Trabalho U-3 - Processo de soldagem

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NATAL 
2018 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA – CT 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSOS DE SOLDAGEM EM PLASMA, FEIXE DE ELÉTRONS E, A LASER 
NATAL 
2018 
 
 FABRICIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA - 2016017352 
 JOSENILTON DOS SANTOS LOPES - 20180154234 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSO DE SOLDAGEM EM PLASMA, FEIXE DE ELÉTRONS E, A LASER 
 
 
 
 
 
Relatório desenvolvido para a disciplina de 
processamentos de fabricação mecânica I, 
turma 02, do curso de ciências e 
tecnologia com ênfase em tecnologia 
mecânica. 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................................ 4 
2 SOLDAGEM A PLASMA ............................................................................................................................................... 5 
2.1 Processo de funcionamento ........................................................................................................................................... 6 
2.1.2 Equipamento ................................................................................................................................................................. 7 
 ................................................................................................................................................................................................... 7 
2.1.3 Ignição do arco ............................................................................................................................................................. 7 
2.2 Aplicação ........................................................................................................................................................................... 8 
 ................................................................................................................................................................................................... 9 
2.2 Vantagens ......................................................................................................................................................................... 9 
3 FEIXE DE ELÉTRONS ................................................................................................................................................ 10 
3.1 Processo ......................................................................................................................................................................... 11 
3.2 Aplicação ......................................................................................................................................................................... 12 
3.3 Vantagens ....................................................................................................................................................................... 12 
3.4 Desvantagens................................................................................................................................................................. 12 
4 SOLDAGEM A LASER ................................................................................................................................................ 13 
4.1 Processo ......................................................................................................................................................................... 13 
4.2 Aplicação ......................................................................................................................................................................... 15 
4.3 Vantagens ....................................................................................................................................................................... 16 
4.4 Limitações ....................................................................................................................................................................... 17 
5 SEGURANÇA E HIGIENE NA SOLDAGEM .............................................................................................................. 18 
6 REFERÊNCIAS .............................................................................................................................................................. 19 
 
 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A soldagem é hoje em dia, amplamente empregada na união de componentes 
de estruturas metálicas e de equipamentos para as finalidades mais diversificadas. As 
grandes vantagens da soldagem sobre os demais processos de união consistem em 
sua simplicidade e economia, uma vez que as execuções das juntas soldadas 
requerem quantidades relativamente pequenas de material. 
 Os processos de soldagem têm um amplo campo de aplicação, incluindo, entre 
outros, construção naval, estruturas civis, vasos de pressão, tubulações, etc. 
A soldagem também encontra grande aplicação em serviços de reparo e 
manutenção, como o enchimento de falhas em fundidos, reparos de trilhos, depósitos 
superficiais de alta dureza na recuperação de ferramentas e outras aplicações 
congêneres. Deve-se alertar, porém, que a soldagem em si não constitui o objetivo 
principal de uma obra estrutural, entretanto, como ela afeta diretamente a segurança e 
a economia da construção, seu estudo torna-se cada vez maior, sendo considerado 
um dos itens principais no processo global da construção de estruturas. Dessa 
maneira, além do projeto adequado da junta soldada, é necessário seguir uma 
sequência de operações, que inclui a qualificação dos procedimentos e dos 
soldadores, bem como a seleção dos métodos de inspeção para garantir à estrutura as 
características funcionais segundo as quais foi concebida e projetada. 
Este trabalho tem o objetivo de mostrar o funcionamento do processo de 
soldagem a plasma, feixe de elétrons e a laser. Desde a preparação do equipamento 
como do material a ser soldado. 
É importante observar também as questões relacionadas à segurança, 
principalmente por se tratar de equipamento que exige uma série de cuidados em 
função de cada solda. 
 
5 
2 SOLDAGEM A PLASMA 
 
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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1: Soldagem em plasma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1 Processo de funcionamento 
 
O processo de soldagem a arco com Plasma, assim como o processo GTAW, 
usa eletrodo não consumível. A tocha tem um bocal que cria uma câmara de gás ao 
redor do eletrodo. O arco aquece o gás na câmara até uma temperatura em que se 
torna ionizado e conduz eletricidade.Este gás ionizado é definido como o Plasma, 
que sai do orifício do bocal a uma temperatura bastante elevada. Na figura 2 e 3 
pode-se observar detalhadamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Vista em corte do equipamento de solda. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 3: Diferença entre GTAW e PAW. 
 
