SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA SOCIESCINSTITUTO SUPERIOR TUPY - IST

GIOVANE KNIESSVAGNER PONTES

REVISO BIBLIOGRFICA DA SOLDAGEM A PLASMA

Joinville 2015/11 SOLDAGEM PLASMA

1.1 DEFINIESPlasma o quarto estado da matria em que parte do gs foi suficientemente aquecido a ponto de ser tornar ionizado, isto , constitudo de ons e eltrons livres, porm, em equilbrio, tornando-se um condutor de corrente eltrica. Quanto maior o nmero de eltrons livre, ou grau de ionizao do gs, maior ser a temperatura do plasma, e menor ser a sua resistncia eltrica. Este estado de matria est presente no arco entre os eletrodos da soldagem a plasma, no entanto, nem todo o volume do arco preenchido por ons e eltrons livres, contendo tambm vapores metlicos e tomos gasosos (no-ionizados) (REIS, SCOTTI, 2007). justamente essa baixa resistividade que possibilita a transferncia de uma alta intensidade de corrente (um arco eltrico) para as peas, durante a soldagem a plasma, gerando calor e elevando a temperatura a ponto de gerar fuso e, consequentemente, a coalescncia dos metais. Alm disso, esse processo possibilita, atravs da geometria interna da tocha, uma constrio ao fluxo do plasma (focando e estreitando o fluxo), aumentando muito a velocidade do mesmo (alta energia cintica) e concentrando o arco (alta energia trmica concentrada). Este arco normalmente denominado arco-plasma (REIS, SCOTTI, 2007).Segundo Reis e Scotti (2007), o processo de soldagem a plasma definido pela Associao Americana de Soldagem (AWS), como:

O processo de soldagem a plasma um processo de soldagem a arco que promove a coalescncia de metais pelo aquecimento gerado a partir de um arco constrito, que pode ser aberto entre um eletrodo no consumvel e a poa de fuso (arco transferido) ou entre o eletrodo e o bocal de contrio (arco no-transferido). A proteo geralmente obtida do gs aquecido e ionizado emitido da tocha, sendo que esta proteo pode ser suplementada por uma fonte auxiliar de gs. O processo usado sem aplicao de presso e podendo utilizar metal de adio (REIS, SCOTTI, 2007).

Segundo Wu et al. (2013), a soldagem por arco plasma um processo de soldagem a arco que busca unir metais pelo aquecimento que estabelecido entre um eletrodo de tungstnio e os metais base. A soldagem por arco plasma (PAW) semelhante ao processo de soldagem TIG, processo de soldagem em que se tambm utiliza um eletrodo de tungstnio no consumvel e um gs de proteo, como o argnio. A diferena entre ambos os processos est, principalmente, na forma como o fluxo de plasma colimado e constrangido. Basicamente, o arco constrito (plasma) se expande menos em relao ao arco no constrito do processo TIG, garantindo, desta forma, maior concentrao de calor sobre a chapa.

1.2 VATAGENS, LIMITAES E APLICAES

A possibilidade de supresso do uso de arame (metal de adio) uma das grandes vantagens do processo Plasma. Nada impede o uso de material de adio na soldagem a plasma, mas usualmente como agente auxiliar e com taxa de alimentao minimizada. O processo plasma permite a soldagem de chapas de at 10 mm de espessura em um nico passe, devido intensidade e concentrao do arco. O processo ainda permite maior tolerncia variao do comprimento de arco (distncia da tocha em relao pea a soldar) e uma maior eficincia trmica de fuso, resultando em soldas com menor volume, com menores nveis de tenses residuais e em zonas afetadas pelo calor mais estreitas. Essas vantagens permitem que o processo concorra diretamente com outros processos convencionais, como TIG e MIG/MAG (REIS, SCOTTI, 2007).Como limitao, o processo de soldagem a plasma apresenta o alto custo da tocha, de seus consumveis e dos demais equipamentos requeridos. O processo tambm exige mo-de-obra mais qualificada (REIS, SCOTTI, 2007).O processo de soldagem a plasma tem como principal aplicao a fabricao de equipamentos em aos inoxidveis, com chapas de espessura mdia (3 a 8 mm) e em casos que requerem cordes longos, como os tanques e reatores para a indstria qumica e de bebidas. Tambm aplicada na soldagem de ligas especiais de alumnio para a indstria aeroespacial. O processo pode ainda ser aplicado em unies de ao carbono. Como outros exemplos de aplicao se pode mencionar a fabricao de radiadores, a soldagem de pontos crticos em motores de automveis e a soldagem de componentes eltricos, como chapas para transformadores e alternadores. O campo de aplicao estende-se tambm soldagem de compressores e demais componentes da linha branca, alm de eixos e componentes estruturais para veculos. De uma maneira geral, a aplicao do processo plasma se torna tpica em soldagens de alta produo, quando as desvantagens relacionadas com os custos so superadas pelas vantagens do processo (REIS, SCOTTI, 2007).

