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Engenharia de Soldagem Of.2 –T1 Processos de Soldagem e Arco Aula: Soldagem GMAW 2024/1 Prof. Mateus Codognotto Cunha, MSc. Definições e Terminologia A soldagem GMAW é definida como: É um processo de soldagem a arco que produz a união dos metais através do calor de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo, sólido e consumível e o metal de base com gás de proteção externo. GMAW: Gas Metal Arc Welding (geral) MIG: Metal Inert Gas (gás de proteção inerte) MAG: Metal Active Gas (gás de proteção ativo) Definição O arco é estabelecido entre a peça e o consumível que é na forma de arame. O arco é responsável por fundir o metal base e o arame que é alimentado continuamente. O Processo de soldagem GMAW Aplicável à soldagem de: Aços Alumínio Aços inoxidáveis Cobre Simplicidade na escolha de: Equipamento Arame Gás de proteção Condições de soldagem O Processo de soldagem MIG/MAG Soldagem a Arco Elétrico – um arco elétrico funde o metal de base e o consumível para produzir a solda. 1. Arco elétrico. 2. Eletrodo(arame). 3. Bobina. 4. Roldanas. 5. Conduíte flexível. 6. Mangueira 7. Tocha. 8. Fonte. 9. Bico de contato. 10. Gás de proteção. 11. Bocal. 12. Poça de fusão. O arco (1) – estabelecido entre a peça de trabalho e o arame(2). O arame (2) – é o eletrodo e, ao mesmo, tempo o metal de adição (10). Alimentação – O arame é puxado da bobina(3) pelo sistema de roldanas(4), que o empurra através de um conduíte(5) até a tocha(7). A energia elétrica que estabelece o arco é fornecida por uma fonte(8), para o bico de contato(9) na tocha de soldagem, onde é transferida para o arame (2). Gás de proteção (10), (protege o eletrodo (2), o arco (1) e a poça de fusão (12) do ambiente), escoa através do bocal (11) . Não usado para arames auto-protegidos. Equipamentos • Fonte CV (tensão constante) • Alimentador de arame • Conjunto de cabos • Tocha de soldagem • Sistema de refrigeração Processo Tocha de Soldagem Manual Fator de trabalho da tocha de soldagem deve ser considerado idêntico ao da máquina • Função do diâmetro do arame e refrigeração; • Tempo máximo que a tocha de soldagem pode ser utilizada durante um período de 10 minutos (expresso em porcentagem) para uma certa intensidade de corrente, sem exceder um limite pré-determinado de Temperatura; • Ex.: 60% para 160A • Significa que a tocha suporta 6 min de arco aberto (ininterruptamente) com uma corrente de 160 A. Bico de contato - Consumível • Usualmente fabricado de cobre ou liga de cobre. • Transfere a corrente de soldagem ao arame e o direciona à peça de trabalho. • É eletricamente conectado à fonte de potência pelo cabo de força. • A superfície interna deve ser suave, permitindo a passagem do arame sem restrições e um bom contato elétrico. Bico de contato - Consumível • Tipo de bico em função da aplicação é especificado pelo fabricante. • Diâmetro interno é ligeiramente superior ao diâmetro do arame (0,13 a 0,25 mm), embora diâmetros maiores sejam necessários para a soldagem com alumínio. • Sua fixação deve ser firme na tocha e centralizada no bocal de proteção de gás. Bocal de proteção do gás • Proporciona um fluxo uniforme de gás de proteção ao arame, ao arco elétrico e à poça de fusão; • Existem diferentes tipos e tamanhos disponíveis no mercado em função da aplicação: • Bocais maiores para altas correntes; • Bocais menores para baixas correntes e transferência por curto circuito. • Deve ser limpo periodicamente (eliminar respingos). Conduíte • Suporta, protege e direciona o arame desde o rolete alimentador até o bico de contato. • Conduítes helicoidais de aço são recomendados para arames de aço e cobre. • Conduítes de Nylon ou Teflon são recomendados para alumínio e magnésio. Unidade de Controle Consiste em uma placa de controle que normalmente