorar também a molhagem do banho de fusão.

A mistura de árgon com oxigénio tem também uma penetração em forma de “dedo”

como o árgon, embora esta seja menos acentuada devido aos factores referidos

anteriormente.

Dióxido de carbono

Na soldadura por arco eléctrico o dióxido de carbono vai-se dissociar em dois

elementos, monóxido de carbono e oxigénio livre. Durante o arco eléctrico é gerado

insuficiente oxigénio livre para que se possa formar um plasma, sendo por isso muito

difícil obter uma transferência por “spray”. Isto leva a que altos níveis de salpicos sejam

formados por causa de uma transferência de metal instável.

A natureza altamente oxidante deste gás torna-o particularmente efectivo a lidar com

superfícies contaminadas com tinta ou ferrugem. A sua alta entrega térmica produz um

perfil de soldadura mais redondo e uniforme.

A soldadura MIG/MAG, regra geral utiliza como gás de protecção os elementos acima

descritos, quer puros (árgon para metais não ferrosos; dióxido de carbono para aço carbono),

quer em misturas, de dois elementos ou ternárias.

As misturas ternárias são utilizadas de forma a aproveitar as características individuais de cada

gás. Por exemplo, utiliza-se uma mistura de Ar com CO2 para aumentar a entrega térmica e

melhorar a penetração. Se a esta mistura se juntar o oxigénio, as tensões superficiais vão

diminuir, melhorando desta forma a fluidez e transferência do metal, ou seja, chega-se a um

gás de protecção com características únicas que com misturas de dois elementos não seria

possível obter.

2.2 Variantes do processo de soldadura MIG/MAG

Como foi referido anteriormente, o melhoramento das fontes de alimentação electrónicas levou

ao aparecimento de novos processos de soldadura derivados do MIG/MAG, que se baseiam no

modo de transferência por curto-circuito controlado, em que a corrente de soldadura reage aos

eventos do curto-circuito. Esses processos serão explicados neste capítulo.

16

2.2.1 Fast Roost

FasRoot é um processo de soldadura por curto-circuito modificado, em que a corrente e a

voltagem são electronicamente controlados pela fonte de alimentação. O processo controla os

parâmetros de soldadura e monitoriza a formação do curto-circuito durante a soldadura, para

que as gotas se destaquem do eléctrodo no momento pretendido, tornando o controlo do arco

mais fácil e reduzindo de forma significativa os salpicos.

A figura 2.12 mostra as diferentes fases que caracterizam este processo:

• durante o período do curto-circuito a gota do eléctrodo é produzida;

• a transferência do metal dá-se com um valor de corrente baixo, reduzindo

desta forma os salpicos produzidos;

• após a transferência de metal dá-se o período do arco com um alto valor de

corrente criando um plasma;

• esse plasma está a levar a energia até ao material de base ajudando à

formação do banho de fusão e aumento da penetração;

• cada ciclo demora aproximadamente 5 ms.

Figura 2.12 – Diagrama da forma de corrente e série de fotografias de alta velocidade do processo FastRoot [14]

2.2.2 Surface Tension Tranfer (STT)

STT é um processo de soldadura que tem como base uma fonte de alimentação electrónica,

que controla o ciclo de soldadura de acordo com parâmetros reais do arco. A fonte de

alimentação reage instantaneamente a todas a fases de transferência de metal de acordo com

a situação real do arco. A figura 2.13 mostra exactamente como a corrente a voltagem são

controlados durante o processo de soldadura.

17

Figura 2.13 – Relação entre a corrente e voltagem numa fonte de alimentação STT [15]

De acordo com a figura 2.13, o ciclo de soldadura do processo STT engloba as seguintes

fases:

• T0-T1: o arco eléctrico está formado entre o eléctrodo e o banho de fusão. A

gota de material fundido começa-se a formar na ponta do eléctrodo. Esta fase

é praticamente igual à fase de formação da gota no processo MIG/MAG

convencional.

• T1-T2: o tamanho da gota aumentou, levando a que o contacto entre o banho

de fusão e a gota se iniciasse, levando a fonte de alimentação a reagir

limitando a corrente para 10A, diminuindo desta forma os salpicos gerados.

• T2-T3: o processo de soldadura encontra-se na fase de curto-circuito, e a fonte

de alimentação aumenta a corrente de acordo com uma curva pré-determinada

para se dar o destacar da gota para o banho de fusão.

• T3-T4: a separação total da gota para o banho de fusão ocorre nesta fase.

Assim que se dá a separação, a fonte de alimentação limita a corrente do valor

original para 50A reduzindo desta forma os salpicos causados pela actividade

dinâmica de reactivar o arco.

• T4-T7: nesta fase a fonte de alimentação identifica o fim da transferência de

metal e controla o arco eléctrico novamente estabelecido até o ciclo iniciar

novamente. Cada período demora cerca de 5 ms.

2.2.3 Cold Metal Tranfer (CMT)

CMT é um processo de soldadura que deriva do MIG/MAG, e pode ser descrito como um

processo em que a entrega térmica é reduzida quando comparada com o processo MIG/MAG

18

por curto-circuito convencional. O processo CMT é caracterizado pela solução adoptada para

facilitar o destacar da gota, que em vez de usar um impulso de corrente para destacar a gota,

utiliza um movimento de recuo do eléctrodo que leva a um controlo mais eficaz do

destacamento da gota.

Figura 2.14 – Principais fases no processo CMT [16]

Na figura 2.14 estão representadas as diferentes fases que caracterizam este processo:

• durante o período do arco eléctrico, o eléctrodo é movido em direcção ao

banho de fusão;

• quando o eléctrodo inicia o contacto com o banho de fusão o arco é extinto e a

corrente de soldadura diminuída;

• o movimento de recuo do eléctrodo assiste o destacar da gota durante o curto-

circuito, em que a corrente de curto-circuito é mantida pequena;

• por último, o movimento do fio reverte e o processo inicia-se novamente.

A principal inovação característica deste processo é então o facto de o movimento de recuo do

eléctrodo ser integrado no processo de soldadura e ser controlado automaticamente. Cada vez

que ocorre curto-circuito, o controlador do processo interrompe o fornecimento de energia da

fonte de alimentação e acciona o mecanismo de recuo do eléctrodo. Este movimento de recuo

e avanço tem uma frequência que pode chegar até 70 Hz, com um período de 14 ms.

Devido às baixas correntes utilizadas durante o curto-circuito, ao movimento de recuo para

melhorar o destacar da gota e devido à corrente baixa que se verifica no curto-circuito (devido

às descontinuidades controladas do curto-circuito), a entrega térmica deste processo é

reduzida.

2.2.4 Considerações finais

A partir das descrições feitas nos capítulos anteriores, verifica-se claramente que estes

processos de transferência de metal por curto-circuito são muito diferentes do processo

convencional por curto-circuito, em que o eléctrodo é movido em direcção à peça a soldar até

que ocorra o curto-circuito. No momento do curto-circuito a corrente de soldadura aumenta até

tal valor que leva o curto-circuito a reabrir, permitindo que o arco reinicie e o processo se volte

a repetir.

19

Comparando os processos analisados, verifica-se desde logo a semelhança ente o FastRoot e

o STT. Entre estes dois processos existem quatro fases que são semelhantes entre si:

• na fase inicial, não se dá um aumento brusco da corrente a quando do primeiro

contacto do fio com a chapa a soldar, este ocorre sim instantes depois de

ocorrer o primeiro contacto. Esta característica vai permitir reduzir os salpicos

que ocorrem nesta fase do curto-circuito;

• uma zona de pico de corrente que vai ser a responsável pelo destacar da gota;

• no período imediatamente depois de o curto-circuito se extinguir ocorre uma

diminuição da corrente de soldadura para um nível inferior seguido logo por um

novo aumento da corrente, de modo a reduzir os efeitos dinâmicos da

reactivação do arco eléctrico, reduzindo deste modo os salpicos que

normalmente aqui ocorriam;

• no período imediatamente depois de ocorrer o curto-circuito, existe um patamar

da corrente, que tem como objectivo manter o arco eléctrico e melhorar a

molhagem do eléctrodo no banho de fusão, reduzindo o nível de salpicos;

A real diferença entre estes dois processos está nas curvas características nas quatro fases

distintas na transferência por curto-circuito. Ambos os processos têm entregas térmicas

pequenas quando comparadas com a transferência por curto-circuito convencional.

Por sua vez o processo de soldadura CMT, embora também utilize o curto-circuito controlado

por uma fonte de alimentação electrónica, distingue-se dos outros dois devido ao sistema

mecânico existente neste processo, que proporciona um movimento de recuo ao eléctrodo para

facilitar o destacar da gota. O sistema mecânico em conjunto com a fonte de alimentação

electrónica para controlar a corrente proporcionam entregas térmicas pequenas quando

comparadas com a transferência por curto-circuito convencional.

2.3 Fumos resultantes do processo de soldadura MIG/MAG

Os fumos resultantes da soldadura MIG/MAG também têm sido alvo de estudos desde 1975

[5], nomeadamente a sua natureza e os factores que controlam a sua taxa de formação, assim

como soluções para a sua redução.

Os fumos são constituídos por diversos metais (alguns dos quais tomam a forma de óxidos),

que em excesso são prejudiciais para a saúde. Esses metais são: alumínio, berílio, cádmio,

crómio, cobre, ferro, magnésio, manganês, níquel, chumbo, zinco [17].

O estudo dos fumos resultantes da soldadura é crucial para o futuro da soldadura, pois além de

melhorar as condições de trabalho dos soldadores, poderá ainda reduzir os custos associados

à soldadura.

20

2.3.1 Taxa de formação de fumos

A partir de estudos em processos com protecção gasosa no passado, chegou-se à conclusão

que os fumos resultantes da soldadura são formados principalmente a partir de gotas de

soldadura [5]. Chegou-se a esta conclusão comparando os diversos processos de soldadura

existentes. Por exemplo comparando dois processos, TIG e MIG/MAG, verifica-se claramente

que o processo MIG/MAG forma uma quantidade maior de fumos, e como o processo

MIG/MAG forma gotas de material em fusão como modo de transferência e o TIG não, conclui-

se o que o principal responsável da formação de fumos é a formação de gotas.

Um outro responsável pela produção de fumos é os salpicos que resultam da instabilidade do

arco eléctrico, nomeadamente quando se dá a sua ignição e extinção. Na figura 2.15 é bem

visível a grande quantidade de salpicos que estão a ser produzidos e os fumos que dai

resultam.

