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Revista do Aço

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco Elétrico

Aço 2017/09/12 Capa Nenhum Comentário
Gases de Proteção para Soldagem ao Arco Elétrico

Este descreve uma pesquisa experimental elaborada no laboratório de Soldagem da FATEC unidade deSão Paulo, buscando demonstrar a influência dos gases de proteção em suas varias combinações no processo de soldagem. O processo de soldagem aplicado foi o MIG/MAG, com a utilização de gases puros e misturas variadas. Os equipamentos utilizados foram:

O conjunto Lincoln Eletricfonte S 350 e alimentador de arame LF 45. A leitura do relatório do equipamento de soldagem foi demonstrado pelo Laptop. A proteção gasosa foi feita através do conjunto de misturador ternário CO2/Ar/O2 de gases WITT.

INTRODUÇÃO

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoO conhecimento da função de cada gás e como poderá influenciar sobre o processo de soldagem que está sendo aplicado poderá beneficiar muito o desempenho da produção. O gás de proteção tem um efeito significativo sobre vários parâmetros do cordão de solda como exemplo podemos citar que é determinante:

• Na velocidade de soldagem;

• No perfil de penetração;

• No aspecto do cordão;

• Além de influenciar no aporte térmico, quantidade de respingos.

Os gases de proteção fornecem uma vantagem competitiva na redução dos custos de fabricação e através do aumento da produção reduzindo taxas de rejeição e melhoria da qualidade.

Muitos profissionais que trabalham com soldagem não conhecem as contribuições vantajosas dos gases de proteção para o processo de soldagem. Os gases de proteção podem influenciar também no modo de transferência metálica, no teor de liga, na geração de fumos e em muitas outras características.

A seleção adequada do gás de proteção para o processo MIG/MAG, ou soldagem com arame tubular, e com TIG pode trazer melhoria na velocidade de soldagem, na qualidade do cordão de solda, bem como na taxa de deposição (kg/h).

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoPara se ter um conhecimento das propriedades dos gases apresenta-se a Tabela 1

Qual o impacto na qualidade, produtividade e qualificação de soldagem?

OBJETIVOS DA PESQUISA

Identificar a influência dos gases de proteção no processo de Soldagem, demonstrando através de relatórios e da confecção de corpos de provas no laboratório de soldagem do departamento de soldagem da FATEC-SP, a qualidade dos cordões de solda, quantidade de respingos.

CONCEITOS GERAIS

1. Gases Puros

Os gases puros são utilizados para proteção do arco elétrico para a soldagem. Os principais são: Argônio, Hélio e Dióxido de Carbono. Estes gases podem ter efeitos tanto positivos como negativos no arco de elétrico de soldagem.

Argônio

É um gás monoatômico comumente utilizado para o processo de soldagem TIG empregado em todos os materiais base, já no processo MIG é empregado na soldagem de metais não ferrosos. O argônio é quimicamente inerte, tornando-o adequado para a soldagem em metais reativos ou refratários.

Este gás tem uma condutividade térmica e potencial de ionização baixo, essas propriedades resultam em uma baixa transferência de calor para as zonas externas do arco, isso forma uma coluna estreita no arco elétrico proporcionando dessa forma um perfil de penetração profundo e relativamente estreito veja Figura 2. No processo MIG o argônio puro promove a transferência tipo spray.

Figura 2 – Gás argônio perfil de penetração profundo e relativamente estreito.

Hélio

O gás He é também um gás inerte monoatômico, mais comumente utilizado para o processo de soldagem TIG nos USA em materiais não ferrosos. Em contraste com Argônio, o Hélio tem um elevado potencial de ionização e condutividade elétrica. O Hélio fornece um perfil de cordão com maior largura, boa molhagem na margem da solda, e promove um aporte de calor mais elevada do que Argônio puro.

O alto potencial de ionização pode criar dificuldades para se iniciar o arco elétrico, dessa forma indica-se o uso de alta frequência ou capacitiva para abertura de arco no TIG.

Devido ao baixo peso atômico do Hélio ele é consequente mais leve do que o ar, é recomendado vazões de gás ligeiramente mais elevadas, porque o gás tende a elevar-se acima do ar. O gás Hélio puro promove uma transferência globular e é raramente utilizado para MIG/MAG, com a exceção da soldagem de cobre puro.

