Baixe Usinagem Metalurgia Soldagem - tig2 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Naval, somente na Docsity! Processo de Soldagem TIG - GTAW PROCESSO DE SOLDAGEM TIG - GTAW 1 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO 1.1 – INTRODUÇÃO: O processo de soldagem TIG ou Gas Tungsten Arc Welding ( GTAW ), como é mais conhecido atualmente, é um processo de soldagem a arco elétrico que utiliza um arco entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a poça de soldagem. Conforme pode-se notar pela figura abaixo, a poça de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é soprado pelo bocal da tocha. No processo, pode-se utilizar adição ou não (solda autógena), e seu grande desenvolvimento deveu-se à necessidade de disponibilidade de processos eficientes de soldagem para materiais difíceis, como o alumínio e magnésio, notadamente na indústria da aviação no começo da Segunda grande guerra mundial. Assim, com o seu aperfeiçoamento, surgiu um processo de alta qualidade e relativo baixo custo, de uso em aplicações diversas, com inúmeras vantagens que descreveremos a seguir. Figura 1 – Representação esquemática do processo TIG. 1.2 - PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO: O GTAW funciona através do eletrodo de tungstênio ( ou liga de tungstênio ) preso a uma tocha. Por essa mesma tocha é alimentado o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da atmosfera. O arco elétrico é criado pela passagem de corrente elétrica pelo gás de proteção ionizado, estabelecendo-se o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Em termos básicos, os componentes do GTAW são : 1. Tocha; 2. Eletrodo; 3. Fonte de Potência; 4. Gás de Proteção 2.2 - Pinças ou mandril (COLLETS) Eletrodos de vários tamanhos são fixados apropriadamente no mandril do bocal. Um bom contato entre o eletrodo e a parte interna do mandril é essencial para uma transmissão correta da corrente e refrigeração do eletrodo. 2.3 – Bocais Gás de proteção é dirigido para a zona de soldagem por bocais fixados na extremidade das tochas. O objetivo da utilização dos bocais é produzir um fluxo laminar do gás de proteção. Os bocais podem ser fabricados de materiais cerâmicos, metais, metais revestidos com cerâmicos, quartzo fundido ou outros materiais. Dentre estes, os bocais cerâmicos são os mais baratos e mais populares, apesar de serem quebradiços e necessitarem de troca constante. Bocais metálicos tem vida útil mais longa e são usados principalmente em processos automatizados, que operam com correntes acima de 250 A. Os aspectos mais importantes nos bocais são suas dimensões e perfis. Os bocais devem ser largos o suficiente para prover cobertura da área de soldagem pelo gás e devem estar de acordo com o volume e a densidade necessária do gás no processo. Se a vazão do gás for excessiva para um determinado diâmetro, a eficiência da proteção é afetada devido a turbulência. Vazões mais altas, sem este efeito de turbulência, requerem maiores diâmetros de bocais, condições estas, essenciais para altas correntes. Na tabela seguinte, pode-se observar diversos diâmetros de eletrodos, correntes de trabalho e diâmetros dos bocais. Os bocais são produzidos em diversos comprimentos, sendo que os mais longos provêm um fluxo mais firme e menos turbulento. A maioria dos bocais são cilíndricos, com as extremidades retas ou afuniladas. Os bocais são também disponibilizados com seções alongadas para prolongamento da proteção (veja figura abaixo) ou extremidades alargadas para fornecer melhor proteção para materiais como titânio, que é altamente susceptível à contaminação em altas temperaturas. Figura 3 – Bocal de gás alongado para soldagem mecanizada. Outro recurso utilizado na melhoria do fluxo são as lentes de gases, que asseguram um fluxo laminar do gás de proteção, através de sua estrutura porosa que é fixada ao redor do eletrodo. Desta forma, elas permitem ao operador trabalhar com a extremidade da tocha a uma maior distância da peça, auxiliando na visualização e facilitando o trabalho em locais de difícil acesso para a tocha, como cantos. Figura 4 –Lentes de gás 2.4 - Eletrodos No processo GTAW os eletrodos não são consumíveis e tem o papel de servir como um dos terminais