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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE TECNOLOGIA EM CONSTRUÇÃO NAVAL
Tecnologias de Corte
Compilação apresentada na matéria Tecnologia de Soldagem
MARCELO CADORI
Itajaí Agosto/2010
Sumário Introdução ............................................................................................................................................... 4
CORTE MECÂNICO ................................................................................................................................... 5
Materiais de ferramenta de corte mecânico ...................................................................................... 5
Aço-ferramenta ............................................................................................................................... 6
Aço-rápido ....................................................................................................................................... 6
Liga fundida ..................................................................................................................................... 7
Metal Duro – WIDIA ........................................................................................................................ 8
Cerâmicas ........................................................................................................................................ 9
Nitreto de boro cúbico .................................................................................................................. 10
Diamante ....................................................................................................................................... 11
Cisalhamento ..................................................................................................................................... 12
Guilhotinas .................................................................................................................................... 13
Tesouras ........................................................................................................................................ 13
Corte por abrasão .......................................................................................................................... 14
Jato de Água ...................................................................................................................................... 16
Equipamentos ............................................................................................................................... 16
Distância do bico a peça ................................................................................................................ 18
Velocidade de deslocamento ........................................................................................................ 18
Tipo e tamanho do abrasivo .......................................................................................................... 19
Vantagens e desvantagens ............................................................................................................ 19
CORTE TÉRMICO .................................................................................................................................... 20
Oxi-Combustível ................................................................................................................................ 20
Princípio de operação.................................................................................................................... 20
Gases utilizados no processo ........................................................................................................ 21
Equipamentos ............................................................................................................................... 23
Maçarico de corte ......................................................................................................................... 25
Tipos de maçaricos ........................................................................................................................ 25
Bicos de corte ................................................................................................................................ 28
Máquinas de corte ........................................................................................................................ 29
Variáveis envolvidas no processo .................................................................................................. 31
Verificações antes do corte ........................................................................................................... 32
Dilatações e contrações ................................................................................................................ 32
Defeitos de corte ........................................................................................................................... 33
Comparação com outros processos .............................................................................................. 34
Goivagem .......................................................................................................................................... 35
Corte por Eletrodo de Grafite ....................................................................................................... 35
Tipos de eletrodos ......................................................................................................................... 36
Técnica de trabalho ....................................................................................................................... 37
Fontes de energia .......................................................................................................................... 37
Ar comprimido .............................................................................................................................. 38
Corte por Plasma ............................................................................................................................... 39
Desenvolvimento dos processos a arco plasma ............................................................................ 40
Arco transferido e não transferido ................................................................................................ 41
Alterando as características do arco plasma ................................................................................. 41
Corte plasma convencional (1957) ................................................................................................ 42
Arco plasma "dual flow" (1962) .................................................................................................... 43
Corte plasma com ar comprimido (1963) ..................................................................................... 44
Corte plasma com proteção de água (1965) ................................................................................. 45
Arco plasma com injeção de água (1968) ..................................................................................... 46
Mufla de água e tábua de água (1972) ......................................................................................... 49
Corte subaquático (1977) .............................................................................................................. 50
Corte subaquático com mufla ....................................................................................................... 50
Corte plasma a ar comprimido de baixa corrente (1980) ............................................................. 51
Corte plasma com oxigênio (1983) ............................................................................................... 51
Corte plasma de alta densidade (1990) ........................................................................................ 52
Laser .................................................................................................................................................. 53
Descrição do processo ................................................................................................................... 53
Mecanismos de corte .................................................................................................................... 54
Aplicações ...................................................................................................................................... 56
Equipamentos ............................................................................................................................... 56
Variáveis do processo .................................................................................................................... 57
Técnicas operatórias ..................................................................................................................... 58
Comparação com outros processos .............................................................................................. 58
Bibliografia ............................................................................................................................................ 60
Introdução
De uma maneira geral, quando se deseja seccionar um material aplica-se
energia a este, podendo ser energia térmica (Arc air, plasma, Laser etc.), química
(corrosão por ácidos) ou mecânica (usinagem, cisalhamento etc.).
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:
1. Mecânicos: Corte por cisalhamento através de guilhotinas, tesouras ou similares e
abrasão ou remoção de cavacos através de serras ou usinagem.
2. 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.
3. 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.
4. Por reação química: Corte combinado envolvendo os seguintes mecanismos:
a. Aquecimento através de chama
b. Reações exotérmicas, seguido de oxidação do metal e posterior
expulsão através de jato de O2. Ex. corte oxi-combustível, o oxicorte.
CORTE MECÂNICO
Materiais de ferramenta de corte mecânico O desenvolvimento das ferramentas de corte mecânico acompanha o próprio
desenvolvimento do homem ao longo da sua existência. No último século o avanço
tecnológico foi muito mais acentuado surgindo os seguintes materiais de corte:
- Aço ferramenta (1868)
- Aço rápido (1900)
- Stellite (1910)
- Metal duro (1926)
- Cerâmicas (1938)
- Nitreto de boro cúbico (década de 50)
- Diamante mono e policristalino (década de 70)
Os requisitos desejados em uma ferramenta de corte são:
- Resistência à compressão
- Dureza
- Resistência à flexão e tenacidade
- Resistência do gume
- Resistência interna de ligação
- Resistência a quente
- Resistência à oxidação
- Pequena tendência à fusão e caldeamento
- Resistência à abrasão
- Condutibilidade térmica, calor específico e expansão térmica
No entanto, nenhum material de ferramenta possui todas estas características
existindo uma relação entre estas características conforme mostra a figura 1.
Figura 1 – Relação entre as diversas características do material de corte
Aço-ferramenta
São aços carbono com teores de 0,8 a 1,5 % de C, com mínimos teores de
elementos de liga ou mesmo sem. Foi o principal material utilizado até 1900, de
baixo custo, facilidade de afiação e obtenção de gumes vivos, seu tratamento
térmico é relativamente simples, possuindo elevada dureza e resistência ao
desgaste, resistindo a temperaturas de até aproximadamente 250°C. Aplicação - Materiais de baixa velocidade de corte
- Usinagem de aços doces com velocidade < 25m/min
- Brocas para uso doméstico – hobby
- Ferramentas para carpintaria
Aço-rápido
São aços carbono onde os principais elementos constituintes são W, Mo, Co e V
(normalmente 18% W, 4% Cr e 1% V), elementos que conferem alta tenacidade às
ferramentas. Possuem dureza de 60 a 67 HRC1
, resistindo à temperaturas de até
aproximadamente 520 a 600°C. Passam por tratamento térmico complexo e com a
adição de Co obtém-se o aço super rápido. Possuem preço elevado.
Aplicação - Ferramentas para todas as operações de usinagem
- Ferramentas para desbaste e acabamento
- Machos e cossinetes de roscas
- Brocas helicoidais
- Alargadores
- Fresas de todos os tipos
- Ferramentas de plainar
- Escareadores
- Ferramentas para trabalho a frio
- Ferramentas para trabalho em madeira
- Dentre outras.
Liga fundida
Ligas de aço com 3% Fe,17% W, 33% Cr e 44% Co, contendo variações de W, Mn,
Mo, V, Ti e Ta. Resistem a temperatura entre aproximadamente 700 a 800°C.
Sofrem tratamento térmico complexo e possuem preço elevado. Nomes comerciais:
Stellite, Tantung, Rexalloy e Chromalloy.
Aplicação - Raro em ferramentas para usinagem de geometria definida
- Material para abrasivos
- Isoladores térmicos, isoladores elétricos
- Fundição de materiais cerâmicos
- Dentre outros
1 Dureza Rockwell na escala C (riscador cone de diamante)
Metal Duro – WIDIA
Desenvolvido em 1926, é o material de ferramenta mais utilizado na indústria.
