A tecnologia da soldagem é uma área repleta de desentendimentos que provocam discordâncias até no campo semântico. O significado de soldagem é um exemplo disso. No idioma inglês existem os termos “welding” (soldagem), “brazing” (brasagem) e “soldering” (brasagem com ligas de estanho). No idioma alemão são utilizados os termos “schweissen”, “hartlöten“ e “löten”. No campo técnico, tais controvérsias também são identificadas. Um exemplo está relacionado ao tema deste trabalho, o qual aborda alternativas à soldagem de topo de chapas de aço-carbono utilizadas na fabricação de compressores de ar. O processo por arco submerso tem sido o preferido para essa aplicação porque o cordão de solda que pode assim ser obtido apresenta geometria em consonância com normas técnicas específicas. Outro fator importante é a produtividade obtida por meio dele como, por exemplo, a união de chapas com espessura de 2,5 a 2,65 mm com velocidade de soldagem de 10 mm/s e com backing de cobre. O interesse por trás deste exemplo é a prospecção de alternativas de processo que tragam maior conforto do ponto de vista operacional e menor custo em relação ao arco submerso. O processo de soldagem TIG, quando comparado a outros processos, apresenta tensões mais baixas de arco para um mesmo valor de corrente, resultando, consequentemente, em potências menores. Porém, a comparação, ao contrário do que é mostrado na literatura, deve considerar o resultado final que o processo pode oferecer e não julgar a produtividade de uma ou outra variante com base em dados de taxa de deposição ou potência. Ao comparar o processo TIG com o MIG/MAG em potência igualada, suas taxas de deposição podem ser equiparadas, porém processos que conseguem desempenhar a soldagem de forma autógena não podem ser avaliados em termos de taxa de deposição⁽²⁾. Uma opção de comparação seria a capacidade de penetração ou de união de uma determinada junta com fusão total e sem defeitos. Nesta linha de raciocínio a literatura mostra que para a soldagem pela técnica de “arco enterrado“ – produção de um furo na peça pelo arco ou simplesmente keyhole – uma das dificuldades dos processos que usam eletrodo consumível é justamente sua alta taxa de deposição, pois para obter-se correntes elevadas há de se aumentar a velocidade de alimentação de arame proporcionalmente⁽⁴⁾. Apesar da existência de trabalhos científicos que abordam a soldagem TIG como um processo de alta produtividade^{(6, 13)}, a assimilação da tecnologia carece de mais divulgação. Vale ressaltar que os estudos mostram a soldagem TIG no modo keyhole, no qual há a formação do furo passante na peça que se fecha pela atuação de forças de tensão superficial na poça à medida que ocorre o deslocamento da tocha. A literatura apresenta como principais dificuldades na soldagem de alta performance, em velocidade, a formação de defeitos denominados “humping”, ou perfuração de chapas com espessuras finas. Há trabalhos que abordam o comportamento da poça e a formação de perfurações na soldagem TIG atribuindo-as às instabilidades do arco durante o processo de soldagem com alta velocidade⁽⁵⁾, bem como fazem uma relação entre a formação do humping, a tensão cisalhante e a pressão do arco⁽¹²⁾. Ainda nesta linha, há estudos que consideram que a formação de furos aleatórios no cordão de solda no processo de soldagem de alta corrente e penetração ocorre devido ao rompimento da camada de metal líquido abaixo do arco elétrico, que ocorre pela sua solidificação prematura ao operar-se próximo ao keyhole⁽¹⁰⁾. Diante disso, este estudo apresenta o processo TIG como uma alternativa de menor custo em uma soldagem de alta performance, ou seja, alta velocidade em trabalhos com chapas de aço-carbono A36 de espessura fina. Alternativas para a melhoria do processo e um estudo do seu comportamento também são apresentados e discutidos com base em videografia sincronizada bi-angular de alta velocidade e resultados macrográficos de soldagem.

 

Materiais e métodos

Materiais utilizados

Os corpos de prova foram fabricados com chapas de aço 1020 com 2,65 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. Na tocha TIG foi utilizado um eletrodo de tungstênio com 6,4 mm de diâmetro e dopado com 1,5% de lantânio. Durante a soldagem autógena (sem adição de material) foram utilizadas duas proteções gasosas, sendo elas argônio puro e a mistura de Ar+5%H2. Já para a soldagem com alimentação automática foi utilizado apenas o Ar+5%H2 e arame de adição ER70S-6 de 1,0 mm de diâmetro.

