5. Resultados del proyecto
5.1. Revisión de actuaciones y programas
O arco elétrico apresenta uma estrutura caracterizada por suas regiões de queda e a coluna do arco. Destas, a região catódica afeta de forma importante a estabilidade geral do arco por ser a sua fonte primária de elétrons. No arco TIG, com o eletrodo de tungstênio operado como o cátodo, os elétrons são emitidos por efeito termiônico e as características do eletrodo (geometria, condições de refrigeração, composição química, contaminações) têm fundamental importância nas características operacionais do arco. Por outro lado, a coluna do arco e a região anódica também são importantes para as características operacionais do arco TIG. No caso da coluna, a composição do gás de proteção (particularmente, a presença de hélio ao mesmo) afeta as suas propriedades físicas, por exemplo, o seu potencial de ionização, condutividade térmica e densidade. Diversos
aspectos relativos à influência das regiões de queda e da coluna do arco na operação do arco TIG e de outros processos já foram discutidos nas seções anteriores deste trabalho.
Na soldagem com eletrodo consumível, particularmente na soldagem GMAW, a transferência de metal de adição pode exercer uma influência importante na estabilidade operacional do arco. Por outro lado, a forma de transferência de metal também pode ser fortemente influenciada pelas características operacionais do arco elétrico. Por exemplo, foi mostrado na seção 11, que as diferentes formas de transferência de metal têm diferentes características operacionais e de estabilidade, sendo a transferência por spray a mais indicada do ponto de vista de sua estabilidade. Por outro lado, um processo operando com transferência globular ou por curto-circuito tende a apresentar uma menor estabilidade, o que se traduz em um maior nível de respingos, extinções ocasionais do arco, maiores flutuações de corrente ou de tensão, maior nível de ruídos e, ainda, na obtenção de um cordão com formato menos regular.
Mesmo para um processo que deveria operar com transferência por spray, diversos fatores podem, muitas vezes, levar a condições operacionais com redução de estabilidade. Por exemplo, Lucas e Amin (1975) associaram mudanças na forma de transferência com o nível de desoxidação de arames de aço para soldagem GMAW. Neste caso, arames com maior teor de oxigênio tenderiam a apresentar transferência explosiva em lugar de spray. Perturbações no arco (mudanças abruptas no comprimento de arco, no modo de transferência e no nível de corrente) e no formato do cordão na soldagem GMAW foram associadas com contaminações na superfície do arame e com desgaste do tubo de contato (Rodwell, 1985) ou com variações na composição do material (Hutt e Lucas, 1982). Uma mudança da forma de transferência, de spray para globular repulsiva, foi observada, quando o comprimento do arco foi reduzido na soldagem GMAW de aços com gases de proteção de baixo potencial de ionização (Modenesi, 1994). Este fenômeno foi associado a problemas na raiz do arco (região catódica) em função da destruição de regiões oxidadas próximas à poça de fusão pela emissão de elétrons.
Na soldagem GMAW em geral e na operação com transferência por curto circuitos em particular, a estabilidade do processo, incluindo o nível de respingos depende fortemente dos parâmetros de soldagem empregados. Na transferência por curto circuito com uma
fonte convencional de tensão constante e para uma dada velocidade de alimentação de arame, a estabilidade do processo tende a melhorar, quando a tensão de operação é aumentada. Contudo, após passar por um ponto de máxima estabilidade, esta tende a se deteriorar a medida que a forma de transferência muda para globular com o aumento da tensão. O ponto de melhor estabilidade é, em geral, identificado pelo som por soldadores experientes. Adicionalmente, diversos trabalhos têm tentado associar este ponto com o máximo (ou mínimo) em algum parâmetro característico da transferência por curto circuito, por exemplo, com o período de curto circuito (figura 11.4), com o desvio padrão da corrente de curto circuito, ou da corrente de operação, etc, ou, ainda, com mudanças de comportamento de algum outro parâmetro.
A figura 13.5 mostra a variação de parâmetros característicos da soldagem com transferência por curto circuito (período, corrente média e duração do curto) e da quantidade de respingos gerados em uma série de testes com 16 arames de aço (AWS E70S6) de 0,8 mm de diâmetro. Supondo que, neste caso, a estabilidade do processo seja inversamente proporcional à quantidade de respingos formada, pode-se considerar que a máxima estabilidade do processo é obtida para tensões entre 22 e 23V (figura 13.5a). Pode- se observar que, nesta faixa de tensões, o período de curto circuito (figura 13.5b) passa por um mínimo enquanto que a corrente e o tempo de curto circuito sofrem mudanças de comportamento (figura 13.5c e d), indicando uma mudança de comportamento do processo associado com a condição de máxima estabilidade operacional.
Comportamento similar pode também ser observado para outros parâmetros associados com a transferência por curto circuito. Adicionalmente, diferentes autores têm proposto parâmetros derivados destes parâmetros mais simples com o objetivo de possibilitar uma determinação mais objetiva da estabilidade de processos de soldagem (ver, por exemplo, Mita et al., 1988).
16 18 20 22 24 26 28 30 1 2 3 4 5 6 7 T ax a de R es pi ng os ( % ) Tensão em Vazio (V) 16 18 20 22 24 26 28 30 0 10 20 30 40 Pe rí od o (m s) Tensão em Vazio (V) (a) (b) 16 18 20 22 24 26 28 30 70 80 90 100 110 120 C or re nt e M éd ia ( A ) Tensão em Vazio (V) 16 18 20 22 24 26 28 30 0 2 4 6 8 10 T em po d e C C ( m s) Tensão em Vazio (V) (c) (d)
Figura 13.5 - Variação da quantidade de respingos (a), período de curto circuito (b), da corrente média de soldagem (c) e da duração média do curto circuito (d) com a tensão de vazio. Arame: AWS E70S6 de 0,8 mm. Gás: CO2 (Modenesi e Avelar, 1999). Obs: Cada
ponto corresponde a média de 16 ensaios com arames diferentes.
A estabilidade da soldagem com transferência por curto circuito é também fortemente dependente das características do equipamento utilizado, particularmente as suas características estáticas ("slope") e dinâmicas ("indutância"), ver seção 11.2. Nas últimas
duas décadas, o desenvolvimento de fontes com controle eletrônico teve um grande impulso, com estas se tornando cada vez mais usadas industrialmente. Estas fontes apresentam um tempo de resposta muito inferior ao das fontes convencionais e permitem um ajuste dinâmico de suas características operacionais durante as diferentes etapas da transferência de metal de adição, isto é, com estas fontes é, em princípio, possível ajustar as características do equipamento para atender as diferentes etapas da transferência de metal. Consequentemente, em paralelo ao desenvolvimento destas fontes, novas técnicas de controle da transferência de metal, tanto em spray como por curto circuito, têm sido propostas e adotadas com os novos equipamentos de soldagem (ver, por exemplo, Mita, 1989 e Norrish, 1990 - capítulos 3 e 7).