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(Convidado em 15/05/2012; Texto final em 05/09/2012).

Tendncias no Desenvolvimento de Gases de Proteo Utilizados na Soldagem MIG/MAG

(Trends in the Development of Protective Gases Used in GMAW Welding)

Luiz Claudio Soares Tatagiba1, Renata Barbosa Gonalves2, Ronaldo Paranhos2

1PETROBRAS, US-SUB/EQSB/MEQS, Maca, RJ, Brasil, [email protected]

UENF, LAMAV, Campos dos Goytacazes, RJ, Brasil, [email protected], [email protected]

Resumo

Este trabalho tem como objetivo apresentar uma reviso do estado da arte sobre os gases de proteo usados nos processos de

soldagem a arco eltrico, com nfase na soldagem MIG/MAG do ao. So apresentados os principais conceitos da fsica do arco e as

propriedades relacionadas aos gases de proteo. O modelo de atmosfera ligeiramente oxidante para os gases de proteo discutido,

sendo mostradas as formulaes dos gases estudados em artigos cientcos e em patentes depositadas, bem como as reivindicaes

(vantagens) requeridas. Tambm so mencionados alguns poucos estudos usando adies de gases no convencionais. Foi observado

que no desenvolvimento de gases de proteo para soldagem MIG/MAG do ao predomina o modelo da formao de atmosfera

ligeiramente oxidante. A maioria das formulaes propostas envolve o uso de misturas binrias, ternrias e at quaternrias dos

gases Ar, He, CO2e O

2. Em aplicaes especcas, adies de N

2e H

2foram usadas. Neste sentido, pouca inovao foi identicada,

sendo atribudas possveis razes a este fato. A tendncia observada para o desenvolvimento de gases de proteo parece ser o uso de

misturas ricas em gases inertes, com adies calibradas de elementos oxidantes, sempre atendendo a aplicaes especcas.

Palavras-chave:Gs de proteo, Soldagem MIG-MA, Fsica do arco.

Abstract: This paper has as objective to present a state of the art review on the shielding gases used in the electric arc welding

processes, with emphasis on GMAW welding of steel. There are shown the main concepts of arc physics and properties related to

shielding gases. The model of slightly oxidizing atmosphere for shielding gases is discussed, and the formulations of the gases studied

in scientic articles and in deposited patents, as well as the claims (benets) required. It also mentions some few studies using additions

of non-conventional gases. It was observed that for the development of shielding gases for the GMAW steel welding the model of slightly

oxidizing atmosphere is predominant. Most of proposed formulations involve the use of binary, ternary or even quaternary mixtures of

the gases Ar, He, CO2and O2. For specic aplications, additions of N2e H2were used. In this meaning, few innovations were identied,and possible reasons were attributed. The trend observed for the development of shielding gases seems to be the use of mixtures rich in

inert gases, with calibrated additions of oxidizing elements, always looking for specic applications.

Key-words:Shielding gas, GMAW welding, Arc physics.

1. Gases de Proteo na Soldagem

A soldagem a arco com proteo gasosa, com nfase noprocesso MIG/MAG, atualmente utilizada em incontveisaplicaes industriais. A facilidade de automao e os diversostipos de materiais que podem ser soldados por este mtodo

ampliam ainda mais as suas aplicaes. So grandes usuriosdeste processo de fabricao a indstria automotiva e deautopeas, alimentcia, construo civil, fabricao de bensde consumo, estaleiros, caldeirarias, implementos agrcolas,

botijes de gs, entre tantas outras.O gs de proteo na soldagem a arco tem como nalidade

bsica proteger a poa de fuso contra os efeitos nocivos

do oxignio contido no ar atmosfrico, que associado scaractersticas da fonte de energia e aos metais de adio,

pode ajudar na melhoria da qualidade, do funcionamento e daprodutividade na soldagem de aos, aos inoxidveis, ligas dealumnio, entre outras aplicaes. O gs pode ser inerte, que notm praticamente nenhuma solubilidade na maioria dos metais,

ativo, ou uma mistura destes dois tipos. Segundo a sua naturezae composio estes tero uma inuncia preponderante nascaractersticas do arco e no tipo de transferncia metlica, navelocidade de soldagem, na perda por projeo (respingos), na

penetrao e no formato do cordo de solda, e, ainda, no custonal da operao de soldagem. So atribudas tambm ao tipo degs empregado as perdas de elementos qumicos, a temperaturada poa de fuso, a sensibilidade ssurao e porosidade,

bem como a facilidade na execuo da soldagem em diversasposies.

A escolha do tipo de atmosfera protetora para soldagemdepende de fatores como custo, facilidade de manuseio,


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Tendncias no Desenvolvimento de Gases de Proteo Utilizados na Soldagem MIG-MAG

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efeitos siolgicos sobre as pessoas, gerao de fumos e gases,estabilidade a temperaturas elevadas, entre outros. A solubilidadedo gs no metal fundido que se quer proteger durante a soldagem,tambm deve ser observada, pois se uma quantidade substancialdo gs entra no metal fundido pode causar liberao do gsdurante a solidicao causando descontinuidades na solda

produzida, como por exemplo, porosidade.