Resistem a temperatura de até aproximadamente 1000°C (mesma dureza que o aço
rápido à temperatura ambiente), podendo desenvolver maiores velocidades de
trabalho com relação as ligas fundidas, aços rápidos e aços ferramenta.
Proporcionam também um aumento na vida útil das ferramentas na ordem de 200 a
400%. Uma composição típica do metal duro é: 81% W, 6% C e 13% Co.
Vantagens: - Grande variedade de tipos de metal duro (adição de elementos de liga)
- Propriedades adequadas às solicitações em diferentes condições
- Possibilidade de utilização de insertos intercambiáveis
- Estrutura homogênea (processo de fabricação)
- Dureza elevada
- Resistência à compressão
- Resistência ao desgaste a quente.
Áreas de aplicação: - Ferramentas para quase todas as operações de usinagem (sob a forma de
insertos)
- Ferramentas para desbaste e acabamento
- Brocas helicoidais
- Brocas para furação profunda
- Fresas de topo
- Brochas
- Alargadores
- Dentre outros
Figura 1a – Ferramentas para usinagem
Cerâmicas
As cerâmicas possuem alta resistência à compressão e alta estabilidade química,
mas com limitações na aplicação devido ao comportamento frágil e à dispersão das
propriedades de resistência mecânica. São materiais de importância crescente e que
sofrem melhoria constante na qualidade. Empregada na usinagem de aços e ferros
fundidos, com altas velocidades de corte e altas potências de acionamento. Exigem
máquinas rígidas e proteção ao operador. Vejamos a seguir alguns tipos e
aplicações.
Cerâmicas à base de Al2 O3 - Torneamento de desbaste e acabamento de FoFo cinzento, aços cementados,
aços temperados e extrudados
- Apresentam alta dureza a quente
- Têm pouca resistência à flexão
- Extremamente sensíveis a choques térmicos (usinagem a seco)
- Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência
Cerâmicas mistas - Mais tenaz que cerâmica óxida e com maior resistência de canto e gume
- Mais dura e mais resistente à abrasão que cerâmica óxida
- Mais resiste a variações de temperatura que cerâmica óxida
- Grãos finos melhor tenacide, resistência ao desgaste e resistência de quina
- Maior dureza que as óxidas, maior resistência a choques térmicos
- Torneamento e fresamento leves de FoFo cinzento
- Usinagem de aços cementados e temperados
Cerâmicas de corte reforçadas com whiskers (cristais unitários em forma de agulhas) - Objetivo de melhorar as propriedades de tenacidade (aumento de 60%).
- Boa resistência a choques térmicos - corte com fluidos
Cerâmicas não Oxidas (a base de carbonetos, nitretos, boretos, silicatos, etc) - Maior tenacidade e resistência a choques térmicos quando comparadas às
cerâmicas óxidas;
- Elevada dureza a quente e resistência ao calor
- Usinagem do Ferro Fundido Cinzento
- Torneamento de discos de freio
- Desbaste de ligas à base de níquel (grupos II e III)
- Desgaste na superfície de saída;
- Gume de corte com tendência ao arredondamento
Nitreto de boro cúbico
A fabricação de Nitreto de boro hexagonal se dá através de reação de halogêneos
de boro com amoníaco e a sua transformação em nitreto de boro cúbico ocorre
através de altas pressões (50 a 90 kbar) e temperaturas (1800 a 2200 K). Na forma
dura – cúbica, possui a mesma estrutura do diamante. É o segundo material de
maior dureza conhecido tendo sido obtido sinteticamente em 1957. É quimicamente
mais estável que o diamante (até 2000 graus).
Aplicação - Aços temperados com dureza > 45 HRC2
- Torneamento, fresamento, furação;
:
- Aço-rápido (ferramentas de corte);
- Aços resistentes a altas temperaturas;
- Ligas duras (Ni, Co);
- Emprego em operações severas (corte interrompido), tanto quanto em operações
de desbaste e acabamento.
- Usinagem com ferramentas de geometria não-definida:
- Possibilidade de usinagem de aços e ferros fundidos, que não são usinados com
diamante em função da afinidade química.
Diamante
O diamante é o material de maior dureza encontrado na natureza, no entanto pode
também ser sintetizado, dividindo-se então em monocristalino (anisotrópico) e
policristalino (isotrópico). A primeira síntese de diamante policristalino foi em 1954
(GE) sob 60 a 70 kbar, 1400 a 2000 graus C, usando-se o cobalto como ligante. Em
alguns casos ele substitui o metal-duro e o diamante monocristalino.
Aplicação - A usinagem de ferro e aço não é possível devido a afinidade Fe-C
- Usinagem de metais não ferrosos, plásticos, madeira, pedra, borracha, etc
- Usinagem de precisão e ultra precisão
- Pequenas tolerâncias estreitas (baixa resistência a flexão das ferramentas)
- Emprego de altas velocidades de corte
- Tempos de vida de até 80 vezes maior que os das ferramentas de metal duro
2 Dureza Rockwell na escala C (riscador cone de diamante)
Cisalhamento
No corte por cisalhamento o material a ser cortado é colocado entre duas facas de
corte de aço especial, sendo a faca inferior fixa e a superior dotada de movimento
ascendente e descendente. O esforço cortante produzido cria:
a) Uma zona de deformação;
b) O corte por cisalhamento;
c) Uma região fraturada com ruptura por tração;
d) Uma rebarba.
Figura 2 – Corte por cisalhamento
A profundidade de penetração depende da ductilidade e espessura do
material a ser cortado. Quanto mais dúctil o metal a ser cortado, maior a penetração
da faca. Contudo, metais dúcteis e muito macios (especialmente chapas finas)
tendem a curvar-se na operação de corte por cisalhamento resultando em grande
volume de rebarba. A qualidade do corte por cisalhamento depende
fundamentalmente da qualidade das facas de corte e da regulagem das folgas entre
as facas.
Equipamentos que cortam por cisalhamento:
Guilhotinas
a) Mecânica – Executa corte em chapas de aço sobre um traçado ou com uso de
limitador mecânico (stop) chamado de encosto, incorporado à máquina. O conjunto
de potência de uma guilhotina mecânica é constituído por motor, volante, coroa sem
fim acionada pelo volante e uma embreagem que liga a coroa sem fim ao eixo e
além de um mecanismo acionado pelo pedal. Sua capacidade de corte é para
chapas com espessuras inferiores a 13 mm e comprimento de até 3000 mm.
b) Hidráulica – Apresentam cursos mais longos que as guilhotinas mecânicas.
São acionadas por um conjunto moto-bomba que força o óleo para dentro do cilindro
empurrando o pistão. O movimento do pistão aciona o mecanismo que sustenta a
faca superior. As guilhotinas hidráulicas são projetadas com capacidade de carga
fixa. Não devem ser cortados materiais que superem a capacidade de corte do
equipamento. Sua capacidade de corte é para chapas com espessuras até 25 mm e
comprimentos de até 4000 mm.
c) Pneumática – Usadas exclusivamente para chapas finas de 1,2 mm de
espessura por 1500 mm de comprimento.
Tesouras
a) Manual – Ferramenta manual que executa os mesmos movimentos de uma
tesoura de costura. Largamente empregada em caldeirarias e serralherias,
na execução de corte em chapas finas (inferior a 1,2 mm) e de pequenas
dimensões (até 300 mm). Não deve ser utilizada em corte de barras e tubos.
b) Vibratória manual – Ferramenta elétrica ou pneumática manual que executa
os mesmos movimentos de uma tesoura de costura. É adequada a cortes de
chapas finas (inferior a 1,2 mm) de pequenas dimensões (até 300 mm). É
uma máquina versátil, podendo cortar peças planas em vários formatos,
permitindo a execução de peças especiais. Ela não exige esforço físico do
operador, sendo necessários cuidados e habilidade para não sair do traçado.
c) Vibratória universal – Máquina tipo “pescoço de cisne” para cortes em
chapas finas (inferior a 3,0mm). Corta de maneira semelhante à tesoura de
uso doméstico, com movimentos alternativos automáticos de vai e vem da
faca superior. Executa cortes pequenos ou grandes, circulares ou retilíneos
em qualquer ponto da chapa.