 
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2.1.2 Equipamento 
 
Um sistema manual de soldagem a arco com plasma consiste em tocha, um 
dispositivo de controle, fonte de potência, alimentação de gás de orifício, gás de 
proteção, fonte de refrigeração da tocha e outros acessórios tais como, chave “on-
off”, medidores de fluxo de gás, e um controle de corrente a distância, conforme 
mostrado na figura abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4: Equipamento para soldagem PAW. 
 
 
2.1.3 Ignição do arco 
 
 
O arco é iniciado com o auxílio de um gerador de alta frequência. O bocal de 
constrição é conectado ao terminal positivo da fonte de potência, através de um 
resistor limitando a corrente. Um arco piloto de baixa corrente é iniciado entre o 
eletrodo e o bocal pelo gerador de alta frequência e o circuito é fechado através do 
resistor. O gás ionizado do arco piloto forma um caminho de baixa resistência entre o 
eletrodo e a peça. Quando a fonte de potência é ligada, ocorre ignição do arco 
principal entre o eletrodo e a peça de trabalho. Depois de deste arco estabelecido, o 
arco piloto deve ser extinto. 
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Figura 5: Detalhe para o circuito elétrico do processo PAW. 
 
 
 
 
 
2.2 Aplicação 
 
 
Os processos industriais nos quais o processo PAW pode ser utilizado 
dependem do tipo de arco de Plasma. Alguns dos processos que o utilizam são 
citados logo a seguir: 
 
 Área Fabricação de eletrodos. 
 
 Industria de móveis. 
 
 Fabricação de aviões. 
 
 Industria Aeroespacial. 
 
 Fabricação de equipamentos clínicos. 
 
 Solda de tubos. 
 
 Automotiva. 
 
 
 
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Os exemplos que são dados logo a seguir são referentes ao processo PAW 
chamado de micro plasma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6: Bateria e marca passo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7: Interruptor e Fórceps. 
 
 
 
2.2 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. 
 
 
 
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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. 
 
3 FEIXE DE ELÉTRONS 
 
A soldagem com feixe de elétrons (Electron Beam Welding, EBW) 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8: Solda com feixe de elétrons. 
 
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3.1 Processo 
 
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 200mm/s. 
A soldagem EBW é geralmente feita em alto vácuo (0,13 a 133mPa), embora 
existam variações do processo, que trabalham com menores penetrações, que podem 
operar com um vácuo médio (0,13 a 3000Pa) ou à pressão ambiente. Um equipamento 
típico para a soldagem EBW inclui a câmara de vácuo, uma fonte de energia e canhão 
eletrônico (operando tipicamente com 30 a 175kV e 50 a 1000mA), 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. 
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. 
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. 
As lentes eletromagnéticas permitem que se obtenham diferentes regulagens na 
utilização do feixe produzido. Com isto, é possível utilizar o feixe de elétrons em 
diferentes aplicações, como corte, soldagem e tratamento superficial. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9: Lentes eletromagnéticas. 
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3.2 Aplicação 
 
O processo de soldagem por feixe de elétrons pode ser aplicado em quase 
todos os materiais, em juntas de metais dissimilares e em várias faixas de espessura, 
permitindo alta precisão e alta velocidade de soldagem. 
 
3.3 Vantagens 
 
Uma das grandes vantagens do feixe de elétrons é o baixo “heat input” ou aporte 
de calor com que este processo efetua as soldagens. As outras vantagens da utilização 
do processo de soldagem por feixe de elétrons são: possibilidade de soldar materiais 
com espessuras elevadas; obtenção de cordão com pequena largura em relação à 
profundidade atingida; menores tensões residuais; qualidade metalúrgica da solda 
superior à de outros processos devido à ausência de ar e possibilidade de soldagem 
em locais de difícil acesso ou inacessíveis. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10: Exemplo de peças de difícil acesso. 
 
 
3.4 Desvantagens 
 
As desvantagens do processo de soldagem por feixe de elétrons são, dentre 
outras: emissão de raios X; exigência de vácuo; limitação do tamanho da peça, o qual 
está vinculado ao tamanho da câmara de vácuo. 
 
