CORTE PLASMA

A definição de plasma é tida como o quarto estado da matéria. Quando adiciona mais energia no gás, propriedades como temperatura e características elétricas são modificadas. Este processo é chamado ionização, ou seja criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isso acontece, o gás torna-se um plasma ,sendo eletricamente condutor pelo fato de os elétrons livres transmitirem a corrente elétrica.Quanto menor for a secção, maior será a temperatura no gás plasma, devido a dificuldade da passagem de elétrons. Em uma tocha de arco plasma a ponta do eletrodo é recolhida em um bocal, através do qual o gás plasma flui. O gás passa pelo arco elétrico formando o plasma, aquecido dentro do bocal, o gás sofre uma enorme expansão, e sai em um pequeno orifício, adquirindo velocidades na ordem de 6Km/s, acentuando o fenômeno de dissociação. Quando fora do bocal, os íons recombinam-se para voltar ao estado gasoso, liberando uma energia tal que leva a temperaturas acima de 25000oC. Esta energia é então utilizada para fundir o metal base e o metal de adição.

Princípios básicos do processo de soldagem plasma:

Utiliza eletrodos não consumíveis e gases inertes. O gás plasma recombinado não é suficiente para a proteção da região soldada e da poça de fusão, assim é fornecido um fluxo de gás suplementar e independente, para a proteção contra contaminação atmosférica. O fluxo de gás que constituirá o jato plasma, circunda o eletrodo e passa através de um orifício calibrado constringindo o arco elétrico. O fluxo de gás de proteção corre entre o corpo que contém o orifício e uma cobertura exterior.

Fontes de energia

A fonte de energia utilizada é de corrente constante, podendo ser retificador, gerador ou inversores, utilizando corrente continua, polaridade direta. As fontes para soldagem plasma diferem das de corte, porque no corte a tensão em vazio do equipamento deve ser superior a 200V. Fontes de tensão em vazio entre 65 V e 80V podem ser adaptadas para soldagem.

Tocha de Soldagem:

As tochas são providas de um punho para o manuseio do soldador, um conjunto de pinças para a fixação do eletrodo, condutos para passagem do gás e água de refrigeração, um bico de cobre com o orifício para a construção do arco elétrico e um bocal de cerâmica para a isolação e proteção do operador. Algumas tochas têm somente um orifício central para a passagem do gás e arco, outras possuem

outros orifícios para a passagem do gás auxiliar, permitindo maiores velocidades de soldagem. O diâmetro do orifício central deve ser escolhido de acordo com a corrente elétrica a ser utilizada.Diâmetro do orifício (mm)Corrente Elétrica (A)0,761 a 251,3220 a 552,1840 a 100.

Figura 1- Tocha Plasma

Eletrodos:

O eletrodo utilizado é de tungstênio (comercialmente puro tungstênio 99,5%), ou tungstênio dopado com tório ou zircônio, não sendo consumível.Para cortes em alta velocidade tem-se utilizado eletrodo de tungstênio dopado com óxido de lantânio, de vida mais longa.

Gases:

Pode-se utilizar o mesmo tipo de gás tanto para a formação do plasma, quanto para a proteção adicional da poça de fusão;O argônio tem sido o preferido na soldagem com baixas correntes em função do seu maior potencial de ionização, além de promover uma melhor limpeza das camadas de óxidos de metais reativos e facilita a abertura do arco elétrico. Pode-se aplicar outros gases inertes como o hélio puro ou misturado com argônio, porém estes requerem tensões mais altas para a abertura do arco. O He desenvolve maior energia do plasma, porém necessita de uma refrigeração do bocal do orifício mais eficiente. A seleção do gás de proteção depende do tipo e da espessura do metal de base a ser soldado.

Metais de Adição:

A maioria das soldagens por este processo não requer metal de adição face a sua concentração de calor e facilidade de fusão das partes, porém, caso haja necessidade, o metal de adição apresenta-se na forma de vareta ou arame enrolado em bobinas. Na soldagem manual a técnica de deposição do material é por gotejamento, sendo adicionado por umas das mãos enquanto a outra controla o banho de fusão. Na soldagem automática, a bobina de arame é colocada em um alimentador automático com velocidade constante. Este sistema é utilizado quando a corrente ultrapassa 100 A, e pode ainda ser aplicado compré-aquecimento do arame por efeito Jaule passando-se uma corrente elétrica através deste antes de atingir a poça de fusão.

Corrente de Soldagem:

No processo conhecido como micro plasma trabalha-se com correntes iniciais em faixas tão baixas quanto 0,1 à 1 A e máximo de 20 A, ou elevadas pois o processo admite a utilização de correntes até 500 A;Costuma-se demarcar 100 A como limite de baixas correntes, e acima são chamadas de altas correntes. Configuração da corrente Típica é a corrente continua, polaridade direta, porém para soldagem de alumínio, trabalha-se com polaridade inversa ou corrente alternada, esta ultima causa uma certa instabilidade de arco.

Tensão:

A tensão de arco é menos sensível a uma variação do comprimento do arco, garantindo assim uma maior estabilidade dos parâmetros sendo superiores às do processo TIG, em valores de 50V ou maiores.Técnicas:

O processo a arco plasma possui duas técnicas principais, sendo: arco transferido; não transferido. Arco plasma transferido é o sistema mais comum. Após a abertura do arco piloto entre o eletrodo e o bocal, o arco se transfere para a peça por aproximação, fluindo para a mesma, extinguindo-se o arco piloto. Ao se afastar a pistola da peça, o arco extingue-se.Arco plasma não transferido o arco piloto é intensificado (soprado) para fora do bocal aproveitando-se o calor gerado pelo mesmo. O jato plasma emergente é utilizado principalmente para corte de materiais não metálicos (não condutores) e revestimentos por aspersão de pós metálicos (ou cerâmicos) fundidos.

