Existe atualmente uma tendência geral rumo à construção leve (com estruturas complexas apresentando paredes finas em conjunção com o uso de aços de alta e ultra alta resistência mecânica e juntas híbridas sensíveis ao calor), somada à pressão resultante da competição global de tornar mais eficiente a manufatura que utiliza tecnologia de soldagem e, desta forma, torná-la mais viável economicamente, além dos crescentes requisitos de qualidade especificados para as juntas soldadas. Isso impõe restrições cada vez mais severas aos processos de soldagem a arco sob gás de proteção. Equipamentos eletrônicos modernos para soldagem, dotados de inovadoras técnicas de controle digital e novos conceitos para regulagem, estão viabilizando métodos novos e otimizados de transferência de metal a arco, oferendo novas abordagens para vencer esses desafios.

Numerosos fabricantes de equipamentos de soldagem a arco sob gás de proteção estão divulgando esses métodos modificados voltados para a transferência de metal, baseados em arcos dos tipos curto, pulsante e aspergido, atribuindo novos nomes para os processos e prometendo a seus usuários resultados de soldagem significativamente melhores, com redução dos custos de manufatura, devido ao uso de sua tecnologia de soldagem.

 

Variantes de processo e métodos de transferência de metal baseados em arco curto

O processo a arco no qual o metal é transferido durante o curto-circuito é designado como sendo de arco curto, ou seja, o arco é extinto durante a transferência da gota para a poça de fusão. No caso das fontes de potência clássicas para soldagem (transformador, retificador e partida [starter]), a dinâmica do processo é determinada pelo ajuste do circuito elétrico e pela estrutura associada ao projeto do equipamento de soldagem. Devido às condições de contorno variáveis (por exemplo, alterações no comprimento do arco causadas por irregularidades na velocidade de avanço do eletrodo em fio), podem ocorrer perturbações com geração de salpicos. Flutuações na voltagem, em particular, dão origem a irregularidades no processo. Ainda assim, podem ser conseguidas boas sequências nos processos de soldagem por meio de uma influência ativa sobre as características da partida (figura 1).

Fig. 1 – Evolução da corrente, voltagem e potência, bem como da transferência de metal, em um arco curto convencional.

Devido à alta frequência de comutação (relógio), de até 100 kHz, e à utilização de processadores digitais de sinal muito rápidos, os modernos equipamentos com pulso controlado por temporizador digital e módulos de potência controlados por computador permitem a regulação otimizada tanto da voltagem como da corrente, orientada conforme os eventos, desta forma adaptando muito bem o processo de soldagem às condições específicas da união que está sendo confeccionada. Portanto, eles podem compensar os efeitos de algumas perturbações. A partir daí, vários fabricantes de equipamento redefiniram os processos de soldagem a arco, concedendo a eles nomes atraentes, tais como “transferência de metal a frio” (cold metal transfer), “arco frio” (coldArc), “MIG frio” (ColdMIG), “solda controlada” (Control Weld) etc. Todos esses processos possuem uma característica em comum: eles fazem uso do princípio de transferência de metal por meio de curto-circuito, ao mesmo tempo em que exploram estratégias de regulação adaptadas de forma individual e que geralmente são patenteadas, evitando assim, em alto grau, a geração de salpicos durante a reignição do arco.

De acordo com a figura 2, essa nova forma de arco curto “eletrônico” usada na soldagem sob gás de proteção pode ser dividida, de forma simplificada, em dois princípios de controle:

• arco curto sob direção constante de alimentação do eletrodo em fio e a utilização de pontos de disparo incluídos na evolução de corrente e voltagem;
• arco curto com retração do eletrodo em fio durante a fase de reignição do arco curto, com ajuda de um sistema para alimentação do eletrodo que permite reversão rápida, o qual deve ser instalado na tocha de soldagem, de forma a proporcionar auxílio adicional para que ocorra a separação da gota.

Fig. 2 – Uma possível classificação das variantes modernas de processo e métodos para transferência de metal baseados em arco curto.