Figura 2.15 – Processo MIG/MAG (a)[7] e processo TIG (b)[18]

Os fumos são então formados por dois mecanismos, a partir da evaporação na gota do

material em fusão, e dos salpicos incandescentes que resultam do processo de soldadura

(figura 2.16).

Figura 2.16 – Factores responsáveis pela formação de fumos: 1) Evaporação da ponta do eléctrodo ou da gota; 2) Salpicos incandescentes e também alguma evaporação resultante da explosão do

fio

21

Mas como foi referido anteriormente o principal factor que domina a formação de fumos no

processo MIG/MAG é a evaporação que se dá a partir da gota [19]. Existe também formação

de fumos ao nível do cordão, especificamente no banho de fusão e cordão acabado de soldar,

mas a quantidade de fumos produzido não é significativo [5]. Esta formação de fumos a partir

da gota vai depender das características da mesma, ou seja, da temperatura da superfície da

gota, que é determinada pelo calor e fluxo do fluido no metal em fusão, e também da geometria

da gota (dimensão). Essas características variam para diferentes tipos de transferência de

metal.

Tendo em consideração este facto, foram criados alguns modelos de previsão de formação de

fumos tendo como ponto de partida as características da gota de soldadura, temperatura da

superfície e a sua geometria.

2.3.2 Factores que controlam a taxa de formação de fumos

De acordo com o modo de transferência utilizado, o tamanho da gota vai variar (figura 2.17),

variação essa que vai influenciar a taxa de formação de fumos. A partir deste facto diversos

estudos de previsão na formação de fumos foram criados. A figura 2.17 mostra o resultado de

um desses estudos.

Figura 2.17 – Representação da variação da taxa de formação de fumos, com Ar+4%O2 como gás de protecção, num aço carbono [19]

Como se pode ver pelo gráfico, que mostra a taxa de geração de fumos, esta vai aumentando

até se chegar ao modo de transferência globular devido ao aumento do diâmetro da gota e

também ao aumento do calor transferido pela gota, que tem uma temperatura também maior

Quando se começa a dar a passagem para a transferência por spray verifica-se uma

diminuição na geração dos fumos. Isto acontece porque o diâmetro das gotas vai diminuindo,

22

pois estas estão menos tempo em contacto com o eléctrodo, tendo por isso menos tempo para

crescer. Devido a esse facto e embora a corrente seja maior, podendo levar a crer que a gota

tem uma maior temperatura, a gota vai transferir uma menor quantidade de calor. A gota vai ter

uma menor temperatura, pois esta vai estar menos tempo em contacto com o arco eléctrico

(menor calor transferido) porque devido às maiores correntes a actuar aqui, as forças que

“puxam” a gota também vão ser maiores. Isto também porque devido ao menor diâmetro da

gota, a superfície de contacto com o eléctrodo também vai ser menor e por isso a transferência

de calor é menor. Por isso a temperatura da gota é menor que na transferência globular.

No fim verifica-se um aumento na geração de fumos. Este acontece devido a uma maior

intensidade da soldadura. Como se pode ver pelo gráfico, assim que se atinge o modo de

transferência por spray, o diâmetro da gota mantêm-se mais ou menos constante, e como a

intensidade está a aumentar (o que significa uma maior taxa de depósito), o número de gotas

tem que tem que aumentar também o que leva ao consequente aumento dos fumos.

2.3.3 Composição dos fumos

Os fumos são constituídos por diversos metais (alguns dos quais tomam a forma de óxidos),

que em excesso são prejudiciais para a saúde. Esses metais são: alumínio, berílio, cádmio,

crómio, cobre, ferro, magnésio, manganês, níquel, chumbo, zinco.

A exposição a estes fumos pode ter consequência para a saúde a vários níveis [20]:

• consequências a curto prazo: Irritação dos olhos, nariz; Tosse; Falta de ar; Bronquite;

Fluido nos pulmões; Náusea / vómitos;

• consequências a longo prazo: problemas nos pulmões crónicos (bronquite, pneumonia,

asma), cancro dos pulmões, cancro da laringe, cancro do tracto urinário;

• fumos individuais também podem causar sérios problemas para a saúde. Alguns

problemas que determinados elementos podem causar são:

o crómio pode causar dificuldades respiratórias e cancro;

o manganês pode causar a doença de Parkinson, que ataca os nervos e

músculos (manganismo);

o cádmio pode causar problemas de rins e cancro;

As partículas que constituem os fumos de soldadura têm uma grande gama de tamanhos,

como se pode ver na figura 2.18. O tamanho é uma propriedade importante porque determina a

profundidade a que essas partículas vão penetrar no sistema respiratório. Temos aquelas que

entram nos pulmões e depois saem novamente. Outras que nem sequer chegam a entrar

porque são grandes demais e são retidas antes de entrarem nos pulmões. E depois temos

aquelas que entram nos pulmões mas não saem, ficando depositadas no sistema respiratório

com os perigos/efeitos inerentes. A gama de dimensão dessas partículas pode ser vista na

figura 2.18 na faixa realçada a azul.

23

a) b)

Figura 2.18 – Gama de tamanhos que os fumos e poeiras podem ter, naturais e industriais (a); Pulmões (b)

2.3.4 Formas de reduzir a emissão de fumos

Uma forma de redução de fumos na fonte é controlar os factores de que depende a formação

de fumos que se referiram anteriormente:

• Temperatura da gota

• Composição do eléctrodo

• Composição do gás de protecção

Para que haja uma redução na taxa de formação de fumos, a dimensão da gota e a sua

temperatura têm que diminuir. Tais condições só aparecem no modo de transferência por spray

ou numa zona de transição para spray. Mas na maior parte dos casos tal não é possível, pois

este tipo de transferência tem uma grande entrega térmica e nem todas as ligações requerem

tais condições de soldadura.

Uma possível solução para a situação anterior, seria utilizar um tipo diferente de

corrente, corrente pulsada

Frequência de pulso [Hz]

.

Diâmetro da gota [mm] TFF médio [g/h]

6.00 2.91 36.11

8.70 2.58 25.22

11.83 2.33 14.54

15.33 2.13 12.77

28.30 1.74 8.94

54.40 1.40 2.43

102.43 1.13 3.80

Tabela 2.2 – Relação existente entre a TFF, a frequência de pulso e o tamanho da gota [21]

24

Como se pode ver pela tabela 2.2, o uso de corrente pulsado reduz o diâmetro da gota e

consequentemente reduz de modo significativo a taxa de formação de fumos. Isto acontece

porque à medida que aumenta a frequência, a gota vai estar menos tempo ligada ao eléctrodo,

tendo por isso menos tempo para crescer e transferir uma grande quantidade de calor.

Existe também diferentes processos de soldadura que em determinadas situações podem

substituir a soldadura MIG/MAG convencional. Esses processos são o STT, FastRoot e o CMT,

que através do controlo activo do arco eléctrico e da transferência de metal por curto-circuito

podem reduzir muito a quantidade de fumos produzida.

Utilizando gases de protecção com percentagem baixa de gases activos (baixando deste modo

o potencial oxidante) também se pode reduzir muito a taxa de formação de fumos (figura 2.19).

Figura 2.19 - Dependência da TFF do gás de protecção, I=250A [19]

Esta solução é apenas possível para os casos em que seja possível realizar a redução dos

gases activos, pois existem situações em que tal não é possível.

Se a redução de fumos na fonte (situações anteriores) não for possível, há que apostar em

sistemas alternativos para reduzir a quantidade de emissão de fumos no local de trabalho. Para

tal utilizam-se sistemas de extracção de fumos (figura 2.20) de vários tipos – fixos, portáteis,

flexíveis.

a) b) c)

Figura 2.20 (a[22], b[23], c[24]) – exemplos de sistemas de extracção de fumos

25

Estão também a ser desenvolvidos novos sistemas de extracção de fumos que estão

directamente ligados a pistola de soldadura (figura 2.21) e capacetes para os soldadores com

sistemas de ventilação incorporados.

Figura 2.21 – Exemplo de uma pistola de soldadura com sistema de extracção de fumos integrado

Estes novos tipos de pistolas e capacetes podem aumentar muito a mobilidade deste processo

de soldadura, pois já não se esta dependente de um sistema de extracção de fumos maior e

difícil de transportar.

2.3.5 Considerações finais

A redução dos fumos de soldadura é necessário para melhorar as condições de trabalho ao

nível da indústria da soldadura de forma a reduzir baixas devido a doenças provocadas pela

exposição aos fumos resultantes dos processos de soldadura. Esta redução é um problema

complexo que envolve novas tecnologias que tenham em vista a redução dos fumos de

soldadura.

Mas o desenvolvimento de novos métodos para reduzir os fumos (novos gases de protecção,

pistolas com sistema de extracção integrado, novos processos de soldadura) pode resultar

num aumento do custo de soldadura.

A tendência para legislações mais apertadas sobre a exposição do soldador a fumos, pode

levar a um maior investimento nesta área, visando o desenvolvimento de sistemas mais

baratos, para que as empresas não sejam economicamente penalizadas por cumprirem a

legislação em vigor.

26

3 Procedimento Experimental

3.1 Objectivos a cumprir

O presente trabalho tem como objectivos o entendimento mais aprofundado do processo de

soldadura MIG/MAG, quer na sua forma tradicional, quer em versões melhoradas que aqui

estão representadas pelos processos Surface Tension Transfer (STT), FastRoot e Cold Metal

Transfer (CMT), de forma a melhor entender este tipo de soldadura e verificar melhorias

relativamente à produtividade e qualidade dos novos processos comparativamente ao MAG.

Também será abrangido neste trabalho um estudo preliminar sobre os fumos resultantes do

processo de soldadura MIG/MAG.

Neste capítulo vai-se então enunciar os materiais e equipamentos utilizados na elaboração

deste trabalho, assim como enunciar os procedimentos seguidos para conseguir atingir os

objectivos propostos.

3.2 Materiais e equipamentos utilizados

3.2.1 Material utilizado

Para este trabalho utilizou-se como material base um aço carbono comum, St52, que

normalmente é utilizado em construções soldadas, dai a sua escolha. A composição deste aço

pode ser verificada na tabela 3.1.

Composição C [% max] Si [% max] Mn [% max] P [% max] S [% max]

St52 0.2 0.55 1.5 0.05 0.05

Tabela 3.1 – Composição do material base

O aço St52 foi utilizado neste trabalho na forma de barra com as especificações apresentadas

na figura 3.1.

