O que acha de um processo de soldadura que combina calor extremo, precisão e eficiência? A soldadura por arco de plasma, uma técnica avançada, faz exatamente isso. Este método utiliza um arco de plasma para criar soldaduras de alta energia e alta temperatura, adequadas tanto para materiais finos como espessos. Ao compreender os seus princípios e aplicações, verá como esta tecnologia pode revolucionar a soldadura industrial, oferecendo juntas fortes e de alta qualidade numa vasta gama de metais. Descubra os meandros da soldadura por arco plasma e o seu potencial para melhorar os seus projectos de soldadura.
Um arco de plasma é um arco de árgon com elétrodo de tungsténio comprimido com elevada densidade de energia, temperatura e força de arco. O arco de plasma é obtido através de três efeitos de compressão:
1) Compressão mecânica: A expansão restrita da área da secção transversal da coluna de arco, causada pela abertura do bocal de cobre arrefecido a água, é conhecida como compressão mecânica.
2) Compressão térmica: A água de arrefecimento no bocal forma uma camada de gás frio junto à parede interna do bocal, reduzindo a área condutora efectiva da coluna de arco. Isto aumenta ainda mais a densidade de energia e a temperatura da coluna de arco. Este efeito, conseguido através do arrefecimento da água para aumentar ainda mais a temperatura e a densidade de energia da coluna de arco, é conhecido como compressão térmica.
3) Compressão electromagnética: Devido aos efeitos de compressão acima mencionados, a densidade da corrente do arco aumenta e a força de contração electromagnética gerada pelo próprio campo magnético da corrente do arco torna-se mais forte. Isto resulta numa maior compressão do arco, conhecida como compressão electromagnética.
(1) Arco não transferido
O arco não transferido queima entre o elétrodo de tungsténio e o bocal. Durante a soldadura, o pólo positivo da fonte de energia está ligado ao bocal de cobre arrefecido a água, enquanto o pólo negativo está ligado ao elétrodo de tungsténio. A peça de trabalho não está ligada ao circuito de soldadura. O arco é realizado pela ejeção a alta velocidade do gás de plasma. Este tipo de arco é adequado para soldar ou cortar metais mais finos e não-metais.
(2) Arco transferido
O arco transferido queima diretamente entre o elétrodo de tungsténio e a peça de trabalho. Durante a soldadura, o arco não transferido entre o elétrodo de tungsténio e o bocal é primeiro inflamado, e depois o arco é transferido para o elétrodo de tungsténio e para a peça de trabalho. O bocal não está ligado ao circuito de soldadura durante o funcionamento. Este tipo de arco é utilizado para a soldadura de metais mais espessos.
(3) Arco combinado
Um arco combinado refere-se a um arco em que coexistem o arco transferido e o arco não transferido. O arco misto pode manter a estabilidade a correntes muito baixas, tornando-o particularmente adequado para a soldadura de chapas finas e ultrafinas.
(1) A curva caraterística estática do arco do arco de plasma é significativamente diferente da do arco TIG:
(2) A temperatura do arco é elevada, variando entre 24000K e 50000K, com uma elevada densidade de potência e densidade de energia de 105-106W/cm2. Em contrapartida, o arco TIG tem uma gama de temperaturas de 10000-24000K e uma densidade de potência inferior a 104W/cm2.
(3) A rigidez é elevada, com um grande fator de concentração do arco.
(4) O calor gerado pela coluna de arco tem um efeito significativo no aquecimento da peça de trabalho.
(I) Características
Devido à sua elevada densidade de energia, temperatura e rigidez, o arco de plasma tem as seguintes vantagens em comparação com o arco convencional soldadura por arco:
1) Forte capacidade de penetração, capaz de soldar através de placas de aço inoxidável com uma espessura de 8-10mm sem a necessidade de bisel ou fio de enchimento.
2) A qualidade da cordão de soldadura não é sensível a alterações no comprimento do arco. Isto deve-se ao facto de a forma do arco ser quase cilíndrica e ter uma boa retidão. A variação no comprimento do arco tem um impacto mínimo na área do ponto de aquecimento, facilitando a obtenção de formas uniformes de cordões de soldadura.
