Todos direitos reservados. Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. Livro Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1a ed. 1997.
O processo de soldagem por arco plasma, também conhecido por PAW (Plasma Are Welding), é aquele em que a fusão dos metais é provocada por um arco elétrico constritor, estabelecido entre um eletrodo de tungstênio e a peça de trabalho; esse arco está envolvido por uma atmosfera protetora proporcionada por dois fluxos de gases. O arco é chamado constrito ou constringido porque é limitado por um bocal que restringe o diâmetro do arco e aumenta a intensidade da fonte de calor. Um dos dois fluxos de gases, frequentemente argônio, sai do bocal constritor e rodeia o eletrodo, sob a forma de um jato altamente aquecido, chamado plasma; o outro passa por um bocal externo, concêntrico ao bocal constritor, e funciona como proteção; este gás pode ser inerte ou uma mistura de gases inertes.
gás lonizável
Como plasma, o argônio tem sido o preferido na soldagem com baixas correntes em razão de seu maior potencial de ionização. Ele promove melhor limpeza das camadas de óxidos de metais reativos e facilita a abertura do arco elétrico. É utilizado nos trabalhos com aços carbono, aços de alta resistência e metais reativos como titânio e zircônio. O quadro ilustra a utilização de misturas de gases na soldagem de chapas espessas.
Podem-se aplicar outros gases inertes como o hélio puro ou misturado com argônio, porém estes requerem tensões mais altas para abertura do arco. A utilização do hélio (He) desenvolve maior energia no plasma, portanto, a refrigeração do bocal do orifício deve ser muito eficiente.
Misturas de argônio e hidrogênio também são utilizadas para o plasma, com a vantagem de que o hidrogênio tem caráter redutor e capacidade de aumentar a composição do arco, reduzindo o risco de mordeduras e aumentando a velocidade de soldagem.
diferenças entre TIG e plasma
O processo de soldagem por arco plasma assemelha-se muito ao processo TIG pelo fato de utilizar eletrodos não consumíveis e gases inertes. As diferenças estão no tipo de tocha e na tensão do arco elétrico utilizados, além dos recursos necessários à fonte de energia. É importante notar que os dois processos apresentam regiões com as mesmas temperaturas máximas; no entanto, a constrição do arco origina uma substancial mudança na concentração de calor na superfície da peça, tornando-a mais favorável ao processo de soldagem.
soldagem manual e mecanizada
Na soldagem manual, o metal é depositado por gotejamento, sendo adicionado por uma das mãos enquanto a outra controla a poça de fusão. Na soldagem mecanizada, a bobina de arame é colocada em um alimentador automático com velocidade constante. O sistema automático é utilizado quando a corrente de soldagem ultrapassa 100 A; pode também ser aplicado quando o arame é pré-aquecido por efeito Joule, devido à passagem de uma corrente elétrica através dele, antes de atingir a poça de fusão.
Aplicação
O processo por arco plasma é utilizado para unir a maioria dos metais que podem ser soldados pelo processo TIG. Assim, aços carbono, aços-liga, aços inoxidáveis, ligas refratárias, ligas de titânio, são soldados convenientemente por este processo. Também pode ser aplicado em espessuras de 0,02 até 6mm, de forma econômica. Para espessuras de 2,4 a 6mm é utilizada a técnica de soldagem conhecida por “keyhole”.
vantagens
As vantagens do processo de soldagem por arco plasma, em relação ao processo TIG ou a outro processo de soldagem convencional são: 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 0,05mm; o arco é mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constância 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.
desvantagens
As desvantagens do processo de soldagem por arco plasma são: alto custo do equipamento (duas a cinco vezes mais que o do TIG); manutenção cara e mais frequente da tocha; maior consumo de gases; exigência de maior qualificação da mão de obra.
Fundamentos do processo
O plasma é um elemento importante na soldagem por arco plasma.Costuma-se pensar normalmente em três estados da matéria: o sólido, o líquido e o gasoso. O elemento mais conhecido, a água, tem três estados físicos: o gelo, a água e o vapor; a diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram. Quando se adiciona energia sob forma de calor ao gelo, este transforma-se em água, que sendo submetida a mais calor, vaporizará. Se mais energia for adicionada, algumas de suas propriedades, tais como temperatura e características elétricas, serão modificadas substancialmente. Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isto acontece,o gás torna-se um plasma eletricamente condutor, isto é, os elétrons livres transmitem corrente elétrica.
o plasma é considerado o quarto estado da matéria
Alguns dos princípios aplicados à condução da corrente através de um condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a secção de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência aumenta e torna-se necessário aumentar a tensão para obter o mesmo número de elétrons atravessando esta secção; em consequência, a temperatura do metal aumenta. O mesmo fato pode ser observado no plasma: quanto mais reduzida for a secção, tanto maior será a temperatura.