Figura 3.1 – Dimensões da barra utilizada

No caso do depósito sobre chapa, o cordão foi apenas depositado na barra descrita

anteriormente, no meio da mesma. No caso dos cordões de canto foi utilizado a seguinte

configuração:

27

Figura 3.2 – Configuração utilizada para as soldaduras de canto

O fio de alimentação utilizado na realização das soldaduras foi o OK AristoRod 12.50 com 1.2

mm de diâmetro da Esab, no caso das soldaduras referentes aos ensaios de produtividade

realizados, nomeadamente referente ao estudo comparativo sobre os gases e ao estudo

comparativo entre as várias variantes do processo de soldadura MIG/MAG. Já para o estudo

referente aos fumos resultantes do processo de soldadura utilizou-se o mesmo tipo de fio de

alimentação mas com diferentes diâmetros de fio, nomeadamente 0.8 mm, 1.0 mm e 1.6 mm.

A composição do tipo de fio de alimentação utilizado é apresentada na tabela 3.2.

Composição C [% max] Si [% max] Mn [% max]

OK AristoRod 12.50 0.1 0.9 1.5

Tabela 3.2 – Composição do fio de alimentação utilizado

3.2.2 Equipamento utilizado

3.2.2.1 Ensaios de produtividade

Neste capítulo vai-se descrever as máquinas utilizadas para realizar as soldaduras, assim

como os instrumentos de medição utilizados.

28

ESAB

LUC 400

FRONIUS

TPS 4000 CMT

VR 7000 CMT

Figura 3.3 – Máquina MAG utilizada

Figura 3.4 – Máquina CMT utilizada

Máquina da Esab com capacidade de usar

corrente pulsada, com uma corrente de

soldadura máxima de 400 A.

Máquina da Fronius capaz de soldar com

corrente continua, corrente pulsada e CMT.

Tem uma corrente de soldadura máxima de

400 A para corrente contínua e pulsada, e 250

A para CMT.

Kemppi

FastMig Synergic

Lincoln Electric

Invertec STT

Figura 3.5 – Máquina FastRoot utilizada

Figura 3.6 – Máquina STT utilizada

29

Máquina da Kemppi capaz de soldar em

corrente continua, pulsada e em modo

FastRoot com uma corrente de soldadura

máxima de 400 A para a corrente continua e

pulsada, e 250 A para FastRoot.

Máquina da Lincoln Electric capaz de soldar

em corrente continua, pulsada e em modo

FastRoot com uma corrente de soldadura

máxima de 400 A para a corrente continua e

pulsada, e 250 A para STT.

Dos equipamentos anteriores, na máquina CMT há ainda a destacar o sistema “buffer” (que

permite controlar a folga do fio de alimentação) e a pistola com motor (figura 3.7), que em

conjunto permitem o funcionamento do sistema “push and pull” do fio de alimentação

característico do processo CMT.

Figura 3.7 – “Buffer” e pistola do sistema CMT

Na figura 3.8 está representado o sistema de fixação disponível nos laboratórios do IST e que

foi utilizado nos ensaios referentes à comparação dos gases de protecção e também referente

aos ensaios de comparação das variantes do processo MIG/MAG, mas apenas no caso do

processo MIG/MAG tradicional e CMT, pois eram os equipamentos que estavam disponíveis

nos laboratórios do IST.

30

Figura 3.8 – Sistema de fixação utilizado no laboratório do IST

Já no caso dos ensaios realizados com as máquinas STT e FastRoot, que foram realizados na

Universidade de Cranfield, o sistema de fixação utilizado é o representado na figura 3.9.

Figura 3.9 – Sistema de fixação utilizado na Universidade de Cranfield

Utilizaram-se também sistemas de aquisição de dados para que posteriores análises

pudessem ser realizadas. No caso dos ensaios realizados no laboratório do IST, o sistema

utilizado foi o ArcWatch (figura 3.10), que apenas fazia a aquisição da intensidade de corrente

ao longo da soldadura. A voltagem era medida directamente a partir do valor fornecido pelo

próprio equipamento.

31

Figura 3.10 – ArcWatch: sistema de aquisição de dados utilizado no laboratório do IST

No caso dos ensaios realizados na Universidade de Cranfield, utilizou-se como equipamento

de aquisição de dados um osciloscópio Yokogawa DL750 (figura 3.11), que já permitiu a

aquisição da intensidade de corrente e da voltagem ao longo da soldadura.

Figura 3.11 – Osciloscópio Yokogawa: sistema de aquisição de dados utilizado na Universidade de Cranfield

3.2.2.2 Análise de amostras

Depois de realizar os ensaios de soldadura foi necessário proceder à preparação das amostras

que resultaram dos ensaios para posterior análise. Neste capítulo é descrito o equipamento

utilizado na preparação das amostras.

A serra de corte (figura 3.12) foi utilizada para realizar o corte final das amostras, preparando-

as para a etapa seguinte, a enformação.

32

Figura 3.12 – Serra de corte

Existem dois tipos de enformação, enformação a quente e enformação a frio. A enformação a

quente foi realizada com um equipamento específico que está representado na figura 3.13.

Este equipamento utiliza uma resina acrílica como material para enformar a amostra.

Figura 3.13 – Máquina de enformação a quente

No caso de se realizar enformação a frio, utiliza-se apenas uma resina epoxi com endurecedor,

em que se tem que deixar curar durante 24 horas.

33

Figura 3.14 – Resina Epoxi e endurecedor utilizado na enformação a frio

Depois das amostras enformadas, é agora necessário realizar o polimento para posterior

contrastação. O equipamento utilizado no polimento é o representado na figura 3.15, que foi

utilizado em conjunto com as lixas (figura 3.16).

Figura 3.15 – Máquina de polimento de amostras

Figura 3.16 – Lixas utilizadas no polimento das amostras

34

Depois de as amostras estarem polidas passa-se então para a contrastação das mesmas.

Essa contrastação é realizada recorrendo a uma solução que foi feita para realçar a zona da

soldadura e zona termicamente afectada. A solução que se utilizou foi o Nital com uma

concentração de 5%. Depois de o processo estar concluído, o resultado final a que se chega é

o seguinte:

Figura 3.17 – Amostras finais: a) enformação a quente; b) enformação a frio

3.2.2.3 Ensaios de emissão de fumos

No caso dos ensaios referentes à análise da formação de fumos de soldadura foi necessária

uma câmara de fumos que estivesse de acordo com a norma existente [25] para fazer

medições sobre a taxa de formação de fumos. Assim construiu-se uma câmara de acordo com

a norma, que está representada na figura 3.18.

a) b)

Figura 3.18 – Câmara de fumos construída de acordo com a norma(a); Desenho da câmara retirado da norma (b) [25]: 1 – saída dos fumos; 2 - filtro

35

A norma EN ISO 15011-1 também especifica o tipo de ventilação necessária para realizar os

ensaios, caudal de ar necessário e pressão de aspiração necessária. Atendendo às

especificações requeridas pela norma utilizou-se uma bomba de vácuo (figura 3.19), com as

seguintes características:

• Motor eléctrico com 1,3 KW de potência, 230/400V e 50 Hz

• Capacidade nominal: 100 m3/h a 100 mbar

• Capacidade máxima: 180 m3/h

• Vácuo máximo: 170 mbar.

Figura 3.19 – Bomba de vácuo

Foi também necessária uma mesa rotativa para se poder realizar soldaduras continuas e com o

tempo necessário à realização do ensaio. A mesa utilizada está representada na figura 3.20.

a) b)

Figura 3.20 – a) Mesa rotativa utilizada e respectivas dimensões (mm) b)

Antes de se iniciar o ensaio de recolha dos fumos nos filtros, os mesmos tiveram de ser

previamente aquecidos de forma a retirar toda a humidade existente nos filtros, diminuindo

desta forma o erro associado à pesagem dos mesmos. Na figura 3.21está o forno utilizado

nesta função.

36

Figura 3.21 – Forno eléctrico

Depois de os filtros passarem pelo forno, estes tinham que ser pesados antes e depois do

ensaio, de forma a ter a quantidade de fumos que foi retida no filtro. A balança utilizada está

representada na figura 3.22.

Figura 3.22 – Balança de precisão

3.3 Planeamento de experimentação

3.3.1 Identificação das prioridades da indústria

Antes de se ter iniciado os trabalhos experimentais, realizou-se um pequeno inquérito em

diversas empresas Portuguesas e Internacionais [Anexo B] para identificar quais são os

materiais mais utilizados assim como as posições de soldadura e as gamas de parâmetros de

soldadura que mais surgem na prática.

37

Uma das questões referia-se à gama de correntes utilizada na empresa onde trabalhava. Pela

figura 3.23 verifica-se claramente que a gama de correntes mais utilizada se situa entre os 120

e 220 amperes. Tendo este resultado em consideração decidiu-se, relativamente aos ensaios

de produtividade, realizar três ensaios dentro desta gama de valores, nomeadamente 120 A,

165 A e 220 A.

Figura 3.23 – Gráfico referente à gama de correntes utilizada

Uma outra questão desse inquérito referia-se ao material de base utilizado na empresa onde

trabalhava. Na figura 3.24 pode-se ver o resultado a essa pergunta. Verifica-se claramente que

o aço carbono é o material mais utilizado nas empresas onde os questionários foram

submetidos. Decidiu-se então utilizar um aço carbono, mais especificamente o aço St52 que é

muito utilizado em construções soldadas.

Figura 3.24 – Gráfico referente ao material de base utilizado

Foram recolhidos 16 inquéritos no âmbito deste trabalho.

3.3.2 Ensaios de Produtividade

3.3.2.1 Gases de Protecção em soldadura MAG

Como se disse anteriormente, para os ensaios de produtividade utilizaram-se três valores de

corrente, 120, 165 e 220 A. Nos ensaios de produtividade foi também necessário utilizar a

0,0%10,0%20,0%30,0%40,0%50,0%60,0%70,0%

50 a 120 A 120 a 220 A mais de 220 A

Que gama de correntes é normalmente utilizada na sua empresa?

MIG/MAG

Fios fluxados

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

Aço não ligado

Aço de baixa liga

Aço Inoxidável

Aluminio e suas ligas

Outros

56,3% 56,3%

31,3%

12,5%

0,0%

Material de base utilizado?

38

mesma velocidade de soldadura. Procedeu-se então à escolha de uma velocidade de

soldadura que fosse compatível com os três valores de corrente apresentados. Por isso

realizaram diversas soldaduras para a corrente de 120 A de modo a obter uma soldadura

estável, bom aspecto superficial, já que este valor é o mais crítico dos três pois é o que tem

menor material de adição depositado e a menor penetração. Chegou-se então a uma

velocidade de soldadura no valor de 0,23 m/min.

