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ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
Curso de Engenharia Mecânica Turma 1 – Noturno
200080100 César Henrique Durer 200080124 Rodolfo da Silva B. Granelli 200080134 Jocilene Cristina Durer 200080261 Valter Bonifácio Costa
204080020 Tiago Tavolari
Processo de Soldagem que utilizam Alta
Intensidade de Calor RELATÓRIO DE TECNOLOGIA E METALURGIA DA SOLDAGEM
Piracicaba 04/10/2011.
ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
Curso de Engenharia Mecânica Turma 1 – Noturno
200080100 César Henrique Durer 200080124 Rodolfo da Silva B. Granelli 200080134 Jocilene Cristina Durer 200080261 Valter Bonifácio Costa
204080020 Tiago Tavolari
Processo de Soldagem que utilizam Alta
Intensidade de Calor RELATÓRIO DE TECNOLOGIA E METALURGIA DA SOLDAGEM
Relatório da Aula de processo de soldagem MIG apresentado
para avaliação da Disciplina Tecnologia e metalurgia da
soldagem do 8º semestre do Curso de Engenharia Mecânica da
Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba sob orientação
do Prof. Erivelto Marino.
Piracicaba 04/10/2011.
Sumário
1.0 Objetivo .................................................................................................... 3
2.0 Fundamentos teóricos ............................................................................. 3
2.1 Processos de Soldagem que utilizam Alta Intensidade de Calor ........... 3
2.1.1 Soldagem com Feixe de Elétrons ......................................................... 4
2.1.2 Soldagem a laser ................................................................................... 7
2.1.3 Soldagem a plasma ............................................................................... 9
3.0 Descrição da Prática .............................................................................. 13
3.1 Equipamentos e materiais ..................................................................... 13
3.2 Procedimento ......................................................................................... 13
4.0 Questões ................................................................................................. 14
5.0 Conclusão ............................................................................................... 16
6.0 Referências Bibliográficas ..................................................................... 16
Lista de Figuras
Figura 1: Potência específica típica dos processos de soldagem ........................................ 3 Figura 2: Principio de funcionamento da pistola do feixe de elétrons................................... 4
Figura 3: Equipamento da soldagem do feixe de elétrons ..................................................... 5
Figura 4: Esquema do processo de soldagem por feixe de elétrons .................................... 6
Figura 5: Heyhole e ZTA na soldagem a laser. ....................................................................... 7 Figura 6: Elementos de um sistema típico para soldagem a laser. ...................................... 7
Figura 7: Soldagem a laser de uma carcaça de aço inoxidável ............................................ 8
Figura 8: Funcionamento do processo Plasma ....................................................................... 9 Figura 9: Formação do arco plasma ........................................................................................ 9
Figura 10: Forma esquemática dos três modos de operação da soldagem a plasma. .... 10
Figura 11: Aplicação da soldagem a plasma em função do material e espessura. .......... 11
Figura 12: Diferença entre TIG e Plasma .............................................................................. 11 Figura 13: Soldagem a plasma automatizada ....................................................................... 12
3
1.0 Objetivo
Este trabalho tem o objetivo de fazer uma comparação do resultado do processo
utilizando a alimentação contínua do metal de adição com os processos com
alimentação manual.
Assim como Mostrar ao aluno a importância da utilização de um processo de
soldagem com alimentação contínua do metal de adição, na soldagem de metais não
ferrosos.
E visualizar o funcionamento do processo de soldagem MIG, os cuidados a serem
observados, os parâmetros de soldagem e os equipamentos utilizados.
2.0 Fundamentos teóricos
2.1 Processos de Soldagem que utilizam Alta Intensidade de Calor
Cada processo tem sua distribuição de potência específica típica.
Comparando as curvas da figura abaixo em relação aos processos de soldagem,
pode-se verificar que a soldagem por feixe de elétrons e laser tem a potência especifica
elevada e concentrada, muito diferente do oxi-gás.