O processo por arco plasma apresenta dois tipos de arco: transferido e não transferido.
arco transferido
O sistema de arco transferido é o mais comum. Após a abertura do arco piloto entre o eletrodo e o bocal, o arco flui do eletrodo para a peça, transferindo-se por aproximação; quando a tocha é afastada da peça, o arco se extingue. No caso de correntes acima de 100 ampères, o arco é iniciado com auxílio de uma corrente de alta freqüência e elevada tensão.
arco não transferido
No sistema por arco não transferido, o arco é estabelecido entre o eletrodo e o bocal constritor e intensificado pelo calor do plasma. O jato plasma emergente é utilizado principalmente para corte de materiais não metálicos não condutores e revestimentos por aspersão de pós fundidos metálicos ou cerâmicos. No caso de correntes abaixo de 100 ampères, o sistema utiliza duas fontes de energia, uma pequena para a abertura do arco piloto e a outra para fornecer a corrente de soldagem. A fonte auxiliar conecta o eletrodo com o bocal. Na partida, o eletrodo é avançado manualmente até tocar no bocal, em seguida é retraído, de forma a romper o arco piloto. O arco ioniza o gás e forma o plasma que permite o fluxo da corrente de soldagem.
Uma comparação entre os sistemas de arco transferido e arco não transferido pode ser visualizada em uma ilustração.
fusão
A soldagem por arco plasma é feita por meio de duas técnicas de trabalho, que são a fusão e a técnica chamada “keyhole”.
A soldagem por fusão, semelhante a outros processos a arco, é geralmente empregada na soldagem manual com um ou mais passes, com correntes de soldagem baixas e fluxo de gás também baixo. É possível adicionar metal de adição à poça de fusão, sob forma de vareta.
“key hole”
Na técnica “keyhole”, o jato de plasma faz um pequeno furo na região da junta; este furo é estendido com o movimento da tocha e, durante o deslocamento, o metal fundido pelo arco se movimenta em tomo do plasma, formando a poça de fusão; esta fecha o furo na região e se solidifica, soldando a junta. Enquanto na soldagem TIG o limite para a penetração total numa junta de topo paralela é normalmente de 3,5mm, a técnica “keyhole”, permite unir chapas de até 8mm de espessura.
preparação da junta
Na soldagem plasma “keyhole”, a preparação das juntas é decisiva para o resultado da soldagem. As juntas de topo podem ser ajustadas para executar soldas sem metal de adição. Com ajustes pouco precisos, trabalha-se com arame de adição; neste caso, a preparação dos chanfros pode prever uma altura maior do nariz, de modo a reduzir o volume de metal de adição. A técnica “keyhole” é aplicada na fabricação de tubos com soldas longitudinais e em espiral de fitas e canos pré-dobrados com solda longitudinal.
As vantagens desta técnica são maiores velocidades de soldagem, com 35% menos de aporte de calor, e a possibilidade de unir chapas de até 8mm sem a necessidade de preparação de chanfros.
Parâmetros de soldagem
Os parâmetros de soldagem por arco plasma considerados são os tipos de corrente, comprimento e tensão do arco, vazão do plasma e “stick-out”.
A corrente utilizada é a contínua, com polaridade direta; porém, na soldagem de alumínio usa-se a polaridade inversa, que, embora cause uma certa instabilidade de arco, permite o efeito de limpeza do alumínio.
A soldagem a arco plasma trabalha com correntes baixas e devido a sua grande estabilidade, pode ser utilizada na soldagem de peças com espessura inferior a 1 mm com correntes de 0,1 a 20A; este tipo de soldagem é chamado microplasma.
Embora as correntes geralmente utilizadas sejam baixas, é possível, também, usar correntes elevadas, pois o processo admite a utilização de correntes de até 500A. De uma forma arbitrária, costuma-se determinar a marca de 100A como o limite de baixas correntes e, acima desse valor ficam as chamadas altas correntes.
comprimento e tensão do arco
O fato de o arco constritor ter uma forma cilíndrica faz com que o comprimento sofra variações, o que permite a utilização de comprimento de arco mais elevado do que na soldagem TIG. A tensão do arco é menos sensível à variação do comprimento do arco e garante maior estabilidade dos parâmetros.
orifício constritor
O diâmetro do orifício constritor tem influência direta sobre a intensidade e a concentração do arco. As tochas para soldagem geralmente apresentam orifício maior que as tochas de corte. O orifício deve ser selecionado de acordo com a espessura das peças a soldar e é tanto maior quanto maior for a espessura das peças. O número de orifícios e a distribuição deles também influencia a distribuição de calor e a geometria do cordão.