Relativamente aos parâmetros de soldadura, o único que se tentou controlar foi a intensidade

de corrente. A velocidade de alimentação do fio e a voltagem eram automaticamente

controlados pelo equipamento utilizado, ou seja, foram utilizadas as curvas sinérgicas da

máquina de soldadura que vinham de fábrica. Foi utilizada esta abordagem, pois é o que

normalmente se passa na indústria.

De forma a estudar as diferenças que os diferentes gases utilizados têm no processo de

soldadura foram estudados diversos parâmetros. Calculou-se a entrega térmica dos ensaios

realizados, para se saber a quantidade de energia que é transferida para o material base. A

entrega térmica foi calculada através da seguinte equação:

Q=η× V×I×60WS×1000

[𝐽𝐽/𝑚𝑚] , (3.1)

em que o η é o rendimento associado ao processo de soldadura, V é a voltagem, I a

intensidade de corrente e Ws é a velocidade soldadura. O rendimento associado ao processo

de soldadura MIG/MAG tradicional varia entre 66 % e 85 % [8]. Não havendo o valor de

rendimento para o equipamento utilizado, considerou-se o pior caso possível, neste caso 66 %,

sendo esse o valor considerado nos cálculos.

Obteve-se também a estrutura macrográfica do cordão de soldadura através da contrastação

com Nital a 5 % depois de as amostras terem sido preparadas. De seguida através de

medições directas chegou-se aos seguintes parâmetros: penetração do cordão (p), largura do

cordão (a), altura do cordão na soldadura de canto (s), área depositada de material de adição

(Ma) e área fundida de material base (Mb).

Figura 3.25 – Parâmetros retirados através de medição directa

A partir do material de adição e do material de base, chega-se a um outro parâmetro, a Taxa

de Diluição que é calculada através da seguinte expressão:

𝑇𝑇.𝐷𝐷 = 𝑀𝑀𝑏𝑏𝑀𝑀𝑏𝑏+𝑀𝑀𝑎𝑎

× 100 [%], (3.2)

em que 𝑀𝑀𝑎𝑎 e 𝑀𝑀𝑏𝑏 são respectivamente a área de material depositado e área de material base.

39

Os parâmetros referidos neste capítulo serão apresentados e discutidos no capítulo 4.1.1.

3.3.2.2 Processo de soldadura MAG e suas Variantes

Relativamente ao estudo comparativo do MAG tradicional, CMT, STT e FastRoot, tentou-se

seguir o mesmo procedimento utilizado no estudo comparativo dos gases de protecção, ou

seja, utilizar três valores de corrente na realização dos ensaios. Mas tal não foi possível. Uma

das razões para tal ter acontecido foi a falta de prática no manuseamento dos equipamentos de

soldadura, levando a que alguns valores de corrente não tivessem sido conseguidos. Esta

situação ocorreu com os ensaios realizados na Universidade de Cranfield com a máquina de

STT e de FastRoot. Uma outra razão para tal ter sucedido foi o facto de o tempo para realizar

os ensaios ter sido reduzido, o que levou a que não se tivesse ganho experiência suficiente

antes de realizar os ensaios finais. Devido ao facto de não se ter atingido os valores de

corrente desejados, e alguns valores alcançados estarem próximos uns dos outros, decidiu-se

introduzir novos valores de velocidade de soldadura para ter uma maior diversidade de

ensaios.

Nos ensaios de Cranfield utilizou-se Árgon com 8% de CO2, por ser a mistura gasosa cuja

composição mais se aproximava dos gases estudados previamente. Por uma questão de

consistência decidiu-se então realizar novos ensaios com o MAG tradicional e o CMT nos

laboratórios do IST, utilizando os mesmos parâmetros a que se chegou em Cranfield. Na tabela

3.3 estão os valores dos parâmetros de soldadura que se utilizaram em todos os ensaios

realizados.

Processo de

soldadura

Velocidade

de soldadura

[m/min]

I [A] V [volt]

FastRoot 0.3 164 19.86

0.23 170 22.15 0.23 200 21.53 0.23 230 20.24

STT 0.3 200 18.54

0.23 200 15.85 0.23 214 18.14 0.23 220 19.21

MAG 0.3 130 15.8

0.23 170 16.3 0.23 203 16.8 0.23 222 18

CMT 0.3 133 10.4

0.23 170 10.6 0.23 205 11.7

Tabela 3.3 – Tabela referente aos parâmetros de soldadura utilizados nos ensaios

40

De forma a estudar as diferenças dos processos de soldadura utilizados, foram estudados os

mesmos parâmetros referidos anteriormente no capítulo 3.3.2.1, ou seja, a penetração e

largura dos cordões de soldadura em depósito sobre chapa, a altura dos cordões de canto, a

área de material depositado e de material base fundido, a taxa de diluição (equação 3.2) e a

entrega térmica (equação 3.1).

No cálculo da entrega térmica dos diferentes processos é ainda necessário o rendimento dos

diferentes equipamentos utilizados. Na tabela 3.4 estão os valores dos rendimentos utilizados

nos cálculos.

Equipamento Rendimento [%]

Lincoln – STT 66

Fronius – CMT 66

Kemppi – FastRoot 66

Tabela 3.4 – Rendimento das diferentes máquinas de soldadura utilizadas

Não existem valores de rendimento para estes três processos, mas devido ao facto destes

processos serem muito semelhantes ao MIG/MAG tradicional na forma de transferência de

metal, é de esperar também rendimentos que variam entre os 66% e os 85 %. Não havendo

também valores de rendimento para os equipamentos utilizados, considerou-se a pior situação

possível para o rendimento, 66 %.

3.3.3 Ensaios de emissão de fumos

Nos ensaios de emissão de fumos, utilizaram-se três diâmetros de fio de alimentação, 0.8 mm,

1.0 mm e 1.6 mm. Para se determinar a influência dos diferentes diâmetros nos fumos

produzidos pelo processo de soldadura, realizaram-se depósitos sobre chapa, utilizando como

suporte a mesa rotativa. Os valores de intensidade de corrente utilizados vão desde os 80 A

(fio de 0.8 mm de diâmetro) até aos 400 A (fio de 1.6 mm de diâmetro). Utilizou-se esta gama

de valores de corrente para que todos os modos de transferência de metal fossem abrangidos.

Os ensaios foram realizados utilizando uma câmara de fumos de acordo com a norma EN ISO

15011-1, e descrita anteriormente no capitulo 3.2.2.3. A bomba de vácuo também foi escolhida

de acordo com a norma, garantindo ao mesmo tempo que todos os fumos resultantes das

soldaduras são aspirados e recolhidos no filtro colocado no topo da câmara de fumos.

O filtro utilizado foi um filtro de papel constituído por micro fibras de vidro (Whatman GFA) com

um diâmetro de 240 mm. Antes de cada utilização os filtros foram previamente aquecidos no

forno a 100ºC, durante uma hora, para que toda a humidade fosse retirada.

Considerando o diâmetro do filtro e ensaios que se realizaram previamente, conclui-se que um

tempo de soldadura de 60 segundos seria o mais indicado, na medida em que o filtro nunca

41

chegou a ficar saturado. A bomba de vácuo era apenas desligada passados 30 segundos da

extinção do arco, de forma a garantir que todos os fumos eram recolhidos no filtro.

Os filtros eram pesados antes e depois de cada ensaio numa balança de precisão. A partir

destes resultados podia-se então calcular a taxa de formação de fumos:

𝑇𝑇𝐹𝐹𝐹𝐹 =𝑚𝑚𝑓𝑓−𝑚𝑚𝑅𝑅

𝑡𝑡 [g/min], (3.2)

em que TFF é a taxa de formação de fumos, 𝑚𝑚𝑓𝑓 é o peso final do filtro, 𝑚𝑚𝑅𝑅 é o peso inicial do

filtro e t é o tempo de soldadura em minutos. Todos os ensaios foram realizados três vezes e a

média calculada de forma a garantir uma maior precisão dos resultados. Caso o erro associado

à média fosse superior a 10%, teriam que ser efectuados dois ensaios adicionais e a respectiva

média calculada.

Os ensaios referentes à emissão de fumos, foram realizados de acordo com o procedimento

que se encontra na norma EN ISO 15011-1.

42

4 Análise e Discussão dos Resultados

4.1 Produtividade no processo MAG e suas variantes

Este trabalho assenta essencialmente sobre o entendimento do processo de soldadura MAG,

na sua forma tradicional (muito utilizado na indústria), e também em algumas das suas

variantes cuja aplicação industrial é promissora.

Realizou-se um estudo prévio da soldadura MAG através da realização de cordões de

soldaduras em depósito sobre chapa e também em cordões de canto, de forma a entender o

funcionamento deste processo e também o seu comportamento. Nesta fase foram também

utilizados quatro diferentes tipos de gases de protecção (100% CO2, 92%Ar+8%O2,

91%Ar+5%CO2+4%O2, 60%Ar+10%CO2+30%He), de forma a melhor entender a importância

dos gases de protecção no processo de soldadura MAG e como diferentes tipos de gases de

protecção podem influenciar a forma do cordão e a estabilidade do processo.

Realizou-se também um estudo comparativo entre o processo MAG tradicional e algumas das

suas variantes relativamente à produtividade e à quantidade de fumos produzidos durante a

soldadura, para melhor entender estes processos, e verificar de facto se estes novos

processos podem substituir em algumas aplicações o processo de soldadura MAG com

melhores resultados.

Neste capítulo vai-se então proceder à análise e estudo dos resultados obtidos nos ensaios

descritos anteriormente. Vai-se estudar os cordões de soldadura realizados em função da sua

penetração, largura, diluição e entrega térmica, e explicar como esses factores vão influenciar

o processo de soldadura.

4.1.1 Caracterização das soldaduras com diferentes gases de protecção

De forma a estudar a influência dos quatro gases de protecção utilizados (100% CO2,

92%Ar+8%O2, 91%Ar+5%CO2+4%O2, 60%Ar+10%CO2+30%He) sobre o perfil e característica

do cordão de soldadura obtido, foram efectuados vários testes usando diferentes parâmetros e

diferentes juntas de soldadura.

A produtividade do processo MAG, assim como as propriedades mecânicas da junta soldada

são influenciadas pela forma do cordão, em que maiores penetrações resultam numa

produtividade melhorada através do uso de velocidades de soldadura mais elevadas.

