INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DO MARANHÃO - IFMA DIRETORIA DE ENSINO SUPERIOR - DESU

DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E MATERIAIS - DMM CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA DISCIPLINA: USINAGEM NÃO CONVENCIONAL

São Luis – MA 2010

CORTE PLASMA

A definição de plasma é tida como o quarto estado da matéria. Quando adiciona mais energia no gás, propriedades como temperatura e características elétricas são modificadas. Este processo é chamado ionização, ou seja criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isso acontece, o gás torna-se um plasma ,sendo eletricamente condutor pelo fato de os elétrons livres transmitirem a corrente elétrica.Quanto menor for a secção, maior será a temperatura no gás plasma, devido a dificuldade da passagem de elétrons.

Em uma tocha de arco plasma a ponta do eletrodo é recolhida em um bocal, através do qual o gás plasma flui. O gás passa pelo arco elétrico formando o plasma, aquecido dentro do bocal, o gás sofre uma enorme expansão, e sai em um pequeno orifício, adquirindo velocidades na ordem de 6Km/s, acentuando o fenômeno de dissociação. Quando fora do bocal, os íons recombinam-se para voltar ao estado gasoso, liberando uma energia tal que leva a temperaturas acima de 25000oC. Esta energia é então utilizada para fundir o metal base e o metal de adição. Princípios básicos do processo de soldagem plasma:

Utiliza eletrodos não consumíveis e gases inertes. O gás plasma recombinado não é suficiente para a proteção da região soldada e da poça de fusão, assim é fornecido um fluxo de gás suplementar e independente, para a proteção contra contaminação atmosférica. O fluxo de gás que constituirá o jato plasma, circunda o eletrodo e passa através de um orifício calibrado constringindo o arco elétrico. O fluxo de gás de proteção corre entre o corpo que contém o orifício e uma cobertura exterior. Fontes de energia

A fonte de energia utilizada é de corrente constante, podendo ser retificador, gerador ou inversores, utilizando corrente continua, polaridade direta. As fontes para soldagem plasma diferem das de corte, porque no corte a tensão em vazio do equipamento deve ser superior a 200V. Fontes de tensão em vazio entre 65 V e 80V podem ser adaptadas para soldagem. Tocha de Soldagem:

As tochas são providas de um punho para o manuseio do soldador, um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo, condutos para passagem do gás e água de refrigeração, um bico de cobre com o orifício para a construção do arco elétrico e um bocal de cerâmica para a isolação e proteção do operador. Algumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e arco, outras

possuem outros orifícios para a passagem do gás auxiliar, permitindo maiores velocidades de soldagem. O diâmetro do orifício central deve ser escolhido de acordo com a corrente elétrica a ser utilizada.Diâmetro do orifício (mm)Corrente Elétrica (A)0,761 a 251,3220 a 552,1840 a 100.

Figura 1- Tocha Plasma Eletrodos:

O eletrodo utilizado é de tungstênio (comercialmente puro tungstênio 99,5%), ou tungstênio dopado com tório ou zircônio, não sendo consumível.Para cortes em alta velocidade tem-se utilizado eletrodo de tungstênio dopado com óxido de lantânio, de vida mais longa. Gases:

Pode-se utilizar o mesmo tipo de gás tanto para a formação do plasma, quanto para a proteção adicional da poça de fusão;O argônio tem sido o preferido na soldagem com baixas correntes em função do seu maior potencial de ionização, além de promover uma melhor limpeza das camadas de óxidos de metais reativos e facilita a abertura do arco elétrico. Pode-se aplicar outros gases inertes como o hélio puro ou misturado com argônio, porém estes requerem tensões mais altas para a abertura do arco. O He desenvolve maior energia do plasma, porém necessita de uma refrigeração do bocal do orifício mais eficiente. A seleção do gás de proteção depende do tipo e da espessura do metal de base a ser soldado.

Metais de Adição:

A maioria das soldagens por este processo não requer metal de adição face a sua concentração de calor e facilidade de fusão das partes, porém, caso haja necessidade, o metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas. Na soldagem manual a técnica de deposição do material é por gotejamento, sendo adicionado por umas das mãos enquanto a outra controla o banho de fusão. Na soldagem automática, a bobina de arame é colocada em um alimentador automático com velocidade constante. Este sistema é utilizado quando a corrente ultrapassa 100 A, e pode ainda ser aplicado compré-aquecimento do arame por efeito Jaule passando-se uma corrente elétrica através deste antes de atingir a poça de fusão. Corrente de Soldagem:

No processo conhecido como micro plasma trabalha-se com correntes iniciais em faixas tão baixas quanto 0,1 à 1 A e máximo de 20 A, ou elevadas pois o processo admite a utilização de correntes até 500 A;Costuma-se demarcar 100 A como limite de baixas correntes, e acima são chamadas de altas correntes. Configuração da corrente Típica é a corrente continua, polaridade direta, porém para soldagem de alumínio, trabalha-se com polaridade inversa ou corrente alternada, esta ultima causa uma certa instabilidade de arco. Tensão:

A tensão de arco é menos sensível a uma variação do comprimento do arco, garantindo assim uma maior estabilidade dos parâmetros sendo superiores às do processo TIG, em valores de 50V ou maiores. Técnicas:

O processo a arco plasma possui duas técnicas principais, sendo: arco transferido; não transferido. Arco plasma transferido é o sistema mais comum. Após a abertura do arco piloto entre o eletrodo e o bocal, o arco se transfere para a peça por aproximação, fluindo para a mesma, extinguindo-se o arco piloto. Ao se afastar a pistola da peça, o arco extingue-se.Arco plasma não transferido o arco piloto é intensificado (soprado) para fora do bocal aproveitando-se o calor gerado pelo mesmo. O jato plasma emergente é utilizado principalmente para corte de materiais não metálicos (não condutores) e revestimentos por aspersão de pós metálicos (ou cerâmicos) fundidos.

Plasma de Alta Definição

A definição ou qualidade de corte é caracterizada pelo desvio e angularidade da superfície de corte. A norma ISSO 9013 estabelece critérios de avaliação com base na espessura do material conforme mostrado na tabela 3. Os níveis vão de 1 a 5, sendo o 1 de maior qualidade.O processo plasma de alta definição foi criado com o objetivo de produzir cortes com qualidade nível 3. Porém em produção, com as constantes variações de pressão e vazão nos gases de plasma e proteção, aliado ao desgastes da tocha e dos consumíveis, o processo se mantinha com nível de qualidade entre o 4 e 5 e uma vida útil do bico e eletrodo de aproximadamente 2 horas. Por este fato o processo tendia ao colapso na sua utilização para a indústria devido ao alto custo operacional e baixa consistência.

Em 2003 foram investidas elevadas quantias em pesquisa e desenvolvimento para resolver a inconsistência e aprimorar o processo de alta definição. O resultado foi o desenvolvimento de duas novas tecnologias que revolucionaram o plasma de alta definição. Um controle sinérgico para o gás e um novo desenho de tocha que permite a flutuação do tubo de refrigeração dentro do eletrodo proporcionou a consistência do processo, ou seja, produção de cortes com qualidade nível 3 por um longo período de vida dos consumíveis bico e eletrodo. O processo que foi batizado de Hyperformance, ou plasma de Alto Desempenho, já é comercializado desde 2004 e os resultados médios comprovam a qualidade nível 3 em uma vida útil de eletrodo e bico em média de 6 horas. Vantagens do processo em relação ao processo TIG ou outros processos:

Maior concentração de energia e densidade de corrente, consequentemente, menores distorções, maiores velocidades de soldagem e maiores penetrações. Maior estabilidade do arco em baixos níveis de corrente, permitindo a soldagem de finas espessuras (a partir de 0,05 mm). O arco é mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constancia da poça de fusão e menor sensibilidade a variações no comprimento do arco. Menor probabilidade de contaminação do cordão por inclusões de tungstênio e de contaminação do eletrodo pelo material de adição uma vez que o mesmo encontra-se dentro do bocal. Desvantagens: Alto custo do equipamento (2 a 5 vezes mais que o TIG). Manutenção da pistola mais frequente (orificio calibrado) e cara. Maior consumo de gases. Exigencia de maior qualificação de mão de obra

Tipos de aplicação Corte Manual

Figura 2 – Detalhe do Processo de Corte Manual

Os sistemas de corte manual são muito simples e de fácil operação. Os sistemas mais modernos possuem o bocal isolado eletricamente o que permite que o operador apóie a tocha na peça e/ou utilize uma régua ou gabarito para guiar o corte. As fontes inversoras são preferidas devido a sua a portabilidade. O corte manual é largamente utilizado nas mais diversas aplicações. Desde cortes em chapas finas como metade para o corte mecanizado. Esta redução não está relacionada diretamente com a capacidade da fonte, e sim pelo aquecimento progressivo da tocha.

Como no plasma a velocidade reduz sensivelmente com o incremento da espessura, em chapas mais espessas o tempo de corte é grande devido a baixa velocidade. Esta é a principal razão de se limitar a espessura para se garantir uma velocidade razoável e permitir o refrigeração adequada da tocha.