do arco que irá gerar o calor para o processo. Ao aproximar-se da sua temperatura de fusão (3410 oC), o tungstênio torna-se termoiônico, como uma fonte disponível de elétrons. Ele alcança esta temperatura através de aquecimento por resistência e, caso não houvesse um forte efeito de resfriamento pela saída dos elétrons de sua extremidade, esta ponta poderia fundir-se. Os eletrodos são classificados com base em sua composição química, como na tabela abaixo Os eletrodos são produzidos através de acabamento químico ou mecânico para remoção de imperfeições e impurezas na sua superfície. As capacidades de corrente dos eletrodos devem ser respeitadas ( tabela anterior ) e a sua utilização acima de seu limite causará erosão ou fundição do eletrodo. Com correntes muito baixas haverá instabilidade no arco. Devido ao superaquecimento que provoca, a utilização de eletrodo como pólo positivo em CC ( corrente contínua ) necessita de diâmetros de eletrodos bastante superiores para uma mesma corrente, comparativamente com DCEN ( corrente contínua com eletrodo no pólo negativo ). DCEP ( corrente contínua com eletrodo no pólo positivo ), desta forma, permite uma corrente de apenas aproximadamente 10 % da utilizada para um mesmo eletrodo em DCEN. A corrente para CA ( corrente alternada ) é da ordem de 50 % da corrente em DCEN, para um mesmo eletrodo. 2.5 - Eletrodos de Tungstênio Puro Os eletrodos de tungstênio puro ( EWP ) possuem, no mínimo, 99,5 % de W e tem uma capacidade de corrente inferior que os eletrodos de liga de tungstênio. Entretanto, são muito utilizados em soldagem com CA, pois mantém uma extremidade limpa e arredondada, que provê boa estabilidade ao arco neste processo. 2.6 - Eletrodos Ligados Os eletrodos com óxido de tório, a tória, possuem 1% ou 2% deste material, sendo classificados respectivamente, como EWTh-1 e EWTh-2. A tória incrementa a emissividade termoiônica do tungstênio, permitindo a operação em correntes mais elevadas (aproximadamente 20 % de acréscimo). Os eletrodos torinados mantém um fino perfil da ponta durante a soldagem, o que é desejável na soldagem de aços. Por outro lado, na soldagem CA tornam-se deficientes, pois tem dificuldade de manter a extremidade arredondada. Os eletrodos com óxido de cério ( EWCe-2 ), a céria, possuem características muito semelhantes aos torinados com a vantagem de não trabalhar com um elemento radioativo. Estas mesmas características são mantidas nos eletrodos com óxido de lantânio. Já os eletrodos com óxido de zircônio (EWZr) tem características intermediárias para soldagem entre os eletrodos puros e os torinados. Eles são muito utilizados em soldagem CA pois combinam a estabilidade e ponta arredondada do eletrodo puro e a capacidade de corrente e partida dos eletrodos torinados. Ainda assim, eles possuem resistência à contaminação mais alta que os eletrodos puros. Os eletrodos que não se classifiquem nas designações acima são classificados como EWG, contendo quantidade não especificadas de uma adição não especificada ou uma combinação de óxidos. 2.7 - Configurações da Extremidade do Eletrodo A corrente contínua pulsada envolve a variação repetitiva da corrente do arco entre um valor mínimo ( “background” ) e um valor máximo, controlando-se o tempo do pulso, o tempo no valor mínimo, nível de corrente máximo e nível de corrente mínimo. Figura 6 – Gráfico de tensão / corrente para fonte pulsada. A principal vantagem da corrente pulsada é permitir uma combinação da força, boa penetração e fusão do pulso, enquanto mantém a aérea de soldagem relativamente fria. Assim, é possível obter maiores penetrações do que em corrente contínua constante e trabalhar com materiais mais sensíveis à aposição de calor com minimização das distorções. Por esses motivos, o processo também é particularmente útil na soldagem de materiais muito finos. Apesar de muito utilizada nos processos automatizados, a corrente pulsada oferece vantagens também para a soldagem manual. Os soldadores mais inexperientes podem aumentar a sua habilidade através da contagem dos pulsos para controlar a velocidade da tocha e do arame frio de alimentação. Para os soldadores mais experientes, permite a soldagem de materiais mais finos e ligas não similares