Fig. 3 – Evoluções esquematizadas de corrente das modernas variantes de arco curto com utilização de pontos de disparo na sequência do processo (representativo da variante B mostrada na figura 2)

A princípio, a vantagem particular do processo de soldagem de arco curto sob gás de proteção, incluindo pontos de disparo, consiste no fato de que essa abordagem consegue uma boa adaptação do processo às condições específicas da junta que está sendo confeccionada. O aporte de energia e a pressão sobre a poça de fusão podem ser controlados de maneira mais efetiva e, se necessário, também podem ser reduzidos da mesma forma. Consegue-se assim suprimir a geração de salpicos de soldagem na maior parte dos casos (figura 4).

Fig. 4 – Influência da potência durante a reignição do arco sobre a geração de salpicos e a pressão do arco sobre a poça de fusão.

Caso a alimentação de eletrodo em fio apresente mudanças rápidas, então ela pode ser controlada por meio de um apoio mecânico direto para a separação da gota na fase de curto-circuito (variante D na figura 2), usando-se pontos de disparo adicionais. A energia elétrica requerida para a dissolução da ponte de curto-circuito pode ser ainda mais reduzida dessa forma. O processo CMT consiste na implementação prática dessa sequência. Imediatamente após a ocorrência do curto-circuito, o eletrodo em fio é retraído de certa distância, pela ação de um sistema de alimentação especial localizado na tocha de soldagem, viabilizando assim a separação da gota. Após a reignição do arco, a direção da alimentação do eletrodo em fio é novamente revertida e ele é novamente direcionado rumo à poça de fusão, para que ocorra um novo ciclo de arco curto e a operação de transferência da gota (figura 5). Além disso, a mudança do movimento do eletrodo em fio leva a um melhor contato elétrico. Os movimentos de avanço e retração do eletrodo em fio, exatos e reprodutíveis, garantem a alta estabilidade do processo e um comprimento constante de arco.

Fig. 5 – Movimento do eletrodo em fio e esquema da evolução de corrente e voltagem no processo CMT (Cold Metal Transfer / Transferência a Frio de Metal), da Fronius.

Para o caso da soldagem a arco sob gás de proteção de chapas finas e/ou executada para o preenchimento de amplas folgas durante a soldagem, alguns poucos fabricantes oferecem variantes de arco curto com uso proporcional de corrente alternada (eletrodo em fio com polaridade negativa intermitente) no ciclo de curto-circuito (variantes C e D na figura 2). Durante a ocorrência de polaridade negativa, o arco literalmente envelopa a extremidade do eletrodo em fio, causando a formação de gotas maiores neste local (figura 6, pág. 40). Consequentemente, o aporte de calor e o efeito de penetração sobre o componente são menores durante a fase negativa.

Fig. 6 – Influência da polaridade do eletrodo em fio durante a soldagem a arco com corrente alternada.

A figura 7 mostra uma evolução de corrente e de voltagem de uma variante de arco curto usando eletrodo em fio com polaridade negativa intermitente. Uma vez que as proporções de aplicação de polaridade negativa podem ser variadas de forma infinita, o aporte de calor e a taxa de deposição podem ser ajustados de maneira muito precisa às necessidades específicas da união que está sendo confeccionada. Finalmente, a figura 8 apresenta um quadro geral e identifica as modernas designações de arco curto da variante B da figura 2 dentro do diagrama da faixa de trabalho do arco.

Fig. 7 – Evolução esquemática de corrente e voltagem de uma variante de processo com arco curto usando eletrodo em fio com polaridade negativa intermitente (figura fornecida pela Cloos)

Fig. 8 – Quadro geral e posicionamento dos modernos processos de soldagem com arco curto da variante B (mostrada na figura 2) dentro do diagrama da faixa de trabalho do arco.