Os gases de proteo utilizados amplamente nas ltimasdcadas em soldagem do ao carbono so o argnio (Ar), odixido de carbono (CO

2) e o hlio (He), que so usados puros

ou misturados entre si. Em alguns casos, pequenas quantidadesde oxignio (O

2) so misturadas aos anteriores. Adies de

elementos redutores como o hidrognio (H2) e o nitrognio (N)

so citadas na soldagem de aos inoxidveis e outras aplicaesespeccas. Na indstria, embora sejam disponveis misturas

binrias, ternrias e at quaternrias, as mais populares so ainda base de Ar e CO

2. A utilizao do gs de proteo adequado

garante a ecincia da deposio da solda e o custo, sendo ohlio (He) o gs mais caro, o Ar de preo intermedirio e o CO2o mais barato [1].

Este trabalho apresenta os aspectos tericos mais relevantessobre os gases de proteo utilizados em soldagem a arcocorrelacionando estes conhecimentos s exigncias operacionaisdeste processo de fabricao. Atravs de um levantamentosobre os avanos encontrados, a partir de dados obtidos emartigos cientcos e patentes depositadas, se espera mostrarque atmosferas levemente oxidantes so as mais empregadasna soldagem do ao bem como suas principais caractersticase teores desejveis nas misturas e a sua relao com a melhoriado processo de soldagem no que se refere ao aumento da taxade deposio, da velocidade de soldagem e estabilidade no

processo de soldagem.

2. Aspectos Tericos Relevantes

Dentre as fontes de calor empregadas em soldagem, o arcoeltrico a mais utilizada. Em soldagem de materiais metlicosa soldagem a arco apresenta vantagens que justicam a suautilizao, entre elas: concentrao de energia suciente para afuso localizada, facilidade de controle, baixo custo e um nvelaceitvel de riscos aos operadores. A pequena regio do espaoem que o arco eltrico est compreendido possui elevadastemperaturas, forte radiao luminosa e ultravioleta, intensouxo de matria e grandes variaes de propriedades fsicas [2].

A produo do arco proveniente da emisso de eltronsem quantidade satisfatria para sustentar a corrente no arco, ouseja, a conduo eltrica no arco devida quase totalmente aeste processo. A alta temperatura do gs de proteo na regioda solda promove choques intensos de seus componentes, quetem como consequncia a ionizao do gs no arco de soldagem.

As propriedades fsicas e qumicas dos gases comopotencial de ionizao, condutividade trmica, potencialde oxidao e tenso supercial, entre outras, denem as

principais caractersticas operacionais do arco de soldagem e aspropriedades das soldas. Variaes dos parmetros de soldagemcomo tenso e corrente, entre outros, modica a geometriado cordo de solda, e so intensamente inuenciados pela

composio qumica do gs de proteo [3].

2.1. Potencial de Ionizao

Para a manuteno do arco eltrico durante a soldagem, necessrio que partculas carregadas eletricamente estejamno espao consistido entre o eletrodo e a pea. Devido ao

aquecimento do gs ocorre o aumento da energia de suasmolculas, provocando principalmente o movimento e vibrao.Em temperaturas elevadas esta energia vibracional das molculas

poliatmicas atinge nveis bastante altos, causando a ruptura oudissociao em tomos. Como exemplo, pode ser observado dissociao da molcula do O

2 que pode ser representada

conforme abaixo [4,5].

O2 2O (dissociao) eq. 1

Na dissociao ocorrem reaes endotrmicas que absorvemenergia, pois a entalpia dos produtos maior que a dos reagentes.O balano entre a variao de entalpia e de entropia da reao

tem como resultado a variao da energia livre ou energialivre de Gibbs - DG [6]. J prximo a regio da solda quandoos tomos dissociados reagem com eles mesmos ou com oselementos do metal fundido o processo exotrmico, pois liberaenergia e provoca o aumento da entropia levando a diminuioda energia livre do sistema - DG < 0 [7].

A ionizao ocorre aps a dissociao em temperaturas maiselevadas ainda quando eltrons das camadas mais externas dostomos podem ser expulsos. Os choques destes eltrons emalta velocidade provocam a ionizao. Em temperaturas maiselevadas que as que provocam a ionizao mais eltrons podemser expulsos, acontecendo ionizao mltipla. A ionizao

simples de um tomo dissociado representada a seguir.

O O++ e-(ionizao) eq. 2

A frao das molculas do gs que so dissociadas e a fraode tomos do gs que so ionizados crescem exponencialmentecom o aumento da temperatura na coluna de plasma do arcoeltrico. H tambm uma forte inuncia da energia livre dedissociao e do primeiro estgio de ionizao na dissociao ena ionizao do gs, respectivamente [2].

Potencial de ionizao pode ser denido como a energiatotal em eltron volts (eV) necessria para retirar o eltron, commenor fora de ligao, da camada de valncia de um tomo oumolcula que em uma distncia innita estar em repouso [8].

O potencial de ionizao uma propriedade importante doselementos presentes no arco eltrico de soldagem, formada poruma atmosfera complexa devido aos gases de proteo e metaisem estado de vapor. A abertura do arco, a capacidade do arco emconduzir corrente eltrica e a sua estabilidade so determinadosde acordo com a facilidade de ionizao destes materiais [4,5].

2.2. Condutividade Trmica

A propriedade fsica de condutividade trmica do gs deproteo ionizado est relacionada com a quantidade de calor


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Luiz Claudio Soares Tatagiba, Renata Barbosa Gonalves, Ronaldo Paranhos

transferido, pelo choque das partculas existentes, na coluna deplasma. Ela vai inuenciar expressivamente na transfernciametlica e no perl de penetrao do cordo na soldagem pelo

processo GMAW [9].A Figura 1 (a) mostra a condutividade trmica em funo

da temperatura para diversos gases, onde se observa que acondutividade trmica do He maior que a do Ar, e a do H2se sobressai s duas. J a Figura 1 (b) mostra a condutividadetrmica total para algumas misturas Ar-H2, onde se observa quea condutividade trmica do H2 signicativamente superior do Ar [10]. As guras 1 (a) e (b) mostram um pico nesta

propriedade para a faixa de temperatura entre 3000 e 4500 K,atribudo dissociao do gs.

