A soldagem a arco é um processo-chave e na manufatura industrial⁽¹⁾, e a versão sob gás de proteção é geralmente usada em muitas indústrias de processos de manufatura devido às suas vantagens fundamentais, tais como perfis ajustáveis de penetração, cordão liso, baixa geração de salpicos e alta velocidade de soldagem⁽²⁾. Nas duas últimas décadas, esse processo se tornou a principal tecnologia na indústria da soldagem robótica⁽³⁾. O tipo de arco é um fator importante em muitas aplicações; contudo, os fenômenos que ocorrem no arco ainda não foram completamente explicados; ele exibe propriedades e comportamentos ainda desconhecidos.

O uso do tipo apropriado de arco na soldagem de diferentes materiais com espessuras variadas pode levar a reduções de custo, minimização dos tempos de produção e melhoria da qualidade. Recentemente, a união de materiais finos e materiais sensíveis ao calor tornou-se um tópico importante. A melhoria do entendimento sobre os fenômenos que ocorrem no arco pode ajudar a desenvolver e refinar o projeto integrado para sistemas de soldagem industrial⁽⁴⁾. O aumento da variedade de materiais que estão sendo unidos e os inúmeros processos de arco diferentes tornaram mais urgente do que nunca entender os diferentes tipos de processos de soldagem a arco. Além disso, ao controlar e modificar os processos de soldagem, o conhecimento dos fenômenos por trás do arco tornará mais fácil obter juntas soldadas com melhor qualidade e confiabilidade^(5,6).

Este estudo inclui uma rápida introdução sobre as características dos arcos, discute a classificação dos arcos de soldagem, apresenta uma comparação entre eles e discute os benefícios e pontos fracos dos diferentes tipos de arco. Finalmente, é feito um exame sobre os diversos tipos de arco para soldagem e seu papel nas aplicações industriais.

 

Características dos arcos

O arco elétrico usado na soldagem pode ser considerado um gás condutor que transforma energia elétrica em calor⁽¹⁾. No estudo feito por Lancaster⁽⁷⁾, o arco de soldagem é considerado como sendo um corpo gasoso em forma de cilindro que é confinado pelo gradiente de temperaturas. Um problema que geralmente tem de ser enfrentado pela indústria da soldagem é a má estabilidade do arco. A estabilidade e o comprimento do arco influenciam o comportamento da transferência de metal⁽⁸⁾. Sob um arco estável a transferência de metal é uniforme e a quantidade de salpicos é mínima⁽⁹⁾. Nas situações em que o arco se encontra estável é possível determinar uma relação entre a voltagem e a corrente, a qual é apresentada na figura 1⁽¹⁰⁾. Esse gráfico mostra que o arco não segue a lei de Ohm. Além disso, a parte decrescente da curva característica do arco é a assim chamada parte de Ayrton, a qual se caracteriza pela existência de um arco instável, enquanto a parte de Ohm, ou seja, a parte crescente, é aquela que é aplicada na soldagem. Outros fatores, tais como a atmosfera presente e o comprimento do arco, bem como os metais envolvidos, também influenciam a declividade da curva.

Fig. 1 – Curvas características típicas do arco em comparação com a lei de Ohm^(10).

 

Plasma do arco

O plasma do arco é o estado ionizado do gás de soldagem, o qual é constituído por quantidades quase iguais de elétrons e íons. O plasma transporta a corrente do arco. Os elétrons são os responsáveis pela maior parte da condução de corrente. No caso da soldagem a arco, geralmente se assume que o eletrodo é o catodo, enquanto a peça sob processamento é o anodo. Os elétrons fluem para fora do eletrodo (ou seja, do terminal negativo) e são mandados para a peça sob processamento (ou seja, o terminal positivo)⁽¹⁾. Devem ser considerados quatro fatores para determinar os efeitos do plasma de arco sobre a poça de fusão: (i) fluxo de calor, (ii) densidade de corrente, (iii) tensão de cisalhamento e (iv) pressão do arco. Há uma relação direta entre o aumento do fluxo de calor, a densidade de corrente e a profundidade da poça de fusão. O aumento da tensão de cisalhamento na poça de fusão promove o fluxo para fora pelo topo da poça, enquanto o aumento da pressão do arco pode levar à formação de uma superfície mais côncava na poça de fusão⁽¹¹⁾. Contudo, a pressão do arco não exerce influência sobre o nivelamento da superfície da poça de fusão quando a corrente é inferior a 200 A^(12,13).

 

Temperatura do arco

Inicialmente, foi considerado que a temperatura do arco de soldagem era decorrente do calor proveniente do plasma do arco, mas Cobine e Burger⁽¹⁴⁾ mostraram que a maior parte do calor transferido para a peça sob processamento a partir do eletrodo se originava a partir do fluxo de corrente no metal. Posteriormente essa abordagem foi estendida por Quigley e outros⁽¹⁵⁾, os quais notaram que apenas 20% do calor é transportado por condução a partir dos gases aquecidos e 80% permanecem na corrente elétrica. Dependendo da natureza precisa do plasma e da quantidade de corrente que flui através dele, a temperatura do arco de soldagem varia de 5.000 até 30.000 K (4.727 até 29.727°C)^(1,16). Em alguns casos a potência é extremamente alta, e a temperatura pode subir até 50.000 K (49.727°C)⁽¹⁾.

Dois fatores significativos influenciam a temperatura do plasma: seu tipo específico e sua densidade⁽¹⁶⁾. Na soldagem a arco sob gás monocomponente, situação que ocorre em alguns processos, a temperatura é mais baixa devido ao fato de a gota fundida, o vapor e os íons metálicos estarem mais concentrados. A figura 2 mostra a distribuição da temperatura do arco na soldagem a arco de alumínio sob gás de proteção a 250 A. Conforme é possível observar, o núcleo central do arco apresentou temperatura máxima, a qual se alterou dependendo do tipo de gás de proteção usado⁽¹⁶⁾.

