Soldadura por arco com as soluções de gases da Air Liquide

O que é um arco elétrico?

O arco elétrico é estabelecido quando se consegue uma energia suficientemente elevada para ionizar a atmosfera de gás e gerar um plasma gasoso entre os dois pólos de um gerador. Quando o plasma é gerado, é estabelecida uma corrente elétrica entre os pólos positivo e negativo.

Princípio do arco elétrico: trata-se de um fenómeno físico extremamente complexo, no qual se combinam:

• ionização e a recombinação de gases.
• transmissão de calor.
• fenómenos eletromagnéticos.
• influência das características de condutividade térmica e elétrica, dependendo da temperatura dos gases utilizados.

A temperatura atinge até 3500 °C e podemos distinguir as seguintes zonas:

• Núcleo do arco: O arco de plasma é estabelecido entre os dois elétrodos. Trata-se de uma zona muito quente de partículas ionizadas. Noventa por cento da corrente passa por esta área.
• Ambiente ionizado: Zona de transição entre o núcleo do arco e a atmosfera ambiente onde as partículas são parcialmente ionizadas. A temperatura dentro desta zona é significativa, embora inferior à do interior do núcleo do arco.
• Gases quentes: Devido à transferência térmica, o núcleo do arco e o ambiente ionizado estão rodeados por um gás quente.

Soldadura por arco elétrico

De um ponto de vista simplificado, podemos considerar esta soldadura como um circuito elétrico, onde é aplicada uma tensão (V) entre os terminais de um gerador e, quando o arco elétrico é gerado, o circuito é fechado. A corrente de soldadura (I) será determinada pela tensão aplicada (V) e pelo conjunto de resistências elétricas dos equipamentos: cabo de soldadura, cabo e tomada de terra, stick out, arco elétrico.

A polaridade varia de acordo com o processo de soldadura, uma vez que a corrente de eletrões é estabelecida desde o polo negativo (cátodo) até ao polo positivo (ânodo). A zona anódica é a que atinge a temperatura mais alta:

• Polaridade inversa: O soldador liga a tocha ao polo positivo (ânodo) da máquina de soldadura. A corrente de eletrões é direcionada para o elétrodo que se funde durante a soldadura.
  • Soldadura por arco elétrico com elétrodo consumível: Neste caso, o elétrodo é o próprio fio ou arame de soldadura, que tem de ser fundido ao mesmo tempo que o metal de base:
    • Soldadura GMAW (MIG, MAG): O arco elétrico é gerado sob uma atmosfera de proteção de gás que pode ser inerte (MIG) ou ativa (MAG).
    • Soldadura por elétrodo (SMAW): O arco elétrico é gerado sob a atmosfera protetora gerada a partir do fluxo.
    • Soldadura por arco submerso (SAW): O arco elétrico é gerado sob a proteção do fluxo de soldadura.
• Polaridade direta: O soldador liga a tocha ao polo negativo (cátodo). O fluxo de eletrões é direcionado para o metal de base.
  • Soldadura por arco elétrico com elétrodo de tungsténio (não consumível): Neste caso, o elétrodo é feito de tungsténio (material de alto ponto de fusão), que não é fusível.
    • Soldadura TIG: O arco elétrico é gerado sob uma atmosfera de proteção de gás inerte. Se não estiver disponível uma máquina de corrente alternada para soldadura TIG de alumínio, a polaridade é invertida.
    • Soldadura por plasma: O arco elétrico é gerado sob uma atmosfera de proteção de gás inerte.

Gases para a soldadura por arco

Os diferentes gases que podem ser utilizados nas técnicas de soldadura por arco são definidos pela norma ISO 14175 (Consumíveis para soldadura - Gases e misturas de gases para soldadura por fusão e processos afins). Os gases de proteção são os seguintes:

• Árgon (Ar)
• Dióxido de Carbono (CO₂)
• Oxigénio (O₂)
• Hélio (He)
• Hidrogénio (H₂)
• Azoto (N₂)

As principais funções do gás de proteção são:

• Isolar o metal em fusão de uma eventual contaminação atmosférica.
• Estabilizar o arco elétrico.
• Facilitar a ignição do arco elétrico.