3) O elétrodo de tungsténio é encastrado no interior de um bocal de cobre arrefecido a água, evitando o contacto com a peça de trabalho e prevenindo a ocorrência de inclusões de tungsténio no metal de solda.
4) O arco de plasma tem um elevado grau de ionização, o que o torna estável mesmo com correntes baixas, permitindo a soldadura de peças de precisão em miniatura.
As desvantagens da soldadura por arco de plasma são as seguintes
1) Limitado espessura de soldadurageralmente inferior a 25 mm.
2) A pistola de soldadura e os circuitos de controlo são complexos e o bocal tem uma vida útil reduzida.
3) Existem vários parâmetros de soldaduraA soldadura é uma atividade que exige um elevado nível de competência técnica do operador de soldadura.
(2) Aplicações
A soldadura por arco de plasma pode ser utilizada para soldar vários metais que podem ser soldados com soldadura de gás inerte de tungsténio (TIG), tais como aço inoxidável, alumínio e ligas de alumínioO método de soldadura pode ser aplicado nos sectores aeroespacial, da aviação, da energia nuclear, da eletrónica, da construção naval e da indústria. Este método de soldadura pode ser aplicado nos sectores aeroespacial, da aviação, da energia nuclear, da eletrónica, da construção naval e noutros sectores industriais.
1. Classificação: Pistola de soldadura por arco de plasma, pistola de corte, pistola de pulverização.
2. Componentes
Os principais componentes incluem o elétrodo, o suporte do elétrodo, o bocal comprimido, o isolador intermédio, o corpo superior da pistola, o corpo inferior da pistola e a manga de arrefecimento. Os componentes mais críticos são o bocal e o elétrodo.
1. Bocal
Classificação: Com base no número de orifícios do bocal, existem dois tipos: orifício único e orifício múltiplo.
Nos bocais com vários orifícios, para além do orifício central principal, existem vários orifícios pequenos nos lados esquerdo e direito do orifício principal. O gás de plasma ejectado destes pequenos orifícios tem um efeito de compressão adicional no arco de plasma, fazendo com que a secção transversal do arco de plasma se torne elíptica. Quando o eixo longo da elipse é paralelo à direção de soldadura, pode aumentar significativamente a velocidade de soldadura e reduzir a largura da zona afetada pelo calor.
Os parâmetros mais importantes da forma do bocal são a abertura de compressão e o comprimento do canal de compressão.
1) Abertura do bico (dn):
O dn determina o diâmetro e a densidade de energia do arco de plasma. Um diâmetro mais pequeno resulta numa maior compressão do arco, mas se for demasiado pequeno, pode levar a uma diminuição da estabilidade do arco de plasma, causando mesmo um arco duplo e danos no bocal. A seleção do dn deve basear-se na corrente de soldadura, no tipo de gás de plasma e na taxa de fluxo.
2) Comprimento do canal do bico (l0):
Sob uma certa abertura de compressão, um l0 mais longo proporciona uma compressão mais forte do arco de plasma. No entanto, se l0 for demasiado grande, o arco de plasma torna-se instável. Normalmente, é necessário que o rácio l0/dn esteja dentro de um determinado intervalo. Para o arco de transferência, é geralmente 1,0-1,2, e para o arco misto, é 2-6.
3) Ângulo cónico (α):
O ângulo cónico tem pouco impacto na compressão do arco de plasma e pode variar entre 30° e 180°. No entanto, é preferível fazer coincidir a forma da ponta do elétrodo para assegurar uma fixação estável do ponto anódico na ponta do elétrodo. Durante a soldadura, o ângulo é geralmente de 60° a 90°.
Material do bocal:
O bocal é normalmente feito de cobre e é diretamente arrefecido a água.