Corte por abrasão
O corte por abrasão é executado pela fricção de uma ferramenta de corte no
material a ser cortado. Neste tipo de corte, são arrancadas partículas do material a
ser cortado (“cavacos”) com conseqüente aumento da temperatura da zona cortada.
Quando a espessura da peça a ser cortada é muito grande, existe a necessidade de
serem utilizados fluidos de refrigeração. Este tipo de corte pode ser executado por
dois tipos de equipamentos: Serras e discos abrasivos.
a) Serras - Os aços inoxidáveis podem ser cortados por todos os tipos de serras,
manuais e mecanizadas. Recomenda-se o uso de lâminas de corte feitas em
aço-rápido para qualquer tipo de equipamento. O corte é efetuado em
movimentos de vai e vem com amplitude e velocidade adequadas, com o retorno
em vazio para evitar um rápido endurecimento da superfície a ser cortada.
Recomenda-se o uso de lubrificante (óleo para serviços pesados solúvel em
água, dentre outros) para qualquer tipo de serra utilizada, exceto para o caso de
serra de fita de fricção de alta velocidade.
Tipos de serras
• Serra manual – Utilizada para corte de peças finas e serviços não
repetitivos. Recomenda-se lâminas de 32 dentes por polegada para
peças com até 1,60mm de espessura e de 24 dentes por polegada
para material com espessura compreendida entre 1,60 e 6,35mm de
espessura. Para espessuras maiores, recomenda-se utilizar lâminas de
dentes grossos para facilitar a remoção dos cavacos e prevenir
entupimento.
• Serra mecânica – Utilizada para cortes de seções relativamente
grossas em trabalhos repetitivos ou não. O emprego de equipamento
motorizado permite cortes mais profundos por amplitude de curso e
requer o emprego de lâminas com dentes mais longos, usualmente de
8 a 12 dentes por polegada. A lâmina deve ser resfriada por mistura de
óleos para serviços pesados solúveis em água.
• Serra de fita – Largamente utilizada para corte de aços inoxidáveis
austeníticos. Executa cortes retos ou com contorno irregular tanto em
chapas quanto em barras e tubos. O emprego de lâminas de aços
rápidos possibilita maior durabilidade e a utilização de velocidades de
corte maiores. O corte em materiais trabalhados a frio, deverá ser
executado em velocidades menores.
b) Discos abrasivos - Para a seleção do disco de corte mais adequado deve-se
considerar o tipo de material a ser cortado, a seção do corte, o acabamento
desejado e os equipamentos de corte disponíveis (corte refrigerado ou a seco).
Tipos de máquinas de corte por abrasão
Cut-off – São máquinas elétricas ou manuais, portáteis ou não. Tem
capacidade para discos com diâmetros entre 250 e 400 mm.
Oscilante – Este tipo de máquina é equipada com mecanismo
complementar. Além de apresentar movimento de penetração no corte,
apresenta também um movimento oscilante em outro sentido dentro de
um plano horizontal. Admitem uso de discos entre 350 e 850 mm de
diâmetros. Tem capacidade de corte de barras de até 300 mm de
espessura.
Horizontal – Estas máquinas, além do movimento de penetração do
disco sobre a peça, apresentam um movimento para frente e para trás
ao longo do corte no plano horizontal. Admitem discos com diâmetros
entre 300 e 350 mm e servem para cortar vidro e materiais não
metálicos. Sua capacidade de corte é de pequenas seções, menores
ou igual a 10 mm.
Rotativas – Nestas máquinas, além de girar o disco de corte, a peça
também é girada. Utiliza discos de dimensões pequenas entre 300 e
350 mm de diâmetro. Sua capacidade de corte de peças sólidas ou
tubos é de até 550 mm de diâmetro.
Jato de Água
O corte por jato d'água enquadra-se no grupo de energia mecânica, onde a
força de impacto exercida por um jato de água de alta pressão na superfície de
contato do material supera a tensão de compressão entre as moléculas,
seccionando o mesmo.
O diâmetro do orifício de saída da água é bastante reduzido, variando de 0,1
mm a 0,6 mm. A velocidade da água é da ordem de 520 a 920 m/s. Estes dois
fatores combinados transformam toda a energia potencial da água em energia
cinética, fazendo com que a pressão exercida no bico de corte seja da ordem de
1500 a 4200 bar, causando um elevado desgaste do mesmo.
Equipamentos
Existem basicamente duas maneiras de se gerar o jato de água, uma bomba
de pistão, ou uma bomba intensificadora ou conjunto dessas. Normalmente para o
corte utilizam-se bombas intensificadoras. As bombas intensificadoras caracterizam-
se por apresentar elevados níveis de pressão com vazões baixas, da ordem de 2 a 4
l/min.
O esquema de um equipamento para corte por jato de água é apresentado na
figura abaixo.
Figura 3 - Esquema básico de um equipamento de corte por jato de água
Como os bicos são submetidos a elevados níveis de pressão e desgaste, o
orifício de saída é construído em safira ou em diamante, por serem materiais de
elevada dureza. O bico para corte com água pura possui um canal alongado de
modo a permitir um jato coerente. A adição de abrasivo exige que o bico apresente
uma câmara de mistura e um sistema de controle de injeção do abrasivo.
Variáveis
O processo de corte por jato de água apresenta duas variantes, quando utiliza
água pura limita-se ao corte de materiais não metálicos, contudo, a adição de finas
partículas abrasivas no fluxo de água estende a utilização do processo para o corte
de materiais de elevada dureza e densidade. Por se tratar de corte por processo
mecânico, não existem limitações quanto aos materias a serem cortados, podendo
ser metálicos (aço, aço inoxidável, etc), não metálicos (vidro, borracha, madeira,
nylon, etc) e minerais (mármores, granito, etc.).
A medida da eficiência do processo está diretamente relacionada com a
profundidade de corte, sendo que as variáveis mais importantes são: Pressão,
Vazão e Diâmetro do Orifício. A vazão afeta a taxa de remoção de material,
enquanto a pressão afeta não somente a taxa de remoção de material, mas também
o mecanismo de cisalhamento no corte, uma vez que há a elevação da energia
cinética das partículas. Este fato sugere que quanto maior a pressão, maior a
profundidade de corte para uma mesma vazão.
Distância do bico a peça
A distância normal de trabalho situa-se entre 3/32" e 1/4", sendo que
distâncias entre 1" e 2" são aplicadas à materiais quebradiços e ou sensíveis a dupla
laminação. O aumento da distância entre bico e peça provoca a diminuição da
eficiência de corte em função de dois fenômenos:
• Jato perde energia por fricção ao atravessar o ar,
• Aumento do diâmetro do jato provoca a diminuição da concentração de energia.
Velocidade de deslocamento
A velocidade de deslocamento é inversamente proporcional a profundidade
de corte, uma vez que a energia do jato é constante. Ao se utilizarem velocidades de
corte muito elevadas, inicia o comprometimento da qualidade de corte,
principalmente para elevadas espessuras, aparecendo ondulações na parte inferior
da borda, no quadro 1, são enumerados alguns materiais e suas velocidades típicas
em função da sua espessura:
QUADRO1 - Velocidades de Corte
Tipo e tamanho do abrasivo
No caso do corte com abrasivos, a eficiência do corte é também influenciada
pela velocidade de escoamento dos abrasivos. Baixas velocidades de escoamento
do abrasivo não aproveitam todo o potencial do jato d'água, já altas velocidades
diminuem a capacidade de aceleração das partículas pelo jato, nos dois casos há
perda de eficiência, sendo que entre estes dois extremos existe uma velocidade de
escoamento ótima, estando esta diretamente relacionada com a geometria da
cabeça de corte.