Plasma de Alta Definição

A definição ou qualidade de corte é caracterizada pelo desvio e angularidade da superfície de corte. A norma ISSO 9013 estabelece critérios de avaliação com

base na espessura do material conforme mostrado na tabela 3. Os níveis vão de 1 a 5, sendo o 1 de maior qualidade.O processo plasma de alta definição foi criado com o objetivo de produzir cortes com qualidade nível 3. Porém em produção, com as constantes variações de pressão e vazão nos gases de plasma e proteção, aliado ao desgastes da tocha e dos consumíveis, o processo se mantinha com nível de qualidade entre o 4 e 5 e uma vida útil do bico e eletrodo de aproximadamente 2 horas. Por este fato o processo tendia ao colapso na sua utilização para a indústria devido ao alto custo operacional e baixa consistência.Em 2003 foram investidas elevadas quantias em pesquisa e desenvolvimento para resolver a inconsistência e aprimorar o processo de alta definição. O resultado foi o desenvolvimento de duas novas tecnologias que revolucionaram o plasma de alta definição. Um controle sinérgico para o gás e um novo desenho de tocha que permite a flutuação do tubo de refrigeração dentro do eletrodo proporcionou a consistência do processo, ou seja, produção de cortes com qualidade nível 3 por um longo período de vida dos consumíveis bico e eletrodo. O processo que foi batizado de Hyperformance, ou plasma de Alto Desempenho, já é comercializado desde 2004 e os resultados médios comprovam a qualidade nível 3 em uma vida útil de eletrodo e bico em média de 6 horas.

Vantagens do processo em relação ao processo TIG ou outros processos:

Maior concentração de energia e densidade de corrente, consequentemente, menores distorções, maiores velocidades de soldagem e maiores penetrações. Maior estabilidade do arco em baixos níveis de corrente, permitindo a soldagem de finas espessuras (a partir de 0,05 mm). O arco é mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constancia da poça de fusão e menor sensibilidade a variações no comprimento do arco. Menor probabilidade de contaminação do cordão por inclusões de tungstênio e de contaminação do eletrodo pelo material de adição uma vez que o mesmo encontra-se dentro do bocal.

Desvantagens:

Alto custo do equipamento (2 a 5 vezes mais que o TIG). Manutenção da pistola mais frequente (orificio calibrado) e cara. Maior consumo de gases. Exigencia de maior qualificação de mão de obra

Tipos de aplicação

Corte Manual

Figura 2 – Detalhe do Processo de Corte Manual

Os sistemas de corte manual são muito simples e de fácil operação. Os sistemas mais modernos possuem o bocal isolado eletricamente o que permite que o operador apóie a tocha na peça e/ou utilize uma régua ou gabarito para guiar o corte. As fontes inversoras são preferidas devido a sua a portabilidade. O corte manual é largamente utilizado nas mais diversas aplicações. Desde cortes em chapas finas como metade para o corte mecanizado. Esta redução não está relacionada diretamente com a capacidade da fonte, e sim pelo aquecimento progressivo da tocha. Comono plasma a velocidade reduz sensivelmente com o incremento da espessura, em chapas mais espessas o tempo de corte é grande devido a baixa velocidade.Esta é a principal razão de se limitar a espessura para se garantir uma velocidade razoável e permitir o refrigeração adequada da tocha.Os sistemas mecanizados dedicados geralmente possuem tochas refrigeradas por líquido refrigerante. O liquido é guiado na parte interna do eletrodo permitindo um jato de líquido exatamente na parte traseira do ráfnio – parte que fica no estado líquido durante o corte.Um sistema básico mecanizado é constituído por 5partes principais conforme mostrado na figura 11:

1. Fonte de Energia2. Console de Ignição – Alta Freqüência3. Console de controle de gás4. Tocha plasma

5. Conjunto de Válvulas

Figura 3 – Sistema de Corte Mecanizado

Aplicações industriais:

É mais utilizado na fabricação de equipamentos de aços inoxidáveis, com chapas de espessuras médias (3 a 8 mm) e dos que requerem cordões longos, como tanques e reatores para a indústria química e de bebidas. Indústria aeroespacial, na soldagem de ligas especiais de alumínio. Apesar de menos comum, pode ser aplicado em uniões de aços ao carbono, como na soldagem da parte superior de amortecedores destinados à indústria automobilística. Outros exemplos pode-se mencionar a fabricação de radiadores, a soldagem de pontos críticos em motores de automóveis e a soldagem de componentes elétricos, como chapas para transformadores e alternadores.

Barreira de mercado:

Uma das explicações para o insucesso inicial da soldagem a plasma pode estar no modo como o processo foi introduzido no mercado; a expressão Soldagem a Plasma trazia à mente dos usuários um processo complexo e com alta tecnologia

agregada. Sob o ponto de vista de marketing ,usar a palavra Plasma para descrever uma modificação do processo TIG pode ter prejudicado sua receptividade. fabricantes de equipamentos deveriam ter divulgado o potencial de aplicação do novo processo e as vantagens sobre os processos convencionais. Na história do processo Plasma houve uma certa tendência por parte dos fornecedores de equipamentos de disponibilizar muita informação acerca de como funcionava o processo e pouca informação em relação ao que o processo era capaz de fazer

Relação com outros processos

O processo plasme ocupa uma vasta área de aplicação com vantagens técnicas e econômicas.Porém, existem aplicações que os outros processos de corte térmico (ou termoquímico) mais adequados.Para peças em aço carbono, com espessuras acima de 40 mm, o processo mais recomendado é o Oxicorte devido ao baixo custo inicial e operacionaldo processo. Para peças de espessura abaixo de 6 mm, com requisitos de ângulo reto, ou nível 1 ou 2 de segundo a ISO o processo mais recomendado seria o LASER. O LASER também pode ser aplicado em maiores espessuras dependendo da potência do ressonador. O que se deve avaliar é a rugosidade da superfície de corte e principalmente a velocidade de corte.A figura 4 mostra a relação de aplicação entre os processos de corte térmico:

Figura 4 – Relação entre Processo

Técnicas operacionais

A soldagem a plasma pode ser utilizada em três modos de operação:Microplasma, Melt-in, Key hole.