está acoplada ao cabeçote do alimentador de arame. Principal função: regular a velocidade de alimentação do arame. A velocidade de alimentação do arame é diretamente proporcional à corrente de soldagem. Unidade de Alimentação do Arame •Tem como função alimentar o arame através do conduíte até a extremidade da tocha de soldagem. • Busca durante a soldagem manter o comprimento do arco constante. Veloc. de fusão do arame = Veloc. de alimentação Unidade de Alimentação do Arame • Consiste de um motor elétrico, roletes e acessórios para manter o arame alinhado e pressionado; • É um componente que merece atenção especial, pois de nada vale o ótimo ajuste das condições de soldagem, se o arame não for suprido de forma adequada; • É fundamental manter um equilíbrio entre a velocidade de alimentação de arame e a corrente requerida para fundi-lo; • O arame pode ser alimentado devido a ação de roletes ou rolos; • O rolete inferior é tracionado e o superior sofre compressão do arame, fazendo-o avançar. Unidade de Alimentação do Arame Transmitem força ao arame, puxando-o do carretel e empurrando-o para a tocha de soldagem. DOIS ROLETES QUATRO ROLETES Sistema push-pull Sistema no qual o arame é empurrado para dentro do conduíte da tocha por um alimentador padrão, enquanto que um outro dispositivo de acionamento no interior da tocha de soldagem puxa o arame. Tarefas Controladas • Controle do início e da interrupção da alimentação do arame; • Liberação do gás de proteção, da água de refrigeração e da potência para a soldagem; • Pré-purga e pós-purga do gás de proteção. Estas tarefas normalmente são realizadas quando o gatilho da tocha de soldagem é pressionado. Consumíveis Atualmente existem duas linha de arames sólidos: Arames Sólidos Cobreados Arames Sólidos Não-Cobreados Argônio (Ar) Inerte Hélio (He) Inerte Dióxido de carbono (CO2) Ativo Pequenas quantidades Oxigênio (O2) Nitrogênio (N2) Hidrogênio (H2) Misturas CO2+ Ar Ar + He Ar + O2 etc Arames de Soldagem Gases de Proteção Gases de proteção • Evitam a contaminação da poça de fusão causada principalmente pelo nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e vapor d'água (H2O): Nitrogênio – no aço solidificado reduz a ductilidade e a tenacidade da solda e pode causar fissuração – em grandes quantidades o nitrogênio pode causar também porosidade Oxigênio – em excesso no aço combina-se com o carbono e forma o monóxido de carbono (CO), que pode ser aprisionado no metal, causando porosidade – em excesso pode também se combinar com outros elementos no aço e formar compostos que produzem inclusões no metal de solda — o manganês (Mn) e o silício (Si), por exemplo Vapor d'água – quando o hidrogênio (H), presente no vapor d'água e no óleo, combina-se com o ferro (Fe) ou com o alumínio (Al), resultará em porosidade e pode ocorrer fissuração sob cordão no metal de solda Propriedades básicas dos gases de proteção que afetam o desempenho do processo de soldagem – Características atômicas/moleculares dos gases – Propriedades térmicas a temperaturas elevadas • Se a condutividade térmica de um gás aumenta, aumentam também a tensão necessária para sustentar o arco elétrico e a energia térmica transferida à solda – Reação química do gás com os vários elementos no metal de base e no arame de solda • Não se usam gases com adição de oxigênio na soldagem do alumínio para evitar a formação do óxido de alumínio (alumina - Al2O3), que é prejudicial à soldagem – Efeito de cada gás no modo de transferência de metal • O dióxido de carbono dificulta a transferência por spray, prejudica a estabilidade do arco e aumenta a quantidade de respingos Gases de proteção Gases de Proteção MIG/MAG Metal Base Cordão de solda Geralmente são utilizados argônio, CO2 ou mistura de ambos. CO2 Argônio Ar/CO2 É amplamente empregado na soldagem de aços