Dentre os gases de proteo utilizados no processo GMAW,

por exemplo, o argnio o gs que apresenta menor condutividadetrmica para qualquer faixa de temperatura na atmosfera doarco [9]. A Tabela 1 mostra o potencial de ionizao (PI) e acondutividade trmica (CT) de gases utilizados normalmente em

proteo na soldagem a arco eltrico.

Tabela 1. Potencial de ionizao e condutividade trmica degases de proteo do arco eltrico em soldagem [11].

GsSmboloqumico

PI (eV) CT (mW/m.K)

Argnio Ar 15,8 16,4

Dixido de carbono CO2 14,4 14,7Hlio He 24,6 142,6

Hidrognio H2

13,5 168,3

Nitrognio N2

14,5 24,0

Oxignio O2

13,2 24,2

2.3. Potencial de Oxidao

O potencial de oxidao (PO) pode ser denido comoa capacidade do gs de proteo oxidar um metal durante

Figura 1. Condutividade trmica de alguns gases em funo da temperatura [10].

a soldagem. Os gases CO2 e O

2, quando presentes no gs de

proteo, aumentam o contedo de oxignio no metal de soldae o PO varia com a porcentagem volumtrica dos mesmos namistura. O PO do CO

2em misturas gasosas pode ser considerado

como a metade do potencial de oxidao do O2quando este

empregado. Isto explica o emprego de misturas comerciais deargnio com baixos teores de O

2em relao ao CO2. Adiesde oxignio comumente so restringidas a no mximo 8% namistura, para garantir benefcios operacionais [12].

A adio de O2 em misturas gasosas apresenta como

desvantagem o aumento dos respingos, provocados pelaconstrio do arco que se torna instvel pela ao do resfriamento.A causa do resfriamento a reao endotrmica induzida peladecomposio trmica das molculas de oxignio [13].

O gs CO2pode ser considerado insolvel no ao fundido,sendo amplamente usado em inmeros processos de soldagem.Porm em soldagem com este gs podem ocorrer algumas

perdas de elementos oxidveis em ligas de ao. Considera-seque o monxido de carbono oferece maior proteo contra aoxidao, porm, alm de ser txico, em muitas circunstncias

poderia carbonizar o ferro e o ao [8].Entretanto, sobre a poa de fuso pode haver CO

2 no

dissociado juntamente com CO, O e O2

(recombinao deoxignio monoatmico). O gs CO

2 uma fonte de carbono

e oxignio quando dissociado no arco eltrico. O potencial deoxidao (PO) deste gs pode ser estimado conforme abaixo

[14], onde o fator oxidante que comumente estimado em .

PO = O2+ CO2 eq.3Em gases e misturas gasosas oxidantes, como por exemplo,

CO2, Ar+CO

2, CO

2+O

2, utilizados em soldagem, se observa uma

perda signicativa de elementos de liga e impurezas no metalfundido devido interao com o oxignio. A oxidao do metal

pelo gs de proteo depende da composio de ambos e dosparmetros de soldagem aplicados [15].


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2.4. Tenso Supercial

A denio de tenso supercial de uma fora agindo porunidade de comprimento numa superfcie lquida cuja unidade noSistema Internacional (SI) N/m. As foras de tenso supercialinuenciam na transferncia do metal lquido do eletrodo parao metal de base e tambm na formao e na uncia da poa

de fuso, tornando esta propriedade de grande importncia nasoldagem por fuso [4].O conceito de tenso supercial do metal em superfcies que

se ir unir est associado dissoluo do metal de adio naunio metalrgica com o metal base [5]. A tenso supercial emsoldagem depende das interaes fsico-qumicas que acontecementre o metal de adio fundido e a poa de fuso, ou com ometal base [16].

Na soldagem pelo processo GMAW a transferncia metlicapor curto-circuito a mais usual. Neste modo operacional atransferncia de metal ocorre basicamente por tenso supercialquando a gota toca o metal lquido da poa de solda. Os

parmetros que inuenciam a transferncia por curto-circuito so

a tenso de soldagem, indutncia e o gs de proteo. Por outrolado o gs de proteo modica a transferncia metlica devido inuncia no comprimento do arco e na tenso supercial dometal lquido [17].

A adio de O2 ao Ar, na soldagem do ao carbono, com

transferncia por curto-circuito, em quantidades apropriadas,inuencia na reduo do tamanho da gota no arco devido reduo da tenso supercial e aumenta sua taxa de transferncia[18].

Na transferncia globular, os parmetros de soldagem somaiores do que por curto-circuito. O arco contnuo, mas atransferncia irregular e um tanto ineciente. A penetrao

limitada, o cordo tem uma aparncia irregular e quantidadesexcessivas de respingos, este tipo limita-se a posies planaou horizontal. Na transferncia por spray os parmetros desoldagem so maiores dos da transferncia globular. A poa desolda gerada muito uida, limitando esta transferncia parasoldagem em posies plana ou horizontal [19].