Elétrodo:
1) Material:
A soldadura por arco com plasma utiliza habitualmente eléctrodos de tungsténio tioriado ou eléctrodos de tungsténio ceriato. Em alguns casos, podem ser utilizados eléctrodos de tungsténio zirconizado ou eléctrodos de zircónio. Os eléctrodos de tungsténio requerem geralmente um arrefecimento a água. Para aplicações de baixa corrente, é utilizado o arrefecimento indireto da água e o elétrodo de tungsténio tem a forma de uma haste. Para aplicações de alta corrente, é utilizado o arrefecimento direto da água e o elétrodo de tungsténio tem uma estrutura embutida.
2) Forma:
A ponta de um elétrodo em forma de haste é normalmente retificada para uma forma de cone afiado ou uma forma de plataforma cónica. Para aplicações de corrente mais elevada, pode também ser retificada numa forma esférica para reduzir a queima.
3) Comprimento de Contração Interior e Concentricidade:
Diferente Soldadura TIGNa soldadura por plasma, o elétrodo de tungsténio é geralmente contraído no interior do bocal comprimido. A distância entre a superfície exterior do bocal e a ponta do elétrodo de tungsténio é conhecida como o comprimento de contração interior (lg).
Para garantir a estabilidade do arco e evitar o arco duplo, o elétrodo de tungsténio deve estar concêntrico com o bocal e o comprimento de contração interior (lg) do elétrodo de tungsténio deve ser adequado (lg = l0 ± 0,2 mm).
3. Métodos de fornecimento de gás:
a) Tangencial: Este método proporciona alta compressão, com baixa pressão no centro e alta pressão na periferia. Ajuda a estabilizar o arco no centro.
b) Radial: Este método proporciona uma compressão mais baixa em comparação com o método tangencial.
1. Arco duplo
Em condições normais, forma-se um arco transferido entre o elétrodo de tungsténio e a peça de trabalho.
No entanto, em certas situações anormais, pode ocorrer um arco paralelo, conhecido como arco duplo, que arde entre o elétrodo de tungsténio e o bocal, bem como entre o bocal e a peça de trabalho.
2. Mecanismo de geração de arco duplo
Teoria da decomposição da película de gás frio
3. Causas e medidas de prevenção da geração de arco duplo
1. Em determinadas condições de corrente, a abertura de compressão do bocal é demasiado pequena ou o comprimento do canal de compressão é demasiado longo, resultando num comprimento de contração interno excessivo.
2. Fluxo insuficiente de gás de plasma.
3. Desvio excessivo entre o eixo do elétrodo de tungsténio e o eixo do bocal.
4. Bloqueio do bocal devido a salpicos de metal.
5. Características externas incorrectas da fonte de alimentação.
6. Distância incorrecta entre o bocal e a peça de trabalho.
Existem três métodos: tipo de perfuração, tipo de fusão e soldadura por arco de plasma de microfeixe.
(1) Soldadura por arco de plasma do tipo perfuração
Ao utilizar uma maior corrente de soldadura e fluxo de plasma, o arco de plasma tem uma maior densidade de energia e força de fluxo de plasma. A peça de trabalho é completamente fundida e forma um pequeno orifício que penetra na peça de trabalho sob a ação da força do fluxo de plasma, enquanto o metal fundido é expelido à volta do pequeno orifício.
À medida que o arco de plasma se move na direção da soldadura, o metal fundido move-se ao longo das paredes do arco e cristaliza-se num cordão de soldadura atrás da poça de fusão, enquanto o pequeno orifício avança com o arco de plasma.
É adequado para a soldadura de um lado e a enformação de dois lados, e só pode ser utilizado para a soldadura de um lado e a enformação de dois lados.
Na soldadura de peças de trabalho finas, pode ser obtida sem chanfrar, sem chapas de enchimento ou sem metal de enchimento, obtendo-se a conformação de dois lados numa só passagem.
A criação de pequenos furos depende da densidade de energia do arco de plasma. Quanto mais espessa for a chapa, maior será a densidade de energia necessária. Para chapas mais espessas, a soldadura por arco plasma tipo perfuração só pode ser utilizada para o primeiro cordão de soldadura.