 

Variantes de processo e métodos de transferência de metal baseada em arco pulsante

O arco pulsante dos modernos equipamentos eletrônicos de soldagem também podem ser controlado e regulado de forma muito mais precisa graças às altas frequências de comutação disponíveis atualmente. Elas permitem ajustes infinitos dos parâmetros essenciais do arco pulsante, tais como nível e duração das correntes de fundo e de pulso e as taxas de elevação e diminuição da corrente de pulso, bem como a frequência dos pulsos. Os processadores digitais de sinal, muito velozes, permitem diferentes estratégias de regulagem e tipos de modulação (modulações I/I [controle da corrente de pulso pela corrente/controle da corrente-base pela corrente] e U/I [controle da corrente de pulso pela voltagem/corrente da corrente-base pela corrente] ou combinações diferentes entre elas) para obter um processo com alta estabilidade nas fases de corrente-base e de pulso, bem como assegurar uma transferência de gotas com baixa geração de salpicos, mesmo no caso de arcos pulsantes com ajustes muito curtos. Para elevar a eficiência da deposição, é possível programar e implementar evoluções de corrente com (por exemplo) pulsos que não desprendem nenhuma gota e com transferência subsequente de metal usando curtos-circuitos, ou também tempos de espera ou atrasos na taxa de queda da corrente de pulso, de forma a ocorrer um destacamento confiável da gota no caso de materiais específicos e/ou para métodos de transferência de metal com múltiplas gotas.

Os fabricantes denominam esses programas especiais de corrente, os quais usam eletrodo em fio com polaridade positiva contínua e apresentam eficiência constante de deposição, com nomes tais como “SpeedPulse” (pulso veloz), “Speed Weld” (solda veloz), “Turbo-Pulse” (turbo pulso), “WiseFusion” (fusão inteligente) etc. Os arcos direcionalmente estáveis desses processos que, na maioria dos casos, apresentam ajustes muito curtos, permitem que tais programas estendam a antiga faixa de trabalho clássica dos processos com arco pulsante, não apenas rumo a arcos curtos, como também em direção ao arco aspergido (variante B da figura 9).

Fig. 9 – Uma possível classificação das modernas variantes de processo e métodos para transferência de metal baseados em arco pulsante.

De forma similar ao caso de algumas poucas variantes de arco curto, as proporções de corrente alternada no ciclo de arco pulsante também são utilizadas para a soldagem utilizando esse tipo de arco na região de baixa potência. Dessa forma, elas fazem uso das vantagens já mencionadas para o eletrodo em fio com polaridade negativa intermitente no caso da soldagem a arco de chapas finas, e permitem obter melhor capacidade para o preenchimento de folgas (soldagem a arco pulsante com corrente alternada, variante C da figura 9, pág. 44). Dependendo da duração do período de polaridade negativa, a taxa de deposição, o efeito de penetração e o aporte térmico para o componente podem ser muito bem controlados. Em comparação com as variantes de arco curto com corrente alternada, as gotas no caso do arco pulsante com corrente alternada são transferidas com uma força adicional de aceleração devido ao efeito de pinçamento que ocorre na fase do pulso (é necessário ultrapassar um valor mínimo de densidade de corrente para que ocorra a transferência da gota sem a ocorrência de curto-circuito) e, consequentemente, maior pressão sobre a poça de fusão. Contudo, o arco continuamente atuante leva a um aporte térmico ligeiramente maior que o verificado nas variantes de arco curto com corrente alternada.

As variantes de arco pulsante com eficiências de deposição variáveis periodicamente ocupam uma posição especial (figura 10). Enquanto os processos nos quais a potência do arco pulsante se altera de forma periódica, ou seja, ocorrem pulsos alternados com energias altas e baixas (“fases com corrente alta e baixa”), já são usados com sucesso há muitos anos na soldagem MIG de ligas de alumínio, verificando-se então uma ondulação característica na superfície da junta soldada (variante D na figura 9, pág. 44), e até o momento, na maioria dos casos, somente era possível implementar tipos de transferência de metal com alterações periódicas, tais como arco curto/arco pulsante, por meio de constantes alterações de tarefas com auxílio de um robô controlador.

Fig. 10 – Quadro geral e posicionamento dos modernos processos de soldagem com arco pulsante com eficiência de deposição apresentando alterações periódicas dentro do diagrama de faixas de trabalho do arco.

