A grande demanda em escala mundial por equipamentos, tubulações e tanques manufaturados pelo processo de soldagem e a simultânea carência de soldadores qualificados e experientes nestas áreas estão fortalecendo o interesse dos fabricantes destas estruturas no uso de métodos totalmente mecanizados, econômicos e confiáveis, como alternativa aos processos adotados até o momento.

A soldagem sob gás inerte com eletrodo de tungstênio (TIG) e a soldagem sob arco submerso em pó constituem processos de união comprovadamente bem-sucedidos para a confecção de uniões soldadas de alta qualidade, que se fazem necessárias durante a fabricação de equipamentos e tanques. Há décadas quase todos os desenvolvimentos, a cadeia de processos e as qualificações sobre esses processos de soldagem já se encontram estabelecidos e ajustados em manuais de procedimentos industriais e normas técnicas. Outros processos econômicos de união, como a soldagem a arco sob gás de proteção, encontram pouca penetração e utilização na fabricação de tanques e equipamentos, muito embora esse processo específico tenha apresentado grande progresso nos últimos anos em termos de desenvolvimento de processos e equipamentos (por exemplo, os processos “forceArc” e “CMT Puls”). Desta forma, ele conseguiu alta consistência operacional, o que permite obter níveis de qualidade suficientemente adequados para atender a solicitações extremas em juntas soldadas confeccionadas na construção de máquinas e veículos automotores e ferroviários, bem

Fig. 1 – Tocha “SuperMig” fabricada pela empresa PLT. À esquerda: núcleos polares para o desvio magnético. À direita: configuração da tocha.

como na fabricação de guindastes. A baixa utilização da soldagem a arco sob gás de proteção na manufatura de equipamentos é atribuída à sua fraca penetração no início do cordão, dependendo das condições do processo, e das possíveis falhas de fusão entre passes na região das sobreposições em juntas confeccionadas por soldagem orbital com aplicação de múltiplas camadas ou nos pontos efetivamente soldados em juntas presentes em tubos e tanques.

O processo híbrido de soldagem a plasma/arco sob gás de proteção, acoplado em série, possui potencial para suprimir os riscos já mencionados, o que aumentaria sua aceitação para uso na produção e as possibilidades para manufatura econômica de equipamentos e tanques. A divisão de pesquisa e desenvolvimento do Instituto Técnico de Ensino e Ensaios de Soldagem de Munique (Schweiβtechnishen Lehr- und Versuchsanstalt – SLV München), na Alemanha, investigou sistematicamente o processo híbrido de soldagem a plasma /arco acoplados em série por meio de ensaios de soldagem, da simulação moderna de processos e de técnicas de vídeo gravado sob alta velocidade, de forma a estender o desenvolvimento dessa técnica até torná-la viável para aplicação na fabricação de equipamentos e tanques.

Arranjo compacto e em série dos processos a plasma e a arco sob gás de proteção

Foi utilizada neste estudo uma tocha de soldagem híbrida “Super MIG”, desenvolvida pela empresa Plasma-Laser Technologies Ltd. (PLT), a qual se baseia na combinação em série dos processos a plasma e a arco sob gás de proteção, e que é acondicionada em uma tocha de soldagem compacta com bocal comum de gás de proteção. A tocha híbrida foi projetada com capacidade para suportar correntes de 200 A (soldagem a plasma) e de 450 A (soldagem a arco convencional). Podem ser usados eletrodos em fio com espessura de até 1,2 mm como material de adição para a soldagem a arco. Essa tocha era refrigerada a água e a posição do eletrodo de tungstênio era alinhada concentricamente em relação ao bocal de plasma. A polarização negativa do eletrodo de tungstênio e o eletrodo positivo da soldagem a arco fazem com que o campo eletromagnético resultante promova a rejeição de ambos os arcos. Esse comportamento pode ser contrabalançado por meio de um “desvio magnético”, designação dada pelo fabricante a um componente da tocha constituído por uma bobina magnética e por dois núcleos polares (figura 1). Esses, por sua vez, foram posicionados à esquerda e à direita do bocal externo de gás de proteção da tocha.

O estabelecimento do desvio magnético ocorre sobre a fonte de corrente de plasma e pode ser aplicado individualmente para cada programa de soldagem. Isso possibilita alterações nos parâmetros do desvio magnético, inclusive durante a execução da soldagem. Pode-se influenciar favoravelmente o desvio dos arcos por meio da sobreposição de um campo magnético sobre o desvio magnético.