Os sistemas mecanizados dedicados geralmente possuem tochas refrigeradas por líquido refrigerante. O liquido é guiado na parte interna do eletrodo permitindo um jato de líquido exatamente na parte traseira do ráfnio – parte que fica no estado líquido durante o corte. Um sistema básico mecanizado é constituído por 5 partes principais conforme mostrado na figura 11: 1. Fonte de Energia 2. Console de Ignição – Alta Freqüência 3. Console de controle de gás 4. Tocha plasma 5. Conjunto de Válvulas

Figura 3 – Sistema de Corte Mecanizado Aplicações industriais:

É mais utilizado na fabricação de equipamentos de aços inoxidáveis, com chapas de espessuras médias (3 a 8 mm) e dos que requerem cordões longos, como tanques e reatores para a indústria química e de bebidas. Indústria aeroespacial, na soldagem de ligas especiais de alumínio. Apesar de menos comum, pode ser aplicado em uniões de aços ao carbono, como na soldagem da parte superior de amortecedores destinados à indústria automobilística. Outros exemplos pode-se mencionar a fabricação de radiadores, a soldagem de pontos críticos em motores de automóveis e a soldagem de componentes elétricos, como chapas para transformadores e alternadores. Barreira de mercado:

Uma das explicações para o insucesso inicial da soldagem a plasma pode estar no modo como o processo foi introduzido no mercado; a expressão Soldagem a Plasma trazia à mente dos usuários um processo complexo e com alta tecnologia agregada. Sob o ponto de vista de marketing ,usar a palavra

Plasma para descrever uma modificação do processo TIG pode ter prejudicado sua receptividade. fabricantes de equipamentos deveriam ter divulgado o potencial de aplicação do novo processo e as vantagens sobre os processos convencionais. Na história do processo Plasma houve uma certa tendência por parte dos fornecedores de equipamentos de disponibilizar muita informação acerca de como funcionava o processo e pouca informação em relação ao que o processo era capaz de fazer Relação com outros processos

O processo plasme ocupa uma vasta área de aplicação com vantagens técnicas e econômicas.Porém, existem aplicações que os outros processos de corte térmico (ou termoquímico) mais adequados.

Para peças em aço carbono, com espessuras acima de 40 mm, o processo mais recomendado é o Oxicorte devido ao baixo custo inicial e operacional do processo. Para peças de espessura abaixo de 6 mm, com requisitos de ângulo reto, ou nível 1 ou 2 de segundo a ISO o processo mais recomendado seria o LASER. O LASER também pode ser aplicado em maiores espessuras dependendo da potência do ressonador. O que se deve avaliar é a rugosidade da superfície de corte e principalmente a velocidade de corte. A figura 4 mostra a relação de aplicação entre os processos de corte térmico:

Figura 4 – Relação entre Processo Técnicas operacionais

A soldagem a plasma pode ser utilizada em três modos de operação:Microplasma, Melt-in, Key hole.

• Microplasma:

União de chapas de 0,1 a 1 mm de espessura. Gás de proteção é geralmente

uma mistura de argônio-hidrogênio com um teor de H2 até 10%,já que o H2 possui alta condutibilidade térmica, permitindo a retirada de calor nas zonas limítrofes do núcleo do plasma impedindo um alargamento do arco elétrico.

• Melt-in:

Consiste na união de chapas finas (sem adição de arame) de 0,5mm até 3,0mm de espessura de aços carbonos não revestidos e revestidos (galvanizados) e aços inoxidáveis.

• Key hole: Técnica utilizada para a soldagem plasma mecanizada ou robotizada dos aços

inoxidáveis. Possibilita soldagem de chapas de até 10mm de espessura com altíssima qualidade. Resumo do processo de Corte por Plasma • Processos eficiente de corte; • Sem necessidade de pós operação; • Velocidade e facilidade na operação; • Preparação de juntas para a soldagem; • Reparo e manutenção; • Corta uma ampla faixa de espessuras (Dependendo da capacidade do equipamento, é possível cortar metais desde 0.5mm até 60mm de espessura) • Processo muito seguro, não utiliza perigosos cilindros de oxigênio e gás combustível e nem mangueiras transportando elementos combustíveis; • Corta qualquer metal condutor (Aço carbono, inoxidável, alumínio, bronze, cobre, ferro fundido); • Alta velocidade de corte; • Perfura sem pré-aquecimento; • Permite cortar placas empilhadas; • Corte limpo (O corte não deixa escória, por isso, não é necessária a limpeza posterior com esmeril); • Não super aquece o material (Devido a alta velocidade de avanço, a zona térmica afetada - ZTA é muito pequena); • As chapas de espessura fina não se deformam.