A vazão do plasma é diretamente responsável pela penetração do cordão de solda; desse modo, um ajuste criterioso da vazão é fundamental para um bom resultado, principalmente quando se usa a técnica “keyhole”.
stick-out
O “stick-out” não influencia muito a geometria do cordão, pois o arco plasma tende a ser cilíndrico e não cônico; geralmente o “stick-out” é maior na soldagem por plasma, o que permite melhor visibilidade durante o trabalho.
Consumíveis
Os consumíveis utilizados na soldagem por arco plasma são: metal de adição, gás de proteção e eletrodo. O eletrodo é tratado como consumível porque também se desgasta com o tempo, embora seja de tungstênio.
Em soldagem por arco plasma pode-se utilizar o mesmo tipo de gás, tanto para a formação do plasma quanto para a proteção adicional da poça de fusão.
metal de adição
A maioria das soldagens pelo processo com arco plasma não requer metal de adição devido à concentração de calor e à facilidade de fusão das partes; porém, em alguns casos é possível adicionar metais, dependendo do tipo de soldagem desejada. O metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas.
gás de proteção
O gás de proteção depende do tipo e da espessura do metal de base a ser soldado. Exemplos de seleção em função do material e do sistema de soldagem utilizado e da espessura da chapa, são mostrados no quadro.
eletrodo
O eletrodo utilizado no processo por arco plasma é de tungstênio com adição de tório ou zircônio, usado com corrente alternada.Para cortes em alta velocidade tem-se utilizado um eletrodo de tungstênio com adição de óxido de lantânio, de vida mais longa que os anteriores. O eletrodo deve ter uma ponta absolutamente simétrica e concêntrica ao eletrodo, com um ângulo que varia entre 40 e 60 graus.
Equipamento
A soldagem por arco plasma pode ser feita manualmente ou por meio de máquinas, com algumas adaptações. Os dois processos são amplamente utilizados e podem ser empregados em qualquer posição. O equipamento consiste de fonte de energia, sistema de abertura do arco, tocha de soldagem plasma, cilindros de gases e sistema de controle.
fonte de energia
A fonte de energia utilizada é de corrente constante, podendo ser retificador, gerador ou inversores, utilizando-se corrente contínua e 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 com tensão em vazio entre 65V e 80V podem ser adaptadas para soldagem com a colocação de sistemas de abertura de arco piloto, pré e pós vazão.
gerador de alta frequência
Para abrir o arco utiliza-se um gerador de alta frequência para estabelecer um arco piloto. No caso de trabalhar com arco transferido, usa-se geralmente o arco piloto, que necessita de uma fonte auxiliar de energia de baixa capacidade para a alimentação.
tocha
A tocha serve para fixar o eletrodo de tungstênio e direcionar o arco elétrico; é provida de um punho para o manuseio do soldador, um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo, condutos para passagem de gás e água de refrigeração, um bico de cobre com o orifício para a constrição do arco elétrico e um bocal de cerâmica para isolação e proteção do operador.
Em uma tocha de plasma, a ponta do eletrodo é recolhida em um bocal, através do qual o plasma flui. O gás ioniza-se ao passar pelo arco elétrico formando o plasma, que é a dissociação das moléculas em átomos e estes em íons e elétrons. O gás aquecido dentro do bocal sofre um enorme aumento de pressão e, por ter de sair através de um pequeno orifício, adquire altas velocidades, da ordem 6 Km/s, acentuando o fenômeno de dissociação.
Algumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e do 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:
- 0,76mm — 1 a 25A
- 1,32mm — 20 a 55ª
- 2,18mm — 40 a 100A
cilindros de gás
Os cilindros de gás constituem as fontes de gás ionizável e de gás de proteção; são providos de reguladores de pressão, de vazão e mangueiras. O controle da vazão do gás deve ser de grande precisão, pois esta é uma variável importante no processo.
sistema de controle O sistema de controle existe para permitir o ajuste das variáveis de soldagem e o acionamento dos equipamentos e dos dispositivos auxiliares, quando se trata de soldagem mecanizada. Esses dispositivos são semelhantes aos usados na soldagem pelo processo TIG, isto é, alimentadores de arame, sistemas de movimento, de oscilação do arco, entre outros.