Gás de protecção Depósito sobre chapa Cordões de canto

AR+8%O2

43

Ar+5%C02+4%O2

100 % CO2

Ar+10%CO2+30%He

Figura 4.1 - Exemplos de perfis de cordões de soldadura; 160A

A partir da figura 4.1 pode-se ver que as soldaduras realizadas com O2 como componente do

gás de protecção têm uma penetração do tipo “finger tip”, ou seja, a região central da soldadura

tem uma maior penetração. Para o cordão realizado com 100% de CO2 como gás de

protecção verifica-se uma penetração mais uniforme. Já no caso da soldadura realizada com o

gás de protecção com 10%CO2+30%He, verifica-se um meio-termo, onde se verifica uma

penetração do tipo “finger tip” mas com uma maior largura do que a verificada para os gases

com O2.

Através do cálculo da entrega térmica do processo de soldadura para os diferentes gases de

protecção, verifica-se que é com o gás com 100% de CO2 que o processo atinge maior entrega

térmica (figura 4.2). Tal acontece por causa de um fenómeno que está associado ao gás CO2,

isto é, na presença de um arco eléctrico de alta energia (plasma) este dissocia-se para carbono

livre, monóxido de carbono e oxigénio [1]. Isto acontece na região anódica do arco. Na região

catódica acontece exactamente o inverso, ou seja, os elementos libertados da molécula de

CO2 são novamente recombinados. Este fenómeno requer energia adicional, levando a que a

tensão necessária aumente levando a uma maior entrega térmica.

44

Figura 4.2 - Entrega térmica em função da intensidade de corrente

No que se refere à penetração dos cordões de soldadura, a partir da figura 4.3 verifica-se que

os valores obtidos são muito semelhantes entre si, embora existam dois valores em que se

verificam penetrações superiores relativamente aos outros gases. Para intensidades de cerca

de 120 A, o cordão de soldadura efectuado com Ar+10%CO2+30%He como gás de protecção,

apresenta uma penetração cerca de 0,5 mm superior comparativamente às soldaduras

realizadas com os outros gases de protecção. Já para correntes mais elevadas, cerca de 230

A, é a soldadura com Ar+5%C02+4%O2 como gás de protecção que apresenta maior

penetração. Esta diferença poderá ter a ver com o facto de terem ocorrido flutuações nas

variáveis do processo (material, corrente e voltagem da soldadura) na zona onde as medições

foram efectuadas.

Figura 4.3 - Influência dos gases de protecção na penetração em depósito sobre chapa

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

100 150 200 250 300

Entr

ega

Térm

ica

[Kj/

m]

Intensidade de Corrente

Ar+8%O2

Ar+5%CO2+4%O2

100% CO2

Ar+10%CO2+30%He

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

120 170 220

P[m

m]

I[A]

Ar+8%O2

Ar+5%CO2+4%O2

100% CO2

AR+10%CO2+30%He

45

Relativamente à largura dos cordões obtidos (figura 4.4), verifica-se que os cordões mais

largos são obtidos com a utilização do CO2 como gás de protecção. Durante a recombinação

do CO2 existe um nível de energia mais elevado na região catódica, e é essa energia que é

responsável pela existência de uma penetração mais larga. Verificou-se através da figura 4.3

que a penetração associada a este gás é similar às obtidas para os outros gases, o que não

seria de esperar devido à maior energia existente junto ao material base. O que quer dizer que

a energia serviu apenas para alargar o cordão associado ao gás de protecção CO2.

Figura 4.4 - Influência dos gases de protecção na largura dos cordões de soldadura

No que se refere aos cordões de canto, verifica-se que é com o CO2 como gás de protecção

que são atingidas as maiores alturas (figura 4.5) no que se refere a cordões de canto. Tal pode

ser explicado pelo facto de existir aproximadamente a mesma quantidade de material fundido

que no depósito sobre chapa, mas aqui ele encontra-se concentrado numa menor área, que

associado à maior energia do arco com o CO2 como gás de protecção, resulta numa maior

altura neste tipo de juntas.

Figura 4.5 - Influência dos gases de protecção na altura em cordões de canto

5

7

9

11

13

15

17

120 160 200 240

a (m

m)

I(A)

Ar+8%O2

Ar+5%CO2+4%O2

100% CO2

Ar+10%CO2+30%He

22,5

33,5

44,5

55,5

66,5

120 170 230

s(m

m)

I(A)

Ar+8%O2Ar+5%CO2+4%O2100% CO2Ar+10%CO2+30%He

46

Um outro parâmetro que se estudou e que está relacionado com a entrega térmica foi a

diluição, que representa a quantidade de material base fundido que entra na constituição da

zona fundida do cordão de soldadura. Seria de esperar que para uma maior entrega térmica, a

quantidade de material base fundido fosse maior, devido à maior quantidade de energia que

lhe é transmita. E tal é confirmado de facto na figura 4.6, em que se vê uma maior diluição para

os cordões feitos com 100% de CO2 como gás de protecção, que é o que apresenta maior

entrega térmica (figura 4.2).

Figura 4.6 – Diluição obtida nos diferentes gases estudados

A figura 4.7 representa a área total de material fundido para os gases estudados. Esta área vai

depender da quantidade de material de adição que é depositado e da quantidade de material

base que é fundido, formando o cordão de soldadura. Para valores de correntes semelhantes

verifica-se que a velocidade de alimentação do fio é também semelhante, e dado que as

soldaduras foram todas realizadas à mesma velocidade, vai ser a quantidade de material base

fundido que mais vai contribuir para uma maior dimensão do cordão de soldadura, neste caso

representado pela área do cordão. Devido ao facto de as soldaduras efectuadas com 100%

CO2 como gás de protecção apresentarem uma maior diluição, estas também apresentam uma

maior área de material fundido.

05

1015202530354045

Dilu

ição

[%]

I = 165 A

47

Figura 4.7 – Área total de material fundido na soldadura sobre chapa

A partir da figura 4.8 que representa a área depositada, ou seja, a área referente ao material

depositado na chapa, pode-se concluir quanto à taxa de deposição associados a cada gás. Tal

é possível devido ao facto de se usarem as mesmas velocidades de soldadura. Sabendo a

velocidade de soldadura e a área de material depositado, facilmente se chega à taxa de

deposição em mm3/min. Tendo tal facto em conta, verifica-se que para baixas correntes a taxa

de deposição é similar em todos os gases estudados. Só para valores mais elevados de

corrente é que começam a existir diferenças, que como se pode verificar pela figura 4.8, é o

gás composto por 100 % de CO2 que apresenta a maior área depositada e consequentemente

uma maior taxa de deposição. É esta a razão principal pelo qual o ensaio efectuado com 100%

de CO2 como gás de protecção apresenta uma maior altura nos cordões de canto como foi

verificado anteriormente.

Figura 4.8 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

100 150 200 250

Áre

a Fu

ndid

a [m

m2]

I[A]

Ar+8%O2

Ar+5%CO2+4%O2

100% CO2

Ar+30%He+10%CO2

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

90 140 190 240 290

Áre

a de

posi

tada

[mm

2]

I [A]

Ar+8%O2

Ar+5%CO2+4%O2

100% CO2

Ar+30%He+10%CO2

48

4.1.2 Diferentes variantes do processo MAG

4.1.2.1 Comparação entre formas de onda

Neste capítulo vai-se analisar as formas de onda da corrente de cada processo e compará-las

entre si de modo a verificar as diferenças e como é que essas diferenças vão afectar a

transferência por curto-circuito e a forma como a energia é transmitida para a chapa. Para o

STT e FastRoot vai-se ainda comparar as formas de corrente que foram fornecidas pelos

fabricantes e as formas de corrente que foram obtidas laboratorialmente.

Como se pode ver pela figura 4.9 numa soldadura MAG por curto-circuito normal a corrente

tem um comportamento simples, em que esta começa a aumentar quando existe contacto

entre o material de adição e a chapa, e começa a diminuir quando a transferência do material

de adição se dá. Verifica-se também que ao dar-se o contacto (voltagem cai), a corrente tem

um aumento brusco até ao pico de corrente. Esta transição é normalmente a responsável pelos

salpicos que este tipo de curto-circuito provoca, em que se cria pequenas “explosões” de

material dando origem aos salpicos comuns neste tipo de processo.

Figura 4.9 - Forma de onda de corrente no processo MAG

Começando pelo processo FastRoot que utiliza um curto-circuito controlado (tal como o STT e

CMT, mas com algumas diferenças como se vai ver mais à frente). No gráfico fornecido pelo

fabricante (figura 4.10) verifica-se que quando se inicia o contacto do material de adição a

corrente não tem um aumento brusco como o verificado no MAG convencional, existe sim um

pequeno aumento quando o contacto se inicia seguido então de aumento na corrente até

atingir o pico. Segundo o fabricante esta transição reduz substancialmente os salpicos

produzidos comparando com MAG convencional. Na altura em que a gota se começa a

destacar do fio de alimentação existe uma diminuição na corrente. Esta diminuição tem como

função assegurar uma separação do fio de alimentação e transição para a formação do arco

49

eléctrico mais estável [artigo do STT], prevenindo uma transição violenta e uma excessiva

formação de salpicos como acontece no MAG convencional. Numa fase seguinte quando o fio

se separa completamente a corrente aumenta novamente levando à formação de um arco

eléctrico que vai transportar energia para a chapa a soldar melhorando a fluidez do cordão e a

penetração. Também nesta fase a ponta do fio de alimentação fica mais fluido para facilitar o

inicio do contacto com a chapa e o reinício do processo.

Figura 4.10 - Forma de onda de corrente do processo FastRoot fornecida pelo fabricante

Comparando a forma de onda fornecida pelo fabricante e a obtida laboratorialmente verifica-se

de facto que estas são semelhantes. Existem dois picos de corrente embora o segundo seja

mais pequeno do que o demonstrado na figura anterior. Nota-se também que quando o fio de

alimentação inicia o contacto com a chapa a corrente tem apenas um pequeno aumento, cujo

efeito foi explicado anteriormente e que é confirmado pela figura 4.11.

Figura 4.11 - Forma de onda do processo FastRoot da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

Relativamente ao processo STT, tal como no FastRoot, observa-se a existência de dois picos

de corrente, um para a transferência da gota de material de adição, outro para a formação do

arco eléctrico (figura 4.12). Uma das diferenças para o FastRoot está na fase inicial de

formação do primeiro pico de corrente, em que existe um aumento mais gradual da corrente o

que poderá levar a uma minimização da formação de salpicos.