 
 
 
 
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4 SOLDAGEM A LASER 
 
 
 O nome LASER é a abreviatura da descrição do processo em inglês: Light 
Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Em uma tradução livre para o 
português podemos dizer que seria: Amplificaçãoda luz através da emissão estimulada 
de radiação. 
A soldagem a laser (Laser Beam Welding, LBW) 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. De forma similar à 
soldagem EBW, 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 11 ilustra de forma 
esquemática de um sistema para a soldagem LBW. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11: Elementos de um sistema típico para soldagem a laser. 
 
4.1 Processo 
 
De posse de um feixe LASER, a soldagem ocorre da seguinte maneira: a 
radiação do feixe ao interagir com a matéria é parte absorvida, parte refletida. A parte 
absorvida é de tal ordem de grandeza que aquece o material levando-o a fusão ou 
vaporização dependendo da densidade de energia. 
No caso de ter-se a vaporização do material, forma-se uma coluna de vapores 
metálicos partindo do ponto de interação do feixe com o material e avançando em 
direção ao interior da peça. 
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Esta coluna, semelhante a um furo, recebe o nome de Key-hole e absorverá 
grande parte da radiação incidente na peça distribuindo-o posteriormente. Como o 
processo é dinâmico, o deslocamento da peça garantirá a sustentação do key-hole, 
porém existirá uma velocidade de avanço mínima para que o processo se sustente. 
Com o deslocamento do key-hole, a massa de material líquido vai se 
solidificando ocorrendo assim a soldagem. Em oposição ao caso acima citado, quando 
a densidade de energia não for suficiente para a vaporização (e for apenas para fusão), 
ocorrerá a soldagem por condução, que terá um mecanismo extremamente semelhante 
aos processos de soldagem convencionais, com o calor sendo dissipado lateralmente. 
Assim, no primeiro caso então a forma do cordão será mais próxima de um furo, 
enquanto que no segundo, a forma será amais parecida com um "V". Para aumentar a 
potência (e consequentemente a penetração), um recurso usado é a utilização de 
modo pulsado. 
Neste modo, o equipamento fornece a potência em dois diferentes patamares, 
em um mecanismo semelhante ao MIG pulsado. Este mecanismo é bastante útil na 
soldagem de materiais como Al e Cu, que por serem extremamente reflexivos, e 
difíceis de soldar com este processo. 
 
4.1.2. Consumíveis 
 
Na maioria das aplicações laser, a soldagem é autógena, ou seja não há adição 
de metal a poça de fusão, certas aplicações especiais há adição de metais, cuja a 
classificação de materiais corresponde basicamente ao processo de soldagem TIG, ou 
mesmo associado á outros processos por fusão como o processo TIG, Plasma ou MIG, 
tendo como principal função o recobrimento, uma cobertura final, pois em grandes 
espessuras há um afundamento da poça de fusão e consequentemente é necessário 
uma pequena adição de metal. 
O sistema ótico é o que determinará a diferença entre a potência gerada e a que 
efetivamente vai atingir a peça, uma vez que o feixe perde potência em cada espelho 
refletor utilizado. 
 
 
 
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Figura 12: Soldagem a laser. 
 
4.2 Aplicação 
 
A alta concentração do feixe proporciona uma radiação de excelente qualidade, 
que terá diversas aplicações entre as quais, apenas na área metal-mecânica podemos 
citar: corte e furação de materiais 60% (peças de geometrias complexas), soldagem 
25% (ex. Baterias de Lítio), marcação 10% (instrumentos de medição), tratamento 
térmico de componentes (válvulas de motores de combustão) e demais utilizações 5%. 
A soldagem a laser possui um aporte de energia muito concentrado, produzindo 
uma solda estreita e profunda. A penetração é facilmente controlada pelo ajuste dos 
principais parâmetros, como: potência e taxa de pulso. 
Fazendo isto é possível executar uma solda interna ou externa aos painéis do 
automóvel, sem distorções ou descoloração da parte externa do painel do mesmo. Em 
algumas aplicações o uso do robô para laser de CO2 tem propiciado uma 
movimentação e posicionamento sobre a peça de trabalho muito precisa. 
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Esta vantagem da soldagem com laser é que tem propiciado a popularização de 
sua utilização na indústria automobilística. Na figura 12 pode-se observar os principais 
locais de soldagem em um automóvel. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12: Soldagem a laser na funilaria do carro. 
 