3. Modelo Oxidante de Atmosfera Gasosa

A interao dos metais e suas ligas com o meio ambienteprovoca a oxidao. Isto pode ser explicado pela transfernciade eltrons do elemento redutor para o elemento oxidante emseus nveis eletrnicos livres. Esta combinao tanto maiorquanto maior a temperatura, particularmente quando no estadofundido, como o caso de uma operao de soldagem. Osmetais so encontrados na natureza em forma de xidos devido particularidade de deslocamento de eltrons, caracterstica daligao atmica metlica [20].

O modelo oxidante de atmosfera gasosa se aplica nasoldagem MIG/MAG dos aos. De acordo com este modelo,lmes de xidos com espessura microscpica, existentes nasuperfcie do ctodo (+), regio entre a coluna de plasma e a

pea a ser soldada, tm uma importncia essencial na emissode eltrons. Os eltrons so emitidos por camadas de xidos,que naturalmente tem ligaes eletrnicas mais fracas que a do

metal de base, existentes sobre a poa fundida e nas redondezas.Este fenmeno chamado de emisso catdica e tem comoexplicao que a tenso localizada criada entre esta camada eo metal de base proporciona o agrupamento e acelerao doseltrons em direo ao anodo (-), regio do arco compreendidoentre a coluna de plasma e eletrodo consumvel. A tenso entreo eletrodo e a pea no muito alta e como consequncia da

acelerao dos eltrons a camada de xido atravessada eremovida provocando o deslocamento dos eltrons pela colunade plasma at o anodo [11].

Na soldagem de aos pelo processo MIG/MAG, quando ascamadas de xido prximas da poa de fuso so consumidas,o arco tende a se desviar para longe desta, em busca de novasregies que possuam lmes xidos para a emisso de eltrons.Este efeito pode reduzir a estabilidade do arco. Para que acamada de xido seja regenerada suprimindo este efeito, feitaa adio de gases oxidantes (O

2ou CO

2) na mistura de proteo,

ou seja, o PO do gs de proteo uma propriedade de grandeimportncia na soldagem MIG/MAG dos aos [2, 11]. Nasoldagem de metais altamente oxidveis, como o Al, Mg e Ti, a

adio de gases oxidantes no necessria.Alm de gs oxidante existe tambm gs redutor que tem

como caracterstica proteo do metal aquecido da oxidaocomo tambm reduo de qualquer xido que possa estar nasuperfcie do metal. Podem ser citados o hidrognio (H

2) e o

nitrognio (N2) como gases redutores. Porm os gases redutores

na soldagem pelo processo MIG/MAG se comportam comogases inertes quando a estabilidade do arco avaliada [11].

3.1. Elementos Desoxidantes no Metal de Adio

O uso de um gs de proteo levemente oxidante para

a soldagem dos aos traz a necessidade do uso de elementosdesoxidantes no metal de adio, como o mangans (Mn) e osilcio (Si). Os teores corretos de Mn e Si so de fundamentalimportncia para o resultado da soldagem pelo processo MIG/MAG de aos carbono. O Mn e o Si tem a funo de desoxidara poa de fuso, pois em contato com o O

2formam xidos que

se alojam na superfcie do cordo de solda que so removidosposteriormente. O gs de proteo deve ter um PO adequado,pois se for baixo no ocorrer formao de xidos superciais,com o excesso destes elementos de liga formando soluo slidasubstitucional, endurecendo o metal de solda. Logo, a seleodo metal de adio deve ser considerada em conjunto com o gsde proteo. Uma solda com pouca ou nenhuma escria podesugerir um arame com baixo teor desoxidante e um gs com

baixo PO, ou um arame com baixo teor de desoxidante e umgs com alto PO que pode provocar porosidade e propriedadesmecnicas indesejveis na solda.

3.2. Consequncias do Excesso de Oxignio no Gs de

Proteo

Se, por um lado, de acordo com a teoria do modelo oxidante, necessria a presena de algum elemento oxidante para aestabilidade do arco eltrico, o excesso de oxignio prejudicial soldagem. De fato, o oxignio tem elevada solubilidade no ferro


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lquido e muito baixa solubilidade no ferro slido. Embora a taxade formao de xido em soldagem varie consideravelmente demetal para metal, uma na camada de xido pode impedir asoldagem de peas e outros problemas podem surgir como, porexemplo [8]:

- As gotas fundidas a partir do metal de adio podem seoxidar durante a transferncia para a poa de fuso e no

aderirem ao metal de solda;- Os xidos formados podem se dissolver no metal fundidoprovocando a fragilizao da solda no estado slido;

- A quantidade de xidos aprisionados em uma solda podediminuir expressivamente suas propriedades mecnicas.

- A adio de O2na mistura gasosa de proteo provoca a

perda de elementos qumicos, pela oxidao que se intensicaquanto maior o teor deste gs na mistura.

Misturas gasosas com elevado teor de O2produzem soldas

com tenacidade ao impacto reduzida devido formao deincluses no metal de solda que atuam como concentradores detenso e de propagao de trincas.

Por outro lado, aumentando o teor de oxignio na solda

aumenta sua resistncia. Baixos teores de CO2e O2no gs deproteo geram quantidades aceitveis de incluses de xidos,tornando a microestrutura mais renada e favorecendo umamelhor resistncia ao impacto [21].

O oxignio dissolvido na poa de fuso alm de causarincluses de xidos tambm reage com o carbono presente noao, desde que tenha quantidade suciente deste gs. Nestareao com o carbono h a produo de CO ou CO

2que provoca

porosidades na solda produzida e tambm inuencia na reduoda qualidade das propriedades mecnicas do cordo [22].