Figura 1: Potência específica típica dos processos de soldagem
Quanto maior a potência específica:
Cordão de solda com elevada relação profundidade largura;
Soldagem em um passe dependendo da espessura;
Baixa energia de soldagem;
Elevada velocidade de soldagem;
Estreita zona afetada pelo calor;
Deformação mínima da peça.
4
2.1.1 Soldagem com Feixe de Elétrons
A soldagem com feixe de elétrons é um processo de união baseado na fusão
localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de elétrons de alta
velocidade.
O feixe de elétrons é emitido por um canhão eletrônico e focalizado, através de
lentes eletromagnéticas, em uma região muito pequena da junta (diâmetro da ordem de
10-1 mm) o que permite uma elevada concentração de energia.
Durante o bombardeamento, parte da energia cinética dos elétrons é convertida
em calor, fundindo e vaporizando parte do material da junta e criando um furo (keyhole)
através do material.
Quando este furo é movido ao longo da junta, o material líquido flui em torno do
mesmo e se solidifica na parte posterior da poça formando a solda.
Esta forma de operação permite obter cordões de solda com uma elevada razão
penetração/largura (de até 30:1) e com velocidades de até 200 mm/s. A baixa energia de
soldagem resultante, minimiza problemas de distorção e contração da junta e permite
trabalhar com peças já usinadas. Permite também soldar mais facilmente metais
dissimilares de condutividade térmica diferente desde que estes tenham compatibilidade
metalúrgica.
Figura 2: Principio de funcionamento da pistola do feixe de elétrons
5
O feixe de elétrons pode atravessar uma junta de menor espessura, soldando-a e,
ainda, atingir uma outra junta abaixo da primeira, permitindo, assim, a soldagem de
juntas não acessíveis por outros processos. Com um feixe menos focalizado pode-se
obter menor concentração de energia e operar o processo de forma similar à soldagem a
arco.
É geralmente feita em alto vácuo, embora existam variações do processo, que
trabalham com menores penetrações, que podem operar com um vácuo médio ou à
pressão ambiente.
Um equipamento típico para a soldagem com feixes de elétrons inclui a câmara
de vácuo, uma fonte de energia e canhão eletrônico (operando tipicamente com 30 a
175kV e 50 a 1000 mA), dispositivos de focalização do feixe, um sistema para
observação ou rastreamento do feixe e um sistema para manipulação da peça e/ou do
canhão eletrônico.
O equipamento de soldagem é relativamente caro (pode custar mais de US$
1.000.000) e complexo. O processo é extremamente rápido e pode soldar, em um único
passe, peças de grande espessura (aço até 100 mm, e alumínio, até 150 mm).
Por outro lado, a necessidade de um alto vácuo, reduz a produtividade do
processo. Este problema pode ser reduzido pelo uso de câmaras auxiliares para o
estabelecimento de um pré-vácuo nas peças antes de sua soldagem ou pelo uso de
equipamentos que trabalham com menor vácuo.
Figura 3: Equipamento da soldagem do feixe de elétrons
6
A desaceleração de elétrons na peça gera radiação penetrante (raios X) o que
implica em cuidados especiais para a proteção de pessoal.
O cordão estreito e de elevada penetração exige um ajuste perfeito dos
componentes sendo soldados (abertura de junta inferior a 0,13mm) o que necessária a
usinagem cuidadosa dos componentes.
A soldagem é basicamente limitada a juntas de topo e sobrepostas.
Figura 4: Esquema do processo de soldagem por feixe de elétrons
VANTAGENS
Possibilita a soldagem de metais refratários, reativos e a combinação de
metais dissimilares não soldáveis com arco elétrico;
A qualidade da solda é igual ou superior a do processo TIG;
Permite soldas estreitas e profundas em um único passe, com energia de
soldagem menor que outros processos; por exemplo, solda em 1 passe
200 mm de alumínio, 150 mm de aço-carbono
A zona afetada pelo calor é estreita;
Torna a soldagem possível em locais próximos a componentes sensíveis
ao aquecimento;
A distorção gerada pelo processo é baixa;
O processo tem 50% e eficiência energética, a maior entre os processos de
alta densidade de energia;
DESVANTAGENS
O custo do equipamento é bastante elevado, porém mais baixos que os
outros processos de alta densidade de energia;
Elevado custo de preparação da junta;
O tamanho da câmara limita o tamanho da peça. As peças grandes exigem
câmaras;
Quando o feixe de elétrons incide na peça ela gera raios X;
As peças devem ser desmagnetizadas antes da soldagem.