 

Equipamentos

Nos ensaios foi utilizada uma tocha TIG automática acoplada a um dispositivo direcionador de arame desenvolvido pela SPS (Sistemas e Processos de Soldagem), o qual proporciona precisão no posicionamento do arame na poça com ajuste multiaxial de três eixos, conforme mostra a figura 1. Nos ensaios com inclinação da tocha foram definidos o ângulo de ataque e de entrada do arame na poça, também mostrados na figura 1. A fonte utilizada foi a Digiplus A7 multiprocessos da fabricante IMC, com capacidade de 800 A, integrada ao cabeçote de alimentação de arame da mesma fabricante. Foi utilizado o equipamento UR 2 da fabricante IMC para a refrigeração da tocha, o qual é um componente de extrema necessidade devido à alta corrente de soldagem e para proteção contra superaquecimento da mesma. Para manter a aplicação similar ao que se tem na indústria, foi mantido o backing de cobre para sustentação da raiz, no qual foi fabricado um canal semicircular de 3 mm de raio no seu centro (figura 3). Para análise do comportamento do processo nas diferentes condições apresentadas neste trabalho, foram utilizadas duas câmeras de alta velocidade posicionadas de modo a captar duas perspectivas da poça de fusão. As câmeras foram a Fastcam Nova S9 da fabricante Photron e a IDT Motion Pro Y4-S2. Ambas foram utilizadas com uma taxa de aquisição de 5000 Hz (frames/s). Para melhor visualização da poça de fusão e redução da luminosidade do arco elétrico foi utilizado, juntamente com as câmeras, o laser Cavilux HF da fabricante Cavitar (figura 2).

Figura 1 – Disposição da tocha e alimentador.

Figura 2 – Câmera de alta velocidade e laser.

 

Metodologia

Os testes foram feitos de forma a avaliar a aplicabilidade do processo de soldagem TIG com alta velocidade frente ao arco submerso utilizado atualmente. Para que a produtividade em escala industrial fosse mantida foi definido como ponto restritivo do trabalho a soldagem com velocidade acima dos 60 cm/min, já alcançada pelo arco submerso. Para eliminar a influência de óxidos e sujeira sobre os resultados, as arestas das chapas foram limpas por esmerilhamento, e em seguida foram fixadas sobre o backing (figura 3). A sequência de testes é mostrada na tabela 1. Na primeira etapa foi feita soldagem com a tocha posicionada perpendicularmente à peça. Os testes iniciais foram realizados usando argônio puro, sendo ele o gás industrialmente mais acessível e utilizado na soldagem TIG. Posteriormente, usou-se uma mistura gasosa com adição de hidrogênio, que aumenta a zona fundida por um componente extra que é a energia gerada por reação química de oxi-redução, proporcionada pela dissociação e reassociação do hidrogênio molecular em alta temperatura⁽¹⁾. A literatura já havia mostrado que a adição de 5% de hidrogênio pode levar a resultados similares aos obtidos pelo uso de hélio puro, por exemplo⁽⁹⁾. Finalizada a primeira etapa, passou-se para a soldagem com material de adição, sendo estudadas nas etapas seguintes técnicas que auxiliam na estabilidade do processo de soldagem TIG de alta performance, evitando a formação de humping e furos ao longo do cordão de solda. Foi testada a aplicação de corrente pulsada, com 50 Hz e 20 Hz de frequência, além de efeitos causados pela inclinação da tocha.

Figura 3 – Posicionamento dos componentes: 1) chapas com espessura de 2,65 mm em contato lateral; 2) tocha Binzel; 3) backing de cobre; 4) bancada; 5) fixações com sargentos e chapas de pequena largura.