Tabela 6-1: Espessura aplicável à soldadura por arco de plasma do tipo perfuração
| Material | Aço inoxidável | Titânio e ligas de titânio | Níquel e ligas de níquel | Baixa liga de aço | Aço de baixo carbono |
| Limite de espessura de soldadura /mm | 8 | 12 | 6 | 7 | 8 |
(2) Soldadura por arco de plasma de tipo fusão
Utilizando um caudal de gás de plasma inferior, a força do fluxo de plasma é menor e a capacidade de penetração do arco é baixa.
Características:
(3) Soldadura por arco de plasma com microfeixe
Uma fusão de baixa corrente (normalmente inferior a 30A) processo de soldadura.
Características do equipamento:
Características do processo:
(4) Soldadura por arco de plasma pulsado
Utiliza corrente pulsada inferior a 15Hz em vez de corrente contínua estável. O arco é mais estável, resultando numa zona afetada pelo calor (HAZ) mais pequena e menos distorção.
(5) Soldadura por plasma de corrente alternada
Geralmente utiliza uma fonte de alimentação de onda quadrada para soldar ligas de alumínio.
(6) Arco de plasma transferido
De facto, é uma combinação de arco transferido e arco de plasma, e existem duas formas:
(1) Forma de junta e de bisel
A forma da junta é selecionada com base na espessura da placa:
(2) Corrente de soldadura e abertura do bocal
A corrente de soldadura é sempre selecionada com base na espessura da chapa ou nos requisitos de penetração. Se a corrente for demasiado baixa, a soldadura pode não penetrar e não se formará um furo pequeno. Se a corrente de soldadura for demasiado elevada, o metal fundido pode cair devido a um grande diâmetro do furo.
A abertura do bocal é selecionada com base na corrente de soldadura e deve ser adequadamente combinada. Está também relacionada com o caudal do gás de plasma.
(3) Gás de plasma
O gás de plasma e gás de proteção são normalmente seleccionados com base no metal a ser soldado e na magnitude da corrente. Quando se utilizam correntes de soldadura elevadas na soldadura por arco com plasma, é geralmente aconselhável utilizar o mesmo gás para o gás de plasma e o gás de proteção, uma vez que a utilização de gases diferentes pode resultar numa fraca estabilidade do arco.
A Tabela 6-5 lista os gases típicos utilizados para a soldadura por arco com plasma de alta corrente de vários metais. Para a soldadura por arco com plasma de baixa corrente, o gás árgon puro é normalmente utilizado como gás de plasma. Isto deve-se ao facto de o gás árgon ter uma tensão de ionização mais baixa, o que garante uma ignição fácil do arco.
| Metal | Espessura/mm | Técnica de soldadura | |
| Método de perfuração | Método de fusão | ||
| Aço-carbono (aço com alumínio) | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Aço de baixa liga | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Aço inoxidável | ＜3.2 | Ar ou 92,5% Ar + 7,5% H2 | Ar |
| ＞3.2 | Ar ou 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| ＞3.2 | Ar ou 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| Metais reactivos | <6.4 | Ar | Ar |
| >6.4 | Ar+（50%-70%）He | 25%Ar+75%He | |
O caudal do gás de plasma determina diretamente a força do fluxo de plasma e a capacidade de penetração. Quanto maior for o caudal do gás de plasma, maior será a capacidade de penetração. No entanto, se o caudal do gás de plasma for demasiado elevado, o diâmetro do pequeno orifício pode tornar-se demasiado grande, o que pode afetar a formação da soldadura.
Por conseguinte, é necessário selecionar um caudal adequado do gás de plasma com base no diâmetro do bocal, no tipo de gás de plasma, na corrente de soldadura e na velocidade de soldadura.
Quando se utiliza o método de fusão, é necessário reduzir adequadamente o caudal do gás de plasma para minimizar a força do fluxo de plasma.
(4) Velocidade de soldadura
A velocidade de soldadura deve ser selecionada com base na taxa de fluxo do gás de plasma e na corrente de soldadura, assegurando que os três parâmetros são adequadamente combinados. Quando as outras condições são constantes, o aumento da velocidade de soldadura reduz a entrada de calor e diminui o diâmetro do pequeno orifício até este desaparecer.