7
2.1.2 Soldagem a laser
A soldagem a laser é um processo de união baseado na fusão localizada da junta
através de seu bombardeamento por um feixe de luz concentrada coerente e
monocromática de alta intensidade, o material na região de soldagem é aquecido até
que se liquefaça e ao se solidifcar, forma o cordão de solda.
Figura 5: Heyhole e ZTA na soldagem a laser.
De forma similar à soldagem por feixe de elétrons, este feixe de alta intensidade é
suficiente para fundir e vaporizar parte do material da junta no ponto de entrada do feixe
no material, causando um furo (keyhole) que penetra profundamente no metal de base.
A figura 6 ilustra de forma esquemática um sistema para a soldagem a laser.
Figura 6: Elementos de um sistema típico para soldagem a laser.
Para a produção do laser podem ser usadas fontes contínuas a dióxido de
carbono, capazes de produzir laser de infravermelho e densidades de energia em torno
de 1x1010 W/m2, ou fontes pulsadas de YAG (Ytrium aluminum garnet) no estado sólido.
As primeiras são usadas para a soldagem laser de elevada penetração, enquanto que
os laser de estado sólido são mais usados para a soldagem de ponto e de costura em
8
juntas de pequena espessura, soldagem em microeletrônica e em outras aplicações que
exijam um controle preciso da quantidade de energia fornecida à peça.
Em comparação com a soldagem com feixe de elétrons, a soldagem a laser
apresenta as seguintes características favoráveis:
Laser pode ser transmitido no ar, não necessitando de um vácuo sobre a peça. Contudo, o uso de uma proteção gasosa é recomendável, particularmente para materiais reativos.
Não ocorre a geração de raios X com laser.
Feixe de laser pode ser facilmente direcionado e focalizado o que facilita a automação do processo.
Devido à menor intensidade do feixe de laser, a poça de fusão deste processo é menos sensível que a da soldagem por feixe de elétrons a problemas de instabilidade (porosidade na raiz, fusão incompleta, respingos sob o cordão, etc).
De forma similar à soldagem com feixe de elétrons, a soldagem a laser é um
processo de alta velocidade, ideal para aplicações automatizadas, mas exigindo um
perfeito ajuste das peças.
O custo do equipamento de soldagem tende a ser elevado, em torno de US$
500.000, fazendo com que o processo seja tipicamente usado apenas em aplicações
com um grande volume de soldas ou em aplicações críticas que necessitem de
características especiais do cordão ou uma grande reprodutibilidade.
O processo é mais utilizado na soldagem de peças de menor espessura com uma
elevada velocidade de deslocamento. Por exemplo, um laser de CO2 de 5 kW de
potência pode soldar chapas de 2,5 mm de aço carbono ou inoxidável com velocidades
acima de 65 mm/s.
A eficiência do equipamento a laser é baixa, de 8 a 15%, necessitando de
grandes unidades de refrigeração para aplicações de alta potência.
Embora o equipamento seja muito sofisticado, ele é projetado para ser usado por
operadores, não necessitando de soldadores altamente treinados. Vários equipamentos
a laser podem, com pequenas modificações, ser usados para operações de corte ou de
tratamento térmico superficial.
Figura 7: Soldagem a laser de uma carcaça de aço inoxidável
9
2.1.3 Soldagem a plasma
O processo de soldagem a plasma é um processo de soldagem a arco que
promove a coalescência de metais pelo aquecimento gerado a partir de um arco
constrito (jato de plasma), que é aberto entre um eletrodo não consumível e a poça de
fusão.