Microplasma:

União de chapas de 0,1 a 1 mm de espessura. Gás de proteção é geralmente uma mistura de argônio-hidrogênio com um teor de H2 até 10%,já que o H2 possui alta condutibilidade térmica, permitindo a retirada de calor nas zonas limítrofes do núcleo do plasma impedindo um alargamento do arco elétrico.

Melt-in:

Consiste na união de chapas finas (sem adição de arame) de 0,5mm até 3,0mm de espessura de aços carbonos não revestidos e revestidos (galvanizados) e aços inoxidáveis.

Key hole:

Técnica utilizada para a soldagem plasma mecanizada ou robotizada dos aços inoxidáveis. Possibilita soldagem de chapas de até 10mm de espessura com altíssima qualidade.

Resumo do processo de Corte por Plasma

• Processos eficiente de corte;• Sem necessidade de pós operação; • Velocidade e facilidade na operação;• Preparação de juntas para a soldagem;• Reparo e manutenção; • Corta uma ampla faixa de espessuras (Dependendo da capacidade do equipamento, é possível cortar metais desde 0.5mm até 60mm de espessura)• Processo muito seguro, não utiliza perigosos cilindros de oxigênio e gás combustível e nem mangueiras transportando elementos combustíveis;• Corta qualquer metal condutor (Aço carbono, inoxidável, alumínio, bronze, cobre, ferro fundido);• Alta velocidade de corte;• Perfura sem pré-aquecimento;• Permite cortar placas empilhadas;• Corte limpo (O corte não deixa escória, por isso, não é necessária a limpeza posterior com esmeril);• Não super aquece o material (Devido a alta velocidade de avanço, a zona térmica afetada - ZTA é muito pequena); • As chapas de espessura fina não se deformam.

OXICORTE

O corte de materiais é uma das mais importantes etapas na cadeia dos aços. Tanto as chapas prontas devem ser cortadas em peças para seu destino final, como as sucatas devem ser cortadas em peças de menores dimensões para facilitar seu processamento posterior. Podemos dividir os cortes em:

Mecânicos: Corte por cisalhamento através de guilhotinas, tesouras ou similares e por remoção de cavacos através de serras ou usinagem.

Por fusão do metal: Corte através da fusão de uma fina camada do material utilizando-se uma fonte de calor que pode ser um arco elétrico, plasma ou maçarico.

Por combinação de fusão e vaporização. Processos de corte que utilizam o princípio da concentração de energia como característica principal de funcionamento, não importando se a fonte de energia é química, mecânica ou elétrica. Enquadram-se neste grupo o corte por jato d'água de elevada pressão, LASER e algumas variantes do processo plasma.

Por reação química: Corte combinado envolvendo os seguintes mecanismos: aquecimento através de chama e reações exotérmicas, seguido de oxidação do metal e posterior expulsão através de jato de O2. Ex. corte oxi-combustível, o oxicorte.

De todos estes métodos, há uma particular preferência pelo oxicorte devido a ser o processo mais barato de implementar, com equipamentos mais simples, com a maior facilidade de treinamento do operador e, particularmente na faixa de espessuras maiores que 30 mm, ser o processo que propicia o menor custo por metro cortado.

Definição do Oxicorte:

Pode-se definir o oxicorte como “um processo de seccionamento de metais pela combustão localizada e contínua devido à ação de um jato de O2 de elevada pureza, agindo sobre um ponto previamente aquecido por uma chama oxi-combustível”.

Princípio de operação:

Na temperatura ambiente e na presença de O2, o ferro se oxida lentamente. À medida que a temperatura se eleva, esta oxidação se acelera, tornando-se praticamente instantânea a 1350°C. Nesta temperatura, chamada de temperatura

de oxidação viva, o calor fornecido pela reação é suficiente para liquefazer o óxido formado e realimentar a reação. O óxido no estado líquido se escoa, expulso pelo jato de O2, permitindo o contato do ferro devidamente aquecido com O2 puro, o que garante a continuidade ao processo.O processo baseia-se no aquecimento localizado feito com um maçarico especial de corte. Ao atingir a temperatura de oxidação viva segue-se a injeção de O2 através do orifício central do bico de corte fixado no maçarico.

Gases utilizados no processo:

Para a obtenção da chama oxi-combustível, são necessários pelo menos 2 gases, sendo um deles o oxidante (O2) e o outro o combustível, podendo este ser puro ou mistura com mais de um gás combustível.

Oxigênio (O2)É o gás mais importante para os seres vivos, existindo na atmosfera em c erca de 21% em volume ou 23% em massa. É inodoro, incolor, não tóxico e mais pesado que o ar (peso atômico: 31,9988 g/mol), tem uma pequena solubilidade na água e álcool. O O2 por si só não é inflamável porém sustenta a combustão, reagindo violentamente com materiais combustíveis, podendo causar fogo ou explosões. No processo oxicorte o O2 faz asfunções de oxidação e expulsão dos óxidos fundidos.