Fig. 2 – Distribuição de temperaturas do arco na soldagem a arco sob gás de proteção de alumínio a 250 A⁽⁷⁵⁾

 

Corrente do arco

O processo de soldagem é afetado por vários fatores, tais como corrente e voltagem do arco, velocidade de deslocamento da tocha, metal de adição em forma de fio e frequência de rotação (spin)^(17,18). Devem ser considerados a quantidade de aporte de calor e o grau de fusão desejado ao selecionar esses parâmetros⁽¹⁹⁾. O modo do arco e, portanto, a qualidade da junta soldada, são altamente influenciados pela corrente⁽²⁰⁾. A profundidade de penetração também é significativamente afetada pela corrente do arco.

Na soldagem a arco sob gás de proteção o aumento da corrente do arco aumenta a penetração na junta. Contudo, um aumento dessa penetração também eleva a possibilidade de penetração com queima e trincamento na solidificação. Os experimentos feitos por Hu e Tsai⁽²⁰⁾ mostraram que correntes mais elevadas levam a forças eletromagnéticas maiores, o que faz com que a gota se destaque do eletrodo até a poça de fusão. Além disso, sob maiores valores de corrente, o tamanho da gota fundida é menor e ocorre o aumento da sua frequência de formação.

 

Voltagem do arco

A voltagem do arco é proporcional ao seu comprimento. Portanto, ela pode ser controlada alterando o comprimento do arco⁽¹⁾. A figura 3 mostra as curvas de voltagem do arco para uma típica fonte de potência dentro de um diagrama de corrente e voltagem de soldagem. É possível observar que uma pequena alteração da voltagem resulta numa mudança muito grande da corrente de soldagem. Podem ser previstas as propriedades e a geometria da junta em consequência da relação existente entre corrente de soldagem e voltagem do arco⁽²¹⁾: a soldagem sob alta voltagem produz um cordão muito largo com possíveis erosões e formato côncavo, enquanto a soldagem com voltagens muito baixas produz cordões de solda com baixa qualidade.

Conforme pode ser visto a partir da figura 3, a voltagem se altera significativamente com pequenas alterações no comprimento do arco, enquanto ocorrem baixas variações na corrente. Consequentemente, o comprimento do arco exerce mais efeito sobre a voltagem do que sobre a corrente de soldagem. O comprimento do arco neste diagrama é subdividido em três tipos – longo, médio e curto – os quais constituem as chamadas curvas de voltagem da fonte. A intersecção entre as curvas de corrente e voltagem constante com a curva de voltagem da fonte é o chamado ponto de operação da fonte de potência, o qual pode ser alterado durante o processo de soldagem⁽¹⁾.

Fig. 3 – Auto-controle da voltagem do arco⁽¹⁾

 

Penetração do arco

Para determinar a penetração do arco é necessário conhecer a sua posição, a qual é calculada a partir de parâmetros tais como a voltagem e a corrente de soldagem, bem como a velocidade de avanço do eletrodo em forma de fio. A posição do arco é definida como a soma da extensão do fio e do comprimento do arco. Na figura 4 esses parâmetros são mostrados no caso da soldagem a arco sob gás de proteção como L e La, respectivamente. A distância entre a tocha de soldagem e a peça sob processamento é representada por H, enquanto o parâmetro P representa a profundidade de penetração^(22,23).

Fig. 4 – Parâmetros para prever a posição do arco^(22,23)

A figura 5 ilustra a correlação entre a posição e a penetração do arco durante a soldagem de chapas planas. A linha ajustada no gráfico mostra que os valores de penetração e de posição do arco encontram-se muito próximos. Portanto, essa relação existe, como já havia sido antecipado^(22,23).

Fig. 5 – Comparação entre a profundidade de penetração prevista e calculada para a soldagem a arco^(22,23)

 

Eficiência do arco

A eficiência do arco é um fator importante nos processos de soldagem e é geralmente definida como o aporte de calor no metal dividido pela energia calorífica total do arco⁽⁵⁾. Em outras palavras, a eficiência do arco é medida como a quantidade de energia do arco que foi entregue ao substrato⁽²⁴⁾. A eficiência do arco exerce efeito sobre a velocidade de soldagem e pode variar de 60% a 99% para os diferentes processos de soldagem⁽⁶⁾. É essencial conhecer a eficiência do arco para medir a eficiência da fusão, tanto por meio de experimentos como utilizando modelos de fluxo de calor⁽²⁴⁾. Os parâmetros de soldagem (por exemplo, corrente e voltagem) exercem pouco efeito sobre a eficiência do arco de um dado processo. Considera-se que a eficiência do arco para processos que usam eletrodos não-consumíveis é um pouco menor em relação aos processos onde ocorre consumo^(7,25). O aporte de calor pode ser calculado usando a eficiência do arco pela fórmula mostrada na equação 1⁽²⁶⁾:

 

Estabilidade do arco

A estabilidade do arco é outra característica importante da soldagem. Ela é influenciada por parâmetros como potência do arco, modo de transferência de metal e sua regularidade⁽²⁷⁾. A emissão de salpicos durante a soldagem é o principal resultado negativo decorrente da má estabilidade do arco; a geração significativa de salpicos implica perdas de material, aumenta o tempo de limpeza e reduz a qualidade do cordão de solda⁽²⁸⁾.