Na tocha híbrida para soldagem a plasma/arco encontram-se integrados três fluxos separados de gás (figura 2, pág. 52): gás de plasma (azul), gás de proteção para a soldagem a arco (amarelo) e gás de proteção externo (vermelho). Este último fluxo é responsável pela cobertura de gás de proteção sobre a poça de fusão comum aos dois processos de soldagem.

Também foi utilizado um dispositivo fabricado pela PLT como fonte de corrente para o plasma. Nesta fonte de corrente pode-se ajustar não só a corrente de soldagem, como também o gás para o plasma e a vazão de gás de proteção externo. O controle da intensidade de corrente para a soldagem a plasma ocorre por meio do painel de controle da fonte de corrente para o plasma. Os parâmetros adicionais que podem ser armazenados para cada programa de soldagem são a intensidade da corrente de ignição, a duração da fase de ignição, o início e o final da rampa, bem como o desvio magnético. Um comutador de programas instalado no painel de controle permite a seleção de até 15 diferentes programações. A fonte de corrente de plasma fornece, no máximo, intensidade de 200 A. Pode-se estabelecer uma vazão volumétrica máxima de gás de plasma de até 10 l/min.

Foi usado um equipamento “TransPuls Synergic 5000”, fabricado pela Fronius, como fonte de corrente para a soldagem a arco

Fig. 2 – Fluxo de gás de proteção na tocha híbrida (o gás de plasma é mostrado em cor azul, o gás de proteção para a soldagem por arco convencional em amarelo e o gás de proteção externo em vermelho)

sob gás de proteção, o qual possui capacidade para aplicar corrente máxima igual a 500 A. O avanço da tocha de soldagem ocorria por meio de uma guia linear com velocidade regulável (figura 3, pág. 53).

Confecção reprodutível de juntas com melhor qualidade

Durante a investigação acerca da influência sobre o desenvolvimento e a qualidade das juntas soldadas foram executados ensaios de soldagem envolvendo juntas de topo (em forma de “I”, “Y” e “V”) com os materiais S355 e X5CrNi18-10 nas posições PA e PC. Os resultados obtidos com o aço S355 mostraram que é possível obter processos confiáveis de soldagem na posição PA, com penetração plena

Fig. 3 – Visão geral do aparato experimental

até a raiz do cordão e apoio para a poça de fusão, para juntas em forma de “Y” e “V” com cordão de solda apresentando altura de, no máximo, 4 mm e largura de folga entre 0 e 1 mm. A adoção de pré- aquecimento e da leve fusão dos flancos durante o deslocamento do arco de plasma permitiu suprimir totalmente o risco de falhas na região dos flancos do cordão. Dessa forma, o arco da soldagem com gás de proteção se estabilizou nos flancos pré-aquecidos, garantindo a união do metal de soldagem sobre eles. O aspecto da raiz do cordão foi uniforme e apresentou boa reprodutibilidade ao utilizar apoio para a poça de fusão.

A otimização adicional dos parâmetros de soldagem possibilitou que também fossem confeccionadas, com boa reprodutibilidade, juntas soldadas em forma de “V” na posição PA, mesmo sem apoio para a poça de fusão, resultando em uniões com maior qualidade. Por meio de uma penetração profunda e uniforme sobre os flancos do cordão de solda, foi possível diminuir os ângulos de abertura do cordão desde 50° até 30°. Foram feitos ensaios em chapas com 10 mm de espessura, nos quais a raiz do cordão não tinha contato com o apoio para a poça de fusão, que foi feito de cobre. A linha vermelha na figura 4 (pág. 54) mostra o contorno original da preparação local feita antes da união. Pode-se constatar claramente que a queima lateral ultrapassou esse contorno. A comparação dos resultados do primeiro passe de soldagem (na região da raiz do cordão) entre o processo híbrido a plasma/arco e o processo original a arco mostra que o primeiro método permitiu uma penetração lateral bem melhor. Os parâmetros de soldagem adotados no processo híbrido são iguais nos casos do primeiro (camada da raiz) e último passe (camada de cobertura) (ou seja: corrente de plasma [I ], 150 A; vazão de gás Plde plasma, 3 l/min; corrente do

Fig. 4 – Comparação entre os perfis de queima da primeira camada (da raiz) com e sem o processo a plasma (à esquerda: soldagem a plasma; à direita: soldagem a arco com gás de proteção).

arco convencional [I MSG], aproximadamente 310 A; voltagem do arco convencional [UMSG], 26 V). Apenas a velocidade de soldagem foi diferente, pois foi aumentada desde 0,5 m /min, durante a soldagem na raiz do cordão, até 0,7 m/min durante a soldagem da camada de cobertura (figura 5). A substituição da soldagem com arco aspergido pelo processo com arco pulsante reduziu a formação de salpicos e melhorou significativamente a estabilidade do arco.