carbono É empregado na soldagem de não- ferrosos (Al, Ni e Cu) Empregado aços carbono, baixa liga e, em alguns casos, aços baixa liga Baixo custo por m3 de gás Apresenta boa estabilidade de arco, boa penetraçãoe bom perfil de cordão A mistura mais comum usada industrialmente é 75%Ar e 25%CO2 Proporciona maiores velocidades de soldagem e maior penetração. Entretanto, maiores índices de respingos. Pouca penetração lateral, levando a problemas de falta de fusão Menores índices de respingos se comparado com a soldagem 100%CO2 Trata-se de uma soldagem com gás ativo (Processo MAG) Trata-se de uma soldagem com gás inerte (Processo MIG) Trata-se de uma soldagem com gás ativo (Processo MAG) Gases de Proteção MIG/MAG Metal Base Cordão de solda Os gases inertes são usados principalmente na soldagem de metais não ferrosos, particularmente os mais reativos, como o alumínio, o magnésio e o titânio. Na soldagem de ferrosos, a adição de pequenas quantidades de gases ativos (contendo oxigênio) melhora sensivelmente a estabilidade do arco (a presença de óxidos facilita a emissão de elétrons) e a transferência de metal. Gases de Proteção MIG/MAG Cordão de solda O custo da soldagem de aços-carbono e de baixa- liga pode ser reduzido com o uso de CO2 (inerte à temperatura ambiente, mas nas temperaturas elevadas do arco elétrico de soldagem ele se decompõe em CO e O2, tornando-se ativo). As misturas de gases, em diferentes proporções, permitem melhores condições de soldagem em determinadas condições. Modos de transferência O modo de transferência do metal de adição é influenciado pelos seguintes fatores: • Corrente de soldagem • Diâmetro do arame • Comprimento do arco (tensão) • Características da fonte • Gás de proteção Modos de transferência GMAW: • Curto-circuito (short circuit) • Globular • Spray • Pulsada (pulse arc) Modos de transferência metálica Metal Base Metal Base Cordão de solda Modos de Transferência Curto-circuito Globular Aerossol (Spray) Correntes e tensões baixas Característico na soldagem de chapas finas Relativamente alta qte de respingos Correntes e tensões médias Alta quantidade de respingos Deve ser evitada ao máximo Transferência do metal é feita de maneira suave e com baixo teor de respingos Ocorre em correntes e tensões altas Altas taxas de deposição Cordão de solda Modos de Transferência A transferência é feita apenas em correntes elevadas Uma corrente baixa mantém o arco elétrico aberto A corrente média fica baixa Ocorre baixo aporte térmico e melhor controle da poça de fusão Aplicado em casos especiais Arco Pulsado Modos de transferência metálica Curto-circuito 0 U (V) • Transferência apropriada p/ soldagem • Adequado para soldagem de chapas finas • Adequado para ponteamento • Baixo aporte de calor • Fontes de baixa potência • Baixa penetração • Baixa taxa de penetração / baixa produtividade Corrente (A) / m/min Mistura de Ar com CO2 ou O2 Curto-Circuito Globular • Processo instável • Inadequado p/ soldagem • Baixo aporte de calor • Elevado nível de respingos • Elevado nível de fumos 0 U (V) Mistura de Ar com CO2 ou O2 Corrente (A)/ m/min Globular Spray • Inadequado p/ soldagem de chapas finas • Mordeduras susceptíveis na posição horizontal • Baixo nível de respingos • Boa fusão em juntas de filetes • Adequado posições horizontal e plana • Velocidades de soldagem moderada • Processo estável • Alto aporte de calor 0 U (V) Mistura de Ar com CO2 ou O2 Corrente (A) / m/min Spray Spray À medida que se aumenta a corrente de soldagem, o diâmetro médio das gotas de metal líquido diminui e acima de um certo valor, conhecido como “corrente de transição”, há uma mudança brusca no modo de transferência, que passa de globular para spray. Spray Spray U (V) Pulsada • Arco estável / transferência de gotículas bem contolada • Adequada p/ soldagem de chapas