4. Principais Formulaes de Gases Formadores de

Atmosfera Oxidante

Como vm sendo explicitado neste trabalho, as formulaes

dos gases para proteo em operaes de soldagem tambmtm o objetivo de promover um arco estvel. Esta estabilidade associada aos mecanismos de emisso de eltrons no arco

eltrico [23]. A estabilidade do arco pode ser medida pelasutuaes no comprimento do arco, variaes na tenso e nacorrente, e pela natureza da forma de transferncia metlica doarco. Devido ausncia de compostos de escrias reativas, queresultariam do gs de proteo pode ocorrer ou no uma perdamnima em elementos metlicos assim como a necessidade daremoo de escria [24].

Encontra-se inicialmente a aplicao de He como gs deproteo, e posteriormente a introduo de Ar e do CO2. Asespecicidades de cada gs individual estimularam no inciode 1970 a utilizao das misturas de gases [25]. Atualmenteainda pode ser observada a existncia de muita pesquisa nestarea, seja com a publicao de artigos cientcos ou com o

requerimento de patentes.Visando orientar as aplicaes de gases em misturas para

proteo em processos de soldagem, em 1997 a SociedadeAmericana de Soldagem (AWS - American Welding Society)

publicou a norma AWS A5.32M [26]. A segunda edio destanorma foi feita em 2011 e agrupa os gases e misturas de gs parasoldagem por fuso e processos ans.

Na Tabela 2, so listadas composies do gs de proteo eum resumo dos resultados alcanados, utilizados em trabalhoscientcos e requeridos em patentes. A seguir, comentrios sofeitos.

Tabela 2. Formulaes de gs de proteo para soldagem a arco eltrico.

Ano Ref. Gs de Proteo Resultados

1960 [24]Ar/He

1-20%CO2/CO

Material: ao carbono (


6/11



1991[32]

20-65%Ar30%CO25-20%He

Material: ao carbono. Com esta composio do gs de proteo possvel o usode correntes de at 1000 A, mantendo boa densidade e um formato satisfatrio docordo. Com essas misturas houve baixa formao de respingos e liberao defumos. A melhor aparncia da solda obtida com correntes maiores que 600 A.

1996 [33]Ar

2-20%O2

Material: ao carbono, ao inoxidvel. A adio de O2 aumentou a taxa de

transferncia metlica, que variou de acordo com a corrente utilizada, promovendo

a formao de um cordo de solda de melhor qualidade.

2001 [34]96%Ar3%CO21%O

2

Material: ao carbono, ao inoxidvel. Obtem-se transferncia metlica porcurto-circuito, por spray entre outras. Com esta composio no ocorre alteraosignicativa da qumica do metal de solda.

2002 [19]

ArMaterial: ao carbono, ao inoxidvel. O arco de soldagem apresenta-se

bastante instvel. A solda no tem molhabilidade adequada e so produzidasdescontinuidades.

ArCO

2

O2

Material: ao carbono, ao inoxidvel. O2 melhora a uidez, molhamento

e penetrao do cordo de solda. Alm da estabilizao do arco, as adiesprogressivas contribuem para a perda de elementos de liga atravs do arco. Adiesde CO

2aumentaram as emisses de fumos de soldagem.

2009 [35]

97.5% Ar2.5% CO

2

82% Ar18% CO

2Material: ao carbono. Com o aumento da porcentagem de CO2no gs de proteovericou-se o aumento na penetrao da solda e a diminuio na quantidade deincluses.90% Ar

10% CO2

75% Ar25% CO2

2009 [23]Ar

1%O2

Material: ao carbono. Em condies com baixa corrente o arco eltrico instvel,com transferncia metlica globular e grande formao de respingos. Nos perodosde alta corrente, a transferncia por spray foi estvel, ocorrendo baixa formao derespingos e um arco mais longo. O processo foi instvel e aps cerca de 3 a 6 s,tornou-se estvel. Esta transio foi caracterizada por um aumento no comprimentodo arco (de 4 mm) e da corrente (entre 50-100 A).

1988.[36]

71-83%Ar16%-25% He

1-4%CO2

Material: ao inoxidvel, aos de baixa liga, ligas a base de Ni e metais no ferrosos.Utilizando-se gs de proteo com esta composio a taxa de deposio de metal aumentada, com a entrada de energia reduzida, na soldagem por arco pulsado, emoperaes de soldagem fora de posio.

1992. [37]

Ar0,1-0,9%CO

2

5%-12% He

Material: Super ligas a base de Ni, Co. Capacidade de soldar com uma grandevariedade de modos de transferncia metlica com a estabilidade do arco excelente,

perl do cordo e a aparncia adequada. As caractersticas do arco so mantidas deforma a no produzir oxidao excessiva do metal de solda.

2002 [38]

Ar

0,01-1,80%O220-98,2% He

Material: Al e suas ligas. Transferncia por spray, sem corrente pulsada. Proporcionauma elevada produtividade devido a velocidades de soldagem de 110 cm/min

em corrente contnua e 105 cm/min em corrente alternada. As juntas soldadasapresentam um baixo nvel de incluses de alumina, e adequadas propriedadesmecnicas.