As propriedades de um arco de soldagem ideal e estável são listadas a seguir⁽²⁸⁾: (i) o formato de todo o material transferido é constante, (ii) o comprimento do arco é constante e (iii) a geração de salpicos é baixa ou inexistente.

Durante a soldagem com um eletrodo consumível, por exemplo, no processo de soldagem a arco sob gás de proteção, a estabilidade do arco é afetada pelo comportamento na raiz do arco⁽²⁹⁾. Outro fator que afeta a estabilidade do arco é a mistura de gases de proteção usada. A estabilidade do arco é menor numa mistura gasosa com maior fração de dióxido de carbono (CO₂). A figura 6 mostra que um arco com maior comprimento e distribuição isotérmica mais fina ocorre devido a uma mistura com baixa fração de dióxido de carbono⁽³⁰⁾.

Fig. 6 – Distribuição de temperaturas para misturas: fração alta (à esquerda) e baixa (à direita) de dióxido de carbono. Para os mesmos valores de corrente e de voltagem, I₁ é mais alto que I₂⁽³⁰⁾.

 

Sopro do arco

O sopro do arco é um fenômeno no qual o arco tende a se separar do ponto de soldagem, como se um forte vento estivesse soprando⁽¹⁾. A razão para a ocorrência desse sopro é a existência de um desbalanceamento no campo magnético que cerca a peça sob processamento⁽³¹⁾.

Geralmente esse fenômeno ocorre em três situações: (i) alteração da direção da corrente, (ii) presença de materiais magnéticos ao redor do arco de soldagem e (iii) presença de materiais magnéticos próximos à borda da chapa⁽¹⁾. O sopro do arco geralmente é encontrado apenas sob altos valores de corrente contínua na soldagem. Ele pode ser evitado reduzindo a magnitude da corrente, pelo uso da soldagem com corrente alternada e pela desmagnetização do dispositivo de fixação⁽³¹⁾. A voltagem do arco afeta a sua deflexão, de forma tal que um arco com menor voltagem é mais curto, rígido e apresenta maior resistência à deflexão que um arco que possua maiores valores de voltagem.

Conforme mencionado anteriormente, a energia calorífica do arco é gerada por reações elétricas entre as áreas do anodo e do catodo dentro do plasma. Parte da energia gerada funde o eletrodo. A taxa de fusão é influenciada pelo aquecimento do catodo (corrente) e pode ser calculada pela equação 2:

MR = aI + (b/a_w ) l _s I²          (2)

Nesta fórmula, tanto α como β são constantes, “ls” é a resistividade do eletrodo, α é a área transversal do eletrodo em fio e I é a corrente de soldagem⁽¹⁾.

 

Efeito de estrangulamento

O arco em todos os condutores que transportam corrente é cercado por um campo magnético⁽³²⁾. Na soldagem a arco, a área transversal do eletrodo consumível varia e a direção da força eletromagnética depende da direção do fluxo da corrente de soldagem. O campo magnético possui uma força que é direcionada para o centro do arco, que é a assim chamada força de Lorenz. Ao aumentar a amperagem da fonte, a quantidade de corrente e a constrição radial do arco aumentam devido à maior força magnética. Esse processo é denominado efeito de estrangulamento^(16,33). A magnitude da força de estrangulamento possui relação direta com a corrente de soldagem e o diâmetro do eletrodo em fio, e exerce influência sobre o destacamento da gota da junta soldada⁽³⁴⁾. O efeito de estrangulamento é mostrado na figura 7⁽³⁵⁾.

Fig. 7 – Efeito de estrangulamento durante a transferência por curtocircuito⁽³⁵⁾

Quando a área transversal do eletrodo aumenta, a força de Lorenz atua no mesmo sentido do fluxo de corrente. A diminuição da área transversal do eletrodo faz com que a força de Lorentz atue na direção reversa à do fluxo de corrente. A força de Lorentz pode atuar de duas formas no sentido de destacar gotas a partir da ponta do eletrodo até a poça de fusão. A primeira delas ocorre se o eletrodo for positivo e o tamanho da gota for maior que o diâmetro do eletrodo em forma de fio, quando a força magnética separa a gota. Na segunda ocorre uma constrição ou “empescoçamento”. Nesse caso, a força magnética atua em ambas as direções, para fora da ponta da constrição⁽¹⁶⁾.

 

Tipos de arco

Após a primeira classificação dos tipos de arco, feita em 1974⁽⁷⁾, foram propostas várias outras. Arco curto, arco globular e arco aspergido são as três principais classificações de tipos de arco feitas pela American Welding Society – AWS (Sociedade Americana para Soldagem)⁽⁴⁾. O International Institute of Welding – IIW (Instituto Internacional de Soldagem), em 1984, dividiu os arcos aspergidos em três subcategorias: (i) aspersão de gota ou aspersão projetada, (ii) aspersão rotativa e (iii) aspersão alongada (streaming)^(4,37). Norrish⁽¹⁾ e Ponomarev e outros⁽³⁸⁾ modificaram essa categorização. A utilização de controle digital nas fontes de potência proporcionou muitas melhorias no controle do arco, especialmente na soldagem com arcos curtos e pulsantes. O controle digital eleva a velocidade de reação da fonte de potência com inversor e o uso de programas computacionais sofisticados torna possível influenciar diretamente o arco^(4,39). A tabela 1 resume uma tentativa para classificar a transferência de metal. A classificação do arco segundo o IIW é mostrada na tabela 2. A tabela também inclui exemplos de processos de soldagem e a força dominante para cada modo de transferência^(4,16).

