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1 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Soldagem MIG/MAG (GMAW) Fundamentos Equipamento Consumíveis Técnica Operatória Aplicações So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A soldagem a arco gás metal (Gas Metal Arc Welding – GMAW) é um processo em que a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento destas com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico nu, consumível, e a peça de trabalho. A proteção do arco e da região da solda contra contaminação pela atmosfera é feita por um gás ou mistura de gases, que podem ser inertes ou ativos. No Brasil, o processo é conhecido como MIG (Metal Inert Gas) ou MAG (Metal Active Gas) quando o gás usado é inerte ou ativo, respectivamente. 2 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A soldagem MIG/MAG é um processo normalmente semi-automático, isto é, a alimentação de arame eletrodo é feita mecanicamente, através de um alimentador motorizado, e o soldador é responsável pela iniciação e interrupção da soldagem, além de mover a tocha ao longo da junta. A manutenção do arco é garantida pela alimentação contínua de arame eletrodo e o comprimento do arco é em princípio, mantido aproximadamente constante pelo próprio sistema, independentemente dos movimentos do soldador, dentro de certos limites. 3 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A soldagem GMAW pode ser usada em materiais numa ampla faixa de espessuras. O diâmetro dos eletrodos usados varia normalmente entre 0,8 e 3,2mm. O processo MAG é utilizado apenas na soldagem de materiais ferrosos, tendo como gás de proteção o CO2 ou misturas ricas neste gás, enquanto a soldagem MIG pode ser usada tanto na soldagem de ferrosos quanto de não-ferrosos, como Al, Cu, Mg, Ni e suas ligas. Espessura (mm) ► 0,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10,0 12,7... Procedimento Passe único sem preparação Passe único com preparação Passes múltiplos ... So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Principais vantagens da soldagem MIG/MAG: alta taxa de deposição, alto fator de ocupação do soldador, grande versatilidade (materiais e espessuras aplicáveis), ausência de fluxos de soldagem e operações de remoção de escória e limpeza e necessidade de menor habilidade do soldador. Principais limitações: maior sensibilidade à variação dos parâmetros do arco, forte interdependência destes, necessidade de um ajuste preciso para se obter certas características desejadas para a solda, maior custo do equipamento, maior necessidade de manutenção e menor variedade de consumíveis. (em comparação a soldagem com eletrodos revestidos). 4 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A soldagem GMAW e a com arame tubular (FCAW) são as que apresentaram o maior crescimento de utilização nos últimos anos, em escala mundial, devido à tendência à substituição da soldagem manual por processos semi-automáticos e mecanizados e soldagem automática e com utilização de robôs. A transferência de metal é muito importante na soldagem GMAW pois a estabilidade do arco, a quantidade de gases absorvida pelo metal fundido, a aplicabilidade do processo em determinadas posições de soldagem e o nível de respingos gerados. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Simplificadamente pode-se considerar que existem quatro formas básicas de transferência de metal de adição do eletrodo para a peça: por curto-circuito, globular, por “spray” ou aerosol e transferência controlada. Estudos feitos com o uso de câmaras filmadoras e sistemas de aquisição de dados de alta velocidade mostraram que outras formas de transferência podem ocorrer, dependendo do material, do gás de proteção e dos parâmetros de soldagem. 5 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos As quatro formas básicas de transferência de metal de adição do eletrodo para a peça são: transferência por curto-circuito, transferência globular, trans- ferência por “spray” ou aerosol e transferência controlada. Estudos feitos com o uso de câmaras filmadoras e sistemas de aquisição de dados de alta velocidade mostram que outras formas de transferência podem ocorrer, dependendo do material, do gás de proteção e dos parâmetros de soldagem. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A transferência por curto circuito ocorre para baixos valores de tensão e corrente e é normalmente usada na soldagem fora de posição ou em peças de pequena espessura (baixa energia de soldagem). Este modo de transferência caracteriza-se por instabilidades no arco e a formação de respingos, que pode ser limitada pela seleção adequada de parâmetros de soldagem e ajuste de indutância da fonte. A estabilidade do arco e do processo aumentam com a freqüência de curto-circuito, até um certo limite. 6 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Transferência globular: valores intermediários de tensão e corrente de soldagem e resulta em arco mais estável que no caso anterior, contudo a transferência é mais caótica e imprevisível. O diâmetro médio das gotas transferidas varia com a corrente, tendendo a diminuir com o aumento desta, mas em geral é maior que o diâmetro do eletrodo. É caracterizada por um nível elevado de respingos de grande volume e normalmente é evitada. 