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoFigura 3 – Gás hélio fornece um perfil de cordão largo e média penetração.

Dióxido de Carbono

O dióxido de carbono, também conhecido como CO2, geralmente é utilizado para o processo de soldagem MIG/MAG e Arame Tubular com transferência em curto-circuito. O CO2 é uma molécula composta com interações bem complexas na coluna do arco elétrico, quando esse gás entra em contato com as altas temperaturas do arco; o CO2 é dissociado em CO e O2, isso cria um potencial de oxidação do metal base e essa adição provoca perda de elementos de liga na poça de solda, ao mesmo tempo em que ocorre a dissociação e também a recombinação do CO e O2; isso provoca um baixo potencial de ionização e condutividade térmica, tendo como consequência uma zona quente no centro da coluna do arco. Este fenômeno tende geralmente a fornecer um perfil equilibrado de largura e profundidade de penetração.

Para aplicações MIG/MAG, o CO2 puro é incapaz de produzir transferência spray em fontes convencionais, e promove a transferência globular, o que pode causar uma grande quantidade de respingos.

Já para aplicações de arame tubular o CO2 puro é produz transferência globular e em combinação com alguns fluxos transferência por spray, promovendo menor penetração da solda do que quando comparado com misturas gasosas.

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoFigura 4 – Gás CO2 fornece um perfil equilibrado de largura e profundidade de penetração

2. Gases utilizados em Misturas

Misturas gasosas utilizadas podem combinar vantagens separadas de dois ou mais gases. A alta porcentagem de gás inerte em misturas gasosas tem como consequências altas eficiências de transferência. Combinações contendo argônio possibilitam proteção da possa de fusão na temperatura de soldagem.

A seguir temos a tabela de Misturas gasosas usuais na soldagem, relacionando os processos de soldagem com o tipo de gás e material a ser soldado.

Oxigênio

O gás O2 é uma molécula com dois átomos, geralmente é adicionado como componente ativo no gás de proteção utilizado no processo MIG/MAG, e as misturas têm concentrações de O2 com menos de 10 por cento.

O oxigênio tem um aporte de calor maior, pois é o resultante da sua energia de ionização e sua energia de dissociação (energia liberada pela divisão da molécula em átomos individuais no arco), por este motivo o oxigênio promove uma melhor penetração, menos profunda, mas com maior largura de cordão, devido ao seu elevado aporte de calor na superfície.

A explicação para esse fenômeno é que uma vez que a geração de calor é mais intensa a tensão superficial do metal em fusão tende a ser reduzida.

Com a geração de calor mais intensa, a tensão superficial do metal em fusão tende a ser reduzida e a transferência por spray é facilitada, dessa forma o cordão fica mais espalhado e plano.

A aplicação mais comum para o uso da mistura Oxigênio/Argônio para o processo MIG/MAG em aço carbono é a necessidade de perfil de penetração mais largo.

O oxigênio é também utilizado em misturas ternarias em pequenas porcentagens junto com CO2 com o objetivo de melhorar a molhagem do cordão e pulverização das gotas em modo spray.

Hidrogênio

O hidrogênio H2 é um gás diatômico, é adicionado intencionalmente para ser ativo, utiliza-se em misturas com concentrações inferiores a 10% favorecendo uma boa penetração.

O Hidrogênio é usado principalmente na soldagem de aços inoxidáveis austenítico para promover a remoção de óxido e aumentar o aporte de calor. Tal como acontece com todas as moléculas diatômicas esta tem grande poder de aquecimento, porém deve ser utilizado cuidadosamente, pois como é amplamente conhecido o hidrogênio não é adequado para os aços ferríticos ou martensíticos por causa de problemas de trincas a frio.

Nitrogênio

O N2 é pouco usado em proteção gasosas, este é usado principalmente para promover a formação de austenita e melhorar a resistência à corrosão em aços inoxidáveis duplex e super-duplex, pois, devido as caraterísticas do ciclo térmico dos processos de soldagem, tende a formar mais ferríta.

Por ser um gás relativamente mais barato que o Argônio em algumas circunstâncias ele é usado como gás de proteção da raiz de soldas no processo TIG em aços inoxidáveis, porém da mesma forma que ele induz a formação de austenita e também pode inibir a formação de ferríta, sabe-se que a soldagem com o número de ferríta (FN) menor do que FN 4 deve ser evitada, pois causa uma grande propensão de trincas a quente em aços austenítico.