Gases combustíveis para a chama de pré-aquecimentoSão vários os gases combustíveis que podem ser utilizados para ignição e manutenção da chama de aquecimento. Entre estes podemos citar: acetileno, propano, propileno, hidrogênio, GLP e até mesmo mistura destes.A natureza do gás combustível influi na temperatura da chama, no consumo de O2 e conseqüentemente no custo final do processo. Na figura 1 é mostrada a combustão de diferentes gases combustíveis, podendo se ver na abscissa o volume de O2 consumido para a combustão completa e na linha das ordenadas a temperatura máxima atingida.

Figura 5 - Curvas estequiométricas de diversos combustíveis.

No Brasil é mais usual a utilização dos gases acetileno ou GLP.

Acetileno (C2H2)Entre os diversos combustíveis gasosos, o acetileno é o de maior interesse industrial por possuir a maior temperatura de chama (3.160 °C) devido, entre outros fatores, a este hidrocarboneto possuir maior percentual em peso de carbono comparativamente aos demais gases combustíveis. É um gás estável a temperatura e pressão ambiente, porém não se recomenda seu uso com pressões superiores a 1,5 kg/cm2, onde o gás pode decompor-se explosivamente. É inodoro e por esta razão leva um aditivo que possibilita sua detecção olfativa em caso de vazamento.

GLP (C3H8 + C4H10)O Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) no Brasil tem como composição quase quetotalmente uma mistura de 2 gases: propano e butano que são hidrocarbonetos saturados. O GLP é incolor e inodoro quando em concentrações abaixo de 2% no ar.Também leva aditivos que possibilitam detectar olfativamente sua presença na atmosfera.

É um gás 1.6 vezes mais pesado que o ar, sendo utilizado como combustível para queima em fornos industriais, aquecimento e oxicorte.Como pode ser visto na figura 1, os diferentes gases apresentam diferentes temperaturas máximas de chama, e cada uma delas atingida com um dado volume consumido de O2 para a combustão completa do gás.A seleção do gás combustível deve levar em conta diversos os seguintes fatores:

- Espessura.- Tempo requerido no pré-aquecimento para o inicio da operação.- Quantidade de inícios de corte na borda ou perfurações no meio necessárias naoperação.- Custo e forma de fornecimento do gás combustível (cilindros, tanques outubulação).- Custo do O2 requerido para a combustão completa.- Possibilidade de utilização do combustível em outras operações como soldagem,aquecimento ou brasagem entre outras.- Segurança no transporte e utilização do produto.

Variáveis no processo:

Vários são os aspectos que influem no corte oxi-combustível, segue-se uma descrição dos principais fatores e sua influência:

Pré-aquecimento do metal de base: Ao se fazer o pré-aquecimento do metal de base, a potência da chama de aquecimento pode ser diminuída, assim como o diâmetro do bico, havendo também um aumento na velocidade de corte, entretanto, esta operação pode aumentar os custos de corte uma vez que se gasta energia para efetuar o aquecimento.

Espessura a ser cortada: De acordo com a espessura a ser cortada, se determina: o diâmetro do orifício do bico de corte e a pressão dos gases. Estas escolhas determinarão a velocidade de corte. Em linhas gerais, quanto maior a espessura, maior o diâmetro do bico e a pressão de O2, e menor a velocidade de corte.

Grau de pureza do material a ser cortado: A existência qualquer outro elemento no aço modifica a reação química, que deixa de ser apenas a combustão de Fe pelo O2. Esta passa a apresentar formação de outros produtos, e em alguns casos como, por exemplo, aços ligados ao Cr, forma um produto de reação (CrO2) que impede a continuidade do processo. Todos os elementos adicionados ou residuais nos aços, de uma forma ou outra alteram a reação. Impurezas tais como pinturas, óxidos e defeitos superficiais, também influenciam e devem ser removidos sempre que possível.

Pressão e vazão dos gases: Estas variáveis estão relacionadas diretamente com a espessura a ser cortada, o tipo de bico e a natureza do gás combustível. Em linhas gerais, quanto maior a espessura, maior pressão e vazão necessárias.

Velocidade de avanço do maçarico: É talvez a variável mais importante para o custo da operação. Pela velocidade de deslocamento do maçarico o operador controla o tamanho e o ângulo das estrias de corte, buscando encontrar a relação ideal entre a combustão do metal e a velocidade de avanço.

Grau de pureza do O2: A pureza do reagente O2 é de fundamental importância para o funcionamento do processo. Conforme quando a pureza do O2 diminui, ocorre um retardamento na oxidação do metal e mais gases são consumidos por unidade de tempo para a mesma largura de sangria, subindo especialmente o consumo de O2. Labouriau mostra a impossibilidade de corte com O2 com 90% de pureza. Dois estudos de diferentes autores e utilizando-se de diferentes espessuras, apresentam a mesma curva de decréscimo da velocidade de corte em função do decréscimo da pureza do O2.

Equipamentos:

Em sua configuração mais simples, uma estação de trabalho deve ter no mínimo osseguintes equipamentos para execução do processo:- Um cilindro ou instalação centralizada para gás combustível.- Um cilindro ou instalação centralizada para o O2.- Duas mangueiras de alta pressão para condução dos gases, podendo ser três seutilizar maçarico com entradas separadas para o O2 de corte e o de aquecimento.- Um maçarico de corte.- Um regulador de pressão para O2, podendo ser dois nos casos de maçarico com 2entradas de O2.- Um regulador de pressão para o gás combustível.- Dispositivos de segurança (válvulas unidirecionais e anti-retrocesso de chama).

Maçarico de corte:

O maçarico de oxicorte é o equipamento que mistura o gás combustível com o O2 deaquecimento para a peça na proporção correta para a chama, além de direcionar também o jato de O2 de alta velocidade para o bico de corte.