finas • Transferência apropriada p/ soldagem • Adequado p/ soldagem de alumínio e aços inoxidáveis • Baixo nível de respingos • Velocidade moderada • Baixo aporte térmico Mistura de Ar com CO2 ou O2 0 Corrente (A) / m/min Pulsado Curto-Circuito Controlado CCC https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/mig-mag- developments-in-low-heat-input-transfer-modes-133 A Dip Transfer ou transferência por imersão apresenta como benefício o baixo aporte térmico, tornando o processo adequado para unir chapas finas e/ou soldagem fora da posição plana, onde o controle preciso da poça de fusão é necessário. Desenvolvimentos recentes em equipamentos, associados a avanços na tecnologia de inversores e controle eletrônico resultaram em maiores refinamentos para o processo, incluindo melhorias no controle e estabilidade de curto- circuito ou transferência de imersão. Curto-Circuito Controlado São processos que utilizam gerenciamento externo para melhorar a transferência metálica, com base na evolução dos sistemas de controle das fontes de soldagem para manipular os parâmetros do processo, permitindo o controle da transferência metálica durante o curto-circuito. EWM ColdArc CMT – Cold Metal Transfer (Fronius) Em (A) há a alimentação do arame em direção à peça de trabalho. Em (B) ocorre o contato do arame com a peça, quando ocorre um curto-circuito. Em (C) devido ao curto-circuito gerado, o fio é retraído. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/mig-mag-developments-in-low-heat-input-transfer-modes-133 O sistema CMT (Fronius), integra o controle do movimento do arame para apoiar a formação e desprendimento de gotas. CMT – Cold Metal Transfer (Fronius) A transferência de metal suportada pela tensão superficial na poça de fusão, significa que a corrente pode ser mantida em um nível baixo, reduzindo assim o aporte de calor e respingos. Em (D) ocorre a re-ignição do arco elétrico, a velocidade do arame é alterada novamente para alimentar a poça de fusão, iniciando um novo ciclo. https://www.twi- global.com/tech nical- knowledge/job- knowledge/mig- mag- developments- in-low-heat- input-transfer- modes-133 CMT – Cold Metal Transfer (Fronius) Além da fonte de energia, há o requisito adicional de uma unidade especial de alimentação de arame e tocha, exigindo uma integração entre hardware e software. O baixo aporte térmico do processo torna-o indicado para uso em chapas finas e, devido à baixa diluição. Fronius STT – Surface Tension Transfer (Lincoln) No processo STT, no início do curto-circuito, no contato da gota que se forma na ponta do arame com a poça de fusão, há um aumento da corrente de curto-circuito. Desta forma, a transferência metálica inicia-se de forma suave, com a gota formada na ponta do arame, a qual é mantida por um valor baixo de corrente reduzindo o risco de repulsão da gota e respingos (Hashimoto, 2007). https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job- knowledge/mig-mag-developments-in-low-heat-input- transfer-modes-133 STT – Surface Tension Transfer (Lincoln) Pouco antes da separação da gota, a corrente é reduzida, de modo que o destacamento da gota ocorra sob um baixo nível de corrente, minimizando assim a intensidade da força magnética e da ação do efeito Pinch, melhorando a estabilidade da transferência metálica. Em seguida, é elevada a corrente para acelerar a transferência e o aumento da força eletromagnética resulta no empescoçamento. https://www.twi-global.com/technical- knowledge/job-knowledge/mig-mag- developments-in-low-heat-input-transfer-modes- 133 STT – Surface Tension Transfer (Lincoln) A corrente é reduzida pouco antes da separação, de modo que o destacamento da gota ocorra sem a geração de respingos. Para restabelecer o arco, é aplicada uma corrente de pico, também responsável pelo comprimento