 

Resultados

Soldagem autógena

A primeira etapa realizada com soldagem autógena variando o gás de proteção proporcionou o estabelecimento dos parâmetros mostrados na tabela 2. Ressalta-se aqui que ao se soldar com alta velocidade usando apenas a mistura de argônio com 5% de hidrogênio foi possível formar raiz, posicionando o backing de cobre abaixo do corpo de prova. Para o uso de argônio puro, teve-se que retirar o backing para conseguir obter certa estabilidade no processo e formação de raiz. Além disso, embora os parâmetros estabelecidos estejam dentro de uma faixa operacional para a espessura de chapa e velocidade de soldagem propostas, há a existência de um estreito intervalo de parâmetros úteis, pois uma variação de corrente em torno dos valores médios mostrados na tabela 2 faz com que o cordão de solda apresente defeitos, alternando entre penetração total e a falta dela. Esta condição pode ser chamada de metaestável, pois a menor perturbação da estabilidade da poça pode perfurar a chapa ou provocar a falta de penetração na raiz. Durante os testes, os defeitos de cordão de solda mais recorrentes foram a formação de furo singular ou a formação de humping, o que pode ser observado nas figuras 4 e 5. A formação de furos e humping geralmente está ligada a dois fatores: a tensão de cisalhamento do arco, que atua no sentido paralelo à superfície da poça fundida, e a pressão do mesmo sobre a poça, ambos críticos na formação de humping. Nos níveis de corrente aqui abordados, acima de 300 A a pressão do arco é suficientemente grande para que o processo fique suscetível à ocorrência de ambos. Assim, durante os ensaios usando soldagem autógena verificou-se a impossibilidade de se obter uma soldagem isenta de defeitos. A figura 6 mostra as macrografias da soldagem com os dois diferentes gases de proteção: argônio puro (Ar) e 5%H2+Ar. A utilização de argônio puro resultou na menor área da zona fundida entre os gases, mesmo com a corrente e a potência mais altas, fato que contribuiu para a formação de mordeduras (figura 6a). O processo continuou consideravelmente instável, ao passo que mudanças de cerca de 5 A resultaram em alterações drásticas no cordão, alternando entre penetração insuficiente e formação de humping. O uso do gás Ar+5%H2, além de aumentar a zona fundida, mesmo com uma corrente e potência menores que a do ar puro, possibilitou um aumento da repetitividade do processo.

A utilização de gases alternativos em união com o argônio, principalmente hélio e hidrogênio, aumenta consideravelmente a temperatura da poça, fato que permite o aumento da velocidade do processo de soldagem e a economia de energia, auxiliando no controle de defeitos, assim como no aumento de penetração e da largura do cordão^{(1, 3, 8)}.

Figura 4 – Formação de humping no cordão de solda, na parte final do cordão.

Figura 5 – Furo formado aleatoriamente no meio da chapa durante a soldagem.

 

Soldagem com alimentação

Os ensaios usando adição de arame foram conduzidos com o objetivo de eliminar a formação de defeitos pelo aumento do volume fundido. Devido ao melhor desempenho da mistura gasosa de Ar+5%H2 durante os testes feitos com soldagem autógena, este foi o preferido para a continuidade dos ensaios. Ainda assim, inicialmente a adição de arame por si só não se mostrou suficiente para inibir a formação de humping.

A literatura descreve que a utilização da corrente pulsada em alta frequência é uma boa alternativa para o controle independente dos fatores profundidade e largura da poça de fusão, ocorrendo um aumento da estabilidade destes fatores, além de gerar alta força eletromagnética na poça⁽¹⁵⁾. Há estudos que abordam a influência da corrente pulsada na soldagem com alta velocidade de chapas finas de aço inox utilizando o método tandem (dois eletrodos em série), em que foi constatado que a corrente pulsada contribuiu para a mitigação do efeito de humping⁽⁷⁾.

No escopo deste trabalho, ao utilizar corrente pulsada, o objetivo foi evitar a ocorrência de defeitos no cordão de solda. Devido à alternância entre um pulso e uma base poderia-se utilizar da maior corrente para conseguir alta fusão e penetração, obtendo assim maior formação de raiz e evitando a perfuração da chapa. A presença de uma corrente baixa na base fez com que a formação de um furo fosse evitada pelo fechamento do mesmo⁽¹⁰⁾. O bom equilíbrio entre as duas correntes permitiria uma grande penetração e fusão sem gerar defeitos.