MISTURA GASOSA

80% Ar + 20% CO2

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoEsta mistura tem desempenho semelhante ás adições de 22% e 25% Pode soldar aço de carbono indicado para transferência curto circuito ou spray.

85% Ar + 15% CO2

Esta mistura é indicada para uma variedade de aplicações em carbono e aços de baixa liga no modo de transferência curto-circuito de, principalmente indicada para espessuras finas e onde se quer altas velocidades de soldagem, menor quantidade de respingos com consequente aumento das taxas de deposição. Isso se deve a redução da quantidade dióxido de carbono com transferência spray.

90% Ar + 10% CO2

Esta mistura tem quase o mesmo desempenho que a mistura com 5% e podem ter composições de 8%, mas com o aumento do aporte de calor deixa o cordão mais plano e a poça de solda mais fluida, indicada para transferência em curto-circuito ou spray.

95% Ar + 5% CO2

Esta mistura é indicada para a transferência por pulso ou spray e também por transferência curto-circuito em uma variedade de espessuras de material bem grande. Muito utilizada para soldagem de aços baixa liga Aços e soldagem fora de posição, esta mistura tem menos respingos e uma poça mais controlável do que uma mistura de argônio e oxigênio.

95% Ar + 5% O2

Esta mistura proporciona uma poça de fusão mais fluida, mas com melhor controle da poça de fusão, indicado para soldar aço de carbono em geral, O oxigênio permite velocidades de soldagem mais elevadas.

90% Ar + 5% CO2 + 5% O2

Pouco utilizada, somente em aplicações especiais onde se procura um balanceamento entre velocidade de soldagem e qualidade de cordão.

80% Ar + 15% CO2 + 5% O2

Pouco utilizada, somente em aplicações especiais onde se procura um balanceamento entre velocidade de soldagem e qualidade de cordão.

98% Ar + 2% O2

Esta mistura é indicada para soldar com arco de spray aços baixa liga, Aços Inoxidáveis. O oxigênio fornece maior ação de molhagem do que a mistura de oxigênio de 1%. As Propriedades mecânicas e a resistência à corrosão com adições 1% e 2% são semelhantes, mas aparência será mais escuro e mais oxidado para as misturas 2%.

EXPERIMENTO

A seguir apresentamos os cordões de solda com vários perfis com penetração e aparência de cordão obtidos no experimento realizado no laboratório de Soldagem – FATEC/SP.

Podemos analisar nas fotos acima que há diferenças no processo pelos cordões feitos com curva características convencional e curva características pulsada. Observando os cordões quanto a variação gasosa podemos verificar:

• Quantidade de metal depositado;

• Largura do cordão;

• Quantidade de respingos;

• Aparência do cordão.

Gases de Proteção para Soldagem ao Arco ElétricoO CO2 pode ser usado sozinho para aplicações no processo GMAW como gás de proteção. OCO2 é um gás reativo, dissocia-se em monóxido de carbono e oxigênio livre no calor do arco. O Oxigênio, em seguida, combina-se com elementos de transferência através do arco para formar óxido sob a forma de escória, e também ajuda a gerar uma grande quantidade de fumaça. Embora o CO2 seja um gás ativo e produz à oxidação do material de solda, a aparência das soldas pode ser obtida de forma consistente com a seleção cuidadosa do metal de adição.

O gás CO2 é geralmente utilizado para soldagem de aço carbono, porque é prontamente disponível e produz boas soldas a um baixo custo. Contudo, o baixo custo por unidade de gás nem sempre é traduzido para o menor custo de solda depositada. Outros fatores, como menor eficiência de deposição é devido à perda por respingos, geram altos níveis de fumo de solda, produzindo soldas pobres por conta de perfil do cordão e redução da força de tração que podem influenciar o custo de soldagem final, e deverá ser cuidadosamente considerada.

Peças soldadas podem necessitar de uma operação de limpeza antes da pintura, que pode mais do que compensar o menor custo do gás de proteção CO2. As vantagens de gásCO2 são:

• Boa profundidade e largura da fusão e a obtenção de propriedades mecânicas aceitáveis.

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