do arco e pela fusão do arame, iniciando a formação da gota, seguida de uma redução gradual da corrente até o valor de base, iniciando novamente o ciclo, sendo equivalente a uma regulagem de indutância, influenciando na frequência de curto-circuitos. Lincoln RMD – Regulated Metal Deposition (Miller) Assim como os anteriores, esteprocesso tem o propósito de regular a deposição de material transferido no processo de soldagem e controlar o índice de penetração e respingos. Este processo ocorre da seguinte forma: Estando a gota metálica já formada na ponta do arame, a corrente se mantém em níveis baixos até o momento em que se toca a poça de fusão. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job- knowledge/mig-mag-developments-in-low-heat-input- transfer-modes-133 RMD – Regulated Metal Deposition (Miller) Então a corrente é elevada rapidamente iniciando a atuação da força eletromagnética no destacamento da gota (Pinch). Na fase seguinte, a corrente continua crescendo, porém, a uma menor velocidade, até o momento que a gota é destacada. Ao fim do curto-circuito, a corrente é reduzida a fim de restabelecer o arco elétrico de maneira suave e não promover agitação da poça de fusão. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job- knowledge/mig-mag-developments-in-low-heat-input- transfer-modes-133 RMD – Regulated Metal Deposition (Miller) Restabelecido o arco elétrico, a corrente é novamente elevada proporcionando a formação de uma nova gota na ponta do arame, seguida de uma redução da corrente elétrica para permitir o contato da nova gota com a poça de fusão, o que minimiza a agitação da poça líquida. Miller FastROOT – Formula Arc System Technology (KEMPPI) O processo FastROOT™ tem sido desenvolvido particularmente para a soldagem de passe de raiz, mas também pode ser utilizado para soldar a chapas finas (aços estruturais e aço inoxidável). O processo de soldagem monitora os controles curto-circuito e o timing para a transmissão das gotas do metal de adição na poça de fusão. O processo é concebido com certas funções, tais como formação de pulsos e comprimento de arco, que desempenham um papel importante na estabilidade do arco e no controle de respingos. FastROOT – Formula Arc System Technology (KEMPPI) O princípio de funcionamento do processo é que duas formas de ondas mutuamente diferentes são formadas a partir da corrente de soldagem. Estas formas de onda podem ser referidas como os estágios de curto-circuito e período de arco. Barbosa, F.; et al., 2014 FastROOT – Formula Arc System Technology (KEMPPI) No início do primeiro estágio, há um pico de corrente (até o nível desejado para a ocorrência do pinch) quando o metal de adição toca a poça de fusão. A separação é assegurada pela redução lenta da corrente. Uma vez que a gota tenha sido transmitida à poça de fusão, o segundo estágio começa e inicia a fase de arco. FastROOT – Formula Arc System Technology (KEMPPI) O dispositivo de monitoração controla o momento de separação da gota. O timing correto para aumento e diminuição da corrente garante uma solda livre de respingos com o arco aberto. Parâmetros de soldagem A escolha correta dos parâmetros de soldagem depende: • Tipo de metal de base • Diâmetro do arame • Espessura da peça de trabalho • Tipo de junta • Posição de soldagem • Consumível (arame sólido/tubular) • Tipo de gás de proteção • Requisitos mecânicos – Aporte térmico Diâmetro do Arame Diâmetro (mm) Corrente (A) Tensão (V) Velocidade (cm/min) H.I. (kJ/mm) Tocha Penetração (mm) 0,8 217 30,8 42 0,95 Empurrando 15° 3,2 1,2 223 27,6 38 0,97 Empurrando 15° 2,3 Perfil de penetração com 0,80mm Perfil de penetração com 1,20mm Alta tensão Média tensão Baixa tensão Velocidade de alimentação de arame constante Elevado comprimento de arco Médio comprimento de arco Tensão de Soldagem Pequeno