O que é soldagem a plasma (PAW)?

Introdução

O processo de soldagem por arco plasma, também conhecido por PAW (Plasma Arc Welding), é aquele em que a fusão dos metais é provocada por um arco elétrico constritor, estabelecido entre um eletrodo de tungstênio e a peça de trabalho. O Plasma que denomina esse processo refere-se ao gás que é ionizado.

Assim como no processo TIG, o eletrodo de tungstênio não é consumível. O arco é chamado constrito ou constringido porque é limitado por um bocal que restringe o diâmetro do arco e aumenta a intensidade da fonte de calor.

Esse arco está envolvido por uma atmosfera protetora proporcionada por dois fluxos de gases. Primeiro, o gás plasma fica ao redor do eletrodo não consumível de tungsténio, formando o núcleo do arco plasma. Esse gás que normalmente é o argônio, sai do bocal constritor sob a forma de um jato altamente aquecido, chamado plasma.

O segundo é o gás de proteção que evita a contaminação da poça de fusão. Esse gás passa por um bocal externo, concêntrico ao bocal constritor, e funciona como proteção; este gás pode ser inerte ou uma mistura de gases inertes.

Este artigo pressupõe que você já tem noções sobre soldagem. Precisa de uma introdução sobre soldagem ou um material sobre o que é soldagem?

Obs.: Aqui falo apenas do processo de soldagem a plasma (PAW), para saber sobre os outros processos de soldagem siga o link.

Diferenças entre TIG e plasma

A soldagem a plasma é um processo muito similar ao TIG. Basicamente trata-se de um modificação visando um aumento de produtividade.

O processo de soldagem por arco plasma assemelha-se muito ao processo TIG pelo fato de utilizar eletrodos não consumíveis e gases inertes. As diferenças estão no tipo de tocha e na tensão do arco elétrico utilizados, além dos recursos necessários à fonte de energia (também conhecida como máquina de solda).

É importante notar que os dois processos apresentam regiões com as mesmas temperaturas máximas; no entanto, a constrição do arco origina uma substancial mudança na concentração de calor na superfície da peça, tornando-a mais favorável ao processo de soldagem.

Aplicações

O processo por arco plasma é utilizado para unir a maioria dos metais que podem ser soldados pelo processo TIG. Assim, aços carbono, aços-liga, aços inoxidáveis, ligas refratárias, ligas de titânio, são soldados convenientemente por este processo.

Também pode ser aplicado em espessuras de 0,02 até 6mm, de forma econômica. Para espessuras de 2,4 a 6mm é utilizada a técnica de soldagem conhecida por "keyhole".

No entanto, 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.

Também é relatada a aplicação na indústria aeroespacial, na soldagem de ligas especiais de alumínio. Apesar de menos comum, o processo Plasma pode ser aplicado em uniões de aços ao carbono, como na soldagem da parte superior de amortecedores destinados à indústria automobilística.

Como outros exemplos de aplicação 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.

O campo de aplicações deste processo se estende à soldagem de compressores e demais componentes para a linha branca, além de eixos e componentes estruturais para veículos automotores, o que incluiria a confecção dos chamados “tailored blanks”.

O termo “tailored blanks” se refere a painéis conformados a partir de várias chapas de aço soldadas como uma “colcha de retalhos” (cada uma das partes podendo ter espessura e propriedades mecânicas diferentes).

De uma forma geral, a aplicação do processo Plasma se torna mais comum em soldagens de alta produção, quando as desvantagens relacionadas com os custos são superadas pelas vantagens intrínsecas ao process

Vantagens

As vantagens do processo de soldagem por arco plasma, em relação ao processo TIG ou a outro processo de soldagem convencional são: 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 0,05mm; o arco é mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constância 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 das grandes vantagens do processo Plasma, principalmente em se tratando de logística (operações de compra, transporte e estoque de material), é a possibilidade de supressão do uso de arame (metal de adição).

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.

Limitações

É importante apontar que este processo tem uma inerente complexidade operacional. Há exigência de melhor preparação da junta (menor tolerância) e maior domínio da regulagem dos parâmetros. A exigência de menor tolerância na preparação e fixação das partes da junta direciona este processo para linhas automatizadas, como se vê na Figura abaixo.

Outra desvantagem é a limitada oferta de sistemas de soldagem a plasma e o custo relativamente alto destes equipamentos, principalmente se comparado ao processo TIG.