2007 [39]

Ar6-10%CO

2

6-10%He

Material: ao revestido, galvanizado e ao aluminizado. Obteve-se transfernciametlica por curto-circuito e por spray. Pode ser aplicada com posio de soldagemhorizontal ou plana. Promoveu menor quantidade de respingos e porosidade.Cordo de solda com melhor aparncia.

2010 [40]

Ar20-30%CO

2

12-15%O2

Material: ao galvanizado. Na soldagem de ngulo, de uma folha, usando essacomposio do gs de proteo possvel obter uma velocidade de soldagem deat 125 cm/min.


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De acordo com a Tabela 2 possvel vericar, de uma formageral, que na maioria das composies de gs de proteoestudadas e patenteadas, o Ar e/ou o He so usados como gases

predominantes, sendo usado o CO2, e o O

2 para formarem

misturas para a soldagem de diferentes classes de materiais.Pode ser observado que os teores nas diferentes composies novariam substancialmente. As faixas de composio previstas em

algumas patentes so coincidentes. Destaca-se nos resultados,para as diferentes classes de materiais e composies do gsde proteo, a melhoria da estabilidade do arco, a diminuiodos respingos e a obteno de soldas com bom aspecto visual e

propriedades mecnicas adequadas.O teor de O

2utilizado no gs de proteo para a soldagem

de aos inoxidveis est em intervalos prximos ao usado paraa soldagem do ao carbono. Em geral nas patentes requeridasarma-se que podem ser utilizadas as composies para soldagemde ambos materiais [19,33,34]. A porcentagem de O

2 mais

encontrada nas misturas em torno de at 3% [19,23,29,34,38].O baixo percentual de O2mostrado nas diferentes referncias

esta de acordo com a norma AWS A5.32 [26]. Esta especca

que a porcentagem mais adequada deste gs para estabilizar oarco de 1%. Em aos inoxidveis, com esta porcentagem de O

2

em misturas com Ar, obtm-se uma taxa maior de transfernciametlica, que ocorre por spray e torna a poa de fuso maisuida. No entanto foi encontrado que possvel obter boas

propriedades na solda depositada quando este gs est presenteem misturas num teor maior [27, 33,40].

No que se refere s adies de CO2, o teor varia numa faixa

de at 30%. As porcentagens mais baixas so para as ligas de Ni,e metais no ferrosos como o Al [31,36,37,38,39].

5. Outros Gases Usados na Soldagem

O predomnio dos gases que fornecem uma atmosferaligeiramente oxidante tambm pode ser observado na normaAWS A5. 32 [26], pois nesta constam apenas o N

2e o H

2como

gases diferentes dos j citados anteriormente. Foi identicadoque o H

2, o N

2 e o NO (xido ntrico) foram utilizados em

aplicaes industriais. No entanto, tambm foram encontradostrabalhos utilizando adies de gases distintos dos mencionadosacima, porm sem aplicao industrial.5.1. O uso de H

2no Gs de Proteo

O H2 um exemplo de gs redutor que forma uma excelente

atmosfera protetora por causa de sua capacidade de reduo,sendo muito utilizado em fornos para tratamento trmico e emoperaes de brasagem. Em soldagem o uso do H

2 indesejvel

para certas aplicaes, principalmente na soldagem do aocarbono, pois este gs solvel em certo grau em quase todos osmetais, aumentando o risco de trincas a frio.

O fato do H2 ter uma condutividade trmica elevada torna

o arco mais condutor durante a soldagem, aumentando assima temperatura, o que pode favorecer a diminuio da dureza,

pois torna mais longo o tempo de resfriamento [41]. Emcontrapartida este gs proporciona uma maior penetrao dasolda. A superfcie da solda produzida por adio de H

2ao Ar se

mostra limpa e sem xidos [9].A adio de H

2ao Ar ou a misturas Ar/He empregada na

soldagem de ligas de Al, aos inoxidveis entre outras [19]. Asmisturas de Ar/H

2 so muito comuns na Europa, com teor de

H2na faixa de 2-5%, para soldagem manual. A partir de 5% de

H2na mistura, a temperatura do processo ca muito elevada, o

que requer operao de soldagem automtica, onde se consegue

obter um efeito perceptvel no aumento da velocidade desoldagem [1].Misturas comerciais de Ar/H

2 produzem uma atmosfera

que reduz a oxidao na superfcie do metal de solda durante asoldagem, sendo recomendados teores de no mximo 15% parasoldagem de aos inoxidveis [26].

Na soldagem MIG/MAG de ligas de alto nquel, comoInconel da srie 625 e 600, as diculdades so muitas vezesencontradas devido lentido da formao da poa de solda.

Neste caso, a adio de H2 ao Ar, por produzir mais calor na

poa de fuso, melhora a uidez da solda [19]. Gs de proteocom 0,05-0,5% CO2 e 0,1 - 7% de H2para a soldagem de ligasde Ni foi estudado por Biskup [42], obtendo melhor estabilidade

do arco e molhamento do cordo de solda. O arco mais estveltorna mais concentrado o calor aumentando a penetrao(profundidade), aumentando a velocidade de soldagem ereduzindo signicativamente a oxidao da superfcie doscordes de soldagem, tornando dispensvel operaes pssoldagem.

O uso de H2no gs de proteo tambm recomendado na

soldagem de ligas de Cu [43]. Este deve estar numa porcentagementre 0,2-1% na mistura com 0,5-4% de CO

2e equilbrio em Ar,

melhorando o acabamento do cordo de solda, a sua geometria ea soldagem produz menos respingos por ser obtida transfernciametlica por spray.