50

Figura 4.12 - Forma de onda do processo STT da corrente fornecida pelo fabricante

Comparando a onda com a onda obtida laboratorialmente (figura 4.13) nota-se de imediato que

embora os degraus não estejam todos bem definidos, a corrente de uma maneira geral

comporta-se de forma semelhante ao anunciado pela marca. Ao longo da soldadura nota-se

algumas diferenças na forma de onda devido à dinâmica do processo, mas de uma forma geral

o comportamento é sempre semelhante.

Figura 4.13 - Forma de onda do processo STT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

Por fim relativamente ao processo CMT, embora não se tenha uma forma de onda fornecida

pelo fabricante, vai-se efectuar uma comparação com os outros processos. Através da figura

4.14 verifica-se que à semelhança do FastRoot e STT, no CMT também se denotam dois picos

distintos, um para a transferência do material de adição e outro para o arco eléctrico. Este

controlo da corrente durante o curto-circuito diminui de facto a formação de salpicos durante a

51

soldadura. De notar que neste processo além do controlo da corrente, tem também associado

o sistema mecânico “push & pull”, que vai melhorar o destacar da gota de material de adição.

Figura 4.14 - Forma de onda do processo CMT da corrente e voltagem obtida laboratorialmente

4.1.2.2 Caracterização dos cordões de soldadura

Neste capítulo vão-se estudar três processos relativamente recentes e que derivam do

processo MIG/MAG: Cold Metal Transfer (CMT), Surface Tension Transfer (STT) e FastRoot.

Através de soldaduras sobre chapa e de canto vai-se estudar e comparar as características

das soldaduras entre os diversos processos, nomeadamente a penetração e largura dos

cordões, diluição e área fundida dos cordões de soldadura. Através do estudo destas

características espera-se verificar se de facto estes processos trazem vantagens relativamente

ao MAG normal em certas aplicações. Estas variantes têm como principais aplicações a

soldadura de chapa fina e passes de raiz, devido a estarem associadas baixas entregas

térmicas e bom controlo do processo. Prevê-se que a transferência em curto-circuito controlado

leve a um processo mais estável, com menos salpicos e sem ocorrência de faltas ou excesso

de fusão na raiz ou nos cordões de topo em chapa fina.

Processos MAG CMT STT FastRoot

Soldadura

Figura 4.15 - Exemplo do perfil de soldaduras dos diferentes processos, 200 A e Ar+8%CO2 como gás de protecção

Na figura 4.15 pode-se ver exemplos dos perfis das soldaduras dos diferentes processos. No

MAG e CMT verifica-se a penetração do tipo “finger tip”, característica explicada pelo elemento

52

dominante no gás de protecção, o árgon. Mas no caso do STT e FastRoot não se verifica a

penetração do tipo “finger tip”, contrariamente ao que seria de esperar devido ao gás de

protecção (Ar+8%CO2). Na verdade verifica-se que para estes dois processos a penetração é

mais uniforme.

Figura 4.16 – Penetração dos diferentes processos em função da entrega térmica

Em termos de valores de penetração em depósito sobre chapa verifica-se através da figura

4.16 que é o processo MAG que tem as maiores penetrações, embora com o FastRoot no

último ensaio com uma maior entrega térmica se tenha obtido uma maior penetração. Verifica-

se também que o CMT é o processo com as menores penetrações e também com as menores

entregas térmicas. O processo que apresenta a maior entrega térmica é o FastRoot (exceptua-

se o primeiro ensaio, em que este apresenta uma menor entrega térmica comparativamente ao

STT pois aqui a corrente utilizada foi maior, tabela 4.1), onde se verifica na sequência de

ensaios de cada processo (figura 4.16) que o FastRoot apresenta uma maior entrega térmica,

isto tendo em consideração que a sequência de ensaios dos processos estudados foram feitos

em condições semelhantes, como pode ser confirmado na tabela 4.1. Considerando ainda o

segundo ensaio do STT e do FastRoot, embora o STT utilize uma maior corrente que o

FastRoot, verifica-se que é o último que apresenta a maior entrega térmica, confirmando o que

foi dito anteriormente relativamente à entrega térmica.

Processo de

soldadura

Velocidade de

soldadura [m/min] I [A] V [volt] Entrega térmica

[J/m]

Penetração

[mm]

FastRoot

0.3 164 19.86 348.59 1.22

0.23 170 22.15 648.32 1.59

0.23 200 21.53 741.38 1.85

0.23 230 20.24 801.50 2.14

STT

0.3 200 18.54 489.46 1.38

0.23 200 15.85 545.79 1.51

0.23 214 18.14 668.37 1.93

0.23 220 19.21 727.64 2.01

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

0 200 400 600 800 1000

STT

Fast Root

CMT

MAG

Entrega térmica [J/m]

p(m

m)

53

MAG

0.3 130 15.8 271.13 1.18

0.23 170 16.3 477.09 1.47

0.23 203 16.8 587.18 1.96

0.23 222 18 688.01 2.00

CMT

0.3 133 10.4 182.58 0.57

0.23 170 10.6 305.12 1.14

0.23 205 11.7 412.96 1.27

0.23 225 11.9 461.00 1.43 Tabela 4.1 - Sequência de valores dos ensaios realizados nos diferentes processos

A partir da tabela 4.1 pode-se verificar a razão para que exista essa diferença entre as

entregas térmicas. Dá-se como exemplo os valores sombreados (corrente de aproximadamente

200 A). Como se pode verificar a velocidade de soldadura é mantida constante, a corrente é

aproximadamente igual, o único parâmetro que é diferente é a voltagem, e como esta é mais

elevada no caso do FastRoot, é este que tem maior entrega térmica. No caso do CMT como

este funciona com voltagens mais baixas, este tem as menores entregas térmicas.

Figura 4.17 – Largura do cordão de soldadura em função da entrega térmica

Relativamente à largura dos cordões (figura 4.17), verifica-se que existe um hiato entre os

processos CMT, MAG e STT, FastRoot. Existe aqui uma clara diferença entre os processos

com curto-circuito controlado e curto-circuito tradicional. Apenas o CMT contraria este

argumento sendo este um processo por curto-circuito controlado, em que obteve larguras

similares às obtidas pelo processo MAG. A largura dos cordões do processo MAG já era

esperada devido aos valores que se obteve no capítulo dos gases de protecção, mas o facto

de o CMT obter larguras similares pode ser explicado pelo facto deste processo utilizar

voltagens mais reduzidas, o que leva ao aumento da largura do cordão de soldadura [2]. A

maior quantidade de material depositado (semelhante ao MAG: ver figura 4.20) pode também

explicar estes valores para a largura do cordão.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

0 200 400 600 800 1000

STT

Fast Root

CMT

MAG

Entrega Térmica [J/m]

a(m

m)

54

Figura 4.18 – Altura dos cordões de canto em função da entrega térmica

No que se refere aos cordões de canto observa-se que é com o processo MAG que se obtém

maior altura de cordão. Mas como se pode verificar pela figura 4.18 o CMT obtém valores

similares de altura de cordão até aos 500 J/m de entrega térmica, e seria de esperar que se

este processo conseguisse obter maiores entregas térmicas estivesse a par com o processo

MAG. No caso do STT, este leva a menores alturas, devido principalmente ao facto deste

processo ter baixas taxas de deposição, como se vai ver mais à frente. Não se efectuaram

ensaios para o FastRoot, mas seria de esperar resultados semelhantes ao STT devido à

semelhança existente entre os dois processos.

Figura 4.19 – Diluição dos diferentes processos, I = 200A

Na figura 4.19 representa-se a diluição das amostras estudadas, que como se referiu

anteriormente está directamente relacionada com a entrega térmica. Verifica-se que para um

mesmo valor de corrente é o FastRoot o processo com uma maior percentagem de diluição,

justificado pelo facto de este processo apresentar a maior entrega térmica entre os processos

estudados. Embora o MAG e o STT tenham entregas térmicas semelhantes para este valor de

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00

CMT

MAG

STT

S (m

m)

Entrega térmica [J/m]

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

STT FastRoot CMT MAG

Dilu

ição

[%]

I = 200 A

55

corrente (ver tabela 4.2), o STT apresenta uma maior diluição. Isto poderá querer dizer que a

diluição não dependerá apenas da quantidade de energia que é transmitida para a chapa, mas

também da forma como esta é transmitida, ou seja, sabe-se que para o STT vão existir dois

picos de corrente e no MAG apenas um pico, e que esses picos de corrente são mais elevados

no caso do STT o que poderá ter levado à criação de um arco mais intenso, conduzindo a uma

maior quantidade de material base fundido. O mesmo se passa com o FastRoot, que ainda

apresenta uma diluição maior que o STT, pois embora a sua forma de onda seja diferente da

do STT, o princípio será o mesmo. Esta poderá também ter sido a razão devido ao qual a

penetração do STT e FastRoot tenham sido mais uniformes. Quanto ao CMT, este apresenta a

menor diluição tal como seria de esperar, pois é o processo que apresenta a menor entrega

térmica.

Na tabela 4.2 são apresentados os valores de diluições e respectivas entregas térmicas dos

processos estudados. Verifica-se que o STT e o FastRoot apresentam valores de diluição que

são sempre superiores aos apresentados para MAG (o menor valor de diluição de STT e

FastRoot é superior ao maior valor de diluição do processo MAG), em que mesmo com maiores

entregas térmicas no processo MAG, este apresenta diluições menores comparativamente aos

processos STT e FastRoot, o que vem mais uma vez demonstrar que a forma como a energia é

transmitida tem alguma influência. Quanto aos baixos valores de diluição do CMT, estes podem

ser explicados pelas baixas entregas térmicas que este processo apresenta, mas o sistema

mecânico “push & pull” também pode ter alguma influência na mesma, embora tal facto não

possa ser provado neste trabalho.