Adicionalmente, o gás de soldadura exerce uma influência direta sobre:

• O nível de projeções (salpicos) e fumos.
• A geometria, forma e profundidade de penetração do cordão.
• A molhagem (espalhamento do banho).
• O aspeto visual da superfície da soldadura.
• A velocidade de avanço da soldadura.
• A metalurgia e propriedades do banho de fusão.
• O ambiente de trabalho do soldador.
• O custo final da peça soldada.

Critérios para escolher o gás de proteção mais adequado

Para selecionar o gás de proteção ideal, o operador deve compreender a natureza química dos gases, o processo de soldadura escolhido e o tipo de material a unir.

1 - Natureza química dos gases de soldadura

Gases inertes (não reagem com o banho de fusão):

• Árgon: gás inerte utilizado puro ou como base em misturas. Caracteriza-se por ser fácil de ionizar, facilitar a abertura do arco e servir de base para a grande maioria das misturas gasosas.
• Hélio: gás inerte utilizado maioritariamente em mistura com o árgon, sendo muito comum em aplicações de soldadura automática. Aumenta a energia do arco (garantindo maior penetração e/ou velocidade de soldadura do que o árgon puro) e proporciona uma melhor molhagem.

Gases oxidantes (reagem de forma controlada com o metal):

• Dióxido de carbono (CO₂): gás ativo utilizado em misturas com árgon ou, em certos casos, puro. Torna o banho de fusão mais viscoso (ideal para soldadura em todas as posições), aumenta a largura da penetração, mas eleva o nível de projeções/fumos e a formação de silicatos na superfície do cordão.
• Oxigénio: gás ativo utilizado exclusivamente em baixas percentagens com o árgon. Torna o banho de fusão mais fluido e permite uma melhor molhagem e destacamento de gotas do arame do que as misturas com CO₂. É mais adequado para a soldadura na posição plana.

Gases redutores e reativos:

• Hidrogénio: gás redutor (combate a oxidação) utilizado em misturas com árgon e CO₂, maioritariamente em sistemas automáticos. Aumenta o aporte térmico (maior penetração/velocidade) e melhora a molhagem. É estritamente compatível com aços inoxidáveis austeníticos.
• Azoto: à temperatura do arco elétrico, dissocia-se e reage com o metal. É utilizado na soldadura de aços Duplex e Super Duplex para compensar as potenciais perdas de N₂ do próprio material base durante o ciclo térmico.

2 - Correlação entre processos e materiais

A seleção das misturas varia consoante o processo e a metalurgia do metal de base:

• TIG / Plasma:
  • Função: no processo TIG protege o banho; no processo Plasma gera o próprio jato de plasma.
  • Gases inertes para todos os metais: árgon, hélio ou misturas de árgon + hélio.
  • Exceção: Misturas de Árgon + Hélio + Hidrogénio (até 5% - 7,5%) são exclusivas para aços inoxidáveis austeníticos.
• MIG (Metal Inert Gas):
  • Materiais: ligas de alumínio, cobre e níquel.
  • Gases: árgon puro, hélio puro ou misturas de árgon + hélio.
• MAG (Metal Active Gas):
  • Materiais: todos os tipos de aços (carbono e inoxidáveis).
  • Gases: misturas de árgon + CO₂ (com limite de 2% de CO₂ ou O₂ no caso dos aços inoxidáveis para evitar a perda de crómio por carburação), misturas de árgon + CO₂ + oxigénio ou árgon + oxigénio.
  • Otimização: pode adicionar-se hélio para aumentar o rendimento em qualquer tipo de aço, ou hidrogénio especificamente para os aços inoxidáveis austeníticos.