A Figura 8 ilustra de maneira esquemática e simplificada os detalhes de
funcionamento do processo Plasma, a partir da sua tocha.
Figura 8: Funcionamento do processo Plasma
A formação do arco-plasma se dá devido a um fluxo de gás - denominado gás de
plasma - que é direcionado continuamente para dentro da tocha, fluindo por uma
cavidade na qual um eletrodo de tungstênio é concentricamente posicionado.
Figura 9: Formação do arco plasma
10
Ao final desta cavidade existe um bocal com um furo de diâmetro menor do que o
da cavidade, que constringe a saída do gás. A pressão do gás e o efeito de expansão
térmica na região do arco dentro da cavidade fazem com que o plasma seja expelido da
tocha através do orifício constritor a altas velocidades, atingindo níveis supersônicos. À
medida que passa através do bocal de contrição, o arco-plasma é colimado de tal forma
que o calor gerado fique concentrado em uma área relativamente pequena sobre a peça
a soldar. Como o gás de plasma colimado é incapaz de fornecer proteção adequada à
poça de fusão contra contaminação atmosférica, a proteção da solda contra o meio
ambiente se dá pelo fluxo de um outro gás (denominado gás de proteção) de forma
concêntrica e externa ao jato de plasma.
As três técnicas operacionais
A soldagem a plasma pode ser utilizada em três modos de operação:
microplasma, "melt-in" e "keyhole". Esses três modos de operação são apresentados de
forma esquemática na Figura 10, enquanto a Figura 11 destaca que as espessuras
aplicáveis são tipicamente crescentes no sentido do modo microplasma para o "keyhole"
e que nem todos os modos se aplicam, na prática, para todos os metais de base.
Figura 10: Forma esquemática dos três modos de operação da soldagem a plasma.
Devido à intensidade e concentração do arco (calor), é possível soldar chapas de
até 10 mm de espessura em um único passe. Credita-se ainda ao processo Plasma
maior tolerância à variação do comprimento de arco (distância da tocha em relação à
peça a soldar) e maior eficiência térmica de fusão, resultando em soldas de menor
volume e com menores níveis de tensões ou distorções residuais. Essas vantagens,
aliadas a outras características positivas, têm colocado o processo de soldagem a
plasma em concorrência direta com outros processos convencionais, não só com o TIG,
mas mesmo com o MIG/MAG, em diversas aplicações.
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Figura 11: Aplicação da soldagem a plasma em função do material e espessura.
O processo Plasma talvez pudesse ter tido melhor receptividade no mercado se
tivesse sido apresentado como uma nova versão do processo TIG e não como um outro
processo.
Figura 12: Diferença entre TIG e Plasma
Aplicação:
A maior aplicação industrial do processo de soldagem a plasma reside na
fabricação de equipamentos de aços inoxidáveis, com chapas de espessuras médias (3
a 8 mm) e dos que requerem cordões longos, como é o caso de tanques e reatores para
a indústria química e de bebidas.
De uma forma geral, a aplicação do processo Plasma se torna típica em
soldagens de alta produção, quando as desvantagens relacionadas com os custos são
superadas pelas vantagens intrínsecas ao process, como:
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Vantagens:
Maior concentração de energia e densidade de corrente, conseqüentemente, 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)
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.
Desvantagens
Inerente complexidade operacional. Há exigência de melhor preparação da junta
(menor tolerância) e maior domínio da regulagem dos parâmetros, assim maior
qualificação da mão de obra.
limitada oferta de sistemas de soldagem a plasma e o custo relativamente alto
destes equipamentos, principalmente se comparado ao processo TIG.
Maior consumo de gases.
Porém, considerando a maior acessibilidade a tecnologias modernas de
fabricação (eletrônica de potência, novos materiais, usinagem de precisão, etc.), a oferta
de equipamentos dedicados ao processo Plasma é atualmente maior, com tendência de
preços menores.