 
4.3 Vantagens 
 
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. 
 Aporte de Energia concentrado, minimiza os efeitos metalurgicos sofridos pela ZTA, e 
muito menos distorções. 
 Soldagens em um único passe. 
 Não requer metal de adição, sendo livre de eventuais contaminações por este. 
 
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4.4 Limitações 
 
 
 Baixa eficiência aproximadamente menos que 10%. 
 Oferece dificuldade para mudar o ponto focal. 
 O equipamento é de baixa potência. 
 Limitação de espessura pela potência do equipamento. 
 Problemas com refletividade em alguns materiais. 
 A junta tem estreitas tolerâncias de ajuste. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5 SEGURANÇA E HIGIENE NA SOLDAGEM 
 
 
Noções sobre segurança é importante em soldagem, corte e operações 
relacionadas a estas práticas, pois os riscos envolvidos nestas atividades são 
numerosos e capazes de provocar danos sérios a pessoal, equipamentos e 
instalações. Portanto, deve-se ter conhecimento dos principais riscos das operações de 
soldagem e afins e as práticas usuais para se evitar ou minimizar a ocorrência de 
acidentes. Além dessas práticas, as recomendações e instruções dos fabricantes de 
equipamentos e produtos devem ser rigorosamente observadas. 
Os objetivos e o Plano de Segurança da empresa, que deve incluir a seleção 
das áreas para operações de soldagem e corte, exigência de compra de equipamentos 
de soldagem e segurança devidamente aprovados, estabelecimento e fiscalização de 
cumprimento de normas de segurança internas, execução de programas de 
treinamento no uso do equipamento de trabalho e de segurança e procedimentos em 
caso de emergências ou acidentes, utilização de sinais de advertência para os perigos 
de cada área específica e a inspeção e manutenção periódicas dos equipamentos e 
instalações, devem ser estabelecidos claramente. 
A proteção contra a radiação deve evitar a exposição, tanto à radiação direta 
quanto à indireta, do soldador e de terceiros. Individualmente o soldador deve se 
proteger com o uso de roupas opacas e máscaras com filtros de luz adequados. A 
proteção de terceiros pode ser proporcionada pelo uso de biombos e cortinas não 
refletoras. 
Outros riscos comuns em áreas de soldagem e operações afins são: queda de 
objetos e ferramentas, queda de pessoal trabalhando em andaimes e plataformas ou 
locais elevados e movimentações de cargas no nível do solo ou elevadas. Capacetes 
de segurança devem ser sempre usados nestes casos e cintos de segurança são 
recomendados quando se trabalha em locais elevados. 
A maior regra de segurança continua sendo PENSE ANTES DE AGIR E AJA 
SEMPRE COM BOM SENSO. Somente a ATENÇÃO E ALERTA constantes podem 
minimizar os riscos de acidentes. 
 
 
 
 
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6 REFERÊNCIAS 
 
 Disponível em < http://www.infosolda.com.br/artigos/processos-de-soldagem/356-soldagem-laser>Acesso em 28/11/18. 
 
Disponível em < http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/201-soldagem-
por-feixe-de-eletrons-caracteristicas-do-processo> Acesso em 28/11/18. 
 
GIMENES JR., Luiz e TREMONTI, Marcos Antonio, Aplicações de Laser na Indústria 
Automobilística, Revista Soldagem & Materiais, Vol. 2 nº.4 1994. 
 
GIMENES JR., Luiz, RAMALHO, José e JOAQUIM, Roberto Comparação entre os Processos Laser 
e Feixe de Elétrons Aplicado a Soldagem de Aços, Revista Tecnologia & Soldagem, nov. /94. 
Horizonte – MG, 2002. 
 
Marques, P.V., Tecnologia da Soldagem, Fundação Christiano Ottoni – FCO, Belo Modenesi, Paulo 
J. e Paulo Villani Marques. Apostila Universidade federal de Minas Gerais- soldagem I – 
introdução aos processos de soldagem, novembro de 2000. 
 
OLIVEIRA SANTOS, J. F e outros. "Processamento de materiais por Feixe de Electrões, LASER e 
Jacto de Água". Publicação do ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade - Lisboa 1991.