Usando valores próximos ao utilizado em ensaios anteriores, 310 A, foram definidos dois parâmetros principais de teste para o TIG pulsado: 1) pulso de 340 A e base de 280 A, com frequência de 50 Hz, período de 5 ms para pulso e base; 2) pulso de 350 A e base de 270 A, com frequência de 20 Hz, com período de base e pulso igualados em 10 ms. Como pode ser observado na figura 12, referente aos ensaios com 50 Hz de frequência, e na figura 13, referente ao ensaio com 20 Hz de frequência, os ensaios não tiveram o resultado esperado. A soldagem feita com 50 Hz levou à obtenção de boa qualidade superficial no início do cordão, porém da metade para o final houve a formação de humping. Também foi observado nos ensaios que houve baixíssima ou nenhuma formação de raiz. Nos ensaios seguintes a frequência de pulso foi diminuída para 20 Hz, com o intuito de manter a corrente de pulso por mais tempo. Entretanto, os resultados se mostraram piores que os anteriores. A formação de humping se tornou incessante ao longo da extensão do cordão, sem apresentar nenhum sinal de estabilidade, tanto que a formação de raiz não pôde ser analisada de forma precisa. Os resultados se repetiram para todos os corpos de prova testados de forma semelhante (figura 12). Na etapa de parametrização seguinte, ainda usando a mistura gasosa de argônio com 5% de hidrogênio, foram alterados os parâmetros de forma sistemática, de acordo com os resultados obtidos. Com o intuito de manter a velocidade de soldagem em no mínimo 64 cm/min, aumentouse a corrente e diminuiu-se a alimentação de arame até chegar em resultados consistentes (tabela 3). Entretanto, houve uma melhora definitiva, no que tange à formação de furos e humping, quando a tocha foi inclinada (figura 1).

Manteve-se a velocidade de soldagem em 64 cm/min, superior à utilizada atualmente na aplicação industrial com arco submerso, o que foi determinado como requisito principal dos resultados. Porém, foi necessário usar uma corrente alta em uma faixa que se aproxima do modo keyhole. A literatura mostra um trabalho que foi considerado keyhole, o qual consistiu no uso de correntes ligeiramente acima de 300 A, ao soldar juntas em “U” com nariz do chanfro de 2 mm de espessura, próximo à espessura das chapas usadas para este estudo⁽¹⁴⁾.

Se estará operando próximo à faixa do keyhole quando a poça for mantida em uma condição metaestável, ou seja, na iminência de mudar de melt-in (penetração total da junta sem furo passante, no qual a transferência de calor ocorre por condução da face da junta até a raiz) para keyhole. A proximidade com o modo keyhole pode ser caracterizada pela concavidade que se forma na poça de fusão, como pode ser visto na figura 7b. A mudança de forma pode ser mais intensificada em chapas finas, pois se houver uma mínima variação no keyhole, em termos de penetração, isso levará à perfuração da chapa. Há estudos que constataram um comportamento similar, abordando, por exemplo, que uma solidificação prematura da camada pode levar à contração do material na raiz e à formação do furo ou humping⁽¹⁰⁾.

Figura 6 – Metalografia de soldagem autógena utilizando: a) argônio puro (Ar); b) Ar+5%H2.

A figura 7 mostra exemplos da mudança que o comportamento metaestável do processo sofre quando um furo é formado no cordão de solda feito com tocha em posição perpendicular. Observa-se nos quadrantes 7a e 7d a fase estável do processo, onde a concavidade encontrase presente. Ao ocorrer o desequilíbrio, a camada de líquido rompe-se e um furo é formado na peça. A alta velocidade de deslocamento da tocha faz com que a recuperação da poça não ocorra e o furo aumente em comprimento (figura 7f). Neste ponto há também uma atuação da tensão superficial líquido/líquido no sentido de evitar o fechamento do furo. Como o volume de material líquido é maior fora do raio do arco, a tendência é que o material fundido sob este seja puxado pela ação da força exercida pela tensão superficial. A formação de um perfil solidificado com geometria convexa atrás do arco (figura 7c) valida o fato de que este volume encontrase majoritariamente no estado líquido e tentou se contrair para seu estado de menor energia.

Figura 7 – Gravação em alta velocidade de formação de humping em dois ângulos.