Vantagens e desvantagens
O processo de corte por jato de água não apresenta limitações quanto ao
material a ser cortado, uma vez que se trata de corte mecânico. Outros aspectos
referem-se à concentração de energia, precisão e diâmetro reduzido do jato, aliado
ao fato de que este não apresenta a queima das superfícies. Sua utilização é
variada, veja no quadro 2 vantagens e desvantagens desse processo.
QUADRO 2 – Vantagens e desvantagens do jato de água.
CORTE TÉRMICO
Oxi-Combustível
O oxicorte é 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.
O oxi-corte é o processo mais barato de implementar, com equipamentos
mais simples, com a maior facilidade de treinamento do operador, sendo o processo
que propicia o menor custo por metro cortado, particularmente na faixa de
espessuras maiores que 30 mm.
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 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.
As condições básicas para a ocorrência do oxicorte são as seguintes:
a temperatura de início de oxidação viva deve ser inferior à
temperatura de fusão do metal
a reação deve ser suficientemente exotérmica para manter a peça na
temperatura de início de oxidação viva
os óxidos formados devem ser líquidos na temperatura de oxicorte
facilitando seu escoamento para possibilitar a continuidade do processo
o material a ser cortado deve ter baixa condutividade térmica
os óxidos formados devem ter alta fluidez.
O ferro em seu estado metálico é instável, tendendo a se reduzir para o
estado de óxido. No processo de corte esta reação é acelerada, havendo um
considerável ganho exotérmico. As reações do ferro puro com o O2 são as
seguintes:
Fe + ½ O2 -> FeO + ∆ (64 kcal)
2Fe + 3/2 O2 -> Fe2O3 + ∆ (109,7 kcal)
3Fe + 2O2 -> Fe3O4 + ∆ (266 kcal)
No processo, a chama oxi-combustível tem a função de aquecimento do
metal. Regula-se a chama no maçarico, inicia-se o aquecimento da região a ser
cortada por uma borda ou faz-se uma perfuração na chapa. Quando o material em
volta deste ponto inicial estiver na temperatura adequada, abre-se a válvula do O2
de corte e inicia-se o deslocamento do maçarico, o que inicia o processo.
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 as funções de oxidação e
expulsão dos óxidos fundidos.
• Gases combustíveis para a chama de pré-aquecimento - São
vários os gases combustíveis que podem ser utilizados para ignição e manutenção
da chama de aquecimento. A natureza do gás combustível influi na temperatura da
chama, no consumo de O2 e conseqüentemente no custo final do processo. No
Brasil é mais usual a utilização dos gases acetileno ou GLP. 1. 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. 2. GLP (C3H8 + C4H10) - O Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) no Brasil
tem como composição quase que totalmente 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 4, 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.
Figura 4 - Curvas estequiométricas de diversos combustíveis.
A seleção do gás combustível deve considerar diversos fatores:
• Espessura.
• Tempo requerido no pré-aquecimento para o inicio da operação.
• Quantidade de inícios de corte na borda ou perfurações no meio
necessárias na operação.
• Custo e forma de fornecimento do gás combustível (cilindros, tanques ou
tubulação).
• 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.
Equipamentos
Em sua configuração mais simples, uma estação de trabalho deve ter no
mínimo os seguintes 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
se utilizar 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 2 entradas de O2.
• Um regulador de pressão para o gás combustível.
• Dispositivos de segurança (válvulas unidirecionais e anti-retrocesso de chama).
A figura 5 mostra esquematicamente a instalação de uma estação de trabalho para
corte manual.
Figura 5 – Configuração mínima para o corte oxi-combustível manual
Maçarico de corte
O maçarico de oxicorte é o equipamento que mistura o gás combustível com
o O2 de aquecimento 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 consiste de uma série de tubos de gás e válvulas de controle de fluxo
dos gases e suporte para a fixação do bico de corte.
Tipos de maçaricos
Os maçaricos de corte podem ter o bico de corte montado à 90º em relação à
sua base para os processos manuais ou serem retos para acoplamento em
máquinas de corte automáticas.
Existem também os maçaricos manuais combinados, que são utilizados em
locais ou setores onde existe uma alternância entre operações de corte e soldagem
tais como oficinas de manutenção. Neste caso acopla-se a um maçarico de
soldagem um dispositivo de corte composto por uma câmara de mistura, sistema de
separação e válvula para controle do O2 de corte. Exemplo de um maçarico
combinado é mostrado na figura 6.
Figura 6 – Maçarico combinado para operações de soldagem e corte
Outra variação, ainda em se tratando de maçaricos manuais, são os
maçaricos para corte com circuitos separados para o O2 e para o combustível sendo
a mistura feita apenas no bico de corte. Este maçarico, conhecido como maçarico de
mistura no bico, é apresentado na figura 7.
Figura 7 – Maçarico com mistura no bico
E por ultimo há os maçaricos para corte automatizados que se destacam por
separarem o O2 em todo o trajeto, tendo inclusive duas entradas separadas para o
O2, o que possibilita a regulagem das pressões do O2 da chama e do O2 de corte
em reguladores separados, conferindo assim a possibilidade de regulagens
específicas e não uma mesma pressão para duas utilizações distintas do O2. Este
maçarico é o apresentado na figura 8.
Figura 8 – Maçarico para corte automatizado com 2 entradas separadas para o O2
Em relação à mistura dos gases em um maçarico ela pode ser feita também
de diferentes formas. Estes podem ser misturados apenas no bico de corte como
mostrado na figura 5, ou no maçarico propriamente dito e neste ainda podem ser por
injeção de O2 ou câmara de mistura que propiciam as denominações de maçaricos
injetores e maçaricos misturadores respectivamente. Os princípios dos maçaricos
injetores e misturadores são apresentados na figura 9.
Figura 9 – Maçaricos injetores e misturadores
Nos maçaricos injetores o gás combustível é succionado através da alta
velocidade do O2 por meio de um venturi, enquanto que nos misturadores os gases
comburente e combustível chegam à câmara de mistura com pressões iguais
através da regulagem das válvulas. No sistema de mistura no bico, os gases são
administrados separadamente até o bico onde é feita a mistura.
O maçarico de corte mecanizado algumas vezes citado como "caneta de
corte" é um maçarico com os mesmos princípios de funcionamento já descritos para
os maçaricos manuais. Seu corpo alongado estende-se das válvulas de regulagem
dos gases até o bico de corte. Neste maçarico, a válvula do O2 de corte pode ser
acionada manual ou automaticamente de um comando central. Sua utilização é
recomendada para trabalhos onde se exija uniformidade do corte, como nos casos
de produção seriada.
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 dos
gases são denominadas "sedes". Os bicos de corte comuns são chamados de duas
sedes 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, alterando 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 10 apresenta alguns os diferentes
formatos dos canais do O2 de corte.
Figura 10 – Formatos de diferentes bicos de corte
Os bicos de corte são disponíveis em uma ampla variedade de tipos e
tamanhos. A escolha do bico deve levar em consideração os seguintes tópicos:
• Material a ser cortado
• Espessura
• Gás combustível utilizado
• Tipo de sede
Cada 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 um sistema automatizado de corte, porém quando em mas condições é o que
tem maior potencial para aumentar bruscamente o custo final da operação. O
incorreto hábito de limpeza com a introdução de agulhas por exemplo, acaba por
aumentar o diâmetro interno 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.
Máquinas de corte
As máquinas de corte são equipamentos eletromecânicos cuja principal
função é a de movimentar o maçarico de corte com velocidade constante por uma
trajetória definida.
Existem diversos tipos e modelos destes equipamentos, desde os mais
simples conhecidos como "tartarugas" até os mais complexos controlados por micro
processadores 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,
sendo este 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
máquinas pantográficas, 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.