 

Diferentes fatores motivaram esforços para classificar o arco e a transferência de metal; entre eles, a necessidade de um melhor entendimento sobre o processo, para permitir que ele seja examinado e melhor controlado. Melhores classificações permitiram distinguir o tipo de arco com base na transferência da gota. Portanto, dependendo da estabilidade do arco, pode ocorrer transferência de metal do tipo desejado (por exemplo, com formação de pontes, aspersão) ou indesejado (por exemplo, com repulsão, explosiva).

Na transferência com formação de pontes, o metal líquido cresce até que toca a poça de fusão. Ocorre então um curto-circuito e a corrente aumenta; portanto, a constrição e a ruptura destacam a gota. Na transferência em voo não há contato entre o fio do eletrodo e a poça de fusão⁽⁴⁰⁾. Se o tamanho das gotas que se destacaram a partir do eletrodo até a poça de fusão for menor que o diâmetro do eletrodo em fio, o arco é do tipo aspersão projetada. Se o metal fundido que se destaca do eletrodo girar, tem-se então um arco aspergido rotativo. Na maior parte dos casos, a aspersão projetada é chamada de arco aspergido para simplificar a terminologia⁽¹⁶⁾. Geralmente, as características típicas de um arco aspergido projetado são: separação estável de gotas, baixa geração de salpicos, gota com tamanho constante e transferência direta da gota. Portanto, esse modo de arco é o preferido na soldagem convencional a arco sob gás de proteção⁽⁴⁰⁾.

Os modos do arco estão relacionados com a sua voltagem e a magnitude da corrente. É possível mudar os modos do arco pela alteração desses dois parâmetros. No caso de pequenos valores de corrente a gota não se forma até que ela toque a poça de fusão; esse modo de arco é o assim chamado arco curto. O modo do arco muda para globular quando a corrente é aumentada de forma tal que ocorre a geração de uma pequena força eletromagnética⁽⁴¹⁾. Num arco globular o diâmetro da gota é maior que o do eletrodo e a gota é formada pela força gravitacional. Por meio do aumento adicional da corrente o tipo de arco se altera para o arco aspergido projetado, então para o arco alongado e, finalmente, arco rotativo (40) . Os diferentes tipos de arco podem ser mostrados em diagramas que relacionam a voltagem e a corrente de arco.

Numa demonstração sobre a influência da corrente, voltagem e composição do gás de proteção, Iordachescu e Quintino, num evento promovido pelo IIW em 2003, classificaram os tipos de arco com base em “modos naturais de transferência”. Atualmente, contudo, devido ao uso de controladores mais desenvolvidos, esses modos naturais de transferência não mais são usados tão frequentemente⁽⁴⁾. A figura 8, extraída do estudo de Ponomarev, mostra o tipo de arco em função da corrente, voltagem e do gás de proteção⁽³⁸⁾.

Fig. 8 – Classificação proposta pelo International Institute of Welding (IIW) para a transferência de metal, representada num diagrama entre voltagem do arco e corrente de soldagem⁽³⁸⁾.

A corrente de transição tem sido um importante tópico na definição do tipo de arco na soldagem a arco sob gás de proteção. Ela define o limite entre os arcos globular e aspergido, e determina as condições de trabalho do processo de soldagem, conforme sugerido por Ponomarev e outros⁽³⁸⁾ na figura 8. De acordo com Iordachescu e Quintino⁽⁴⁾, haveria uma segunda corrente de transição entre os arcos curto e globular, conforme ilustrado na figura 9. O objetivo dessa sugestão seria cobrir tanto o arco normal como o projetado.

Além da segunda linha de transição de corrente, o estudo de Iordachescu e Quintino⁽⁴⁾ sugere uma nova classificação de modo de transferência do arco na soldagem a arco sob gás de proteção, em função da corrente, voltagem e gás de proteção: modos de transferência por curto-circuito, por gota globular, globular com repulsão, por gota aspergida, alongado e rotativo. A figura 9 ilustra essa classificação de arcos na soldagem a arco sob gás de proteção⁽⁴⁾. Esta figura mostra os modos de transferência, controlados e fundamentais, num mesmo diagrama, sendo cada parte dele separada por zonas de transição de corrente. A primeira corrente de transição separa os modos controlado e fundamental, e a segunda separa as áreas dos grupos fundamentais aspersão e globular. Além disso, o modo do arco é alterado ao elevar a corrente de soldagem e a voltagem do arco. A figura mostra que a corrente elétrica na transferência por arco curto é menor que a observada nos outros tipos de arco, e que a transferência rotativa requer altos valores de corrente.

Fig. 9 – Modos fundamentais de transferência. Diagrama de voltagem do arco em função da corrente de voltagem baseado na classificação proposta por Iordachescu e Quintino⁽⁴⁾.

A tabela 3 mostra a classificação de tipo de arco/modo de transferência na soldagem a arco sob gás de proteção proposto por uma norma técnica DIN⁽⁴⁾. Também foram definidos o tamanho da gota e o modo de transferência de metal para cada tipo de arco. O conhecimento sobre o tipo de arco e o modo de transferência relacionado a ele não é tão necessário se a aplicação correspondente for ignorada. A importância das aplicações correspondentes aos arcos aumenta com o desenvolvimento de novasligas metálicas sensíveis ao calor⁽⁴¹⁾.

 

 

Comparação entre diferentes tipos de arco: benefícios e pontos fracos

Esta seção estabelece uma comparação entre os diferentes tipos de arco de soldagem. A lista de arcos de soldagem consiste em tipos naturais e controlados. A tabela 4 apresenta uma lista comparativa das propriedades-chave de tipos de arco. Dependendo do tipo de arco e de suas propriedades, a tabela indica o seu desempenho em aplicações industriais. É possível observar que o controle de arco tradicional apresenta arcos com menor estabilidade e, consequentemente, baixo desempenho em termos da qualidade da junta soldada. Além disso, a operação não é possível em todas as posições, exceto no caso do arco curto. O arco controlado exibe maior taxa de deposição e melhor estabilidade. Uma consequência do aumento da estabilidade é a maior produtividade.