A literatura apresenta majoritariamente o keyhole de forma estável e repetitiva em aços inox, sendo uma das justificativas a menor condutividade térmica desse material quando comparada aos aços-carbono, o que segundo a mesma faz com que o calor fique mais concentrado próximo ao arco⁽¹⁴⁾. Por outro lado, há estudos que abordam a soldagem keyhole aplicada em chapas de açoscarbono, porém com espessura significativamente maior que as das chapas usadas neste trabalho⁽¹³⁾. Este é um outro ponto que figura entre os trabalhos da literatura: a técnica keyhole aplicada de forma funcional apenas em chapas de grande espessura.

A utilização do backing de cobre também pode contribuir para a desestabilização do keyhole, funcionando como um dissipador de calor devido à sua alta condutividade térmica, além de uma barreira que impede o arco de atuar de forma passante na espessura. Consequentemente, para aumentar a robustez do processo foram levantadas duas hipóteses: 1) utilização de corrente pulsada; 2) a inclinação da tocha. Conforme verificou-se na análise do humping, pelas videografias que mostraram a tocha em posição perpendicular, a alta velocidade de soldagem evita que haja uma recuperação da estabilidade a partir do ponto em que ocorre o furo na peça. A literatura mostra que os fatores críticos na formação de humping são a pressão do arco e a tensão cisalhante gerada pelo mesmo⁽¹²⁾. A Figura 8 mostra um esquema comparativo da soldagem feita com tocha na posição perpendicular versus tocha inclinada em 35º, em que, utilizando uma análise matemática de ambas as condições, tanto a pressão como a tensão cisalhante do arco possuem suas componentes vetoriais na ação sobre a poça, tanto que a tensão cisalhante atua tangencialmente à superfície da poça e a pressão do arco de forma normal. Portanto, a variação da inclinação da tocha pode mitigar os efeitos de humping, alterando a magnitude das componentes tangencial e normal de cada efeito e sua influência sobre a poça de fusão, visto que o arco também se inclina (figura 8a).

Figura 8 – Comparação entre tocha inclinada e tocha perpendicular.

Na prática, os resultados dos ensaios feitos com essa modificação foram notavelmente melhorados em comparação à configuração inicial: tocha inclinada em 90°. As figuras 9 e 10 mostram que a qualidade dos cordões foi melhorada. Além disso, a inclinação da tocha se mostrou efetiva na formação de raiz homogênea em uma porcentagem alta e satisfatória dos corpos de prova.

Figura 9 – Soldagem com tocha inclinada em 35º.

Figura 10 – Macrografia de soldagem com tocha inclinada.

Figura 11 – Soldagem com TIG pulsado a 50 Hz.

Figura 12 – Soldagem com TIG pulsado a 20 Hz.

 

Conclusão

O processo de soldagem TIG apresentou bom potencial para substituir o que usa arco submerso na união de chapas usadas na construção de vasos de pressão. Como principais pontos deste trabalho destacam-se: a soldagem como um processo mais barato que o atualmente usado (arco submerso), eliminando o uso de fluxo e apresentando velocidade superior; os defeitos mais comuns decorrentes da soldagem de alta performance são o surgimento de furo singular e humping, ambos formados por mecanismos que envolvem a alta corrente, com alta pressão do arco, juntamente com a velocidade de deslocamento da tocha, que é mais veloz que o escoamento do metal fundido, o que impede a recuperação da poça de fusão frente a distúrbios; o uso de corrente pulsada no processo TIG aplicado a chapas finas se mostrou, para as condições de alta performance deste trabalho, ineficiente para evitar a formação de humping. Agindo de forma contrária ao esperado, os distúrbios causados pela pulsação da corrente tornaram a poça de fusão ainda mais suscetível ao humping; conforme mostrado em videografia em alta velocidade, a inclinação da tocha contribuiu para a redução da formação de defeitos, pois a poça é empurrada para frente. A inclinação também faz com que a força do arco plasma atue inclinada, e a espessura efetiva que resiste à penetração seja maior, reduzindo a formação de furos.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal de Santa Catarina pelo espaço disponibilizado para o desenvolvimento deste trabalho, e à equipe do Labsolda pelo apoio técnico durante a execução do mesmo.

 

Referências

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