Desvantagens

As desvantagens do processo de soldagem por arco plasma são:
  • Alto custo do equipamento (duas a cinco vezes mais que o do TIG);
  • Manutenção cara e mais frequente da tocha;
  • Maior consumo de gases;
  • Exigência de maior qualificação da mão de obra.

Crítica

Os pontos críticos para a difusão da soldagem a plasma se devem em parte graças a falta de informações consolidadas sobre a regulagem dos parâmetros de soldagem e sobre os materiais realmente soldáveis.

Entretanto, apesar de já ser conhecido há anos através da literatura clássica, o processo Plasma ainda não encontra grande aplicação no meio industrial, principalmente em países onde o desenvolvimento industrial ainda está em crescimento, como no Brasil. Porém, na Alemanha esse processo tem sido amplamente utilizado em aplicações específicas por se mostrar mais eficiente que outros processos a arco.

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.

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. Ao introduzir um novo processo, é importante relacioná-lo com as necessidades finais dos usuários.

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 um 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.

Fundamentos

O plasma é um elemento importante na soldagem por arco plasma.Costuma-se pensar normalmente em três estados da matéria: o sólido, o líquido e o gasoso. O elemento mais conhecido, a água, tem três estados físicos: o gelo, a água e o vapor; a diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram.

Quando se adiciona energia sob forma de calor ao gelo, este transforma-se em água, que sendo submetida a mais calor, vaporizará. Se mais energia for adicionada, algumas de suas propriedades, tais como temperatura e características elétricas, serão modificadas substancialmente. Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás.

Quando isto acontece,o gás torna-se um plasma eletricamente condutor, isto é, os elétrons livres transmitem corrente elétrica. Por isso que o plasma é considerado o quarto estado da matéria
Alguns dos princípios aplicados à condução da corrente através de um condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a secção de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência aumenta e torna-se necessário aumentar a tensão para obter o mesmo número de elétrons atravessando esta secção; em consequência, a temperatura do metal aumenta.

O mesmo fato pode ser observado no plasma: quanto mais reduzida for a secção, tanto maior será a temperatura.

A soldagem por arco plasma é feita por meio de duas técnicas de trabalho, que são a fusão e a técnica chamada "keyhole".

Fusão

A soldagem por fusão, semelhante a outros processos a arco, é geralmente empregada na soldagem manual com um ou mais passes, com correntes de soldagem baixas e fluxo de gás também baixo. É possível adicionar metal de adição à poça de fusão, sob forma de vareta.

"Key hole”

Na técnica "keyhole", o jato de plasma faz um pequeno furo na região da junta; este furo é estendido com o movimento da tocha e, durante o deslocamento, o metal fundido pelo arco se movimenta em torno do plasma, formando a poça de fusão; esta fecha o furo na região e se solidifica, soldando a junta.

Por que o argônio?

O argônio tem sido o preferido na soldagem com baixas correntes em razão de seu maior potencial de ionização. Ele promove melhor limpeza das camadas de óxidos de metais reativos e facilita a abertura do arco elétrico. É utilizado nos trabalhos com aços carbono, aços de alta resistência e metais reativos como titânio e zircônio. O quadro ilustra a utilização de misturas de gases na soldagem de chapas espessas.

Podem-se aplicar outros gases inertes como o hélio puro ou misturado com argônio, porém estes requerem tensões mais altas para abertura do arco. A utilização do hélio (He) desenvolve maior energia no plasma, portanto, a refrigeração do bocal do orifício deve ser muito eficiente.
Misturas de argônio e hidrogênio também são utilizadas para o plasma, com a vantagem de que o hidrogênio tem caráter redutor e capacidade de aumentar a composição do arco, reduzindo o risco de mordeduras e aumentando a velocidade de soldagem.

Equipamentos de soldagem

A soldagem por arco plasma pode ser feita manualmente ou por meio de máquinas, com algumas adaptações. Os dois processos são amplamente utilizados e podem ser empregados em qualquer posição. O equipamento consiste de fonte de energia, sistema de abertura do arco, tocha de soldagem plasma, cilindros de gases e sistema de controle.

Fonte de energia

A fonte de energia utilizada é de corrente constante, podendo ser retificador, gerador ou inversores, utilizando-se corrente contínua e 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 com tensão em vazio entre 65V e 80V podem ser adaptadas para soldagem com a colocação de sistemas de abertura de arco piloto, pré e pós vazão.

Gerador de alta frequência

Para abrir o arco utiliza-se um gerador de alta frequência para estabelecer um arco piloto. No caso de trabalhar com arco transferido, usa-se geralmente o arco piloto, que necessita de uma fonte auxiliar de energia de baixa capacidade para a alimentação.