com maior facilidade. A figura abaixo apresenta uma representação de um cordão de solda realizado o por corrente pulsante. Figura 7 – Aspecto do cordão gerado por fonte pulsada. A corrente pulsada pode ser aplicada ainda com uma alta freqüência, de aproximadamente 20 Hz, que permite uma maior pressão de arco. Este aumento significa um arco mais firme, com particularmente úteis em máquinas de precisão, onde características excepcionais de direção e estabilidade são requeridas. Entretanto, além de caros, estes equipamentos podem ser bastante incômodos se estiverem em uma freqüência dentro da faixa de freqüência audível. Figura 8 – Curva de análise para fonte pulsada. 2.12 - Corrente alternada A CA é de grande utilidade em GTAW, pois combina a limpeza catódica do processo com o eletrodo no pólo positivo, com a penetração mais profunda do eletrodo negativo. Entretanto, quando em operação, diversos fenômenos podem ocorrer e devem ser analisados. Ao tornar- se negativo, o eletrodo termoiônico de tungstênio provê elétrons para a reignição do arco, imediatamente após ter passado pelo ponto de corrente zero. Entretanto, ao tornar-se positivo o mesmo não ocorrerá, pois a poça não poderá suprir elétrons até que um determinado nível de tensão seja atingido. Isto deriva de diferentes aspectos como área mais extensa da poça, material menos termoiônico e inércia na mudança de direção dos elétrons. Este efeito pode ser acompanhado pela figura abaixo. Assim, algumas formas de estabilização do arco na corrente reversa são necessárias. Pode- se utilizar fontes de alta tensão em circuito aberto, capacitores para descarga no momento apropriado, a utilização de velas ( ignitores ) utilizando alta freqüência e alta tensão em paralelo ao arco ou a utilização de ondas quadradas. Desde que é mais fácil manter o arco quando o eletrodo está no pólo negativo , a tensão requerida neste momento também é menor. Assim, a tendência é de se obter correntes desequilibradas entre as fases de eletrodo positivo e eletrodo negativo. Esta retificação parcial que ocorre com tal desequilíbrio pode causar superaquecimento em algumas fontes, e em algumas máquinas uma queda na sua saída. Este desbalanceamento pode ser eliminado através do balanceamento de onda, mostrado na figura abaixo. As vantagens da corrente balanceada são uma melhor remoção de óxidos, soldagem mais suave e a não necessidade de redução da saída de uma máquina convencional. Suas desvantagens são a necessidade de eletrodos de maior porte, altas tensões de circuito aberto associadas ( questão de segurança ) e aumento de custos do equipamento. 2.13 - Controle da tensão do arco O controle da tensão do arco ( AVC ) é utilizado em processos automatizados e mecanizados de GTAW onde através da monitoração do arco, controla-se o comprimento do arco, comparando-se a tensão do processo com a tensão desejada, para adequação da posição do eletrodo. 2.14 - Oscilação do arco A largura dos cordões de solda podem ser aumentados por oscilação mecânica, através da montagem da tocha sobre um oscilador. As oscilações provocadas magneticamente são úteis para melhorar a fusão das extremidades das peças e reduzir os efeitos de mordedura. Estes osciladores podem defletir o arco tanto longitudinalmente quanto lateralmente, sem mover o eletrodo. 3. – CONSUMÍVEIS 3.1 - Gases de proteção Os gases de proteção são direcionados pela tocha para o arco e a poça de fusão para proteger o eletrodo e o material metálico fundido da contaminação atmosférica. Eles também podem ser utilizados como “back-up” para proteção do lado contrário da solda da oxidação durante a soldagem. 