Soldagem a Plasma - PAW Bruno Teixeira Vieira Fábio de Paiva Cota Hudson Martins Esteves Lenir de Abreu Junior Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Introdução 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Introdução 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Arco Plasma 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Arco Plasma 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Princípios básicos do processo de soldagem plasma O fluxo de gás de proteção corre entre o corpo que contém o orifício e uma cobertura exterior. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Tocha de Soldagem 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Diâmetro do orifício (mm) Tocha 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) 0,76 1 a 25 1,32 20 a 55 2,18 40 a 100 Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Gases 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Gases A seleção do gás de proteção depende do tipo e da espessura do metal de base a ser soldado. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Metais de Adição 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Metais de adição Este sistema é utilizado quando a corrente ultrapassa 100 A, e pode ainda ser aplicado com pré-aquecimento do arame por efeito “Jaule” passando-se uma corrente elétrica através deste antes de atingir a poça de fusão. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Técnicas O processo a arco plasma possui duas técnicas principais, sendo: arco transferido; não transferido. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Técnicas Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Técnicas operacionais A soldagem a plasma pode ser utilizada em três modos de operação: Microplasma; Melt-in; Key hole. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Técnicas operacionais Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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Equipamentos Tocha Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Equipamentos Fonte de energia Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Equipamentos Alimentador de arames Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Equipamentos Recirculador de água Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Equipamentos Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Vantagens 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) Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Vantagens 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Barreira de mercado Os 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

Aplicações industrial 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. Soldagem a Plasma Engenharia Mecânica UFSJ

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