A redução de custos é máxima, mas o equipamento é um pouco mais dispendioso. O nível de geração de salpicos é mais alto no caso do arco globular não-controlado; contudo, o arco curto controlado permite que se efetue soldagem virtualmente isenta de salpicos. O aporte de calor é minimizado ao se usar o arco curto controlado, mas um arco com taxa de deposição mais alta requer um grau suficiente de aporte de calor. O controle tem como foco a limitação da ocorrência de curto-circuito no arco; a operação é estável e a redução de custo melhora significativamente. O ponto fraco do arco globular pode ser reduzido com sucesso por meio do controle do arco enterrado; a penetração é maior e se suprime a geração de salpicos. O controle de pulso gera o arco mais estável com faixa mais alta de corrente; portanto, é possível soldar uma seção mais espessa e uma maior variedade de metais.

 

 

Aplicações dos diferentes tipos de arco

A seleção adequada do tipo de arco pode reduzir o risco de ocorrência de defeitos nas juntas soldadas e aumentar a produtividade do processo. Nesta seção são discutidas as aplicações dos tipos de arco. A discussão se inicia com o arco natural, seguindo-se então o arco controlado. A discussão é baseada na comparação efetuada na tabela 4, em termos de sua aplicação, e a tabela 5 apresenta o tipo de arco e suas aplicações.

 

 

Arco curto

O arco curto é adequado para aplicações que requerem baixo aporte de calor e permite a união de peças finas e chapas metálicas em qualquer posição. É uma boa escolha quando a distorção da estrutura precisa ser minimizada. É adequada para juntas soldadas com chanfros, bem como para o passe de raiz ou para o preenchimento das folgas das juntas, e para o passe de raiz das juntas abertas com chanfro, além de soldagem de chapas com chanfro. O modo de arco curto é amplamente usado na indústria de tubos e muito aplicável no passe de raiz de juntas de tubos. Ele pode ser usado com aços ao carbono adotando gás de proteção composto exclusivamente por dióxido de carbono ou então por uma mistura com fração máxima de 25% de gás carbônico e o restante de argônio. O modo de arco curto também é aplicável a aços de baixo carbono, baixa liga e inoxidáveis, com espessura variando entre 0,5 e 2,6 mm. Contudo, não é possível soldar alumínio com este modo de arco⁽⁴³⁾. Mas o arco curto convencional é usado em muitas aplicações, ainda que seu uso seja limitado pelo alto potencial de ocorrência excessiva de salpicos, geração de fumos, falta de fusão e baixa capacidade para preencher folgas, além da instabilidade do arco^(9,44).  O mau desempenho do arco curto convencional decorre da capacidade limitada da fonte de potência em controlar cada sequência de transferência de metal pela ocorrência de curtos-circuitos^{(45,46,47,48,49,50)}.

Como consequência dessa limitação, o arco curto convencional está sendo progressivamente substituído pelo arco curto controlado na soldagem do passe de raiz de chapas metálicas.

 

Arco globular

O modo de arco globular possui poucas aplicações devido às suas inúmeras deficiências. Devido ao tamanho da gota (maior que o diâmetro do eletrodo), ela pode inesperadamente tocar a poça de fusão e causar um curto-circuito. A raiz do arco é altamente móvel, de forma que as forças do arco tendem a mover a gota de modo irregular, o que causa alta geração de salpicos e instabilidade na soldagem. Além disso, o metal fundido não é acelerado rumo à poça de fusão, o que leva à formação de um cordão de solda raso e largo. As grandes gotas se soltam a baixas frequências (inferiores a 10 Hz), resultando em baixa produtividade. Consequentemente, o modo globular de arco é limitado a juntas soldadas com baixa qualidade, confeccionadas em posição plana ou vertical para baixo^(51,52).

A aplicação mais adequada para o arco globular é a soldagem de materiais finos numa faixa muito baixa de correntes. Embora ele também possa ser usado com valores mais altos de corrente, essa opção não é eficiente. Ele é adequado para soldagem a arco sob gás de proteção em aço^(46,50).

 

Arco aspergido

O arco aspergido é requerido para uso em seções mais espessas ao invés do arco curto. Ele é muito adequado quando se precisa de altas taxas de deposição e quando se requer penetração profunda para a soldagem de materiais-base maciços que podem tolerar alto aporte de calor. A grande poça de fusão torna difícil o seu uso em posições de soldagem vertical ou sobre-cabeça, especialmente no caso de aços ao carbono e inoxidáveis. No caso da união entre aços, a corrente de transição pode variar mais do que no caso da soldagem de ligas de alumínio. O arco aspergido pode ser usado com quase todas as ligas comuns que contêm alumínio e também com ligas de níquel, cobre, aços inoxidáveis, magnésio e aços ao carbono^{(16,45,46,48,49,50)}. A despeito das vantagens do arco aspergido convencional, instabilidades ocasionais de arco e a transferência desordenada de metal têm restringido o seu uso. No modo de arco aspergido, a corrente e voltagem são quase estáveis, o que leva à formação de gotas com tamanho e frequência aleatórios⁽⁵³⁾. Portanto, ocorre a geração de grandes quantidades de fumos e salpicos, além do aporte de calor ser alto. Como resultado do controle insuficiente, a qualidade da junta soldada pode ser afetada de maneira adversa. Deve-se notar também que o gás de proteção à base de argônio usado para conseguir o arco aspergido é mais caro que o dióxido de carbono. Em vista dessas desvantagens, o arco aspergido é inadequado para uso em alumínio, aços estruturais, revestidos e com alta resistência mecânica.