Variáveis envolvidas no processo
Vários são os aspectos que influem no corte oxi-combustível, segue-se uma
descrição dos principais fatores e sua influência:
c) 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.
d) Espessura a ser cortada: De acordo com a espessura a ser cortada,
determina-se: 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.
e) 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.
f) Pressão e vazão dos gases: Estas variáveis estão relacionadas diretamente
com a espessura a ser cortado, o tipo de bico e a natureza do gás combustível.
Em linhas gerais, quanto maior a espessura, maior pressão e vazão
necessárias.
g) 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.
h) Grau de pureza do O2: A pureza do reagente O2 é de fundamental importância
para o funcionamento do processo. 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.
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 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.
Figura 11 Verificações antes do corte
Dilatações e contrações
Qualquer material submetido a variações térmicas está sujeito a sofrer
dilatações. Nos processos de corte e soldagem as dilatações são pontuais e causam
deformações, uma vez que as regiões adjacentes ao corte estão frias servindo como
um vínculo mecânico. Durante o corte não há uma deformação homogênea da peça,
e quando esta se resfria as partes que sofreram dilatação se contraem, provocando
o aumento da tensão residual e deformação da peça.
Este efeito deve ser considerado na hora da elaboração do procedimento de
corte, que deve levar em conta tanto a seqüência como as regiões da chapa de
onde serão retiradas as peças.
Defeitos de corte
Em um corte de boa qualidade a superfície é lisa e regular, e as linhas de
desvio são quase verticais. A escória, aderida na parte inferior do corte pode
facilmente ser removida. Alguns defeitos mais comuns em oxicorte e suas prováveis
causas são apresentados na tabelas a seguir.
Comparação com outros processos
Em relação a outros processos de corte, o oxicorte apresenta as seguintes
vantagens e desvantagens:
Vantagens a) Disponibilidade: Diversos podem ser os gases combustíveis e o O2 por
sua vez é encontrado em toda a atmosfera. Além disto o processo não necessita
eletricidade.
b) 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.
c) Facilidade operacional: O processo é de fácil aprendizagem e não possui
muitas variáveis, sendo assim de fácil operação.
Desvantagens
a) 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.
b) 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.
c) Segurança: A constante manipulação de cilindros de O2 que, além de ser
um gás comburente 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.
Goivagem
Corte por Eletrodo de Grafite
Este processo também é chamado de goivagem a carvão, os eletrodos são
considerados não consumíveis, mas desgastam-se com o uso.
O processo utiliza uma tocha especial que assemelha-se ao alicate do
processo eletrodo revestido, adaptado com um orifício que direciona um jato de ar
comprimido para a expulsão do metal líquido proveniente da poça de fusão formada
pelo arco elétrico entre o eletrodo e a peça, conforme mostrado na Figura12.
Atualmente é empregado para remoção de raízes de solda imperfeitas, remoção de
dispositivos auxiliares de montagem, remoção de soldas com defeitos, etc.
Figura 12 - Corte com Eletrodo de Grafite
Tipos de eletrodos
Diversos tipos de eletrodos são usualmente empregados no processo de
goivagem a arco, os mais comumente usados são os revestidos de cobre com
núcleo de grafite, estes se prestam para serviço em corrente continua, são
disponíveis nas bitolas de 4,0 mm até 25,4 mm. Eletrodos de grafite de menor custo
também são fabricados sem revestimento somente para corrente continua, mas são
pouco utilizados restringindo-se a bitolas de até 9,5 mm. Os eletrodos revestidos de
cobre são geralmente preferidos em relação aos eletrodos nus, devido ao desgaste
menor durante a operação, podendo também ser fabricados para operarem em
corrente alternada, nesses há a necessidade de se adicionar elementos
estabilizadores de arco, estando disponíveis nos diâmetros de 4,0 até 13,0 mm.
Quadro 3 – Tipo de eletrodo e corrente recomendada
Técnica de trabalho
Para a excussão do corte é necessário fazer-se uma certa inclinação do
eletrodo mostrado na Figura 13.
Figura 13 - Técnica de remoção de metal
No quadro abaixo são fornecidos dados práticos de execução de goivagem:
Fontes de energia
Fontes padronizadas para uso industrial podem ser usadas para goivagem,
máquinas de solda para serviços leves não são adequadas para este fim. As faixas
de tensão de arco normalmente empregadas estão em torno de 35 a 56 V, as
tensões em vazio devem ter no mínimo 60 V, na Tabela 1 estão as faixas de
corrente recomendadas, e na Tabela 2 estão relacionadas as máquinas mais
comuns para uso em goivagem a arco.
TABELA 1 – Faixa de corrente recomendada
OBS.: Para eletrodos de 4,0 mm usar CCEP de 90 a 150 A
TABELA 2 – Fontes de goivagem a arco
Ar comprimido
A pressão de trabalho normalmente empregada para goivagem são da ordem
de 5,6 a 7,0 Kgf/m2, tochas para serviço leve podem trabalhar com garrafas de ar
comprimido com pressões em torno de 2,8 kgf/mm2, pressões acima de 7,0 kgf/mm2
algumas vezes são usadas, mas não oferecem nenhuma vantagem na eficiência de
remoção de metal. Na Tabela 3 é apresentado o consumo de ar comprimido de
acordo com o diâmetro de eletrodo a ser utilizado.
TABELA 3 – Consumo de ar comprimido
Corte por Plasma
Usualmente o plasma é definido como sendo o quarto estado da matéria.
Considerando o elemento mais conhecido, a água, existem três estados: o gelo,
água e vapor. A diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em
que eles se encontram. Se adicionarmos energia sob forma de calor ao gelo, este se
transforma em água, que recebendo ainda mais calor, vaporizará. Porém se
adicionarmos mais energia, algumas de suas propriedades são modificadas
substancialmente tais como a temperatura e características elétricas.
Figura 14 - Plasma, o quarto estado da matéria
Este processo é chamado de ionização, ou seja, a criação de elétrons livres e
íons entre os átomos do gás. Quando isto acontece, o gás torna-se um "plasma",
sendo eletricamente condutor, pelo fato de os elétrons livres transmitirem a corrente
elétrica. Alguns dos princípios aplicados à condução da corrente através de um
condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a secção
de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência
aumenta e torna-se necessário aumentar-se a tensão para se obter o mesmo
número de elétrons atravessando esta secção, e conseqüentemente a temperatura
do metal aumenta. O mesmo fato pode ser observado no gás plasma; quanto mais
reduzida for a seção, tanto maior será a temperatura.
Desenvolvimento dos processos a arco plasma
Em 1950, o processo TIG estava fortemente implantado como um novo
método de soldagem para soldas de alta qualidade em metais nobres. Durante a
pesquisa e desenvolvimento do processo TIG, cientistas do laboratório de solda da
Union Carbide descobriram que ao reduzir consideravelmente o diâmetro do bocal
direcionador de gás da tocha TIG, as propriedades do arco elétrico poderiam ser
bastante alteradas. A redução do diâmetro do bocal constringia o arco elétrico,
aumentando a velocidade do gás e o seu calor por efeito Joule. A temperatura e a
tensão do arco cresceram dramaticamente, e a força do gás ionizado removeu a
poça de fusão em alta velocidade. Ao invés de soldar, o metal foi cortado pelo arco
plasma.
Figura 15 – O corte a plasma
Arco transferido e não transferido
O arco plasma pode ser transferido, quando a corrente elétrica flui entre a
tocha plasma (cátodo) e a peça de trabalho (anodo); ou de modo não transferido
quando a corrente elétrica flui entre o eletrodo e o bocal da tocha. Os dois modos de
operação são mostrados na figura 16.
Embora o calor do arco plasma emirja do bocal nos dois modos de operação,
o modo transferido é invariavelmente usado para corte uma vez que o "heat imput"
utilizável na peça de trabalho é mais eficientemente aplicado quando o arco está em
contato elétrico com a peça de trabalho.