No caso do aço inoxidável e resistente a ácidos X5CrNi18-10 é possível soldar chapas com até 10 mm de espessura sem folgas (juntas em forma de “I”, “Y” e “V”; ângulo de abertura entre 20° e 40°; dupla camada) e o cordão com maior altura. É possível confeccionar juntas soldadas, com apenas uma camada, no caso de chapas

Fig. 5 – Comparação entre os perfis de queima da última camada (de cobertura) com e sem o processo a plasma (à esquerda:  soldagem a plasma; à direita: soldagem a arco com gás de proteção).

com espessura de até 8 mm. O processo híbrido a plasma permite a confecção de juntas soldadas com dupla camada, em forma de “V”, com apoio para a poça de fusão, sob velocidades de até 0,7 m/min, e apresentando um cordão alto e com boa reprodutibilidade.

Investigações posteriores envolveram a preparação para uma união em forma de meio “V” para a soldagem na posição PC. Aqui foi constatado que foi vantajoso diminuir a seção transversal da união, adotando-se um ângulo de flanco de apenas 15° e altura de cordão igual a 4 mm sobre o lado superior da chapa. A folga entre as chapas a serem unidas foi igual a 1 mm. Durante a soldagem usou-se uma corrente de plasma de 170 A e uma vazão de gás de plasma igual a 2 l/min, sendo efetuado o pré-aquecimento do

Fig. 6 – Junta soldada pelo processo híbrido a plasma/arco convencional. Metal-base, X6CrNi18- 0; espessura das chapas, 10 mm; posição transversal; parte superior: face inferior da raiz; parte inferior: seção transversal.

processo pulsante, obtendo-se assim um cordão com raiz plena e uniforme sobre as bordas fundidas. A junta soldada apresentou ligeira assimetria devido à força gravitacional e à preparação típica de um cordão em forma de meio “V” (figura 6). É possível unir chapas com espessura de até 10 mm na direção transversal, sob velocidades de soldagem entre 0,5 e 0,6 m/min, aplicando-se uma única camada de soldagem. A junta soldada apresentou-se isenta de poros ao longo de todo seu comprimento. O aparecimento de cores de revenido na região do cordão de solda foi evitado por meio da purga com mistura gasosa de nitrogênio mais hidrogênio sob proporção de 90:10. Foi garantida a ausência de transição contendo entalhe na região da junta soldada sobre a face inferior da chapa. A junta soldada apresentou escamas finas em sua superfície, mas sem cores de revenido, uma vez que foi usada cobertura de gás de proteção; ficou comprovada a ausência de defeitos internos no cordão de solda.

Foram efetuadas várias melhorias no projeto da tocha dentro de um trabalho cooperativo com o seu fabricante. A configuração da tocha híbrida de segunda geração, dotada de circuito de resfriamento

Fig. 7 – Descarga transversal através do metal vaporizado. À esquerda: imagem de vídeo gravado sob alta velocidade; à direita: simulação do processo. Foto fornecida pela SLV München.

mais eficiente para os processos a arco convencional e a plasma, prolongou consideravelmente sua vida útil. A seguir, foram efetuadas melhorias no sistema de alimentação do eletrodo em fio para o processo convencional de soldagem a arco e nos condutos de gás para proteção pela incorporação de um pacote de mangueiras (“Robacta Drive”) fornecido pela empresa Fronius. Conseguiu-se aumentar a resistência ao calor da tocha devido ao aperfeiçoamento de seu projeto, o qual incluiu a incorporação de insertos cerâmicos adicionais e a alteração do bocal de plasma. A modificação do bocal comum para o gás de proteção permitiu a obtenção de um fluxo mais uniforme.

Comparação entre a simulação do processo e as imagens gravadas em alta velocidade

A partir das simulações do processo de soldagem é possível revelar e analisar as complexas relações físicas entre os processos combinados, bem como suas influências recíprocas. Os resultados da simulação apresentaram graus de concordância muito bons com as imagens registradas em vídeo com alta velocidade mais a aquisição sincronizada dos dados dos processos de soldagem.