 

Arco controlado com curto-circuito

O arco controlado com curto-circuito pertence à categoria dos modos controlados por forma de onda. O destacamento da gota durante o curto-circuito é controlado de forma a reduzir a geração de salpicos e fumos, bem como melhorar a produtividade^(48,54,55).

Os equipamentos que usam esse tipo de arco são comercializados sob diferentes marcas: Cold Metal Transfer/Transferência de Metal Frio (CMT) (Fronius International GmbH), Cold Arc/Arco Frio (EWM Hightec Welding GmbH), Surface Tension Transfer/Transferência por Tensão Superficial (STT) (Lincoln Electric), Cold Process/Processo Frio (CP) (Cloos), FastRoot/Raiz Rápida (KemppiI), Regulated Metal Deposition/Deposição Regulada de Metal (RMD) (Miller Electric Mfg) etc.

Pepe e outros⁽⁵⁵⁾ investigaram a eficiência da soldagem controlada a arco sob gás de proteção. Os resultados revelaram que os processos de transferência por tensão superficial (STT), raiz rápida e transferência de metal frio (CMT) alcançam eficiência em torno de 85%. O arco curto controlado pode ser usado em quase todas as posições de soldagem e tipos de materiais metálicos com diferentes espessuras. O arco curto controlado é aplicável na união de chapas finas, chapas revestidas com zinco e chapas não-revestidas de aço inoxidável, bem como na união de ligas de alumínio. Também é possível a soldagem de chapas metálicas muito finas feitas de aços-carbono e de baixa e alta liga, ou alumínio⁽⁴³⁾. Atualmente, a espessura das chapas usadas na indústria automotiva está se tornando menor que 0,3 mm, o que está fazendo com que o processo de soldagem a arco curto sob gás de proteção não seja mais adequado. Aplicações adicionais do arco curto controlado são a soldagem sob gás de proteção robotizada e a brasagem para chapas ultra-finas, tanto no modo manual como automático, em qualquer posição. Materiais não-similares podem ser soldados, tais como alumínio e aço, aço e magnésio, e também ligas de magnésio^(42,57,58). Embora o controle do arco curto proporcione maior flexibilidade de aplicações, ele requer fontes de potência avançadas e, às vezes, tochas especialmente projetadas.

 

Arco globular controlado

Neste modo específico é usada a faixa de correntes em que se forma o arco globular, mas de modo a apresentar comprimento curto. Isso permite que o arco trabalhe sob a superfície da poça de fusão (esse é o assim chamado “arco enterrado”), aproveitando a vantagem da pressão exercida pelo arco sobre o dióxido de carbono usado como gás de proteção, a qual aprisiona os salpicos. De acordo com Nishiguchi e outros⁽⁵⁹⁾, a técnica de soldagem sob arco enterrado é capaz de proporcionar velocidades de processo e taxas de deposição de metal de adição maiores do que as proporcionadas pelo arco globular. A velocidade de soldagem pode alcançar 2.540 mm/ min e a necessidade de limpeza é mínima⁽⁶⁰⁾. Stol e outros⁽⁶¹⁾ estudaram o uso de soldagem a arco enterrado sob gás de proteção para juntas de costura. A variante com arco enterrado possui grande potencial para uso nas indústrias automotiva, ferroviária e naval, para a soldagem de subconjuntos. Um exemplo de aplicação é a soldagem de bordas e partes laterais de peças de alumínio, como alternativa à soldagem a arco sob gás de proteção. O modo de arco globular controlado pode ser usado para a confecção de juntas soldadas em ângulo ou de costura, de juntas de sobreposição ou em forma de “T”, e de juntas de topo sobre bordas retas. Esse processo é adequado para a soldagem mecanizada de materiais com seções finas sob altas velocidades e na soldagem a arco sob gás de proteção plenamente mecanizada ou automática. Ele também pode ser usado para a soldagem de cilindros de tubos. Um arco enterrado pode ser usado em aplicações automotivas na soldagem de topo para carrocerias, e em soldagem semiautomática para a confecção de chassis e das carrocerias^(62,63,64).

 

Arco aspergido controlado

Foram desenvolvidas fontes de potência com capacidade de liberar uma gota após uma sequência de arco e pulsos de tempo para controlar o aporte de calor e reduzir a geração de salpicos e fumos. Esse arco usa corrente contínua (por exemplo, soldagem pulsante a arco sob gás de proteção) ou corrente alternada (por exemplo, soldagem a arco sob gás de proteção com corrente alternada) com diferentes formas de onda para a corrente. Um arco pulsante pode ser usado em todas as posições de soldagem e com todas as espessuras de material-base, em sistemas de soldagem tanto manuais como automáticos. Também é possível efetuar soldagem fora de posição devido ao nível de corrente menor que a média. Esse tipo de arco é adequado para o preenchimento de folgas devido ao seu baixo aporte de calor. Ele é amplamente usado na soldagem a arco sob gás de proteção de alumínio⁽⁶⁵⁾. O método é adequado para a soldagem de todos os graus comuns e de alto desempenho de aços inoxidáveis, caso em que se usa metais de adição à base de níquel ou de aço inoxidável. Aços de alta liga também podem ser soldados por arco pulsante. O aço inoxidável super-austenítico apresenta melhores propriedades mecânicas e metalúrgicas com parâmetros otimizados na soldagem a arco sob gás de proteção em comparação com o arco aspergido convencional⁽⁶⁶⁾. A soldagem com arco pulsante possui aplicações na indústria naval, por exemplo, na soldagem fora de posição de aços de baixa liga e de alta resistência durante a fabricação de cascos de navios. As vantagens do arco pulsante na construção naval decorrem do fato de que a eficiência do eletrodo é maior em comparação com o que ocorre na soldagem a arco usando eletrodo tubular com núcleo contendo fluxo, permitindo a deposição de metais de soldagem com menor teor de hidrogênio^{(45,46,47,64,67,68,69,70)}.