Figura 16 - Plasma transferido e não transferido
Alterando as características do arco plasma
As características do arco plasma podem ser bastante alteradas pela
mudança do tipo e vazão do gás corrente de corte, tensão do arco e diâmetro do
bico de corte. Por exemplo, se é usado uma baixa vazão de gás, o jato plasma torna
elevada a concentração de calor na superfície da peça, sendo ideal para soldagem.
Em contrapartida se a vazão de gás é suficientemente aumentada, a
velocidade do jato plasma é tão grande que ejeta o metal fundido através da peça de
trabalho.
Corte plasma convencional (1957)
Introduzida em 1957 pela UNION CARBIDE, esta técnica podia ser usada
para cortar qualquer metal a velocidades de corte relativamente altas. A faixa de
espessuras abrangida variava de chapas finas (0.5 mm) até chapas grossas (250
mm). A espessura de corte está diretamente relacionada com a capacidade de
condução de corrente da tocha e propriedades do metal.
Uma tocha mecanizada com capacidade para 1000 Ampéres pode cortar 250
mm de aço inoxidável ou Alumínio. Contudo, na maioria das aplicações industriais, a
espessura de corte não ultrapassa 50 mm. Nesta faixa de espessuras, o corte
plasma convencional é usualmente alargado e tem a ponta circular.
Cortes largos são resultado de um desbalanceamento energético na face de
corte. Um ângulo positivo de corte resulta da dissipação do calor na superfície da
peça conforme a progressão do corte.
Figura 17 - Plasma convencional
Este desbalanceamento do calor é reduzido pelo posicionamento da tocha tão
próximo quanto possível à peça de trabalho e aplicação do princípio de constrição
de arco como mostrado na figura 17.
O aumento da constrição do arco tende a tornar o perfil do arco maior e mais
uniforme, causando um corte mais reto. Infelizmente a constrição de arco com um
bico convencional é limitada pela tendência de o aumento da constrição desenvolver
dois arcos em série (figura 18), sendo um entre o eletrodo e o bico e outro entre o
bico e a peça de trabalho
Figura18 - Formação de duplo arco
Este fenômeno é conhecido como "duplo arco" e desgasta o eletrodo e o bico
de corte. O arco duplo limita severamente a extensão do corte plasma com
qualidade. Desde a introdução do processo de corte plasma nos anos 50, várias
pesquisas tem sido realizadas com o objetivo de aumentar a constrição do arco,
sem, porém, a criação do duplo arco.
O corte plasma como descoberto, é atualmente denominado como corte
plasma convencional. Este pode ser largamente aplicado ao corte de vários metais e
diferentes espessuras. Por exemplo, se o corte plasma convencional é usado para
cortar aço inoxidável, aço Carbono e Alumínio, é necessário a utilização de
diferentes gases e vazões, para otimização da qualidade de corte nesses três tipos
de metais. O corte plasma convencional predominou desde 1957 até os anos 70, e
freqüentemente requerendo dispendiosas misturas de Argônio e Hidrogênio.
Arco plasma "dual flow" (1962)
A técnica dual flow foi desenvolvida em 1963. Esta técnica envolve uma
pequena modificação em relação ao plasma convencional. Este processo utiliza-se
das mesmas características como no plasma convencional, no entanto é adicionado
um segundo gás de proteção ao redor do bico de corte. Usualmente, em operação
dual flow o gás plasma é o Nitrogênio e o segundo gás de proteção é selecionado de
acordo com o metal a ser cortado.
Gases típicos para uso são normalmente ar comprimido ou Oxigênio para aço
Carbono, dióxido de Carbono (CO2) para aços inoxidáveis e misturas de
Hidrogênio/Argônio para Alumínio. A velocidade de corte é melhor para aços ao
Carbono quando comparado ao plasma convencional, contudo, a qualidade de corte
é inadequada para algumas aplicações.
A velocidade e qualidade de corte em aços inoxidáveis e Alumínio, é
essencialmente a mesma que no plasma convencional. A maior vantagem neste
processo é que o gás secundário forma uma proteção entre o bico de corte e a peça
de trabalho, protegendo o mesmo de curto-circuitos, como mostrado na figura 19, e
reduzindo a tendência de "duplo arco".
O gás de proteção também protege a zona de corte aumentando a qualidade
e velocidade de corte, além de refrigerar o bico de corte e bocal da tocha.
Figura 19 - Plasma "Dual Flow
Corte plasma com ar comprimido (1963)
O corte plasma por ar comprimido surgiu no início dos anos 60 para o corte
de aço Carbono. O Oxigênio presente no ar proporcionava uma energia adicional em
aços ao Carbono proveniente da reação exotérmica com o ferro incandescente. Esta
energia adicional aumenta a velocidade de corte em 25% sobre o plasma com
Nitrogênio. Embora o processo possa ser usado para o corte de aços inoxidáveis e
Alumínio, a superfície de corte nesses materiais fica mais fortemente oxidada e não
aceitável para algumas aplicações (Figura 20).
Figura 20 - Corte plasma a ar comprimido
O maior problema com o corte por ar comprimido é a rápida erosão do
eletrodo. Eletrodos especiais feitos de Zircônio, Háfnio ou ligas de Háfnio, são
necessários, uma vez que o eletrodo de Tungstênio desgasta-se em poucos
segundos se o gás de corte conter Oxigênio.
Mesmo com a utilização desses eletrodos especiais, a vida útil dos mesmos é
consideravelmente menor que no processo plasma convencional.
Corte plasma com proteção de água (1965)
O corte plasma com proteção de água é semelhante ao processo "dual flow",
onde o gás de proteção secundário é substituído por água (Figura 21).
O efeito de resfriamento provocado pela água aumenta a vida útil do bico de
corte além de melhorar significativamente a aparência do corte, entretanto, o
esquadrejamento e velocidade de corte permanecem constantes uma vez que a
água não provê uma constrição adicional do arco.
Figura 21 - Corte plasma com proteção de água
Arco plasma com injeção de água (1968)
No início, estava estabelecido que uma ferramenta para aumentar a qualidade
de corte era através do aumento da constrição do arco evitando-se o duplo arco.
No processo plasma com injeção de água, a água é injetada radialmente no
arco de maneira uniforme como mostrado na figura 22. A injeção de água no arco
contribui para um maior grau de constrição do arco atuando como se fosse um
segundo bico de corte.
As temperaturas do arco nesta região são estimadas em aproximadamente
em 50.000°K, ou seja, 9 vezes a temperatura da superfície do sol ou ainda duas
vezes a temperatura do arco plasma convencional.
Como resultado final destas altas temperaturas, tem-se um grande aumento
do esquadrejamento do corte, da velocidade de corte e eliminação da escória para
corte de aço Carbono.
Figura 22 - Corte Plasma com injeção de água
Outro método utilizado para constrição do arco plasma com água é o
desenvolvimento de um redemoinho de água em volta do arco. Com esta técnica, a
constrição do arco depende da velocidade angular necessária a produzir um
redemoinho estável de água. A força centrífuga criada pela alta velocidade de giro
tende a achatar o filme aneliforme de água contra o arco, consequentemente obtém-
se uma menor constrição de arco que na injeção radial de água (Figura 23).
Figura 23 – Direção de injeção da água
Ao contrário do processo convencional descrito primeiramente, uma ótima
qualidade de corte com o plasma com injeção de água é obtida para todos os metais
com apenas um tipo de gás - Nitrogênio. A utilização de apenas um gás torna o
processo mais econômico e fácil de operar. Fisicamente o Nitrogênio é ideal por
causa de sua superior habilidade em transferir calor do arco à peça. O calor
absorvido pelo Nitrogênio quando dissociado é transferido quando em contato com a
peça de trabalho. A despeito das elevadas temperaturas no ponto em que a água é
adicionada ao arco, menos de 10% da água é vaporizada. A água restante sai
através do bocal sob forma de um spray cônico, vindo a refrigerar a superfície da
peça. Este resfriamento adicional previne a formação de óxidos na superfície de
corte e resfria o bico da tocha.