1.3 ASPECTOS GERAIS E PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO

A soldagem a plasma tem adquirido uma aceitao significativa nos ltimos anos para o uso em soldas automatizadas e aparece como uma alternativa promissora em relao a outros processos convencionais (RICHETTI, 2003).Os detalhes do funcionamento do processo Plasma podem ser conferidos de maneira esquemtica e simplificada na Figura 1. A formao do arco-plasma ocorre da seguinte forma: um fluxo de gs (denominado gs de plasma e, normalmente, a baixas vazes, de 0,25 a 2,5 l / min) direcionado continuamente para dentro da tocha, fluindo por uma cavidade na qual um eletrodo refratrio inconsumvel (normalmente de tungstnio) concentricamente posicionado. Ao final desta cavidade existe um bocal com um furo de menor dimetro do que a cavidade, que constringe a sada do gs. Ainda dentro da cavidade, o gs aquecido pelo calor gerado num arco previamente aberto e se ioniza, transformando-se em plasma. O plasma ento expelido da tocha, atravs do orifcio constritor a velocidades supersnicas devido presso do gs e o efeito de expanso trmica na regio do arco dentro da cavidade. medida que passa atravs do bocal de constrio, o arco-plasma colimado (tornar paralelas as trajetrias dos feixes de plasma) e focado de tal forma que o calor gerado fique concentrado em uma rea relativamente pequena sobre a pea a soldar. A proteo da solda contra o meio ambiente deve ser feita pelo fluxo de um outro gs (denominado gs de proteo) de forma concntrica e externa ao jato de plasma, pois o gs de plasma colimado incapaz de fornecer proteo adequada poa de fuso contra contaminao atmosfrica devido turbulncia causada pela alta velocidade do feixe de plasma que permite o carregamento de partcula do ar atmosfrico at a poa de fuso. Vazes tpica para o gs de proteo situam-se na faixa de 10 a 30 l / min (REIS, SCOTTI, 2007; RICHETTI, 2003).

Figura 1 Tocha de soldagem a plasma ( esquerda), com detalhamento de seu funcionamento ( direita).

Fonte: Richetti, 2003, pg. 9

A ignio do arco feita com auxlio de uma arco-piloto de baixa potncia aberto entre o eletrodo e o bocal de contrio, sob a presena de uma pequena vazo de gs de plasma e pela imposio de um sinal eltrico (REIS, SCOTTI, 2007).A formao do cordo de solda se deve a efeitos trmicos e mecnicos. O efeito trmico se deve principalmente ao acoplamento do arco eltrico com o material da pea, que se d atravs de uma regio formada por manchas andicas, que so pontos onde os eltrons penetram no metal de base. Nessas manchas, que se movimentam seguindo o arco, que levado pela tocha, h uma grande queda de tenso e uma elevada gerao de calor, devido alta concentrao localizada de corrente. Parte desse calor, que transferido por conduo para a pea, usado efetivamente para fundido o metal de base e a parte restante difundida para o material ao redor da zona fundida, mas sem concentrao suficiente para elevar a temperatura da regio a ponto de fundi-la (REIS, SCOTTI, 2007).Do ponto de vista trmico, quanto mais intenso o calor que atinge a pea, maior ser o volume fundido. Esse calor proporcional intensidade de corrente e inversamente proporcional velocidade de deslocamento da tocha. Para gases com maior entalpia de ionizao (He e H2 em contraste com Ar), o calor tambm ser maior (REIS, SCOTTI, 2007).So dois os mecanismos mecnicos que atuam na formao do cordo de solda. O primeiro mecanismo devido ao impacto do jato de plasma sobre o metal lquido, empurrando-o para as margens da poa fundida, agindo como que escavando a poa. Isso d maior eficincia ao trmica das manchas andicas ao material de base, pois permite a ao das manchas quase que no metal base, e no prximas superfcie. J o segundo mecanismo est relacionado presso exercida sobre a pea pela ao mecnica dos campos magnticos criados pela corrente que conduzida pelo arco. Portanto, levando em conta esses dois mecanismos, pode-se esperar que maiores vazes de gs de plasma conduzam maior presso sobre a poa fundida. Alm disso, maior ser a presso exercida sobre a pea, quanto maior for a intensidade e a concentrao de corrente, pois maiores sero os campos magnticos (REIS, SCOTTI, 2007).O arco a plasma tem dois modos distintos de operao, os quais so mostrados na Figura 2. O arco operado no modo transferido para a maioria das aplicaes, ou seja, o arco estabelecido entre o eletrodo e a pea. Neste caso, como nos outros processos de soldagem a arco, a pea forma uma parte do circuito eltrico (normalmente o anodo) e recebe uma substancial quantidade de energia na forma de calor proveniente dos efeitos eletrnicos. Devido a isso, h o aquecimento trmico causado pelo impacto do plasma aquecido sobre a superfcie da pea (RICHETTI, 2003).