Este equipamento se consiste de uma série de tubos de gás e válvulas de controle defluxo dos gases e suporte para a fixação do bico de corte.

Bicos de corte:

Os bicos de corte são montados na cabeça do maçarico de modo a conservar separadas as misturas dos gases de pré-aquecimento do O2 de corte, servindo também para direcionar os mesmos para a superfície a ser cortada por meio dos orifícios do seu interior.A principal e mais importante dimensão do bico de corte é o diâmetro interno do canal do O2 de corte. Por este orifício se equilibra a pressão e a vazão de O2 adequadas para a espessura a cortar, devendo o bico ser escolhido em função da espessura, e a partir da escolha de um dado diâmetro de orifício do O2 de corte, estão determinados os limites de espessura a serem cortados pelo bico. Nos casos citados de mistura dos gases no bico de corte, estes também fazem esta função.As partes usinadas do bico que ficam em contato com as câmaras de passagem dosgases são denominadas "sedes". Os bicos de corte comuns são chamados de duassedes enquanto os misturadores são conhecidos como bicos três sedes.A forma do canal do O2 de corte também é importante pois determina a restrição que fará a passagem do gás, em conseqüência sua velocidade e em função disto a velocidade do processo como um todo. Existem canais com orifícios cilíndricos, divergentes, e até bicos com uma cortina de proteção adicional de O2 para minimizar a contaminação do O2 de corte durante o processo, possibilitando com isso aumento da velocidade da operação. A figura 6 apresenta alguns os diferentes formatos dos canais do O2 de corte.

Figura 6- Formatos de diferentes bicos de corte

Os bicos de corte são disponíveis em uma ampla variedade de tipos e tamanhos. Aescolha do bico deve levar em consideração os seguintes tópicos:- Material a ser cortado- Espessura- Gás combustível utilizado- Tipo de sedeCada fabricante possui características e especificações técnicas próprias para seus bicos o que influencia o resultado do corte nos aspectos de qualidade, velocidade de corte, consumo de gases e em conseqüência o custo total da operação de corte.É importante destacar que o bico talvez seja o componente de menor custo em umsistema automatizado de corte, porém quando em mas condições é o que tem maiorpotencial para aumentar bruscamente o custo final da operação. O incorreto hábito de limpeza com a introdução de agulhas por exemplo, acaba por aumentar o diâmetrointerno do canal de O2 de corte, fazendo que para a mesma espessura, maior pressão do O2 de corte seja necessária aumentando desnecessariamente o custo da operação. A limpeza recomendada é a com a utilização de produtos químicos que removam as incrustações mantendo a dimensão do canal de O2 de corte intacta.

Verificações antes do corte

Na execução do oxicorte manual as verificações principais encontram-se no estado do maçarico, bicos e mangueiras, uma vez que este tipo de corte não permite grande precisão na velocidade de corte nem na distância bico/peça. Já no corte automatizado, algumas verificações devem ser feitas antes da operação visando assegurar a qualidade e manutenção da qualidade de corte.

A figura a seguir mostra estas verificações:

A chapa: Deve estar nivelada sobre a mesa, esta verificação é feita com o auxílio de um nível.

O maçarico: Deverá estar perpendicular a chapa, excetuando-se cortes especiais inclinados.

O bico: A distância correta do bico/peça tem grande influência na qualidade de corte, as tabelas dos fabricantes mostram quais as distâncias corretas para cada tipo de bico e espessura da chapa.

Máquinas de corte:

As máquinas de corte são equipamentos eletromecânicos cuja principal função é a demovimentar o maçarico de corte com velocidade constante por uma trajetória definida.Existem diversos tipos e modelos destes equipamentos, desde os mais simplesconhecidos como "tartarugas" até os mais complexos controlados por microprocessadores e integrados com sistemas de bases de dados que podem controlar o uso de retalhos de operações anteriores sem a necessidade de uma chapa nova e também integrados a softwares de nesting que possibilitam determinar, através de algoritmos matemáticos, o melhor aproveitamento para o corte de uma chapa.

As principais características técnicas a serem observadas em uma máquina de corte são:- Capacidade de corte- Ângulo de inclinação do maçarico- Velocidade de corte- Quantidade de maçaricos suportada- Área útil de corte (para máquinas estacionárias)- Estabilidade do conjunto- Quantidade de mesas para processamento de chapas

Máquina de corte portátil:

Conhecido também como tartaruga, este equipamento é composto por um carro motriz, um dispositivo para colocação de um ou mais maçaricos, um contrapeso, uma haste, um trilho e um controle simples da velocidade através de potenciômetro. O maçarico de corte é acoplado no carro motriz através de hastes e o operador acerta o carro nos trilhos definindo a trajetória de corte.Uma vez iniciado o corte o operador faz eventuais correções na distância bico/peça e/ou trajetória para tornar o corte uniforme. As maquinas portáteis são normalmente utilizadas para cortes retilíneos e circulares, onde seu principal campo de aplicação são os canteiros de obras e montagens industriais.

Máquina de corte pantográfica:

Neste equipamento, os maçaricos são acoplados a um dispositivo copiador, normalmente preso a uma mesa. Este dispositivo pode ser fotoelétrico ou mecânico. São equipamentos estacionários, sua velocidade de corte é controlada eletronicamente. Possui recursos automáticos para abertura do gás de corte e compensação de altura do bico que ficam localizados em um painel de comando central.São equipamentos muito utilizados em indústrias de médio porte, na produção de peças pequenas e médias, seriadas ou não.