3.2 - Tipos de gases Os arames podem estar dispostos em rolos ou arames cortados de 1 m e esforços devem ser empreendidos para evitar a contaminação destes materiais na sua estocagem e uso. Mais importante ainda é a manutenção da extremidade do arame na proteção do gás durante o processo de soldagem. A alimentação do arame que servirá de adição à solda nos processo automatizados ou mecanizados pode ser feita tanto à temperatura ambiente quanto pré-aquecida, sendo estes processos designados como arame frio e arame quente, respectivamente. O arame frio é alimentado no início da poça enquanto o arame quente é alimentado no final da poça. O sistema de alimentação do arame frio é composto pelo mecanismo de alimentação, pelo controle de velocidade e pela guia de alimentação. No processo de arame quente há um pré- aquecimento por resistência elétrica. O arame é alimentado mecanicamente e recebe uma proteção de gás auxiliar para evitar a sua oxidação. As taxas de deposição obtidas através deste método são comparáveis às obtidas em GMAW. O arame é aquecido por uma fonte que opera em CA e tensão constante. A CA permite a operação desta fonte com mínima sopragem do arco. O método, entretanto, não é recomendado para alumínio e cobre pois, devido à sua baixa resistência, estes materiais requerem correntes elevadas para o aquecimento que, por sua vez, acarretam uma deflexão excessiva do arco. Figura 11 – Esquema de adição de arame. 4. – TÉCNICAS DE SOLDAGEM: 4.1 – Métodos de Iniciação do Arco O método mais simples de iniciação do arco, o toque do eletrodo na peça, apesar de extremamente simples, não é recomendado, pois ao tocar a peça o eletrodo pode contaminá- la e danificar-se. Outro método é a utilização de uma fonte de alta freqüência, que fornece uma alta tensão com alta freqüência em série ao circuito de soldagem, para ionizar o gás e permitir a abertura do arco e poder trabalhar com uma corrente igual à corrente de soldagem ou não. Este método tem o inconveniente de gerar grande quantidade de distúrbios para a rede de alimentação elétrica. A partida pulsada também pode ser utilizada , sendo obtida através de pulsos de alta tensão que ionizam o gás e permitem a abertura do arco, trabalhando via de regra com corrente iguais às de soldagem. A partida através de arco piloto pode ser utilizada com fontes de CC mantendo-se um arco entre o eletrodo e o bocal da tocha. Este arco piloto ioniza o gás necessário para estabelecer o arco. O arco piloto é alimentado por uma pequena fonte e é iniciado por alta freqüência. Figura 12 – Esquemas para dispositivos de abertura de arco. 4.2 – Soldagem Manual Em GTAW, quando define-se a soldagem manual isso significa que uma pessoa irá controlar todas as funções do processo de soldagem, como a adição e o suprimento de gás, a soldagem manual utiliza a tocha, cabos e condutores elétricos, pedal de pé (para controle de nível de corrente de soldagem ) e controles de fluxo de gás. Na soldagem manual, uma vez iniciado o arco, o eletrodo é movido circularmente até o estabelecimento da poça de soldagem. A tocha é então inclinada em 15 graus conforme a figura abaixo e é movida ao longo da junta para fundir progressivamente as superfícies. O material de adição é adicionado, se frio, no início da poça. A figura abaixo ilustra o processo de soldagem manual. Deve-se tomar especial cuidado para manter sempre a ponta do arame de adição dentro do fluxo do gás de proteção. Figura 13 – Técnica operatória para soldagem TIG manual. 4.3 - Soldagem Mecanizada A soldagem mecanizada é feita através de equipamento que produz a solda com a constante supervisão e controle do operador de solda. Os maiores custos deste processo tem de ser compensados pela maior produtividade e qualidade obtidas. Os processos ocorrem como um controle aberto de forma que os níveis pré ajustados são mantidos durante o processo sem realimentação ou ajuste. 4.4 - Soldagem Semi-Automática A maioria dos metais podem ser soldados pelo processo GTAW, não sendo utilizado, entretanto, para soldar metais como cádmio, zinco e estanho devido à baixa pressão de vapor dos líquidos destes metais, De uma forma geral, melhores resultados são obtidos com DCEN, a menos os casos específicos como o alumínio e o eletrodo mais utilizado é o torinado com 2 %. 8.1 - AÇOS CARBONO E DE BAIXA LIGA A qualidade do gás da soldagem por GTAW nestes materiais são mais fortemente dependentes das contaminações no metal de base que nos processos SMAW ou SAW devido à ausência dos fluxos para remoção das impurezas. Argônio é utilizado em espessuras de até 12 mm. Na soldagem de maiores espessuras são utilizados o argônio e misturas argônio-hélio. 