Processo de soldadura Entrega Térmica [J/m] Diluição [%] Área depositada [mm2]

FastRoot 348.59 38.49 4.61 648.32 48.54 4.92 741.38 50.21 6.36 801.50 51.88 6.95

STT 489.46 37.09 7.09 545.79 37.59 7.15 668.37 42.53 7.05 727.64 46.23 7.08

MAG 271.13 20.65 9.73 477.09 23.05 15.83 587.18 26.59 18.89 688.01 29.74 20.73

CMT 182.58 11.61 9.36 305.12 14.39 15.76 412.96 15.37 19.42 461.00 15.95 21.64

Tabela 4.2 - Diluição dos processos estudados e respectiva área depositada

A figura 4.20 representa a área depositada de material de adição na chapa para uma

intensidade de 200 A. Na tabela 4.2 estão também representados os valores das áreas

depositadas nos ensaios feitos, onde se evidencia a semelhança existente entre CMT e MAG,

56

e entre o FastRoot e STT, onde se verifica uma clara diferença entre MAG, CMT e FastRoot,

STT. Os ensaios apresentados na figura foram realizados com a mesma velocidade de

soldadura, pode-se então concluir sobre a taxa de deposição do material de adição e fazer uma

comparação directa através dos valores apresentados na Tabela 4.2. Verifica-se a existência

de uma clara diferença entre os valores obtidos para CMT e MAG, e FastRoot e STT, sendo

que os últimos apresentam baixas áreas depositadas relativamente ao CMT e MAG, ou seja,

baixas taxas de deposição.

É devido ao facto de o FastRoot e o STT apresentarem baixas áreas depositadas (taxas de

deposição), que se obteve valores baixos de largura para os cordões em depósito sobre chapa,

e no caso do STT na altura dos cordões de canto, na medida que a altura dos cordões de

canto e a largura das soldaduras em depósito sobre chapa estão directamente relacionados

com a taxa de deposição, pois são consequência directa da quantidade de material que é

depositado.

Figura 4.20 - Área de material de adição fundido na soldadura sobre chapa

4.1.3 Emissão de fumos do processo MAG e CMT

4.1.3.1 Influência do diâmetro do fio de alimentação

Neste capítulo vai-se estudar de uma forma preliminar a formação de fumos em soldadura.

Para isso realizaram-se vários ensaios com diferentes fios de alimentação para verificar quer a

influência que a corrente tem na formação de fumos, quer a influência que diferentes

espessuras de fios têm na formação de fumos, de forma a melhor entender a formação de

fumos em MAG.

Na figura 4.21 apresentam-se os filtros após a recolha dos fumos, onde se pode observar as

diferentes tonalidades representativas da quantidade de fumos recolhidos.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

STT FastRoot CMT MAG

Áre

a de

posi

tada

[mm

2]

I = 200 A

57

a

b

c

Figura 4.21- Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) fio de 0.8 mm; b) fio de 1.0 mm; c) fio de 1.6 mm

A partir da figura 4.22, verifica-se de uma maneira geral que a formação de fumos aumenta

com o aumento da corrente de soldadura, o que provoca uma maior temperatura do arco. Isso

apenas não se verifica no caso do fio de 0.8 mm. Olhando para o capítulo 2.3.2, na figura 2.17

verifica-se que existe um aumento na taxa de formação de fumos para uma transferência curto-

circuito, seguido de uma diminuição aquando da zona de transição, aumentando logo de

seguida na transferência por spray com o aumento da corrente. No caso do fio de 0.8 mm

verificou-se que o ponto intermédio (150 A) estava na zona de transferência de transição, entre

curto-circuito e globular, sendo mais predominante o curto-circuito, e o terceiro ponto (220 A) já

estava na zona de transferência por spray, numa zona em que a taxa de formação de fumos

ainda estaria abaixo da taxa de formação de fumos observada para o ponto intermédio.

Figura 4.22 - Comparação da taxa de formação de fumos para diferentes diâmetros de fio

0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,1200

0,1400

0,1600

40 120 200 280 360 440

TFF

[g/m

in]

I [A]

TFF - 0.8 mm

TFF - 1.0 mm

TFF - 1.6 mm

58

Para os fios de 1.0 e 1.6 mm verifica-se um aumento constante da taxa de formação de fumos

com o aumento da corrente. Tal pode ser explicado pelo facto de não existir nenhum ponto

representativo da diminuição da taxa de formação de fumos como no caso do fio de 0.8 mm, ou

seja, a zona em que a taxa de formação de fumos seria menor comparativamente com a

transferência curto-circuito não está representada nos pontos estudados, passando logo para a

zona em que de facto na transferência spray a taxa de formação de fumos é maior que na

transferência por curto-circuito.

Na figura 4.22 também se verifica que à medida que o diâmetro do fio aumenta a quantidade

de fumos produzida diminui. Isso pode ser verificado nos pontos com 150 A. A razão para que

tal aconteça prende-se com a densidade energética que está a passar por cada fio, ou seja,

para uma mesma corrente (150 A) a densidade energética que passa no fio de 0.8 mm é maior

que a que passa no fio de 1.0 mm e no fio de 1.6 mm. Esta maior densidade leva a que a

temperatura atingida pelo processo de soldadura seja mais elevada, que por consequência

leva a uma maior taxa de formação de fumos.

4.1.3.2 Comparação entre CMT e MAG relativamente à formação de fumos

Neste capítulo vai-se realizar um estudo preliminar sobre a taxa de formação de fumos do

processo de soldadura CMT, comparando os valores obtidos com os valores do MAG. Para

isso realizaram-se ensaios em CMT utilizando um fio de 1.2 mm, comparando de seguida os

valores obtidos com os valores do MAG com um fio de 1.0 mm, que é o fio mais próximo de 1.2

mm. Embora os fios de alimentação que se estão a comparar não tenham os mesmos

diâmetros, é de esperar que o processo MAG com um fio de 1.2 mm tenha valores de taxa de

formação de fumos ligeiramente inferiores aos obtidos com um fio de 1.0 mm (fazendo uma

comparação com o fio de 1.6 mm). Assim o erro associado a esta comparação será reduzido.

a

b

Figura 4.23 - Diferente coloração dos filtros depois de utilizados: a) MAG com fio de 1.0 mm; b) CMT com fio de 1.2 mm

A figura 4.24 representa a taxa de formação de fumos para o CMT e MAG, e como se pode

verificar a diferença entre os dois é elevada, diferença essa que também pode ser confirmada

59

através da figura 4.23, que mostra os filtros obtidos com os dois processos, em que se nota

claramente que os filtros obtidos com o processo MAG têm maior quantidade de fumos.

Figura 4.24 - Comparação da taxa de formação de fumos entre MAG e CMT

A diferença observada na TFF entre os dois processos deve-se essencialmente à forma como

a corrente é controlada no CMT, pois embora neste processo o processo de transferência de

metal seja por curto-circuito (modo de transferência que forma mais fumo em MAG), o facto de

ser um curto-circuito controlado faz com que o processo seja mais estável, com menores

quantidades de salpicos, o que leva a que de facto a quantidade de fumo produzida em CMT

seja menor do que a obtida em MAG.

Neste trabalho não se estudou a taxa de formação de fumos em FastRoot e STT, mas devido

ao facto destes processos também apresentarem uma transferência de metal por curto-circuito

controlado, a quantidade de salpicos é reduzido, e por isso é de esperar que estes também

apresentem taxas de formação de fumos inferiores relativamente ao MAG e similares ao CMT.

0,00000,02500,05000,07500,10000,12500,15000,1750

100 150 200 250 300 350

TFF

[g/m

in]

I[A]

TFF MAG - 1.0 mm

TFF CMT - 1.2 mm

60

5 Conclusões

Este trabalho tem três vertentes distintas, uma que aborda a influência de diferentes gases de

protecção, uma que aborda diferentes processos de soldadura (variantes de MAG), e outra que

aborda a formação de fumos no processo MAG. O principal objectivo deste trabalho é a

compreensão do processo MAG, relativamente aos gases de protecção e sua influência nos

cordões de soldadura, às variantes MAG existentes e as suas características e quantidade de

fumos produzido e factores que contribuem para a sua formação.

Através dos resultados apresentados e estudados no capítulo 4, pôde-se chegar às seguintes

conclusões:

• Em cordões de soldaduras em que o árgon é o constituinte principal da mistura

gasosa, verifica-se uma penetração do tipo “finger tip” característica do árgon,

embora seja menos acentuada na mistura com 30%He+10%CO2 por causa da maior

percentagem de hélio existente na mistura, que devido à sua maior energia de

ionização cria um arco mais intenso (maiores temperaturas) tendo como

consequência a diminuição deste tipo de penetração.

• Soldaduras com CO2 como gás de protecção têm uma maior produtividade devido à

maior quantidade de material fundido que este processo produz, apresentando bons

resultados na ligação de juntas soldadas.

• 100% de CO2 é um gás de protecção em que se podem obter bons resultados no

caso de automatização do processo. Mas um dos problemas associados à

automatização do processo é a obstrução da tocha de soldadura, que pode ser mais

facilmente obstruída devido à instabilidade do processo, que provoca uma grande

formação de salpicos. Uma alternativa válida para resolver este problema poderá

passar pela utilização do processo de soldadura CMT com 100% de CO2 como gás

de protecção, pois verifica-se de facto que este é mais estável e que a quantidade de

salpicos gerado é inferior. Assim sendo este processo torna-se ideal para aplicações

automatizadas, pois a probabilidade de obstrução da tocha será substancialmente

inferior (ver anexo A).

• Os processos FastRoot e STT são os que apresentam melhores resultados de

penetração, pois embora tenham valores de penetração similares ao MAG, estes

apresentam uma penetração mais uniforme, tornando-os indicados para aplicações

onde a qualidade da penetração seja um factor importante (passes de raiz).

• Devido ao facto de o STT e FastRoot apresentarem baixas taxa de deposição, a sua

aplicação em chapas finas poderá ser vantajosa pois a quantidade de material

depositado seria menor. Mas o facto de estes processos apresentarem maiores

entregas térmicas poderá ser uma desvantagem, na medida em que poderia levar a

uma excessiva distorção da chapa.

• O processo CMT é o que apresenta a menor entrega térmica de todos os processos

estudados. Esta característica poderá ser vantajosa no caso de se soldar chapas

61

finas, pois poderá reduzir bastante a distorção normalmente associada a este tipo de

soldaduras. Este processo poderá também ser vantajoso para passes de raiz, na

medida em que devido à sua baixa entrega térmica não haverá excesso de fusão na

raiz, e porque este processo apresenta taxas de deposição semelhantes ao MAG

maior quantidade de material será depositado, criando num só passe, uma altura de

cordão suficiente para continuar o enchimento com processos de alta entrega térmica

(ex. Tandem e soldadura por arco submerso).

• Regra geral, a quantidade de fumos produzidos em MAG diminui com o aumento do

diâmetro do fio de alimentação para iguais valores de intensidade de corrente.

• Os salpicos gerados durante a soldadura têm uma grande influência na formação dos

fumos de soldadura. Essa é uma das razões para que o processo CMT tenha uma

menor taxa de formação de fumos, tornando-o num processo mais “limpo”.