 

Arco com potência mais alta

A transferência de metal alongada e rotativa ocorre sob faixas de potência mais altas. A rotação do metal fundido é resultado da maior projeção do eletrodo (25 a 35 mm) e maiores níveis de corrente e voltagem, o que faz com que o fluxo de metal sofra deflexão para fora do seu eixo de simetria e comece a girar sob ação das forças magnéticas. Embora a confecção de juntas de topo seja a aplicação mais típica da soldagem com arco rotativo, esse tipo de arco também pode ser usado na soldagem com folgas estreitas. Chapas grossas pesadas podem ser soldadas usando este método. Devido à flexibilidade, eficiência e produtividade desse tipo de arco, ele pode ser usado na manufatura de peças estruturais grandes e pesadas⁽⁷¹⁾. Embora Church e Imaizumi⁽⁷¹⁾ tenham relatado que esse processo requer atmosfera de proteção quaternária (hélio – argônio –  dióxido de carbono e oxigênio), o que proporciona tolerância muito limitada, Suban e Tusek^{(28 )} indicaram que um gás de proteção binário (argônio e dióxido de carbono) poderia pro- porcionar resultados satisfatórios com parâmetros de soldagem otimizados. O aproveitamento pleno de seu potencial ocorre em procedimentos completa- mente mecanizados⁽⁷²⁾. Peças para pontes de grande porte, equipamentos pesados, construção naval e estruturas cilíndricas pesadas são alguns exemplos de suas aplicações. Um novo desenvolvimento do arco rotativo, onde a rotação não é promovida pelo efeito magnético, mas sim devi- do a pequenas tochas rotativas especiais, torna possível aplicar o arco rotativo à soldagem em ângulo na construção naval, de pontes etc. Esse modo também é adequado para a soldagem de chapas grossas de aço com baixo carbono^{(22,23,73,74)}.

 

Conclusões

Este trabalho efetuou uma revisão e análise sobre informações relativas ao arco de soldagem. O fluxo de calor, densidade de corrente, tensão de cisalhamento e pressão do arco são os quatro principais fatores que devem ser considera- dos ao determinar a influência do plasma do arco sobre a poça de fusão. A partir desse estudo foram elaboradas diversas conclusões importantes, as quais são relatadas a seguir.

Apenas 20% do calor é transmitido por condução a partir dos gases aquecidos, ficando 80% por conta da corrente elétrica na poça de fusão. A faixa de temperaturas do arco varia entre 5.000 e 30.000 K ( 4.727 e 29.727°C),

dependendo da natureza precisa do plasma e da quantidade de corrente que flui através dele. A corrente e voltagem do arco são os dois parâmetros mais importantes que determinam as características do arco que afetam a qualidade da junta soldada.

A AWS classificou os arcos de sol dagem em três categorias principais: curto, globular e aspergido. Outras variações de arco mencionadas nesse estudo são pulsante, frio, rotativo, enterrado e rápido. Um arco estável possui três características principais: gotas com formato constante, com primento constante do arco e baixa geração de salpicos.

Ao efetuar uma soldagem com arco curto pode haver falta de fu- são e a taxa de deposição é baixa. Consequentemente, as principais aplicações desse modo de arco estão limitadas aos aços ao carbono, de baixo carbono, baixa liga e inoxidáveis, com espessura entre 0,5 e 2,6 mm.

O arco aspergido é limitado às posições de soldagem plana e horizontal, mas quase todos os materiais podem ser soldados usando esse tipo de arco. O arco globular é raramente usado na indústria, uma vez que promove alta geração de salpicos.

O controle do arco melhorou sig nificativamente o controle do aporte de calor, da formação de salpicos e geração de fumos. O arco pulsante demonstrou capacidade para reduzir em 75% a seção transversal do me- tal-base (undercutting); 10% a 30% de redução do tempo de ciclo devido à maior velocidade de soldagem e capacidade de soldar metais como alumínio e aços com alta resistência mecânica. Novas variantes do arco pulsante, tais como o arco dupla- mente pulsante e o arco pulsante com polaridade variável, permitem o controle da eficiência da soldagem e a capacidade para estabelecer pontes. O arco curto controlado é aplicável para seções transversais mais finas e é menos danoso a metais revestidos com zinco. Foi verificado que ele proporciona eficiência de arco igual  a  85%.  O  arco  é  mais estável, apresenta formação virtual- mente nula de salpicos e gera menor quantidade de fumos do que o arco curto convencional.

Nas futuras investigações sobre a melhoria do entendimento dos fenômenos associados ao arco, a distribuição de velocidade, pressão, temperatura, densidade de corrente e o campo magnético dos plasmas de arco poderão ser calculados usando a dinâmica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD).  O aperfeiçoamento dos modelos bi ou tridimensionais dos diferentes tipos de arco para soldagem melhorará o entendimento sobre os resultados desse processo. Finalmente, será melhorada a previsibilidade dos efeitos associados aos diferentes tipos de arco sobre diferentes materiais e aplicações.

 

Conflito de interesses

Os autores declaram não ter con flito de interesses.

 

Contribuições dos autores

Os autores principais, P. K. e H. L., preparam o trabalho, enquanto os  demais, R. S., J. M. e M. P., revisaram o texto e forneceram sugestões significativas para melhorar o estudo. Todos os autores leram e aprovaram o manuscrito final.