A razão da constrição do arco na região de injeção de água é a formação de
uma camada isolada de vapor entre o jato plasma e a água injetada, como mostrado
na Figura 24.
Figura 24 - Camada de vapor de água
A vida útil do bico de corte é largamente aumentada com a técnica de injeção
de água, porque a camada de vapor isola o mesmo da alta intensidade de calor
proveniente do arco ao mesmo tempo em que a água protege e isola o bico do maior
ponto de constrição do arco e de máxima temperatura.
A proteção obtida pela camada de vapor d'água também permite uma
inovação no desenho do bocal: este pode ser de cerâmica, conseqüentemente, o
arco duplo, a maior causa da destruição do bico deixa de existir.
Uma importante característica das extremidades cortadas, é que o lado direito
do corte é reto e o outro lado é levemente chanfrado.
Figura 25 - Direção de corte
Mufla de água e tábua de água (1972)
Desde que os processos por arco plasma possuem uma elevada concentração de
calor, acima de 50.000°K, alguns efeitos negativos inerentes ao processo ocorrem:
• A altas correntes, o corte plasma gera um intenso nível ruído, superior ao
nível normal nas áreas de trabalho, requerendo proteção para os operadores.
• Fumaça e gases tóxicos em potencial desenvolvem-se em áreas de trabalho,
exigindo uma boa ventilação.
• A geração de radiação ultravioleta, pode causar queimaduras na pele e olhos,
requerendo o uso de vestimenta adequada e utilização de óculos escuros.
Em 1972, foi introduzido pela Hyperterm dois sistemas de anti-poluição, sendo a
mufla de água e tábua de água, que controlam os efeitos nocivos do processo
plasma.
1. Mufla d'água - O sistema de mufla d'água cria uma camada protetora ao redor
da tocha, produzindo os seguintes efeitos benéficos quando usados com a tábua
d'água:
• O alto nível de ruído do processo plasma é substancialmente reduzido pela
barreira criada pela água.
• A fumaça e gases tóxicos são confinados na barreira d'água, que acoplado a
um sistema purificador, remove as partículas sólidas.
• A claridade do arco é reduzida a níveis que são menos perigosos aos olhos.
• Com uma coloração adequada, a radiação ultravioleta é diminuída.
2. Tábua de água - Trata-se de um reservatório de água localizado abaixo da peça
a ser cortada, tendo a finalidade de absorver grande parte do ruído e fumaça
gerada nas operações de corte.
Corte subaquático (1977)
Para o corte subaquático, a peça é imersa sob 2 a 3 polegadas de água, e a
tocha plasma corta enquanto imersa. Como conseqüência, o ruído, a fumaça e as
radiações do arco elétrico são drasticamente reduzidas.
Um aspecto negativo neste método é que a peça não pode ser observada durante o
corte e a velocidade de corte é diminuída de 10 a 20%. Além do fato do operador
não determinar pelo som do arco se o processo de corte está se dando normalmente
ou se as partes consumíveis da tocha se desgastaram.
Finalmente, no corte subaquático, pequena quantidade de água é dissociada
na zona de corte, provocando a formação de íons de Oxigênio e Hidrogênio. O
Oxigênio tem a tendência de se combinar com o metal fundido (principalmente em
Alumínio e ligas leves) formando óxidos, deixando Hidrogênio livre dentro d'água.
Este Hidrogênio forma bolsas sob a peça, que quando em contato com o jato plasma
causa pequenas explosões. Em função deste fato, a água deve ser constantemente
agitada quando do corte destes metais.
Corte subaquático com mufla
Baseado na popularidade do corte subaquático, foi desenvolvido em 1986
este tipo de corte, no qual é injetado ar ao redor da tocha, estabelecendo uma bolha
de ar onde o corte se processa. Este torna-se um corte subaquático com injeção de
ar, sendo mais frequentemente usado com Oxigênio para cortes acima de 260
Ampéres. O uso desta técnica aumenta a qualidade e velocidade de corte.
Corte plasma a ar comprimido de baixa corrente (1980)
Em 1980, os fabricantes de equipamentos introduziram no mercado,
equipamentos usando ar como gás de plasma, particularmente para sistemas de
baixa corrente. A partir desta data, o corte plasma foi aceito como um novo método
para corte de metais, sendo considerado uma valiosa ferramenta em todos os
segmentos da indústria metalúrgica moderna.
Um grande número de inovações tecnológicas foram introduzidas, tornando o
processo fácil de usar, muito mais confiável e operacional. A utilização da tecnologia
dos inversores melhorou as características do arco ao mesmo tempo em que
diminuiu as dimensões e peso dos sistemas.
Outras evoluções foram introduzidas como no caso do arco piloto por contato
("blow back" - retração do eletrodo), eliminando a alta freqüência na tocha e também
o anel injetor de ar que protege as partes frontais da tocha durante as operações de
corte.
Corte plasma com oxigênio (1983)
O corte plasma com injeção de Oxigênio contornou o problema da vida útil do
eletrodo pelo uso de Nitrogênio como gás de plasma com a injeção de Oxigênio
abaixo da saída do bocal, como mostrado na figura 26.
Figura 26 - Plasma com injeção de Oxigênio
Este processo é usado exclusivamente para aço Carbono e tem como
conseqüência um pequeno aumento na velocidade de corte, contudo, algumas
desvantagens são notadas, como uma deficiência no esquadrejamento do corte,
excesso de material removido, pequena vida útil do bocal e limitações quanto ao
metal a ser cortado (aço Carbono). Em alguns locais onde este processo foi usado,
o pequeno aumento na velocidade de corte associado às desvantagens citadas não
justifica um investimento extra em um novo tipo de tocha.
Corte plasma de alta densidade (1990)
O corte LASER tem se tornado um importante e competitivo método na
indústria metalúrgica em função de sua habilidade de produzir cortes precisos e de
excelente qualidade. Com o objetivo de alcançar uma fatia deste mercado, os
fabricantes de equipamentos plasma têm investido em projetos para aumentar a
qualidade de corte de seus equipamentos. Em 1990, foi visto a primeira instalação
de plasma de alta densidade de 40 a 90 Ampéres. Este processo produz um corte
esquadrejado e de espessura reduzida, aumentando a velocidade de corte. Espera-
se que a qualidade de corte no plasma de alta densidade seja igual ao do corte
laser. Considerando que o custo de implantação do processo plasma exige um
investimento inicial bem menor, este se tornará o maior concorrente do processo
LASER.
Laser
Dentre as várias aplicações industriais da tecnologia LASER, como soldagem,
marcação, tratamentos térmicos de superfície, furação, o corte, é atualmente o de
maior interesse. Estima-se que a porcentagem de utilização para este fim seja da
ordem de 60%.
A maioria dos cortes executados com este processo encontra-se nos
materiais metálicos (ferrosos e não ferrosos em geral). O corte de materiais não
metálicos como madeira, couro e mármore tem uma pequena parcela de utilização,
quando comparada com a anterior. Os materiais plásticos e compósitos, devido ao
aumento de sua utilização, apresentam-se como segmentos de grande crescimento
para o uso do processo.
Descrição do processo
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. 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. A alta concentração do feixe proporciona uma excelente
qualidade de corte em altas velocidades.
Os conceitos de amplificação da luz e emissão estimulada de radiação são os
tópicos básicos para se entender o funcionamento do processo LASER. A aplicação
de uma dada energia em um meio ativo, via descarga elétrica, radiação luminosa,
reação química ou outra forma qualquer, aumenta seu nível energético e com isto os
elétrons passam a girar em órbitas mais externas. Este processo é denominado
excitação.