No entanto, um aumento excessivo da velocidade de soldadura pode resultar em subcotação ou porosidade.
Por outro lado, se a velocidade de soldadura for demasiado baixa, o metal de base pode ficar sobreaquecido e o metal fundido pode cair. Por conseguinte, a velocidade de soldadura, o caudal do gás de plasma e a corrente de soldadura devem ser bem combinados.
(5) Distância entre o bico e a peça de trabalho
Se a distância for demasiado grande, a capacidade de penetração diminui. Se a distância for demasiado pequena, pode causar o bloqueio do bocal. Geralmente, a distância é definida entre 3 e 8 mm. Em comparação com a soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG), a variação da distância do bocal tem menos impacto na qualidade da soldadura.
(6) Caudal de gás de proteção
O caudal do gás de proteção deve ser selecionado com base na corrente de soldadura e no caudal do gás de plasma. Sob um determinado caudal de gás de plasma, um caudal excessivo do gás de proteção pode perturbar o fluxo de gás, afectando a estabilidade do arco e a eficácia da proteção.
Por outro lado, um caudal demasiado baixo do gás de proteção pode resultar numa proteção inadequada. Por conseguinte, o caudal do gás de proteção deve ser proporcional ao caudal do gás de plasma.
Para a soldadura do tipo perfuração, o caudal do gás de proteção é geralmente da ordem dos 15 a 30 L/min.
(7) Início e fim do arco
Quando se utiliza o método de perfuração para soldar chapas espessas, é provável que ocorram defeitos como porosidade e rebaixamento nos pontos de iniciação e terminação do arco.
Para as juntas de topo, são utilizadas placas de iniciação e de terminação do arco. O arco é primeiro iniciado na placa de iniciação, depois transita para a peça de trabalho e, finalmente, termina na placa de terminação, fechando o pequeno orifício.
No entanto, para as juntas circunferenciais, as placas de iniciação e de terminação do arco não podem ser utilizadas. Em vez disso, é utilizado um método de aumento gradual da corrente de soldadura e do caudal de gás de plasma para iniciar o arco na peça de trabalho e o arco é fechado através da redução gradual da corrente e do caudal de gás de plasma para fechar o pequeno orifício.
1. Princípio de corte
Princípio de fusão e sopro: O arco de plasma derrete completamente a peça de trabalho, e a força de descarga mecânica de alta velocidade do fluxo de plasma sopra o metal fundido ou o não-metal, formando um corte estreito.
Corte a gás: Utiliza a combustão e o sopro.
Vantagens:
Desvantagens:
2. Técnicas de corte
1. Gás de plasma
1) Tipos
2) Caudal
O caudal de gás de plasma é muito mais elevado do que o utilizado na soldadura, uma vez que o arco de plasma requer um arco mais duro.
2. Parâmetros do processo
1) Tensão em vazio:
Não só afecta o desempenho da ignição do arco, como também influencia a rigidez do arco. Uma tensão sem carga mais elevada resulta num arco mais forte e numa maior força de descarga, permitindo uma maior velocidade e espessura de corte.
2) Corrente e tensão do arco:
O aumento da corrente e da tensão do arco pode aumentar a espessura e a velocidade de corte, sendo que a tensão tem um efeito mais significativo. No entanto, o aumento da corrente pode levar à formação de um arco duplo e a uma maior kerf.
3) Velocidade de corte:
Recomenda-se que se maximize a velocidade, assegurando simultaneamente uma penetração completa. O aumento da velocidade de corte melhora a produtividade e reduz a deformação e a zona afetada pelo calor. Corte lento resultam em menor produtividade, maior risco de formação de impurezas e maior zona afetada pelo calor.
4) Distância entre o bico e a peça de trabalho:
Geralmente, é preferível uma distância de 8-10 mm. Aumentar a distância aumenta a potência do arco, mas também leva a uma maior dissipação de calor, a uma menor eficiência do arco, a uma força de descarga reduzida e a um maior risco de formação de escórias. Também é mais propenso a arcos duplos. Por outro lado, uma distância demasiado baixa pode resultar no bloqueio do bocal.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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