5.1 Considerações finais

Numa indústria cada vez mais competitiva há uma constante procura de novas soluções, onde

existe sempre um balanço entre produtividade, qualidade, custos e segurança. Neste trabalho

verificou-se que em termos de produtividade o processo de soldadura MAG continua a ser a

melhor alternativa. Então a utilização destes novos processos pela indústria tem de depender

de outros factores tais como a qualidade e a segurança. Um exemplo que foi referido

anteriormente e que se prende com passes de raiz, está no facto de existir a possibilidade de

se conseguir melhores resultados com CMT do que com MAG, exactamente porque devido à

sua baixa entrega térmica não haverá excesso de fusão na raiz, o que é uma clara vantagem

relativamente ao processo MAG.

Uma outra situação em que é necessária a realização de vários passes de enchimento, na

utilização do processo MAG é de esperar uma grande exposição por parte do soldador a fumos

de soldadura resultantes deste processo. Uma solução para este problema seria a utilização do

CMT, que obtém resultados semelhantes ao MAG, mas a quantidade de fumos produzida é

substancialmente menor, reduzindo a exposição do soldador a fumos de soldadura,

aumentando a sua segurança. Um outro exemplo seria a realização de passes de raiz, em que

a utilização de processos como o STT e FastRoot seria preferencial devido à maior qualidade

obtida por estes processos.

Embora os custos associados a estas soluções sejam maiores (maiores custos de aquisição),

os benefícios que elas proporcionam são muito importantes, e têm uma maior importância a

médio e longo prazo.

5.2 Trabalho futuro

Neste trabalho efectuou-se uma comparação entre o CMT e o MAG em que se notou uma

grande diferença na taxa de formação de fumos. Será então de esperar que o STT e o

62

FastRoot obtenham resultados semelhantes devido às características dos processos. Uma

sugestão para trabalho futuro passa então por analisar e comparar estes processos

relativamente à formação de fumos e verificar em que medida as diferentes abordagens dos

fabricantes relativamente à forma de onda da corrente contribuem para a formação de fumos.

Também se obteve bons resultados preliminares na utilização de CMT com 100% de CO2

como gás de protecção, em que se obtiveram resultados próximos dos obtidos com o processo

MAG. Como sugestão para trabalho futuro sugere-se então um estudo mais aprofundado no

processo CMT com este gás, estudando a taxa de formação de fumos e confirmar os

resultados obtidos no âmbito deste trabalho.

Na medida que o processo de controlo do processo CMT ainda não está totalmente entendido,

sugere-se como trabalho futuro um estudo mais aprofundado relativamente ao processo de

controlo do CMT, nomeadamente a captura de imagens de alta velocidade.

63

6 Referências

[1] – “GMAW welding Guide”, Lincoln Electric, 2006

[2] – “Welding Hand Book Volume 2: Welding Processes”, American Welding Society, 1991

[3] – Machado Ivan, “Soldagem e Técnicas Conexas: Processos”, Associação Brasileira de

Tecnologia da Soldagem, 1996

[4] – Pires Inês, Tese Mestrado: “Análise da influência das misturas gasosas nas características

do processo de soldadura MIG/MAG”, 1996

[5] – Jenkins Neil, “Welding Fume Formation Literature Review 1975-1999”, 1999

[6] – James M. Antonini, Annete B Santamaria, Neil T. Jenkins, “Fate of manganese associated

with inhalation of welding fumes: Potencial neurological effects”, Elsevier, 2005

[7] – Retirada de: http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_metal_arc_welding

[8] – “Welding Hand Book Volume 1: Welding Technology”, American Welding Society, 1987

[9] – Vilaça Pedro, “Fisica do Arco Eléctrico”, AEIST

[10] – Eagar T. W.Kim, Kim S. Y., “Analysis of metal transfer in Gas Metal Arc Welding”,

Welding Journal, 72(6), 1993

[11] – Norrish J., Richardson I. F., “Metal transfer mechanisms”, Welding & Metal Fabrication,

56(1), 1988

[12] – Boehme D., “Welding gases – physical properties, the basis for development and

optimum application of shielding gases and gas mixtures”, IIW document XII-1197-90, 1990

[13] – Lucas W., “Shielding gases for arc welding”, 1992

[14] – Manual: “Fast MIG Synergic – Product training material”, Kemppi, 2007

[15] – Deruntz Bruce, “Assessing the Benefits of Surface Tension Transfer Welding to Industry”,

Journal of Industrial Technology, Vol.19-Nº4, 2003

[16] – Brochura: “CMT: Cold Metal Transfer”, Fronius, 2004

[17] – N. T. Jenkins, T. W. Eagar, “Chemical Analysis of Welding Fume Particles”, Welding

Journal, Junho, 2005

[18] – Retirada de: http://www.esabna.com/products/Tig-welders.cfm

[19] – N. T. Jenkins, P. F. Mendez, T.W.Eagar, “Effect of Arc Welding Electrode Temperature

on Vapor and Fume Composition”, 7th International Conference on Trends in Welding Research,

2005

[20] – Brochura: “Welding Fumes, what You need to know”, Labor Occupational Safety & Health

Program, 2003

64

[21] – M. R. Bosworth, R.T. Deam, “Influence of GMAW droplet size on fume formation rate”,

Journal of Physics-London-D Applied Physics, 2000

[22] – Retirada de: http://news.thomasnet.com/fullstory/19132

[23] – Retirada de: http://www.lincolnelectric.com/products/packages/mobiflex200m.asp

[24] – Retirada de: http://www.ducting-express.co.uk/catalog/index.php?cPath=178&osCsid=

bd61bf5a899d089f8e2f67db64ca4351

[25] – Norma EN ISO 15011-1 “Determination of emission rate and sampling for analysis of

particulate fume”, 2002

[26] – N. T. Jenkins, P. F. Mendez, T. W. Eagar, Effect of Arc Welding Electrode Temperature

on Vapor and Fume Composition, 2005

[27] – “Fume emission in gas shielded arc processes: Influence of shielding atmospheres on

emission”, Air Liquide

[28] – I. Pires, L. Quintino, R. M. Miranda, “Analysis of the influence of shielding gas mixtures on

the gas metal arc welding metal transfer modes and fume formation rate”, Elsevier, 2006

[29] – M. R. Bosworth, R. T. Deam, “Influence of GMAW droplet size on fume formation rate”,

CSIRO Manufacturing Science and Technology, 2000

[30] – Neil T. Jenkins, Thomas W. Eagar, “Fume formation from spatter oxidation during arc

welding”, Science and Technology of Welding and Joining, 2005

[31] – P. F. Mendez, N. T. Jenkins, T. W. Eagar, “Effect of electrode droplet size on evaporation

and fume generation in GMAW”, Proceedings of the Gas Metal Arc Welding for the 21st Century

Conference, 2000

[32] – Stu Bailey, Mike Clark, Apresentação: “Welding fume Hazards & Controls”, Pinnacol

Assurance.

[33] – Página de Internet: http://www.infomet.com.br/s_mig_mag.php

[34] – Página de Internet: http://www.esabna.com/EUWeb/MIG_handbook/592mig1_6.htm

[35] – Página de Internet: http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-0AFF0106-FC42CF09/

fronius_international/hs.xsl/79_831_ENG_HTML.htm#Prinzip

[36] – Página de Internet: http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-0AFF0106-8E90F7FC/

fronius_international/hs.xsl/79_9399_ENG_HTML.htm

65

7 Anexos

Anexo A

Figura A1 – Comparação da penetração entre CMT e MAG

Como se pode ver pela figura A1, as soldaduras realizadas com CMT têm maiores penetrações

comparativamente ao MAG. Por outro lado as soldaduras realizadas com MAG têm uma maior

largura (figura A2).

Figura A2 – Comparação da largura da soldadura entre o CMT e

Relativamente aos cordões de canto, pode-se verificar que os resultados das soldaduras

realizadas com CMT e MAG são similares, havendo apenas uma ligeira diferença na altura do

cordão a favor do CMT.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

0 50 100 150 200 250

CMT CO2

MAG CO2

I [A]

p [m

m]

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

0 50 100 150 200 250

CMT CO2

MAG CO2a[m

m]

I [A]

66

Figura A3 – Comparação da altura dos cordões de canto entre CMT e MAG

Os cordões obtidos com o processo CMT têm melhor qualidade do que os obtidos com a

soldadura MAG.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

0 50 100 150 200 250

CMT CO2

MAG CO2

I [A]

h [m

m]

67

Anexo B

Questionário

Qual a gama de intensidades de corrente mais utilizada no processo de soldadura MIG/MAG e

Fios fluxados, para os casos mais comuns na vossa empresa?

MIG/MAG Fios Fluxados

De 50 a 120 A

Mais de 120 a 220 A

Mais de 220 A

Qual a gama de espessuras que são utilizadas no fabrico?

De 1 a 5 mm

Mais de 5 a 10 mm 50

Mais de 10 a 15 mm

Mais de 15 mm

100%

Qual o tipo de material base é utilizado ?

Aço não ligado

Aço de Baixa Liga

Aço Inoxidável

Alumínio e suas ligas

Outro

No caso de ter respondido outros, refira qual ou quais:

________________________________________________________

Qual o tipo de material ou materiais de adição utilizados?

Fio sólido

Fio Fluxado Básico

68

Fio Fluxado rutílico

Fio fluxado de alma metálica

Fio Fluxado Auto-Protegido

Qual o tipo de gás de protecção mais utilizado?

Ar

CO2

Ar+CO2 Qual a %de CO2?

Ar+02 Qual a %de O2? ___________________________

Ternárias Qual o tipo de mistura? _____________________

Outras Quais____________________________________

Utiliza alguma automatização do processo?

Sim Não

Em caso afirmativo, responda às próximas questões:

Quais os principais problemas relacionados com a automatização do processo?

Paragens

Defeitos nos cordões de soldadura

Precisão da montagem

Qualidade dos “gabarits”

Acessibilidade

Necessidade de alteração de consumíveis vs produtividade

Relação comprimento dos cordões/paragens

Outros

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

______________________

69

Qual a produtividade média atingida nos casos em que se utiliza soldadura MIG/MAG (Kg/h)?

Indique um valor para uma dada aplicação:

O controlo do processo de soldadura é feito através de:

Consola de comando do robot

Fonte de soldadura

A programação do trabalho de robotização é realizada por:

Própria empresa

Serviço exterior

No caso da programação ser feita na própria empresa, o operador possui:

Formação em programação e soldadura

Formação em programação

Formação em soldadura