7 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos 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”. Corrente Nº de gotas Volume das gotas Corrente de transição 8 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Transferência spray: as gotas de metal são peque- nas, com diâmetro menor que o do eletrodo e seu número bastante elevado. Ela só ocorre para determi- nados gases ou misturas de gases de proteção. O arco é bastante estável, praticamente não há ocorrência de respingos e o cordão obtido é suave e regular. Material Aço C Alumínio 150 165 220 275 95 135 180 Argônio 2% Oxigênio Argônio 2% Oxigênio Argônio 2% Oxigênio Argônio 2% Oxigênio Argônio Argônio Argônio 0,8 1,0 1,2 1,6 0,8 1,2 1,6 Corrente de transição (A) Gás de proteção Diâmetro do arame (mm) So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos 9 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Transferência “spray” ! Jato de plasma forte se sobrepõe à ação da força gravitacional ! qualquer posição de soldagem MAS: só é possível com correntes relativamente elevadas ! não pode ser usada em chapas finas e fora da posição plana, devido ao tamanho elevado da poça de fusão. Fontes eletrônicas: são possíveis outros modos de transferência através de perturbações controladas na corrente de soldagem e/ou na alimentação de arame, que resultam numa transferência controlada de metal de adição, que pode ter as características desejáveis da transferência por “spray”, mas em níveis baixos de corrente média, podendo ser usada em chapas finas ou fora da posição plana. So ld ag em M IG /M A G (GM A W ) Fundamentos 10 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Para que um processo que utiliza eletrodo consumível opere de uma forma estável, dois requerimentos básicos devem ser satisfeitos: (i) a velocidade de alimentação do arame (f) deve ser igual à velocidade media de fusão do mesmo (w), isto é: f = w; e (ii) o metal fundido formado na ponta do arame deve ser transferido para a poça de fusão sem causar fortes perturbações no processo. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos A soldagem GMAW convencional usa uma fonte do tipo tensão constante e um alimentador de velocidade constante. Neste sistema, a tensão (e o comprimento do arco) e a velocidade do arame permanecem aproximadamente constantes durante a operação e os valores de corrente e “stick-out” resultam de v e V e da distância da tocha à peça. Assim, qualquer perturbação nas condições de soldagem resulta em alterações na corrente e no “stick-out”. Esta capacidade de manter o comprimento do arco relativamente constante e a fácil abertura do arco são as principais razões da grande popularidade, ainda hoje, desta forma de operação. 11 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Na soldagem com transferência por CC, um aumento muito rápido na corrente causa a ruptura explosiva da parte liquida do eletrodo e a formação de respingos. Na soldagem convencional, controla-se a taxa de aumento da corrente através do aumento de indutância em série com o arco. Uma dificuldade desta forma de operação é que o equilíbrio dinâmico do sistema é garantido por grandes variações na corrente de soldagem. Em soldagem com corrente pulsada, a estabilidade da transferência de metal de adição depende fortemente do valor da corrente de pulso e sua duração. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Assim, garantir que valores adequados para a corrente e o tempo de pulso sejam mantidos durante a operação de soldagem pode ser problemático para equipamentos que fornecem corrente pulsada mas têm controle eletrônico convencional. 12 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Controle Sinérgico So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos O termo engloba um grupo de técnicas de controle nas quais o valor e a estrutura da corrente são determinados pela velocidade de alimentação do arame ou vice-versa. Um taco-gerador mede a velocidade de alimentação de arame e fornece um sinal para controle da saída da fonte de energia. A relação entre a corrente e a velocidade do arame é determinada por um conjunto de regras (algoritmo sinérgico). Diferentes algoritmos têm sido desenvolvidos para soldagem pulsada e com curto circuito. O termo "MIG sinérgico" atualmente engloba outras formas de controle associadas ao processo GMAW. 13 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Controle pela tensão do arco. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Controle CVCC ("Constant-Voltage/Constant-Current") 14 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Esta técnica foi implementada para melhorar a capacidade de auto ajuste do comprimento do arco sem prejudicar a transferência de metal. Opera-se com uma característica de corrente constante durante o período de base e com uma característica de tensão constante durante o período de pico. Desta forma, o comprimento de arco passa a ser ajustado por variações na corrente durante o período de pico e opera com pulsos de curta duração e alta intensidade de corrente. Este sistema é particularmente popular na Europa. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Controle adaptativo: Esta técnica envolve a medição de diferentes sinais (variações de corrente, tensão, luminosidade do arco, perfil ótico ou acústico da poça de fusão, etc.), que são processados, interpretados em termos de características do processo e enviados para o sistema de controle. O resultado instantâneo obtido é comparado com o esperado e as diferenças são corrigidas através de mudanças nos parâmetros de operação, com base em algum modelo teórico ou empírico. 15 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Fundamentos Variáveis como comprimento do arco, velocidade de soldagem, orientação da tocha, velocidade do arame, posicionamento ao longo da junta, controle da fusão, enchimento da junta, formação de defeitos, podem ser ajustadas. Sistemas já foram sugeridos para monitoração em tempo real de alguns aspectos do processo, que é usada para o controle das condições de soldagem e o acompanhamento da junta. Entre as técnicas de monitoração utilizadas podem-se citar, por exemplo, a monitoração através de parâmetros do arco, sensores indutivos e o emprego de métodos óticos. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos O equipamento básico para a soldagem MIG/MAG é composto de uma fonte de energia, um alimentador de arame, uma tocha de soldagem e uma fonte de gás protetor, além de cabos e mangueiras. Dispositivos auxiliares como posicionadores e sistemas de movimento da tocha podem ser usados na soldagem mecanizada. 16 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos Soldagem GMAW ! duas alternativas que f=w: permitir que o equipamento controle a velocidade de alimentação, de modo a igualá-la à velocidade de fusão, ou manter a velocidade de alimentação constante e permitir variações nos parâmetros de soldagem, de modo a manter a velocidade de consumo aproximadamente constante e, em média, igual à velocidade de alimentação. • Fonte tipo tensão constante e alimentador tipo velocidade constante ou • Fonte tipo corrente constante e alimentador tipo velocidade variável. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos Controle intrínseco do comprimento do arco. 17 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos Este tipo de sistema é mais barato e mais simples e apresenta bons resultados com arames mais finos (até 3,2mm de diâmetro). No mercado nacional existem diferentes fontes e alimentadores de arame disponíveis, que atendem a uma faixa de necessidades bastante ampla. Os alimentadores são acionados por um motor CC e fornecem arame a uma velocidade constante, ajustável numa ampla faixa. Não existe qualquer dependência entre o alimentador e a fonte de energia, entretanto, ajustando-se a velocidade de alimentação de arame ajusta-se a corrente de soldagem. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos 18 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos 19 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos Tochas: reta e pescoço de ganso refrigeradas a gás ou a água bico de contato bocal Fonte de gás: cilindro, regulador, válvula elétrica. Misturadores So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos 20 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Equipamentos So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Consumíveis Os principais consumíveis utilizados na soldagem GMAW são: arame eletrodo, gás de proteção e anti- respingos. Os arames para soldagem são constituídos de metais ou ligas metálicas que possuem composição química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas.Arames de má qualidade em termos destas propriedades citadas podem produzir falhas de alimentação, instabilidade no arco e descontinuidades no cordão de solda. 21 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Consumíveis A classificação de arames para soldagem de aços carbono tem o seguinte formato: ER XXY – ZZ ER: material pode era usado como eletrodos (E) ou varetas (R) para soldagem a arco. XX(X): resistência à tração mínima do metal depositado, em 103 psi. Y pode ser um “S” (arame convencional), um “C” (arame para revestimento) ou um “T” (arame tubular). ZZ indicam a classe de composição química do arame e outras características. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Consumíveis Os gases podem ser inertes (MIG) ou ativos (MAG) ou ainda misturas destes. O tipo de gás influencia as características do arco e da transferência de metal, a penetração, a largura e o formato do cordão de solda, a velocidade máxima de soldagem, a tendência ao aparecimento de mordeduras e o custo da operação. Gases inertes puros são usados principalmente na soldagem de metais não ferrosos. Na soldagem de ferrosos, a adição de pequenas quantidades de gases ativos melhora sensivelmente a estabilidade do arco e a transferência de metal. 22 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Consumíveis O custo da soldagem de aços carbono e de baixa liga pode ser reduzido com o uso de CO2. As misturas de gases, tanto ativos quanto inertes, em diferentes proporções, permitem melhores condições de soldagem em determinadas condições. Nos últimos anos observou-se que misturas gasosas ternárias ou multi-componentes específicas apre- sentam melhores resultados numa operação de soldagem em condições particulares. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória A habilidade manual requerida do soldador GMAW é menor do que na soldagem com eletrodos revestidos (alimentação mecanizada), entretanto, a otimização de parâmetros é mais difícil de ser conseguida, devido ao maior número de variáveis deste processo e à maior interdependência destas. A abertura do arco se dá por toque do eletrodo na peça. A tocha é aproximada da peça e acionado o gatilho, dando início à alimentação de arame e de gás de proteção e à energização do circuito de soldagem. Aguarda-se a formação da poça de fusão e se inicia os movimentos de translação e tecimento, uniformes. 23 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória As principais variáveis do processo GMAW são a tensão, a corrente e a polaridade do arco de soldagem, a velocidade de deslocamento, a vazão de gás protetor e o diâmetro e o comprimento do eletrodo percorrido pela corrente elétrica, conhecido como “stick-out”. O diâmetro do eletrodo é escolhido principalmente em função da espessura do metal base, da posição de soldagem e outros fatores que influenciam o tamanho da poça de fusão ou a quantidade de calor que pode ser cedida à peça (energia de soldagem). Para cada diâmetro de arame existe uma faixa de corrente de soldagem adequada, de forma que o arco apresente boas condições de operação. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória O processo GMAW utiliza normalmente CC+, que resulta em maiores penetração e estabilidade de arco. CC- aumenta a velocidade de deposição e se usa, quando não não há necessidade de grande penetração (revestimento). CA não é normalmente usada. A corrente de soldagem influencia diretamente a penetração, largura e reforço do cordão de solda, a taxa de deposição e a energia de soldagem e afeta o modo de transferência de metal. É escolhida em função da espessura das peças a unir, do diâmetro do eletrodo e da geometria desejada para o cordão de solda. 24 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória A tensão de soldagem afeta o comprimento do arco, o modo de transferência de metal e o formato do cordão. É escolhida de acordo com a corrente de soldagem e o gás de proteção. Tensões elevadas resultam em maiores largura da solda e tendência à formação de respingos. Tensões baixas favorecem a transferência por curto- circuito e maior instabilidade do arco, que por sua vez facilita a absorção de gases da atmosfera e pode resultar em porosidade ou outros problemas. Tensões muito baixas podem resultar em concavidade excessiva e má concordância do cordão com a peça (“overlap”). So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória O comprimento energizado do eletrodo (stick-out - s) é definido como a distância entre a extremidade do bico de contato da tocha e a extremidade do arame em contato com o arco. Na prática toma-se o stick-out como sendo a distância da extremidade do bico de contato até a peça. Quanto maior for essa distância, maior será o aquecimento do arame por efeito Joule e menor a corrente necessária para fundir o arame, mantida a velocidade de alimentação. Inversamente, quanto maior o “stick-out”, maior a taxa de deposição, se mantida a corrente de soldagem. Dentro de certos limites, o aumento de stick-out pode ser usado para se aumentar a taxa de deposição. 25 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória A vazão de gás protetor deve ser tal que proporcione uma proteção eficiente contra a contaminação do arco e da solda pela atmosfera. Em geral, quanto maior a corrente, maior a poça de fusão e a área a proteger e portanto maior a vazão necessária. Vazões reduzidas podem levar ao aparecimento de porosidades e outros problemas associados à falta de proteção, como perda de elementos de liga e deterioração de propriedades. Vazões elevadas podem causar depressões na poça de fusão e tornar o cordão de solda irregular, além de aumentar desnecessariamente o custo da operação. So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Técnica Operatória A velocidade de soldagem influencia a energia de soldagem e a quantidade de calor cedido à peça. Velocidades muito baixas elevam o custo e podem causar problemas metalúrgicos devidos à energia de soldagem elevada. Velocidade elevada resulta em menores penetração, reforço e largura do cordão. Velocidades excessivas provocam o aparecimento de mordeduras, falta de fusão e/ou penetração. Quanto a movimentos e posicionamento da tocha, valem as observações feitas para outros processos de soldagem. 26 So ld ag em M IG /M A G (G M A W ) Aplicações Industriais A soldagem GMAW é um processo versátil quanto a posições de soldagem, ligas e espessuras soldáveis. O MIG é usado na soldagem de não ferrosos e aços inoxidáveis e o MAG é extensivamente usada com diversos tipos de aços. Sua produtividade é bastante elevada, sendo quase sempre uma alternativa viável à soldagem com outros processos e pode ainda ser mecanizado de forma relativamente simples. A soldagem GMAW pode também ser usada na recuperação e revestimento de peças metálicas. Ela tem sido amplamente usada na indústria auto- mobilística e ferroviária (robôs) e na fabricação de equipamentos e bens de médio e grande porte, como pontes rolantes, vigas, escavadeiras, tratores, etc.
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