Em contraste com dados mostrados na Tabela 2, parasoldagem de ao galvanizado em que se utilizou gs de proteocom O

2, na patente obtida por Macdo e Correia [44] este

gs substitudo pelo H2na soldagem deste tipo de material.

Consideram o O2prejudicial, pois contribui para a oxidao do

zinco, j que danica a base do revestimento do metal, o queafeta a resistncia corroso. Outra limitao destas misturasde Ar/O

2 que a estabilidade do arco produzido pelas adies

de oxignio est limitada a um intervalo estreito de espessura dorevestimento. A proposta de uma mistura com 0,5-4%CO

2, 0,2-

1% H2e equilbrio de Ar, onde se obteve a estabilidade do arco,que gera menos respingos, melhora a geometria e a aparnciado cordo de solda. requerida ainda a aplicao numa amplafaixa de espessuras de revestimento do metal de base, obtendo-se a manuteno da resistncia corroso do material e melhor

propriedades mecnicas da junta.

5.2. O Uso de N2e NO no Gs de Proteo

A adio de N2 pode ser til na proteo em soldagem,

porm utilizado em uma rea limitada de operaes. Emborao ataque do N

2sobre o ferro fundido no seja to forte como o

do ar, forma nitretos na superfcie que se dissolvem, em certaquantidade, no metal fundido. O N

2tem entalpia elevada, quando

comparado ao H2, o que ocasiona transferncia de mais calor


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para a poa de fuso na soldagem MIG/MAG, porm provocaa produo de poros. considerado, em baixas temperaturas,como inerte para a soldagem do cobre (Cu). J na soldagem deligas de alumnio (Al), magnsio (Mg) e titnio (Ti), deve serutilizado em pequenas propores na mistura com o Ar, poisreage com estes metais [11].

Na soldagem do ao inoxidvel, o N2 um elemento

estabilizador da austenita, portanto diminui a tendncia aformao de ferrita. Este tambm favorece as propriedadesmecnicas e de resistncia corroso. Alm disso, pode duranteum resfriamento rpido, como ocorre em soldagem, formar umamicroestrutura muito na (renamento de gro). Foi atribudo aestas caractersticas do N

2a identicao de valores de dureza

mais elevados na soldagem de aos inoxidveis austenticos,quando utilizado um gs de proteo com uma composio de45% He, 45% Ar e 10% de N

2[45]. Em testes com teor de N

2

variando entre 2 e 10% no gs, foi vericado que quanto maioro teor de N

2, menor a formao de ferrita, maior a resistncia a

trao e a dureza, sendo mantida a resistncia a corroso [46,47].Misturas com N

2e H

2no gs de proteo tambm se mostram

adequadas para soldagem dos aos inoxidveis [26].Os aos inoxidveis super austenticos e superduplex so,

em geral, ligados ao nitrognio, e apresentam a formao deuma microestrutura que consiste de ferrita delta e austenita nometal de solda [46,47]. Quando o gs de proteo contm uma

porcentagem de N2, as perdas deste elemento no metal de solda

podem ser evitadas [48]. A adio de N2ao gs de proteo

considerada adequada quando provoca a reduo intencional dafase ferrita, como mostrado por Roualt [49] na soldagem TIG ouGTAW dos aos inoxidveis duplex e superduplex. Utilizando-se teores de 1 a 3% de N2no gs de proteo associado a Ar eHe, foi obtido um arco estvel, o metal depositado apresentou

boa resistncia corroso, demonstrando ser apropriado parasoldagem manual em todas as posies. De acordo com Kim [50]as soldas dessa classe de material, obtidas com a adio de N

2

no gs de proteo, mesmo em ambientes com alta concentraode cloretos, tem a sua resistncia a corroso por pite aumentada.

A adio de NO ao Ar usado para reduzir a emisso deoznio prximo operao de soldagem. O gs oznio (O

3)

extremamente txico, pode causar severa irritao nos olhos enas membranas mucosas. A reduo de oznio pode melhorar aqualidade do ambiente onde a soldagem realizada. O princpio

para o uso de NO no gs de proteo que este reage com ooznio produzido pela radiao do arco, neutralizando-o antesque este entre na zona de respirao do soldador [51].

Foi reportado por Dennis et al [51] que na soldagem doao inoxidvel pelo processo MIG/MAG, a adio de 0,03%

NO ao Ar produziu uma reduo de at 60% na concentraode oznio quando comparado com a mistura 93%Ar, 2% O

2

e 5% CO2. Estes autores tambm observaram uma reduo

de 70% na quantidade de Cr(VI) emitida. O Cr(VI) supostoser elemento carcinognico. H tambm possveis efeitos

bencos sobre concentrao, produtividade, consistncia e naqualidade da soldagem quando foram feitos ensaios com o gs

NO. Este estabiliza o arco e tem um bom efeito na soldagemde aos inoxidveis e do alumnio. A inveno de Selander[52] apresenta um mtodo para reduzir durante a soldagem a

formao de oznio. A proposta introduzir o gs NO, N2O

ou NH3 no gs de proteo em quantidades limitadas. Estes

ajudam na decomposio de O3em limites aceitveis sem afetar

a solda. A quantidade aceitvel desses gases nas misturas deveser inferior a 0,45%.

5.3. Gases No Convencionais

A adio de gases no convencionais nas misturas de gsde proteo, para soldagem de diferentes tipos de materiais discutida neste item do trabalho. Em geral encontram-seassociados a estudos cientcos, com objetivos semelhantes aos

j mencionados: melhorar as caractersticas tanto do processo desoldagem quanto da qualidade da solda.