Agora as modernas seções eletrônicas de potência, com processadores digitais de sinal, permitem executar quase qualquer tipo de combinação possível e operações de comutação isentas de atraso entre vários tipos de transferência de metal. Os nomes de processo listados na variante E da figura 9 (pág. 44) indicam processos em que, na maioria dos casos, ocorrem arcos curtos e pulsantes com alterações periódicas em programas (características) de soldagem já preparados. O arco pulsante com maior energia (“fase de corrente alta”) é responsável pelo aporte de quantidade suficiente de calor e pela penetração, enquanto o arco curto subsequente (“fase de corrente baixa”) promove o resfriamento intermediário da poça de fusão. Essas combinações alternadas servem para melhorar o controle da poça de fusão, especialmente no caso da soldagem a arco fora de posição (posições de soldagem PF, PE e PC). A duração dos ciclos de arco curto e arco pulsante e, no caso de alguns poucos fabricantes, até mesmo a sequência exata (número) de operações de transferência de gota com e sem curtos-circuitos podem ser alteradas de forma variável (figura 11, pág. 44). Portanto, o processo combinado de soldagem pode ser adaptado de forma otimizada conforme o tipo de junta que está sendo confeccionado.

Fig. 11 – Evolução esquemática da corrente/voltagem de arcos curtos e pulsantes alterando-se de forma periódica. Em cada caso ocorrem dez operações de transferência de gotas sem a ocorrência de curto-circuito e de quatro a cinco operações de transferências de gotas com um curto-circuito.

 

Variantes de processo e métodos para transferência de metal baseados no arco aspergido

O arco aspergido é frequentemente utilizado para a soldagem com material de adição e passes de cobertura em posições favoráveis de soldagem em chapas com maiores espessuras, devido à alta eficiência de deposição que pode ser alcançada. O arco aspergido convencional é caracterizado por efetuar transferência de material com gotas finas e praticamente sem a ocorrência de curtos-circuitos. Com respeito à definição dos parâmetros do arco aspergido, a literatura especializada e o conhecimento prático dos soldadores já apontaram a necessidade de manter um arco com ajuste curto e gerando um ruído típico com estalos. Dessa forma, evita-se o surgimento de ranhuras, excesso de sopro magnético do arco (em particular no final do componente), e queima excessiva de elementos de liga. O ruído típico gerado pelo arco é característica dos processos de transferência de gotas em que ocorrem alguns curtos-circuitos. Como consequência da alta densidade de corrente, as estricções (pontes de curto-circuito) da gota são extremamente contraídas pela ação das forças de pinçamento atuantes, de forma que a duração dos curtos-circuitos e a elevação da corrente de soldagem associada a eles é relativamente curta e dificilmente leva à geração de salpicos com alta aderência durante a reignição do arco. O ajuste correto de arcos aspergidos usando-se retificadores convencionais (com comutação em degraus ou tiristorizados) já tornou possível obter resultados muito bons de soldagem em termos da eficiência de deposição, de penetração e da supressão de salpicos.

Devido à alta velocidade de regulagem das seções de potência controladas por computador, a voltagem do arco das variantes modernas de arco aspergido pode ser reduzida um pouco mais sem o aumento significativo da geração de salpicos. Isso resulta em arcos aspergidos muito curtos e direccionalmente estáveis, com alta pressão de plasma sobre a poça de fusão. O arco aspergido literalmente queima em uma depressão formada sobre a poça de fusão, de forma que, na maioria dos casos, qualquer salpico gerado pela soldagem que possa ocorrer acaba sendo reincorporado pela poça de fusão (figura 12).

Fig. 12 – Depressão que ocorre na poça de fusão e métodos de transferência de metal que são típicos ao usar arco aspergido com ajustes muito curtos.

No caso de curtos-circuitos de longa duração, os reguladores digitais intervêm de maneira orientada no evento, logo após os assim chamados limiares de disparo terem sido alcançados, limitando a potência elétrica durante a reignição do arco por meio de uma queda muito rápida da corrente de soldagem (ou seja, suavização da corrente). Tais estratégias de regulação estabelecidas pelos fabricantes, com o objetivo de extinguir suavemente o curto-circuito com baixa geração de salpicos, também são frequentemente utilizadas no caso de variantes com arco aspergido curto.