Máquina de corte CNC:

São os equipamentos de corte com maiores recursos. Tal como nas máquinaspantográficas, podem ser acoplados diversos maçaricos, porém, neste tipo os controles de velocidade e trajetória de deslocamento são feitos através de microprocessadores, possibilitando a utilização deste sistema integrado a sistemas computadorizados controlados por CAD.São equipamentos utilizados em indústrias de médio e grande porte, na produção de

peças médias e grandes. Seu principal campo de aplicação são as caldeirarias pesadas.

Vantagens:

Disponibilidade: Diversos podem ser os gases combustíveis e o O2 por sua vez éencontrado em toda a atmosfera. Além disto o processo não necessita eletricidade.

Pequeno investimento inicial: Os materiais necessários como maçaricos, reguladores e mangueiras são relativamente baratos se comparados a outros processos de corte tais como plasma ou LASER.

Facilidade operacional: O processo é de fácil aprendizagem e não possui muitasvariáveis, sendo assim de fácil operação.

Desvantagens:

Restrições: Em função das condições necessárias para corte anteriormente descritas, a diversos metais usados industrialmente tais como aço inoxidável, níquel, alumínio, cobre e suas ligas, não podem ser cortados por este processo.

Portabilidade: Os materiais periféricos como cilindros de gás, são pesados e de difícil manuseio, o que dificulta o acesso a lugares altos ou postos de trabalho que se encontrem afastados dos cilindros. Uma solução encontrada para sanar esta limitação é o transporte de todo o conjunto, fato este expõe a riscos adicionais como queda dos cilindros ou danificação das mangueiras condutoras de gases.

Segurança: A constante manipulação de cilindros de O2 que, além de ser um gáscomburente está sob alta pressão, requer a utilização de ferramental e procedimentos adequados para se evitar vazamentos e explosões. As mangueiras e válvulas (reguladoras e anti-retrocesso) devem ser constantemente inspecionadas em sua funcionalidade e estanqueidade.

LASER

O nome LASER é a abreviatura da descrição do processo em inglês: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Em uma tradução livre para o português podemos dizer que seria: Amplificação da luz através da emissão estimulada de radiação. Os primeiros trabalhos de pesquisa que conduziram à invenção do feixe de laser foram realizados por Albert Einstein e datam de 1917, versam sobre os fenômenos físicos de emissão espontânea e estimulada subjacentes ao funcionamento do laser. Townes confirmou experimentalmente em 1954 o fenômeno através da aplicação da emissão estimulada à amplificação de ondas ultracurtas. O primeiro LASER, um sólido de rubi, excitado por uma lâmpada fluorescente de vapor de mercúrio e filamento helicoidal, foi construído em 1960 por Maimann. Poucos meses depois os Laboratórios da AT&T Bell desenvolveram um laser gasoso de He-Ne, e somente alguns anos depois surgiria um LASER de CO2. O feixe LASER se propaga no ar com pouca divergência, orientando-se por óticas sem perder ou alterar suas características físicas, fato este que impulssionou seu desenvolvimento. Existem hoje vários tipos, indo do sólido ao gasoso, com comprimentos de onda na faixa do Infravermelho (IF) até o Ultravioleta (UV). Em uma rápida definição, podemos dizer que o LASER é um dispositivo que produz um feixe de radiação. Ao contrário do que se pensa, o que torna este processo altamente interessante não é a quantidade de radiação emitida, e sim a qualidade desta. Devido a qualidade da radiação LASER, sua utilização em soldagem possibilitará a obtenção de determinadas características impossíveis de se obter com outros processos.

Figura 7 – Corte a Laser

Entre estas características podemos citar: elevadíssimas velocidades de soldagem ·ausências de contato entre a fonte de calor e a peça a soldar. baixa entrega térmica, distorção e ZTA.

Equipamentos:

Para que se possa utilizar a radiação de forma otimizada, necessita-se uma definição do comprimento de onda e uma direção de propagação do feixe. Basicamente, este é todo o esquema de funcionamento de um laser, ou seja, um dispositivo onde tenha-se condições de produzir emissão estimulada e formas de direcionar e calibrar o feixe de fótons produzidos. O equipamento laser é composto basicamente de três sistemas, que são apresentados a seguir.

Fonte de Alimentação:

Esta parte do equipamento é a que fornece a energia primária para a excitação dos átomos e principalmente é responsável pelo processo de produção da inversão de população, devido a um sistema de popular preferencialmente um nível específico de energia. Assim, a fonte de alimentação é na verdade uma fonte excitadora. Um dado importante a ressaltar a respeito da alimentação é que: ao contrário do que se pensa e, principalmente é divulgado, o rendimento de um LASER é extremamente baixo. Seu grande atrativo não é o rendimento, e sim as qualidades intrínsecas da radiação produzidas e a facilidade de controle que esta radiação vai apresentar.

Meio Ativo:

Por meio ativo entende-se o material utilizado (gás, líquido, sólido ou semi-condutor), para fazer a conversão de energia elétrica em radiante, uma vez que, devido a excitação e inversão de população, pode-se provocar emissão estimulada nestes materiais.

Construção do laser de corpo sólido (laser a rubi, laser yag):

O cristal de rubi usado consiste de uma estrutura básica de Al2 O3 na qual estão dispostas em locais de AL aproximadamente 0,05% de íons de Cr3 (ativos). Se o cristal de rubi receber, de fora, energia em forma de radiação eletromagnética (luz visível), irão ocupar um nível mais alto de energia; interrompido o estimulo, os elétrons ocuparão um nível de energia metaestável.