Na soldagem do Al e suas ligas foi encontrada algumasmisturas com gases no convencionais. Um mtodo consideradocomo mais produtivo para soldagem do Al foi requeridoem 1963 na patente de Wills [53], com adio de 0,05 a 3%de Cl e balano em Ar ou He. Como benefcio, obteve-se aeliminao da porosidade e uma reduo do custo com o gs

de proteo. A adio do Cloro na soldagem do Al tambm foiestudada por Bicknell e Patchett [54], que utilizaram a adiode 0,75% de Cloro ao Ar vericando uma melhora signicativana estabilidade do arco e na penetrao, quando a soldagem feita com polaridade negativa. Como o uso do cloro, do pontode vista da segurana, altamente txico, foi sugerido comoalternativa o uso de freons no-txicos (combinaes de gasesde C, F, Cl e Br). Foram escolhidos quatro tipos de freons pararealizao de testes: Freon 12 (CCl

2F

2); Freon 13 (CClF

3); Freon

13-Bl (CBrF3) e Freon 14 (CF

4). Como resultado obteve-se

um aumento da intensidade do arco eltrico, quando 2,0% doFreon-12 foi adicionado ao gs de proteo.

A adio de 1 a 50% de hexauoreto de enxofre (SF6) ebalano de gs inerte tambm foi estudada para soldagemde ligas de Al. Esta mistura tem como benefcio reduzir o Hdisponvel para absoro na poa de solda por se ligar ao SF

6, e

pode ser utilizado nos processos de soldagem a arco [55].O uso de nenio (Ne), num teor de at 30% da quantidade

de He (entre 20-90%) na mistura, associado ao H2(0,5-2%) foi

estudado para soldagem de ligas de ao com estrutura austenticaou do tipo duplex [56]. Com este gs de proteo se obtm nasoldagem, transferncia metlica tanto por spray quanto porcurto-circuito. A poa de fuso formada bastante uida, o quetorna inconveniente soldagem em todas as posies.

Gases radioativos tais como o hidrognio-3 e o criptnio-85,podem ser introduzidos ao gs de proteo Ar ou He, visandoionizar o arco eltrico alm de promover sua estabilidade.Vrios tipos de gases radioativos podem ser utilizados de acordocom a patente requerida por Mathews [57], pois reduzem otempo de abertura do arco, tornando-o mais uniforme. O tempode abertura do arco inclui o tempo necessrio para iniciar umadescarga eltrica e o tempo necessrio para formar o arco.

Adies de pequenas concentraes de SO2 ao gs de

proteo Ar, na soldagem de aos dissimilares mostradacomo responsvel por melhorar drasticamente a relao entre alargura e a penetrao da solda pelo processo GTAW, entre aosinoxidveis e aos carbono. O benefcio mximo da adio de


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SO2foi alcanado com quantidades entre cerca de 500 e 1400

ppm. No entanto devem ser tomadas medidas adequadas desegurana j que o gs SO

2 txico [58].

Nos processos de soldagem que utilizam a proteo com osgases no convencionais destaca-se que os principais problemasque podem ocorrer esto relacionados com a segurana naoperao de soldagem. So na maioria gases txicos, o que pode

causar condies inapropriadas para os soldadores devido aosresduos gerados. Pode ainda ser atribudo a esta toxicidade dosgases o direcionamento das aplicaes a materiais e condiesmais especcas que com os outros gases.

6. Consideraes nais

O presente trabalho descreve a fenomenologia da proteogasosa na soldagem, com nfase no processo MIG/MAG e paraa soldagem dos aos. Pode ser observado que o modelo oxidantede atmosfera gasosa predomina h mais de 30 anos nas misturasgasosas, as quais variam bastante, porm continuam sendo

base de Ar, He, CO2e O

2. Alguma aplicao foi observada para o

H2, o 0N2e o NO (xido ntrico) visando aplicaes especcas.Poucos estudos foram identicados usando novos tipos de gases.Desta forma, foi observada pouca inovao no desenvolvimentode novas formulaes de gases de proteo.

De fato, a inovao tem sido extensiva nos equipamentosde soldagem, capazes de controlar a transferncia metlica.A tecnologia embutida no equipamento de soldagem torna-ocapaz de modular o perl da curva de corrente, obtendo efeitosdistintos. O controle pode ter como objetivos: garantir umatransferncia metlica mais uniforme, com melhoria do aspectodo cordo e menos respingos; uma pequena poa de fuso, para asoldagem de passe de raiz ou em chapas nas; obter uma relao

penetrao/taxa de deposio controlada, pela distribuio decalor entre eletrodo e metal base [11]. So exemplos destesavanos os processos MIG Pulsado, MIG Pulsado com ComandoSinrgico, MIG com pulsao trmica ou MIG Duplo Pulso,MIG com corrente alternada e MIG/MAG com curto-circuitocontrolado eletricamente e eletromecanicamente.

A tendncia observada para o desenvolvimento de gases deproteo parece ser o uso de misturas ricas em gases inertes, comadies calibradas de elementos oxidantes, sempre atendendoa aplicaes especcas. A pesquisa continuar no sentido deaumentar a taxa de deposio, reduzir os respingos e melhorar asoldabilidade por meio dos gases de proteo.

7. Agradecimentos

Os autores agradecem FAPERJ e ao CNPq por auxliosconcedidos.

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