Os pontos críticos para a sua difusão hoje se concentram, efetivamente, na falta
de informações consolidadas sobre a regulagem dos parâmetros de soldagem e sobre
os materiais realmente soldáveis.
Figura 13: Soldagem a plasma automatizada
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3.0 Descrição da Prática
3.1 Equipamentos e materiais
Equipamentos:
Fonte de Tensão
Cilindro de Gás
Manômetro
Bobina de Metal de Adição
Tocha, bocal e bicos de soldagem
Material:
2 chapas de alumínio
3.2 Procedimento
Descrição da Prática
Primeiro foram apresentados os cuidados com segurança, reforçando a necessidade do uso dos equipamentos individuais de proteção, como luvas, máscaras e aventais.
Em seguida apresentou os equipamentos para a execução da solda e demonstrou
o processo de soldagem utilizando MIG em duas chapas de alumínio, destacando as técnicas e os cuidados a serem observados nesse processo.
Utilizando os equipamentos de proteção como luva de couro, jaleco, máscara de solda e as duas chapas iniciou a prática, onde todos os alunos fizeram um cordão de solda.
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4.0 Questões
4.1 Explique quais os cuidados devem ser tomados na soldagem de metais não ferrosos, utilizando este processo.
Para todos os metais não ferrosos limpar muito bem a superfície da peças antes
da soldagem, fazer um pré aquecimento do material base e manter baixa a velocidade de solidificação para posição plana.
Para o alumínio e suas ligas usa-se argônio puro, enquanto que para o cobre e
suas ligas apresenta bom resultado uma mistura de argônio com 70% de Hélio ou argônio puro para chapas muito finas.
Como a condutividade térmica do alumínio é 3 a 5 vezes maior que a do aço, o
calor de soldagem é menos eficientemente usado na soldagem desse metal. Assim, o uso de pré-aquecimento e de um maior aporte térmico é comum na soldagem de juntas de maior espessura de alumínio para garantir a formação da poça de fusão e evitar problemas de falta de fusão. O pré-aquecimento, na soldagem do alumínio, não deve ser superior a 205ºC.
O modo de transferência mais usado é o spray, sendo a soldagem com curto circuito difícil ou impossível, pois a baixa resistividade elétrica do arame de alumínio tende a tornar o processo difícil de ser controlado. Em função da baixa resistência mecânica dos arames de alumínio, o correto ajuste do sistema de alimentação de arame é fundamental para se evitar problemas (dobramento do arame na entrada e conseqüente interrupção de sua alimentação), particularmente, na soldagem de arames de menor diâmetro.
Cobre é o metal de uso comercial de condutividade térmica mais elevada
necessitando, para controle da fusão na sua soldagem, de pré-aquecimentos ainda maiores que o alumínio. Por exemplo, para a soldagem de uma junta de 12 mm de espessura, recomenda-se um pré-aquecimento de cerca de 400ºC para a soldagem com argônio.
4.2 Este processo é utilizado somente para soldagem de metais não
ferrosos? Caso não seja, quais os tipos de metais e peças que podem ser
soldadas utilizando este processo ?
Não, a soldagem Mig pode ser usada tanto em materiais ferrosos como não
ferrosos.
Pode ser soldados aços carbono, aços baixa liga, aço inox,
alumínio, cobre, magnésio, níquel e suas ligas.
Praticamente todos os metais podem ser soldados se for encontrado o eletrodo
para estes materiais.
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4.3 Quais os tipos possíveis de transferência metálica com este processo?