A geração do feixe laser propriamente dito ocorre então deste nível de energia para o nível básico, liberando luz coerente. A descrição de um laser de corpo sólido, simplificadamente seria um cristal envolvido por uma lâmpada de flash, sendo as extremidades do cavidade são plano-paralelas e metalizadas, com uma superfície refletora e a outra parcialmente transparente.Forma-se então o ressonador ótico, mostrado na figura abaixo. Os íons de Cr atingem um valor limiar e um raio de luz (impulso) passa pela superfície final semitransparente. Desta forma obtém-se um raio de luz em feixe estreito, paralelo, e coerente. O raio de luz surgido desta forma é concentrado numa superfície muito pequena por apenas uma lente e serve como fonte de energia. O laser a rubi tem um grau de rendimento de aproximadamente 0,1%. O laser YAG de ítrio-alumínio-granada é mais apropriado para solda. Seu grau de rendimento está entre 0,2% a 3%.

Construção de laser gasoso (laser de co2):

O laser a CO2, chamados de Lasers de alta potência, largamente empregados para solda e corte. O ressonador ótico, neste caso, consiste de um tubo de descarga de gás pelo qual passa o gás de laser, aqui uma mistura de CO2, N2, He. Neste é aplicada uma tensão contínua da ordem de dezenas de KV. O meio laser tem uma pressão de operação de aproximadamente 100 mbar. O calor de perda que surge na descarga elétrica deve ser eliminado pois o laser só trabalha de modo eficiente com uma temperatura abaixo de 200o C.Por meio de descarga luminosa elétrica o CO2 é estimulado. Neste arranjo o raio laser tem uma potência de até 700 W/m de comprimento de ressonador. De forma a se obter altas potências em uma construção compacta o tubo ressonador é "dobrado" em várias partes

Consumíveis:

Na maioria das aplicações laser, a soldagem é autógena, ou seja não há adição de metal á poça de fusão, certas aplicações especiais há adição de metais, cuja a classificação de materiais corresponde basicamente ao processo de soldagem TIG, ou mesmo associado á outros processos por fusão como o processo TIG, Plasma ou MIG, tendo como principal função o recobrimento, uma cobertura final, pois em grandes espessuras há um afundamento da poça de fusão e consequentemente é necessário uma pequena adição de metal.

Figura 8 – Corte a Laser

Parâmetros do processo de soldagem:

As principais variáveis primárias independem do tipo de LASER e são as seguintes:

• Potência do Raio LASER • Diâmetro do Raio incidente • Absorção • Velocidade de Soldagem • Outros Parâmetros, como: Proteção gasosa, distância focal, pulso, geometria

e abertura da junta

As variáveis secundárias são consideradas:

• Profundidade da Penetração • Propriedade físicas e metalúrgicas.

Potência do raio LASER:

A penetração é diretamente relacionada com a densidade de potência, a qual esta relacionada com a potência e o diâmetro do raio.

Para se medir a energia de saída da cavidade ressonante, usa-se calorímetros de corpos negros.

Absorção:

A absorção é a que determina a eficiência do feixe de luz incidente na peça, qualquer cálculo da energia transferida para a soldagem laser é baseada na energia absorvida pela peça, para superfícies polidas determinou que absorção é proporcional a raiz quadrada da resistividade elétrica. Outros fatores também influenciam, como a temperatura, qualidade da superfície, o gás de proteção, o que dificulta muito a determinação experimental, para ter-se uma idéia, a absorção para aços fica em 90% no estado fundido.

Gás de Proteção:

O gás de proteção serve para remover o plasma formado na fusão (ou vaporização) do material. Caso não seja feita esta remoção, o plasma absorve e desvia o raio laser, sendo necessário remover o plasma formado. O tipo de gás utilizado e seus diferentes potenciais de ionização proporcionarão diferenças na interação feixe-materia, alterando a transferência da energia.Nos casos de soldagem de materiais reativos como Ti, ou para soldagem onde partes da poça de fusão fiquem expostas sem proteção como soldagem de raiz, utiliza-se os mesmos mecanismos conhecidos nos processos MIG/MAG e TIG para proteções adicionais. No processo LASER, para diferenciar do outro gás utilizado, este recebe o nome de gás de assistência. a composição e a vazão do gás influenciam na penetração. A Posição Focal, é considerada como o máximo ponto de convergência do feixe, considera-se como um ponto ótimo 1 mm abaixo do nível da superfície da peça, mas pode variar dependendo da espessura a ser soldada. O Pulso, muito empregado na soldagem, é usado principalmente para aumentar a penetração, os parâmetros de pulso são a duração, geralmente em mas, e a frequência de pulso em Hz.

Composição dos gases laser:

Os lasers a gás necessitam, como o nome indica, de gases para poderem produzir o feixe laser. A composição da mistura de gases necessária para um laser de CO2 pode variar, dependendo do tipo de laser e do fabricante, de 60-85% de hélio, 13-55% de azoto e 1-9% de dióxido de carbono. Alguns tipos de laser precisam também de pequenas adições de outros gases, tais como oxigênio, hidrogênio ou xenônio.A mistura de gás laser TEA (forma especial do laser de CO2) contem, além disso,

uma pequena parte de CO, que é um gás tóxico e agressivo, pelo que são necessárias precauções de segurança adicionais no sistema de fornecimento do gás. O gás necessário para um laser de Exímios consiste em 0,05 - 0,3% de um gás de Halogênio (fluoreto de hidrogênio ou cloreto de hidrogênio), 1% de gases nobres (kriptonio, xenônio ou argônio) e 90 - 99 % de gases de suporte (hélio ou néon). Por motivos de segurança, os halogênios devem sempre ser diluídos com hélio ou néon.

Fornecimento de gases laser

A maioria dos gases para os lasers de CO2 são fornecidos em garrafas separadas e misturados na própria máquina laser. Em alguns lasers de CO2 e na maioria dos laser TEA, são fornecidas misturas de gases pré-fabricadas. No caso dos lasers de Exímeros industriais, os gases laser são fornecidos normalmente em garrafas separadas, procedendo-se à sua mistura na máquina laser.