 

Referências

1) Naidu, D. S., Ozcelik, S., & Moo re, K. (2003). Modeling, sensing and control of gas metal arc welding (1st ed.). UK: Elsevier.

2) Kah, P., Martikainen, J., Jernstrom, P., & Uusitalo, J. (2009). Influence of joint geometry and fit-up gaps on quality of corner joints in new modified short arc GMAW. International ScientificTechnical and Production Journal, The Paton Welding Journal, 5, 27–33.

3) Chen, S., & Wu, J. (2009). Intelligentized methodology for arc welding dynamical process. Berlin: Springer.

4) Iordachescu , D., & Quintino, L. (2008). Steps toward a new classification of metal transfer in gas metal arc welding. Journal of Materials Processing Technology, 202, 391–397.

5) Eagar, T. W. (1990a). An iconoclast’s view of the physics of weldingrethinking old ideas. In SA David & JM Vitek (Eds.), Recent trends in welding science and technology (pp. 341–346). Materials Park: ASM International.

6) Eagar, T. W. (1990b). The physics of arc welding processes. In TH North (Ed.), Advanced joining technologies. London: Chapman and Hall.

7) Lancaster, J. (1984). The physics of welding. New York: International Institute of Welding.

8) Pal, K., Bhattacharya, S., & Pal, S. K. (2010). Investigation on arc sound and metal transfer modes for on-line monitoring in pulsed gas metal arc welding. Journal of Materials Processing Technology, 210, 1397–1410.

9) Hermans, M. J. M., & O den, G. D. (1999). Process behavior and stability in short circuit gas metal arc welding. Welding Research Supplement, 78, 1372–141s.

10) Ibrahim Khan, M. (2007). Welding science and technology. New Delhi: New Age International Publishers.

11) Murphy, A. B., Tanaka, M., Yamamoto, K., Tashiro, S, & Lowk e, J. J. (2009). CFD modelling of arc welding: The importance of the arc plasma. In Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, Melbourne, December.

12) Lin, M. L., & Eagar, T. W. (1985). Influence of arc pressure on weld pool geometry. Welding Journal, 64(6), 163s–169s.

13) Wang, Y., & Tsai, H. L. (2001). Impingement of filler droplets and weld pool dynamics during gas metal arc welding process. International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 2067– 2080.

14) Cobine, L. D., & Burger, E. E. (1955). Analysis of electrode phenomena in the highcurrent arc. Journal of Applied Physics, 26, 895.

15) Quigley, M. B. C., Richards, P. H., S iftHook, D. T., & Gick , A.E.F. (1973). Heat flow to the workpiece from a TIG welding arc. Journal of Physics D: Applied Physics, 6, 2250.

16) Robert, W., & Messler, J. (2004). Principle of welding. Singapore: WileyVCH Verlag GmbH & Co.

17) L , Q., Y , Z., Xu, G., & He, J. (2009). Research on narrow gap welding parameters optimization. In International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, Zhangjiajie, Hunan, April.

18) Moon, H-S, Kim, Y. B., & Beattie, R. J. (2006). Multi sensor data fusion for improving performance and reliability of fully automatic welding system. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 28, 286– 293.

19) Min, D., Xin-H a, T., Feng-G i, L., & Shun, Y. (2011). Welding of quenched and tempered steels with high-spin arc narrow gap MAG system. Int J Adv Manuf Technol, Springer Science, 55(5- 8), 527–533.

20) H , J., & Tsai, H. L. (2006). Effects of current on droplet generation and arc plasma in gas metal arc welding. Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, 100(053304), 1–12.

21) Shoeb, M., Parvez, M., & Kum ari, P. (2013). Effect of MIG welding input process parameters on weld bead geometry on HSLA steel. International Journal of Engineering Science and Technology. 5(1), 200–212.

22) I ata, S., Murayama, M., & Kojima, Y. (2009a). Application of narrow gap welding process with high speed rotating arc to box column joints of heavy thick plates. Jef Technical Report, 14(14), 16–21.

23) I ata, S., Nishi, Y., & O amoto, D. (2009b). Practical system to monitor and control the penetration depth of welding by submerged arc welding (SAW) with multiple electrodes (JFE Technical Report No.14, pp. 22–25).

24) Dupont, J. N., & Marder, A. R. (1995). Thermal efficiency of arc welding processes. Welding Journal, 74(12), 406s–416s.

25) Kou, S. (1987). Welding metallurgy. New York: Wiley.

26) G naraj, V., & Murugan, N. (2002). Prediction of heat-affected zone characteristics in submerged arc welding of structural steel pipes. Welding Journal, 81(7), 94s–98s.

27) Ghosh, P. K, Dhiman, H. K., & Kum ar, M. (2006). Thermal and metal transfer behaviors in pulsed current gas metal arc welding deposition of Al-Mg alloy. Science and Technology of Welding and Joining, 11, 232–242.

28) S an, M., & T sek, J. (2003). Methods for the determination of arc stability. Journal of Materials Processing Technology, 143–144, 430–437.

29) Costa, M. C. M. D. S, Starling, C. M. D, & Modenesi, P. J. (2010). Characterization of GMAW arc instability phenomena related to low oxidation potential shielding gases. Welding International, 24(3), 181–189.

30) Pires, I., Quintino, L., & Miranda, R. M. (2007). Analysis of the influence of shielding gas mixture on the gas metal arc metal transfer modes and fume formation rate. Material and Design, 28, 1623–1631.

31) Gerbec, D. (2009). Minimizing defects in submerged arc welding. Welding Journal, 88(9), 78–79.

32) L sa, K. (2006). Influence of weld on short circuit GMA welding arc stability. Journal of Materials Processing Technology