Para o processo MIG há 4 tipos de transferência metálica: Globular, por Spray, por curto-circuito e arco pulsante.
a) Por transferência globular - ocorre com uma corrente baixa em relação ao tamanho do
eletrodo. O metal se transfere do eletrodo para a peça como glóbulos, cada um maior em diâmetro que o eletrodo. Os glóbulos se transferem para a poça sem muita direção e aparecimento de salpico é bem evidente.
b) Por transferência por spray ou por pulverização axial - ocorre com correntes altas. O
metal de adição fundido se transfere através do arco como gotículas finas. Com a transferência por spray a taxa de deposição pode chegar até a 10 kg/h. Entretanto, essa taxa de deposição restringe o método à posição plana devido a grande quantidade de material depositado e a fluidez da poça de fusão.
c) Por transferência por curto circuito - pode requerer uma fonte de energia especial. A fusão inicia-se globularmente e a gota vai aumentando de tamanho até tocar a poça de fusão, produzindo um curto circuito e extinguindo o arco. Sob a ação de determinadas forças, a gota é transferida para a peça. Este processo permite soldagem em todas as posições e é um processo de energia relativamente baixa, o que restringe seu uso para espessuras maiores.
d) Por soldagem a arco pulsante - mantém um arco de corrente baixa como elemento de fundo e injeta sobre essa corrente baixa, pulsos de alta corrente. A transferência do metal de adição é pelo jato de gotículas durante esses pulsos. Esta característica da corrente de soldagem faz com que a energia de soldagem seja menor, o que torna possível a soldagem na posição vertical pelo uso de arames de diâmetros grandes. Para se obter este modo de transferência deve-se utilizar fontes de energia especiais, capazes de fornecer corrente pulsada, com períodos de pulso controláveis.
4.4 Compare este processo com o processo se soldagem TIG.
Soldagem TIG é a união de metais pelo aquecimento e fusão destes com um arco
elétrico estabelecido entre um eletrodo NÂO CONSUMÌVEL de tungstênio e a peça.
O arame é alimentado de maneira MANUAL.
A proteção durante a soldagem é conseguida com um gás inerte ou mistura de
gases inertes, que também tem a função de transmitir a corrente elétrica quando
ionizados durante o processo.
A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição.
Já o MIG também é um processo de soldagem a arco elétrico, mas com eletrodo
CONSUMÍVEL sob proteção gasosa, que utiliza como eletrodo um arame maciço que é
alimentado de maneira AUTOMÁTICA e como proteção gasosa um gás também inerte,
mas os gases são diferentes.
O processo TIG em relação ao processo MIG, possui taxa de deposição menor e
custo mais elevado.
Além disto, não pode ser executado em locais com corrente de ar, emite uma alta
intensidade de radiação ultravioleta e pode contaminar a solda por tungstênio.
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5.0 Conclusão
Conclui-se que com esse trabalho podemos compreender como é feito o processo
de soldagem com MIG, seus equipamentos, funções e utilizações.
Trata-se de um processo muito viável, graças ao tempo total de execução de
soldas, que é cerca da metade do tempo se comparado ao eletrodo revestido,
apresentando alta taxa de deposição e velocidade do metal de solda com menos
distorção nas peças.
Além de apresentar cordões de solda com bom acabamento, facilidade de
operação, a alimentação do arame é mecanizada e contínua, assim a habilidade manual
requerida para o soldador no processo MIG é menor do que a necessária para a
soldagem com eletrodos revestidos.
Porém o custo é mais elevado que eletrodo revestido, a otimização de parâmetros
é mais difícil de ser feita devido ao maior número de variáveis existentes neste processo,
como regulagem da velocidade do arame, do fluxo de gás e da potência da solda e
também não pode ser usada em presença de corrente de ar, devido o vento levar o gás.
É muito utilizada para soldar metais não ferrosos como alumínio, aços inoxidáveis
e ainda pode ser usada para soldar aços carbono.
6.0 Referências Bibliográficas
Disponível em <http://www.nei.com.br/artigos/artigo.aspx?i=66/Vantagens e limites atuais soldagem a plasma> Acesso em 15/10/11
Disponível em <http://www.cimm.com.br> Acesso em 09/10/11
Disponível em <INFOSOLDA.COM.BR> Acesso em 09/10/11
Modenesi, Paulo J. e Paulo Villani Marques . Apostila Universidade federal de Minas Gerais- soldagem I – introdução aos processos de soldagem , novembro de 2000.
Apostila Fabricação Mecânica - Unip