Pureza dos Gases Laser

Atualmente, os produtores de laser exigem gases de grande pureza. As impurezas no gás laser diminuem o rendimento do laser e a qualidade do feixe, reduzindo a potência de saída e perturbando a constância das descargas elétricas. Além disso, limitam também a continuidade da produção devido à necessidade de uma manutenção mais freqüente das lentes. Verificou-se que as impurezas mais prejudiciais são o vapor de água e os hidrocarbonetos.Em geral, as contaminações do gás laser não provêm das garrafas de gás, mas podem ser causadas por um sistema de fornecimento de gás inadequado ou mal regulado. Por isso, a escolha de componentes próprios do sistema de fornecimento de gás, bem como a sua correta instalação, são fatores decisivos para o bom funcionamento de uma unidade de laser.

Velocidade de soldagem

Para uma dada potência, um decréscimo na velocidade de soldagem , origina um aumento da penetração. Elevadas velocidades podem originar insuficientes penetrações, enquanto baixas velocidades conduzem a fusões excessivas do metal, provocando vaporização e perda de material com a conseqüente formação de defeitos, na figura abaixo

mostra-se a influência da velocidade para diferentes potências de laser.

Figura 9 - Velocidade de Soldagem X Penetração para diferentes potências Laser

Aplicações:

A alta concentração do feixe proporciona uma radiação de excelente qualidade, que terá diversas aplicações entre as quais, apenas na área metal-mecânica podemos citar: corte e furação de materiais 60% (peças de geometrias complexas), soldagem 25% (ex. Baterias de Lítio), marcação 10% (instrumentos de medição), tratamento térmico de componentes (válvulas de motores de combustão) e demais utilizações 5%. A soldagem a laser possui um aporte de energia muito concentrado, produzindo uma solda estreita e profunda. A penetração é facilmente controlada pelo ajuste dos principais parâmetros, como: potência e taxa de pulso. Fazendo isto é possível executar uma solda interna ou externa aos painéis do automóvel, sem distorções ou descoloração da parte externa do painel do mesmo. Em algumas aplicações o uso do robô para laser de CO2 tem propiciado uma movimentação e posicionamento sobre a peça de trabalho muito precisa. Esta vantagem da soldagem com laser é que tem propiciado a popularização de sua utilização na indústria automobilística. interesse em soldagem laser de chapas metálicas tem aumentado consideravelmente, devido possuir um alto potencial de redução de custos.

Algumas vantagens resultam da alta flexibilidade do processo, outras resultam da natureza do processo de não possuir contato com a peça, enquanto que outras advém do resultado de soldas de qualidade com altas velocidades.

Características:

Antes de se entrar em contato com a utilização do LASER para soldagem, é importante compreender o principio físico deste processo. Para isto, são necessários rever alguns conceitos de Físico-Química. A matéria é uma associação de átomos, e como estes estão unidos em função de sua energia, a matéria é uma das formas de energia. Do mesmo modo, a radiação eletromagnética é outra forma de energia, sendo que, seu comprimento de onda (0.4 a 0.8 ?m), ativa-nos o sentido da visão, causando-nos a sensação que chamamos de luz. Para nós, esta sensação varia do vermelho ao violeta, de acordo com o comprimento de onda. Assim, visualmente identificamos pela cor o comprimento de uma onda. Entre a matéria e a radiação eletromagnética pode ocorrer interação mútua, de forma que uma onda eletromagnética pode perturbar o campo, ou seja, a distribuição de cargas de um átomo. Esta interação porém, é função da probabilidade de ter-se o átomo, ou melhor seus elétrons, em um estado energético superior ao seu estado mínimo, que é o que chamamos átomo excitado. Quando ocorre a interação energética, ocorre absorção de energia por parte do elétron do átomo, que com o aumento energético, passará de seu estado básico fundamental para um estado de maior energia. Como o mecanismo é reversível, o elétron quando regressar a seu estado básico fundamental, restituirá esta energia na forma de emissão de fóton.

Vantagens:

• Aporte de Energia concentrado, minimiza os efeitos metalúrgicos sofridos pela ZTA, e muito menos distorções.

• Soldagens em um único passe. • Não requer metal de adição, sendo livre de eventuais contaminações por

este. • Como é um processo que não há contato com a peça, favorece a soldagem

em locais de difícil acesso. • Permite soldar peças muito finas, e em pequenas distâncias, entre cortes. • O laser pode ser automatizado.

Limitações:

• Baixa eficiência aproximadamente menos que 10%. • Oferece dificuldade para mudar o ponto focal. • O equipamento é de baixa potência. • Limitação de espessura pela potência do equipamento. • Problemas com refletividade em alguns materiais. • As juntas têm estreitas tolerâncias de ajuste

Alguns motivos que levam o Laser a ser o melhor sistema de corte de chapas e:

Cantos com qualidade Não causa distorção nas peças Mínima camada de influência térmica Redução nos custos da peça Menos sucata Ciclo rápido de produção de amostras Processa uma grande variedade de espessuras Boa precisão dimensional Flexibilidade e versatilidade Altas velocidades do processo Trabalhos sem danos na superfície das peças O melhor sistema CAD/CAM para o desenvolvimento das peças Possibilidade de armazenamento eletrônico do desenho das peças cortadas

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDAUNIFOA

ENGENHARIA MECÂNICA

PROCESSOS METALÚRGICOSCORTE A LASER, PLASMA E OXICORTE

Mariana Aparecida Soares Cabral 200710402Paulo César

Volta Redonda2009