Tocha

A tocha serve para fixar o eletrodo de tungstênio e direcionar o arco elétrico; é provida de um punho para o manuseio do soldador, um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo, condutos para passagem de gás e água de refrigeração, um bico de cobre com o orifício para a constrição do arco elétrico e um bocal de cerâmica para isolação e proteção do operador.

Em uma tocha de plasma, a ponta do eletrodo é recolhida em um bocal, através do qual o plasma flui. O gás ioniza-se ao passar pelo arco elétrico formando o plasma, que é a dissociação das moléculas em átomos e estes em íons e elétrons.

O gás aquecido dentro do bocal sofre um enorme aumento de pressão e, por ter de sair através de um pequeno orifício, adquire altas velocidades, da ordem 6 Km/s, acentuando o fenômeno de dissociação.

Algumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e do arco; outras possuem outros orifícios para a passagem do gás auxiliar, permitindo maiores velocidades de soldagem.

Cilindros de gás

Os cilindros de gás constituem as fontes de gás ionizável e de gás de proteção; são providos de reguladores de pressão, de vazão e mangueiras. O controle da vazão do gás deve ser de grande precisão, pois esta é uma variável importante no processo.

Sistema de controle

O sistema de controle existe para permitir o ajuste das variáveis de soldagem e o acionamento dos equipamentos e dos dispositivos auxiliares, quando se trata de soldagem mecanizada. Esses dispositivos são semelhantes aos usados na soldagem pelo processo TIG, isto é, alimentadores de arame, sistemas de movimento, de oscilação do arco, entre outros.

Soldagem manual e mecanizada

Na soldagem manual, o metal é depositado por gotejamento, sendo adicionado por uma das mãos enquanto a outra controla a poça de fusão. Na soldagem mecanizada, a bobina de arame é colocada em um alimentador automático com velocidade constante. O sistema automático é utilizado quando a corrente de soldagem ultrapassa 100 A; pode também ser aplicado quando o arame é pré-aquecido por efeito Joule, devido à passagem de uma corrente elétrica através dele, antes de atingir a poça de fusão.

Tipos e funções dos consumíveis

Os consumíveis utilizados na soldagem por arco plasma são: metal de adição, gás de ionização (plasma) e gás de proteção. O eletrodo de tungstênio não é considerado consumível mas ele também se desgasta com o tempo.
  • O metal de adição tem a função de introduzir material para enchimento e facilitar a união.
  • O plasma tem a função de prover um meio para a transferência de elétrons do eletrodo para a peça (Ou vice versa)
  • O gás de proteção tem a função de blindar a poça de fusão da contaminação pelo ar atmosférico.

Preparação e limpeza da junta

A preparação e limpeza das juntas para a soldagem Plasma requerem todos os cuidados exigidos para a soldagem TIG, com atenção especial a:
  • A limpeza do chanfro e bordas devem ser ao metal brilhante, numa faixa de 10 mm, pelos lados interno e externo.
  • Quando da deposição da raiz da solda deve ser empregada a proteção, por meio de gás inerte, pelo outro lado da peça. A este gás injetado na raiz da junta, chamamos de Purga. Para os aços carbono não é necessária a proteção.
Na soldagem plasma "keyhole", a preparação das juntas é decisiva para o resultado da soldagem. As juntas de topo podem ser ajustadas para executar soldas sem metal de adição. Com ajustes pouco precisos, trabalha-se com arame de adição; neste caso, a preparação dos chanfros pode prever uma altura maior do nariz, de modo a reduzir o volume de metal de adição.

Descontinuidade induzidas

O inspetor de soldagem deve notar que, devido as similaridades com o processo TIG, o processo PAW pode gerar os mesmo tipos de descontinuidades.
Assim como o TIG o processo PAW não gera escória.

Considerações quanto à segurança

O arco formato entre o eletrodo de tungstênio o a poça de fusão é formado por um gás  inerte. Como o metal de adição é adicionado diretamente na poça de fusão, o metal não passa através do arco então é considerável menor a emissão de fumos.

No caso da soldagem de alumínio ou de aço inox podem ser gerados níveis inaceitáveis de  ozônio. Por causa disso, devem ser providenciados meios para que o mesmo seja retirado do  ambiente de trabalho. Também deverão ser providenciados cuidados quanto aos campos elétricos e magnéticos que são gerados.

Links, referências e processos relacionados

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Soldagem: O que é soldagem a plasma (PAW)?
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