O acréscimo energético causado pela excitação será liberado após um tempo
de vida, e o elétron voltará a seu nível energético original, liberando a energia
ganha. O retorno do elétron ao seu nível original procede das seguintes maneiras:
• Colisões: O elétron choca-se com outro consumindo sua energia.
• Emissão espontânea: O elétron emite um fóton naturalmente para
perder o diferencial energético.
Utilizando-se a inversão de população e criando condições para que o retorno
e consequente emissão ocorram de maneira controlada, teremos a chamada
emissão estimulada. A inversão de população consiste em fazer com que se tenham
mais elétrons nos níveis energéticos superiores. A emissão estimulada ocorre
quando se tem um átomo excitado e este recebe o impacto de um fóton. O fóton
recebido causará a emissão de outro. Este processo passa a ser interessante, pois
um único fóton pode estimular a emissão de mais do que um, caracterizando com
isto um ganho real.
Entretanto, no mecanismo descrito, a radiação é emitida de modo
desorientado e policromático, ou seja, sem direções particularmente privilegiadas e
sem que o feixe apresente um comprimento de onda definido. A obtenção do feixe
colimado é conseguida graças à cavidade ressonante (figura 27).
Figura 27 - Cavidade ressonante
No caso particular de corte, é também necessária a presença de um gás, chamado
gás de assistência que, entre outras, tem a função de remover o plasma e o material
fundido da frente de corte.
Mecanismos de corte
O LASER de CO2 pode apresentar distintos mecanismos de corte. Estes
mecanismos são detalhados a seguir:
Fusão - Neste mecanismo, a densidade de potência aplicada no
material a seccionar eleva a temperatura até a formação de um orifício
conhecido como "Keyhole". O gás de assistência remove o material e o
"Keyhole" atua como um corpo negro absorvendo a energia do feixe.
Uma variante deste mecanismo é conhecida como fusão reativa.
Caracteriza-se pela utilização de Oxigênio para que se tenha uma
reação exotérmica em um mecanismo semelhante ao oxicorte.
Vaporização - Neste mecanismo, mostrado na figura 28 a densidade
de energia é suficiente para aquecer o material acima de sua
temperatura de vaporização. Com isto o material deixa a frente de
corte sob a forma de vapor. É um mecanismo que ocorre em materiais
que se volatilizam quando submetidos a aquecimento. ex. PVC,
acrílico, etc.
Figura 28 - Formação do "Keyhole"
Ablação ou degradação química - Aqui a energia do LASER quebra
as ligações químicas interrompendo a integridade estrutural do
material. A velocidade de corte é menor, porém, apresenta bom
acabamento. As superfícies apresentarão sempre uma fina camada de
Carbono livre de aproximadamente 300 micra.
Aplicações
O corte de materiais por LASER é um processo bastante flexível para produzir
superfícies de corte com alta qualidade. Uma de suas principais utilizações é sem
dúvida a execução de pequenos lotes (protótipos), uma vez que não é necessária a
construção de ferramental. Outras aplicações importantes são:
Corte de geometria complexas difíceis de produzir por outros processos.
Corte pulsado preciso, como por exemplo para aços ferramenta.
Materiais difíceis de cortar por outros processos como por exemplo: Titânio,
Alumínio
Materiais não metálicos: madeiras, placas de propaganda, tecidos, etc.
Equipamentos
Conforme ilustrado na figura 29, o equipamento de LASER é composto
basicamente de 3 sistemas:
Figura 29 - Esquema básico de um equipamento LASER
A fonte de alimentação é a responsável pelo fornecimento da energia primária
utilizada na excitação e, principalmente pelo processo de produção de inversão de
população.
Por meio ativo entende-se o material utilizado como conversor de energia
elétrica em energia radiante. Este material caracterizará o LASER ex. CO2, Nd-YAG,
etc.
A cavidade ressonante é o local onde ocorre o processo de amplificação da
radiação. Este processo é mantido em função da própria construção da cavidade,
uma vez que esta tem dois espelhos que refletem e amplificam o feixe. Um espelho
é totalmente refletor e o outro tem um pequeno orifício com aproximadamente 1% da
área, sendo que as paredes da câmara são totalmente espelhadas. O comprimento
da cavidade deve ser igual a um múltiplo do comprimento de onda desejado, para
que o feixe produzido apresente o comprimento de onda e a direção de propagação
esperados.
Variáveis do processo
Os principais parâmetros de corte a serem controlados são apresentados à
seguir:
1. A potência do feixe é que determinará a capacidade do LASER em interagir
com um dado material e iniciar o corte. Como regra geral, um aumento de
potência permite cortar com velocidades maiores, mantendo a mesma
qualidade de corte, ou cortar materiais de maiores espessuras. Entende-se
por modo a distribuição da energia pela secção transversal do feixe. Este
parâmetro se relaciona com o ponto focal, influenciando diretamente a
qualidade do corte.
2. A velocidade de corte deve ser determinada juntamente com a potência e a
pressão e vazão do gás de assistência. Quando se utiliza de um valor muito
elevado, aparecem estrias na superfície de corte, rebarbas na parte posterior
da superfícies de ataque da radiação, ou ainda em casos extremos pode-se
até não se conseguir efetivar o corte por a penetração ser insuficiente. Com
velocidades baixas, observa-se um aumento da Zona Termicamente Afetada
(ZTA) e um decréscimo na qualidade de corte.
3. A vazão do gás de assistência deve ser suficiente para remover o material
fundido proveniente do corte. Vazões mais elevadas devem ser utilizadas nos
casos de corte de materiais reativos como plásticos, madeiras ou borrachas.
Nos cortes de metais, deve ser utilizado Oxigênio pois este proporcionará
uma reação exotérmica, aumentando ainda mais a temperatura, e
possibilitando com isto velocidades de corte ainda maiores.
4. O ponto focal é o ponto de máxima concentração de energia do feixe. Deve
ser colocado na superfície para chapas finas, ou ligeiramente abaixo da
superfície para chapas grossas, com valor máximo de 1/3 da espessura.
Técnicas operatórias
Por se tratar de processo de alta densidade de energia, onde o feixe é muito
concentrado e preciso, e o corte dar-se sob velocidades elevadas, não se opera o
processo manualmente, sempre haverá a necessidade de dispositivos auxiliares de
movimentação.
O mais comum é a utilização de mesas móveis com comando numérico, com
capacidade de movimentação nos eixos x, y e z. Os eixos x e y estabelecem as
coordenadas de corte, enquanto que o eixo "z" servirá para corrigir a altura do ponto
focal em relação à superfície da peça. A variação da distância ponto focal/peça
ocorre por deformações na chapa provocadas pelo corte térmico.
Geralmente a mesa é acoplada a um sistema CAD que comandará as
coordenadas de deslocamento. Para pequenas potências, pode também ser
utilizado um robô com movimentos espaciais, para tanto, o feixe LASER é
transferido por meio de fibras óticas (este processo tem sido muito utilizado na
indústria automobilística).
Comparação com outros processos
A tabela apresentada a seguir tem por finalidade mostrar as principais
vantagens e desvantagens do processo.
Tabela 4 - Análise do processo LASER
Bibliografia
Corte a Laser. http://www.infosolda.com.br/download/62dda.pdf <acessado em
22/08/2010>
Oxi-Corte. http://www.infosolda.com.br/download/62ddm.pdf <acessado em
22/08/2010>
Corte a Plasma. http://www.infosolda.com.br/download/62ddn.pdf <acessado em
22/08/2010>
Jato de água. http://www.infosolda.com.br/download/62ddr.pdf <acessado em
22/08/2010>
Goivagem. http://www.infosolda.com.br/download/62dde.pdf <acessado em
22/08/2010>
Cor te de Meta is .
http://materiaiseprocessos.blogspot.com/2008/04/cisalhamento.html <acessado em
22/08/2010>