Os resultados de abrangentes investigações experimentais sobre o comportamento dos fluxos dos gases de proteção e sobre a influência magnética do arco serviram para confirmar os resultados obtidos na simulação de processos. Eles mostraram que, já sob densidades de fluxo magnético B menores que 5 mT, ambos os arcos foram influenciados de forma significativa. Também foi constatada uma influência maior sobre ambos os arcos devido à vaporização do metal presente no eletrodo em fio. O vapor metálico promoveu a ocorrência de descarga transversal em ambos os arcos (figura 7), o que favorece uma ponte de arco. Dessa forma, ficou demonstrado que o uso de gás de proteção com baixa atividade reduz fortemente a tendência à formação de vapor metálico. A simulação do processo mostrou, como resultado adicional, o aparecimento de uma forte turbulência dos gases de proteção no bocal comum. Essa turbulência provoca a descarga não uniforme dos gases de processo que saem do bocal. Tais resultados mostraram a necessidade de efetuar modificações no bocal de gás de proteção de forma a reduzir a velocidade do fluxo e promover assim um suprimento uniforme do gás de proteção.

Alternativa confiável e econômica

Investigações envolvendo materiais e processos de soldagem específicos para a fabricação de equipamentos levaram à obtenção de tecnologias que contribuíram para o aperfeiçoamento do acoplamento em série de processos de soldagem a plasma e a arco sob gás de proteção usando uma mesma tocha. A tecnologia dos equipamentos, o controle do processo de soldagem, a capacidade da tocha híbrida e as variações observadas nas juntas soldadas foram sistematicamente pesquisadas. O conhecimento adquirido levou a uma melhoria contínua do sistema de tocha híbrida com processos de plasma e a arco convencional acoplados em série.

Os resultados obtidos comprovam que a aplicação dessa tecnologia de soldagem na manufatura proporciona vantagens econômicas. De forma similar ao que ocorre no processo de soldagem convencional a arco sob gás de proteção, pode-se agora executar típicas atividades de soldagem associadas à construção de equipamentos e tanques de forma mais rápida e consistente. Assim, a tocha a plasma/arco que acabou de ser desenvolvida constitui uma alternativa confiável e econômica aos atuais usuários dos processos de soldagem TIG e a arco submerso em pó.

Eles também mostraram que o processo a plasma/arco, usando tecnologia continuamente aperfeiçoada para seu sistema de tocha, possibilita um amplo potencial de aplicações para empresas de pequeno e médio porte voltadas para a fabricação de equipamentos e tanques. Essa nova tecnologia proporciona aos estabelecimentos uma boa fundação para a introdução do processo a plasma/arco convencional para a manufatura efetuada por meio do processo de soldagem.

Devido aos inúmeros pedidos por parte da indústria, durante o transcorrer deste projeto, a empresa PLT desenvolveu uma tocha híbrida a plasma com maior potência. Essa tocha com alto desempenho foi projetada para gerar potências envolvendo correntes de soldagem a plasma da ordem de 400 A e de soldagem a arco convencional de 650 A. A nova tocha modificada pode agora soldar componentes com espessura de até 15 mm aplicando uma única camada. O Instituto Técnico de Ensino e Ensaios de Soldagem de Munique (SLV München), filial da Associação Internacional de Tecnologia de Soldagem (Gesellschaft Schweißtechnik International mbH), apoia empresas interessadas na introdução dessas tecnologias de união, por meio da cooperação com fabricantes de equipamentos, bem como efetuando consultoria e desenvolvimento de aplicações usando seus próprios equipamentos de soldagem híbrida a plasma/arco convencional.

Agradecimentos

Este projeto foi apoiado pela Secretaria Estadual da Economia, Infraestrutura, Trânsito e Tecnologia da Baviera (Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie) (processo AZ IBS-3621b/175/ 2- IGF- 0811- 0 0 02). Os autoresagradecem a essa instituição pelo suporte dado a esta atividade de pesquisa. O relatório final sobre o projeto pode ser adquirido no Instituto Técnico de Ensino e Ensaios de Soldagem de Munique (SLV München), filial da Associação Internacional de Tecnologia de Soldagem (Gesellschaft Schweißtechnik International mbH).

Os agradecimentos dos autores também se estendem às várias empresas que apoiaram este projeto com seu conhecimento e equipamentos: a Plasma-Laser Technologies – PLT (Alemanha) Ltd, a Yokneam (Israel), a Universidade Técnica de Dresden (Alemanha), a Carl Cloos Schweiβtetchnik GmbH (de Haiger, Alemanha), a SBI Produktion techn. Anlagen GmbH & Co KG, (de Hollabrunn, Áustria), bem como aos membros do comitê de acompanhamento do projeto.


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