comprimento de arco Determina o comprimento de arco Aumento da tensão: - Aumento do comprimento do arco - Aumento do aporte térmico - Cordão mais largo - Menor penetração Mordedura Falta de penetração Alta convexidade Reforço excessivo Falta de fusão lateral Tensão de Soldagem Alumínio, spray, argônio Alimentação de Arame (Corrente) Elevada taxa de alimentação • Corrente elevada • Arco curto • Elevadas taxas de deposição • Grande penetração Baixa taxa de alimentação • Corrente baixa • Arco comprido • Baixas taxas de deposição • Baixa penetração Aumento da corrente (ou taxa de alimentação) Aumento na penetração A corrente de soldagem é definida pela taxa de alimentação do arame. Alimentação de Arame (Corrente) Aço carbono, curto-circuito, mistura Ar / 25% CO2 Alimentação de Arame (Corrente) Velocidade de Soldagem A velocidade de soldagem tem um considerável efeito no formato e no tamanho do cordão de solda. Altas velocidades de soldagem - Baixo aporte térmico - Baixa penetração - Cordão com dimensões menores - Possibilidade de defeitos (mordedura, falta de fusão) - Maior produtividade Baixas velocidades de soldagem - Alto aporte térmico - Alta penetração - Cordões com dimensões maiores - Baixa produtividade Normalização AWS / ASME • ASME SFA-5.18 (AWS A5.18) • Aplicável a arames sólidos, varetas TIG e arames tubulares metálicos para a soldagem de Aços Carbono ER 70 S — X Y N HZ Indica um eletrodo Indica a resistência à tração mínima em ksi do metal de solda depositado Indica se o consumível é sólido (S) ou tubular (C) Indica a composição química de um arame sólido ou do metal de solda depositado por um arame tubular. GS = consumíveis para aplicações em um único passe Indica o tipo de gás de proteção em arames tubulares (C = CO2 / M = mistura) Indica soldas especiais em aplicações nucleares Designador suplementar opcional de hidrogênio difusível (H4, H8 ou H16) Normalização AWS / ASME • ASME SFA 5.28 (AWS A5.28) • Aplicável a arames sólidos, varetas TIG e arames tubulares metálicos para a soldagem de Aços Baixa Liga ER XX C — X X X HZ Indica um eletrodo Indica a resistência à tração mínima em ksi do metal de solda depositado Indica se o consumível é sólido (S) ou tubular (C) Indica a composição química de um arame sólido ou do metal de solda depositado por um arame tubular Designador suplementar opcional de hidrogênio difusível (H2, H4, H8 ou H16) Vantagens A soldagem pode ser executada em todas as posições Não há necessidade de remoção de escória Alta taxa de deposição do metal de solda Tempo total de execução de soldas de cerca da metade do tempo para o eletrodo revestido Altas velocidades de soldagem; menos distorção das peças Largas aberturas preenchidas ou amanteigadas facilmente, tornando certos tipos de soldagem de reparo mais eficientes Não há perdas de pontas como no eletrodo revestido Desvantagens O equipamento de soldagem é mais complexo, mais caro e menos portátil em relação ao SMAW; Menor variedade de consumíveis; Dificuldade da soldagem em locais de acesso restrito (chanfros estreitos) é maior que com o processo SMAW, devido ao tamanho da tocha de soldagem (o bocal deve estar perto da junta a ser soldada para assegurar proteção suficiente); O arco deve estar protegido de correntes de ar que possam dispersar o gás de proteção. Isto limita a soldagem em campo; O processo resulta em altos níveis de radiação e calor, o que pode resultar na resistência do operador ao processo; Maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação do arco, que influenciam diretamente na qualidade do cordão de solda depositado. Aplicações Especiais Solda por Pontos ou Bujão Aplicações Especiais Solda em chanfros estreitos Aplicações Especiais Soldagem com duplo arame Configuração TWIN Aplicações Especiais Soldagem com duplo arame Configuração TANDEM