Alguns poucos fabricantes superpõem uma corrente pulsante com frequência ligeiramente maior sobre a corrente real de soldagem, ou usam corrente contínua com determinada fração de harmônicos, promovendo desta forma uma contração adicional do arco aspergido e a formação de gotas com pescoço apresentando pequeno volume ou mesmo cadeias de gotas, tornando mais fácil a extinção do curto-circuito.

A figura 13 mostra uma seleção das modernas variantes de arco aspergido disponíveis atualmente no mercado e as correspondentes faixas de trabalho bem conhecidas do arco. Caso sejam usadas suas variantes de arco aspergido, os fabricantes prometem aos usuários produtividade significativamente maior devido, entre outras razões, à redução do volume da solda, do número requerido de passes de soldagem e de cordões, em decorrência da preparação da solda e dos ângulos do chanfro muito agudos.

Fig. 13 – Quadro geral e posicionamento de uma seleção de modernas variantes de processos de soldagem com arco pulsante dentro do diagrama de faixas de trabalho do arco.

 

Resumo e perspectivas

Em virtude da variedade de possibilidades de concepções oferecida pelos processos de soldagem a arco sob gás de proteção, a qual resultou das abordagens desenvolvidas em termos de controle e regulação eletrônica das modernas fontes e equipamentos de potência, foi apresentada neste trabalho uma seleção de modernas variantes de processo disponíveis atualmente no mercado. Contudo, ela já mostra muito claramente como se pode implementar arcos com eletrodo consumível apresentando alta precisão. Os fabricantes de equipamentos oferecem aos usuários tais variantes de processo, eventualmente muito complexas, as quais apresentam grande número de parâmetros variáveis e que já dispõem de programas (características) preparados, os quais podem ser operados de forma relativamente simples. A nova geração de dispositivos com regulação eletrônica de potência contribui para a melhoria geral da estabilidade do processo, desde a ignição do arco até o preenchimento final da cavidade.

As modernas variantes de processo e tecnologias de arco são ferramentas úteis para elevar a qualidade e produtividade durante a execução da soldagem a arco sob gás de proteção. Contudo, elas não podem alterar os fundamentos e as leis físicas associadas ao arco ou ao desprendimento das gotas, ou ainda eliminar qualquer influência perturbadora externa (por exemplo, deficiências das superfícies dos componentes a serem soldados e dos eletrodos em fio, tolerâncias excessivas das peças, da preparação para a soldagem e durante a manipulação da tocha, presença de correntes de ar etc.) ou decorrente de problemas de treinamento e da qualificação dos soldadores e demais operadores da planta.

Os usuários do processo de soldagem continuam presos a uma situação de tendências conflitantes, ou seja, entre a necessidade de aplicar o menor aporte de calor possível (imposto, por exemplo, por razões ligadas ao material ou à distorção das peças) e pela necessidade de obter uma junta soldada isenta de qualquer falha de fusão.

 

Referências

1) 3. Lichtbogenkolloquium of FA3 and the V2 of DVS, 27.03.2007 at SLV München.

2) Erfahrungsaustausch MSG-Schweiβen “Die ‘kalten’ Verfahren”, 25.04.2007 at SLV München.

3) Baum, L. Der Schutzgasschweiβer, Teil II: MIG-/ MAG-Schweiβen. 4th revised edition. DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 2007.

4) Schmidt, Klaus-Peter. Lichtbogenschweiβen und –Löten: Modulationsarten bestimmen den Werkstoffübergang, den Lichtbogen, die Wärmeeninbringung uns das Nahtaussehen. DVS-Jahrbuch, 2006.

5) Platz, J.; Wiegand, C. MIG-MAG Schweiβen und –Löten mit modernster Gerätetechnik. DVS-Berichte, vol. 267, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2010.

6) Jaeschke, B. Der wirtschaftliche MSGLichtbogenschweiβprozess durch modern Gerätetechnologien. DVSBerichte, vol. 267, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2010.

7) Budig, B. EWM-forceArc – ein kraftvolles Werkzeug zum MIG/MAG-Schweiβen. First published in: DVS-Jahrbuch, 2005.