Figura 2 Tocha de soldagem a plasma ( esquerda), com detalhamento de seu funcionamento ( direita).

Fonte: Richetti, 2003, pg. 10

J o arco no transferido estabelecido entre o eletrodo e o bocal de constrio. O plasma flui pelo bocal da tocha forado pelo fluxo de gs, sem, no entanto, conduzir eletricidade at a pea. Assim, apenas a energia trmica devido ao gs ionizado e a energia mecnica so atuantes. Esse tipo de operao til para materiais de sees finas, ou quando o material a ser soldado mau condutor de eletricidade. Em geral, a eficincia baixa e as aplicaes so limitadas pelo aquecimento excessivo do bocal de constrio. No entanto, como nesse caso a pea no faz parte do circuito eltrico, o material a ser soldado no precisa ser condutor de eletricidade, possibilitando a aplicao de soldagem a plasma por arco no-transferido a materiais mau, ou mesmo no condutores de eletricidade (REIS, SCOTTI, 2007).

1.4 EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM A PLASMA

A Figura 3 mostra esquematicamente a montagem de um sistema bsica para a soldagem a plasma. Alm dos equipamentos mostrados nesta figura, podem ser utilizados acessrios visando melhorias no desempenho da soldagem ou para modificar as caractersticas e propriedades das soldas.Figura 3 Sistema bsico para soldagem a plasma.

Fonte: Richetti, 2003, pg. 11

Os seguintes equipamento so utilizados na soldagem plasma, segundo Reis e Scotti (2007): Fonte de energia: fonte com caracterstica esttica de corrente constante que tambm utilizada no processo TIG; Mdulo de controle plasma: dispositivo que controla as principais funes do arco-plasma; Tocha de soldagem: componentes especficos, de alta tecnologia, fabricados por poucas empresas no mundo. Serve tanto para soldagem manual, como para automatizada e todas so refrigeradas a gua; Reguladores/monitores de vazo do gs: serve para regular o fluxo de cada gs utilizado durante o processo de soldagem; Alimentadores de arame: serve para introduzir automaticamente o metal de adio pela parte frontal da poa de fuso com velocidades controladas.

1.5 CONSUMVEIS

1.5.1 Eletrodos

Os eletrodos utilizados na soldagem a plasma so enquadrados como consumveis do processo, apesar de no serem fundidos para fazer parte do cordo de solda, pois eles sofrem desgaste durante o processo. Os eletrodos (fornecidos com 150 a 175 mm de comprimento) so feitos de tungstnio puro ou com pequenas adies de xidos de trio, de zircnio, de lantnio, de crio, ou ainda de outras terras raras, sendo os mesmos usados no processo TIG. No Brasil, as especificaes para os eletrodos de tungstnio so definidas pela norma ANSI/AWS A5.12 (REIS, SCOTTI, 2007).O tungstnio (W) um elemento de alto ponto de fuso (3410 C), que se torna refratrio na presena de gases inertes ou redutores. No entanto, se o meio for oxidante, o tungstnio se deteriora facilmente em altas temperaturas. O eletrodo deve ser afiado frequentemente, pois a ponta afiada uma caracterstica muito importante para o processo, por facilitar a imisso de eltrons e garantir um arco estvel (REIS, SCOTTI, 2007).

1.5.2 Metais de adio

A soldagem a plasma normalmente no faz o uso de materiais de adio, no entanto, o uso de metal de adio pode ser feito para melhorar a geometria do cordo, para introduzir elementos de liga, ou mesmo para reduzir o nvel de porosidades no cordo de solda, sendo os mesmos metais utilizados nos processos TIG e MIG/MAG. Normalmente adicionado automaticamente pela frente da poa de fuso. Os metais so o cobre, alumnio, nquel, titnio, magnsio zircnio e suas ligas. Tambm so os aos inoxidveis, ao carbono e de baixa liga (REIS, SCOTTI, 2007).

1.5.3 Gs de plasma

o gs que direcionado para dentro da tocha, preenchendo a cavidade onde se encontra o eletrodo de tungstnio. Durante a soldagem, o gs aquecido e ionizado, fornecendo matria continuamente para manuteno da atmosfera do arco plasma. Os gases mais utilizados so o argnio e hlio ou misturas entre ambos (RICHETTI, 2003).