8.2 - AÇOS INOXIDÁVEIS E LIGAS REFRATÁRIAS Devido ao seu alto grau de proteção, estes materiais são extensivamente utilizados com soldagem por GTAW. Além disso, o metal de adição, por não atravessar o arco, pode conservar os elementos de liga, levando-se essa pureza para a formação final do metal. Argônio, misturas argônio-hélio e argôno-hidrogênio e hélio puro 8.3 - LIGAS DE ALUMÍNIO O GTAW é um processo perfeito para a soldagem destes materiais, podendo ser realizadas operações em todas as espessuras e soldagens autógenas ou não. Na maioria do casos é utilizada CA, devido à limpeza catódica. Na soldagem de superfícies finas algumas vezes é utilizado o DCEP. Para seções espessas ( Acima de 1/4 " ) utiliza-se DCEN com Hélio em processos automáticos sendo que devido à ausência de limpeza catódica as peças tem de ser limpas imediatamente antes do processo. Em CA, utiliza-se o Argônio por prover melhor limpeza, melhor inicialização do arco e qualidade superior de solda. 8.4 - LIGAS DE MAGNÉSIO As ligas de magnésio tem operações próximas às das ligas de alumínio, utilizando-se também na maioria das vezes de soldagem com CA. 8.5 - BERÍLIO As soldagens deste material são difíceis devido a sua tendência de fratura a quente e fragilização. Assim sendo, o processo é conduzido em câmaras de atmosfera inerte geralmente com misturas de cinco partes de hélio par uma parte de Ar. Deve-se considerar também que os fumos de berílio são tóxicos. 8.6 - LIGAS DE COBRE O GTAW é apropriado para a soldagem de cobre devido à alta intensidade de geração de calor pelo arco, o que permite um mínimo aquecimento das vizinhanças da região de solda. A maioria das ligas de cobre são soldadas com DCEN com proteção de hélio, devido a sua alta condutividade. 8.7 - LIGAS DE NÍQUEL Normalmente são soldadas por DCEN com proteção de Ar, Ar-He e He. 8.8 - METAIS REFRATÁRIOS E REATIVOS Estes materiais possuem pontos de fusão extremamente elevados e são altamente reativos, oxidando-se rapidamente a altas temperaturas. Dessa forma, GTAW provê alta intensidade de calor com proteção adequada ao processo destes materiais. Freqüentemente são utilizadas câmaras purgadas contendo gases de alta pureza. 8.9 - FERRO FUNDIDO Devido ao controle independente de adição de calor e metal no processo GTAW a diluição do metal de base pode ser diminuída no GTAW. Ainda assim, o processo é utilizado normalmente para pequenos reparos e a adição recomendada é de aços inoxidáveis austeníticos e a base de níquel para minimizar a fratura devido à sua ductilidade e sua tolerância ao hidrogênio. 9. - QUALIDADE DA SOLDA 9.1 - Descontinuidades e Defeitos Descontinuidades são interrupções na estrutura típica da soldagem e podem ocorrer no metal de base, no metal fundido e nas zonas termicamente afetadas. Quando estas descontinuidades levam o material a não satisfazer as requisições do trabalho a ser realizado elas são classificadas como defeitos. Um tipo de descontinuidade encontrado exclusivamente em processos GTAW são inclusões de Tungstênio. As causas típicas destas inclusões são : 1. Contato da ponta eletrodo com a poça; 2. Contato do material de adição com a ponta aquecida do eletrodo; 3. Contaminação do eletrodo por respingo da poça; 4. Extensão dos eletrodos muito além da pinça ou mandril, resultando em superaquecimento; 5. Eletrodo inadequadamente preso ao mandril; 6. Taxas de gás inadequadas ou ventos excessivos; 7. Defeitos como rachaduras e trincas; 8. Uso de gases não apropriados como misturas Argônio - CO2 A falta de proteção no processo está relacionada a descontinuidades como inclusão de tungstênio, porosidade, filmes óxidos e inclusões, fusão incompleta e fissuras. A tabela que segue ilustra os principais defeitos suas causas e forma de correção : 10. - PRÁTICAS DE SEGURANÇA Os principais tópicos a serem observados nos itens de segurança são: 1. Usar sistematicamente o equipamento de proteção individual; 2. Cuidados na manipulação de cilindros pressurizados; 3. Evitar a aspiração de Gases tóxicos associados ao processo (ozônio, dióxido de nitrogênio, etc.), gases inertes de proteção ou fumos metálicos; 4. Proteger-se da energia radiante, especialmente na pele e olhos (cuidados especialmente com UV, inclusive refletido pelas paredes); 5. Proteger-se de choques elétricos. 6. Evitar a aspiração de partículas radioativas quando da preparação de eletrodos com adição de Tório.