1.5.4 Gs de proteo

Gs utilizado para evitar a contaminao do arco e da poa de fuso por constituintes atmosfricos devido baixa vazo e caracterstica estreita e turbulenta do fluxo do gs de plasma. normalmente inerte e do mesmo tipo que o gs de plasma, como misturas de argnio com O2 e/ou CO2 ou CO2 mesmo puro (REIS, SCOTTI, 2007).

1.5.5 Gs de purga

Quando a soldagem efetuada com penetrao total na junta ou em casos de penetrao profunda, necessrio proteger a raiz do coro de solda contra oxidao, principalmente em materiais reativos (alumnio, titnio, zircnio e aos inoxidveis). O gs que direcionado para a raiz da solda denominado de gs de purga, e tem como objetivo expulsar o oxignio da regio da raiz, dando lugar a um gs no oxidante ou mesmo redutor (REIS, SCOTTI, 2007).1.6 TCNICAS OPERACIONAIS

Segundo Reis e Scotti (2007), a soldagem a plasma tem sido normalmente classificada em trs modo de operao: microplasma, melt-in e keyhole.

1.6.1 Modo microplasma

Utiliza corrente de soldagem entre 0,1 e 15 A, ocupando uma lacuna, em termos de nvel de corrente, deixada pelos demais processo de soldagem a arco. Opera promovendo a soldagem autgena do metal base pela ao de um pequeno arco formado na ponto da tocha, quase como uma agulha (REIS, SCOTTI, 2007).Devido a capacidade de operar em baixos nveis de corrente, o modo microplasma utilizado para a soldagem de fios e de chapas finas, com espessuras variando entre 0,02 a 1 mm (REIS, SCOTTI, 2007).

1.6.2 Modo Melt-in

Utiliza correntes de soldagem na faixa de 15 a 200 A, se comportando de maneira similar ao processo TIG, o que coloca esses processos em concorrncia. A diferena que no processo plasma o arco constrito, proporcionando maior rigidez de arco e maior densidade de energia que no processo TIG, levando a um maior poder de penetrao (REIS; SCOTTI, 2007).Apesar dos benefcios, o custo relativamente alto, a maior complexidade do equipamento e a dificuldade na regulagem doe parmetros do processo de soldagem a plasma, explicam o motivo pelo qual a tcnica ainda no muito empregada na indstria (REIS, SCOTTI, 2007). A soldagem autgena em chapas finas (espessuras inferiores a 3 mm) uma das principais aplicaes do processo.

1.6.3 Modo keyhole

Utiliza correntes de soldagem a partir de 100 A e uma das aplicaes mais importantes do processo a plasma. O termo keyhole utilizado para designar uma tcnica no convencional de soldagem no qual o jato de plasma atravessa a junta a ser soldada, formando um pequeno orifcio circular que vai se fechando medida que o arco (tocha) avana pelo percurso da soldagem (REIS, SCOTTI, 2007 e RICHETTI, 2003). Essa tcnica apresentada esquematicamente na figura 04.

Figura 04 Esquema da soldagem a plasma com keyhole.

Fonte: Richetti, 2003, pg. 17O keyhole formado quando o arco incidido sobre a pea, gerando um contnuo deslocamento de metal fundido para as extremidades de poa de fuso. O arco vai continuamente escavando o metal de base at que a pea seja totalmente perfurada (formando o orifcio, o chamado keyhole) (REIS, SCOTTI, 2007).Dentre as principais vantagens, est a penetrao total na junta, sendo aplicado em operaes mecanizadas ou automatizadas. No entanto, a principal vantagem desse modo operacional a capacidade de soldar juntas em passe nico, mesmo em espessuras relativamente grandes. Apesar de ser recomendada para juntas de topo (sem chanfro) de at 10 mm de espessura, as operaes mais comuns so limitadas em 6 mm, que depende do tipo do material a ser unido. Para espessuras maiores que 6 mm, comum a prtica de soldagem keyhole com metal de adio (arame ou p metlico), sendo a junta preparada com chanfro (REIS, SCOTTI, 2007).

2 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

REIS, Ruham Pablo; SCOTTI, Amrico. Fundamentos e prticas da soldagem a plasma. So Paulo: Artliber Editora, 2007.

RICHETTI, Andr. Anlise e modelagem emprica do processo de soldagem a plasma com keyhole em ao inoxidvel. 2003. 278 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Uberlndia, Uberlndia, 2003.

WU, C.s. et al. Plasma arc welding: Process, sensing, control and modeling. Journal Of Manufacturing Processes, Jinan, v. 16, n. 1, p.74-85, jun. 2013. Disponvel em: . Acesso em: 20 mar. 2015.